СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК F03B13/00 F03G7/04 

Изобретение имеет отношение к энергетике и касается, в частности, способов получения механической энергии при помощи гидравлического двигателя (ГД) (турбины, радиально-поршневого и др.).

Вклад основных составляющих стационарной энергетики в общую выработку электроэнергии в мировом масштабе в 1990 году выглядел следующим образом (в процентах от их общего количества) тепловые электростанции (ТЭС) 64,3% гидроэлектростанции (ГЭС) 18,48% атомные электростанции (АЭС) 16,94% (Электрические станции. 1993, N 7, с. 64-69, [1]).

Недостатками АЭС являются их небезопасность и ограниченность ресурсов используемого в настоящий момент ядерного топлива.

Недостатком ГЭС является неизбежность затопления населенных пунктов и сельскохозяйственных земель (Энергетика сегодня и завтра./Под ред. Дьякова А.Ф. М. Энергоатомиздат, 1990, с. 199, [2]).

Недостатком ТЭС является ограниченность ресурсов органического топлива. В этой связи важной задачей энергетики является снижение удельного расхода топлива.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является техническое решение, указанное в заявке Франции N 2384965, кл. F 03G 7/04, опубликована в 1978 году, [3] Оно представляет собой способ получения механической энергии, заключающийся в том, что ГД подключен к резервуару с жидкостью, причем ГД находится на уровне ниже, чем поверхность жидкости в резервуаре, жидкость, пройдя ГД, поступает в испаритель (теплообменник), где она превращается в газообразное состояние на уровне ниже, чем поверхность жидкости в резервуаре, давление образовавшегося в испарителе газа и давление жидкости на выходе из ГД меньше, чем давление жидкости на входе в ГД, обусловленное действием на жидкость гравитационной силы, газ из испарителя поступает в конденсатор, установленный на уровне выше, чем уровень, на котором происходит в испарителе превращение жидкости в газ, в конденсаторе газ превращается в жидкость, которая вновь поступает в резервуар с жидкостью и далее на вход в ГД.

Недостаток данного технического решения относительно высокий удельный расход топлива (теплоты).

Задачей изобретения является устранение недостатка прототипа, а именно уменьшение удельного расхода топлива (теплоты).

Очевидно, если такая задача может быть решена, то это "неочевидное" решение для сведущего в энергетических установках (ЭУ) специалиста, поскольку в прототипе она не решена.

Задача заявляемого изобретения решается тем, что в одном из возможных вариантов исполнения заявляемое изобретение представляет собой ЭУ, состоящую из нескольких одинаковых элементов, каждый из которых представляет собой следующее. К резервуару с жидкостью ниже уровня поверхности жидкости в резервуаре (образована за счет действия на жидкость гравитационной силы) подключен ГД. Пройдя ГД, жидкость поступает в испаритель (И), где вся превращается в газ. Превращение жидкости в газ происходит на уровне ниже, чем поверхность жидкости в резервуаре. Газ из И по трубопроводу поступает в конденсатор (К), установленный на уровне выше, чем уровень, на котором происходит превращение жидкости в газ, где он превращается в жидкость. Газ из И в К поступает или за счет разности давлений в них, или принудительно, при помощи насоса.

Давление газа в И и давление жидкости на выходе из ГД меньше, чем давление жидкости на входе в ГД, а следовательно, на рабочий орган ГД будет действовать разность этих давлений, заставляя его совершать работу и получать таким образом механическую энергию, которая при помощи электрогенератора преобразуется в электрическую энергию. Образовавшаяся в К жидкость вновь поступает в резервуар и далее на вход в ГД. В дальнейшем все периодически повторяется.

Эти несколько элементов (каскадов) связаны между собой в единую тепловую схему. А именно газ при конденсации в К предыдущего каскада отдает теплоту промежуточному теплоносителю, который в свою очередь передает эту теплоту жидкости, испаряемой с И последующего каскада, имеющей температуру кипения меньшую, чем температура кипения жидкости в И предыдущего каскада, и так далее все каскады. В последнем каскаде газ конденсации отдает теплоту теплоносителю, который сбрасывает (отдает) ее в окружающую среду или использует ее в иных целях.

Элементы рассмотренной ЭУ могут быть расположены следующим образом: испарители, ГД и электрогенераторы на дне вертикального ствола в земной поверхности определенной глубины, конденсаторы на поверхности земли. Испарители и конденсаторы связаны между собой при помощи трубопроводов.

Таким образом, заявляемое изобретение отличается от прототипа тем, что имеет несколько каскадов, соединенных между собой в единую тепловую схему и что температура кипения жидкости, создающей гидростатический напор на входе в ГД, в последующем каскаде ниже, чем в предыдущем.

Возможен вариант исполнения заявляемого изобретения, когда теплоноситель после выхода из И предыдущего каскада поступает на вход в И последующего каскада.

На фиг. 1 (схематично) показано заявляемое изобретение в варианте исполнения, когда теплота, отдаваемая газом при его конденсации в К предыдущего каскада, передается промежуточному теплоносителю, который, в свою очередь, передает ее жидкости, испаряемой в И последующего каскада, и так далее через все 12 каскадов. Каскады, начиная с 3 по 10, на схеме не показаны, так как имеют такую же схему, что и 2 каскад. Цифрами на фигуре обозначено: 1₁, 1₂ 1₁₂ ГД соответственно первого, второго, двенадцатого каскадов; 2₁, 2₂ 2₁₂ трубопроводы с жидкостью соответствующих каскадов, к которым подключены ГД; 3₁, 3₂.3₁₂ И соответствующих каскадов; 4₁, 4₂.4₁₂ трубопроводы соответствующих каскадов, по которым газ из И поступает в К; 5₁, 5₂.5₁₂ К соответствующих каскадов; 6₁, 6₂.6₁₂ теплоносители на входе в соответствующие каскады; 6₁₃- теплоноситель на входе и выходе в К двенадцатого каскада; 7₁, 7₂.7₁₂- электрогенераторы соответствующих каскадов. Стрелками на фигуре показано: __ __ _→ движение газа из И в К; ---•___→ движение жидкости в трубопроводах 2₁, 2₂.2₁₂ из К через ГД в И; -------L движение теплоносителей 6₁, 6₂.6₁₃.

На фиг. 2 (схематично) показан вариант исполнения заявляемого изобретения, когда теплоноситель после выхода из И предыдущего каскада поступает на вход в И последующего каскада и далее через все каскады. Цифрами на фиг.2 обозначено то же, что и на фиг.1, за исключением: 6₀- теплоноситель по всем каскадам; 8 подогреватель. Каскады с 3 по 10 на фигуре не показаны, так как имеют такую же схему, что и 2 каскад.

В одном из возможных вариантов исполнения заявляемое изобретение представляет собой себя следующее.

ГД 1₁ (фиг.1) подключен к трубопроводу с жидкостью 2₁ таким образом, что находится на уровне ниже, чем поверхность жидкости в трубопроводе 2₁, обусловленная действием на жидкость гравитационной силы. К выходу из ГД 1₁ подключен И 3₁. Жидкость, пройдя ГД 1₁, поступает на вход в И 3₁. К И 3₁ подключен трубопровод 4₁, соединяющий его с К 5₁, который в свою очередь подключен к входу в трубопровод с жидкостью 2₁. Теплота, необходимая для испарения жидкости в И 3₁, подводится теплоносителем 6₁. Конденсатор 5₁ при помощи промежуточного теплоносителя 6₂ соединен (в тепловом отношении) с И 3₂ последующего каскада, и так далее все 12 каскадов. В последнем (12) каскаде К 5₁₂ соединен (в тепловом отношении) с окружающей средой (то есть теплота от конденсирующегося в К 5₁₂ газа передается окружающей среде). В конструктивном отношении полагаем, что И, ГД и электрогенераторы всех каскадов установлены на дне вертикального ствола в земной поверхности, а К всех каскадов установлены на поверхности земли (то есть между И и К имеется вполне определенное расстояние).

В данном варианте исполнения заявляемое изобретение работает следующим образом. Теплота от внешнего источника при помощи теплоносителя 6₁ подводится к жидкости в И 3₁ первого каскада. При этом жидкость, поступившая в И 3₁ через ГД 1₁ из трубопровода 2₁, превращается в газ (вся) на уровне ниже, чем поверхность жидкости в трубопроводе 2₁. Температура кипения жидкости в И 3₁ меньше, чем температура теплоносителя 6₁ на входе и выходе из И 3₁ (так как теплота самопроизвольно может переходить только от более горячего тела к менее горячему телу). Давление газа в И 3₁, а следовательно, и давление жидкости на выходе из ГД 1₁ меньше, чем гидростатическое давление жидкости на входе в ГД 1₁. Следовательно, на рабочий орган ГД 1₁ будет действовать разность этих давлений, заставляя его совершать работу и вырабатывать таким образом механическую энергию, которая преобразуется при помощи электрогенератора 7₁ в электрическую энергию и в таком виде передается потребителям.

Образовавшийся в И 3₁ газ по трубопроводу 4₁ поступает в К 5₁ (за счет разности давлений газа в них и с учетом действия на газ гравитационной силы).

Поступивший в К 5₁ из И 3₁ газ конденсируется в жидкость, при этом теплота фазового перехода (теплота парообразования) от газа передается промежуточному теплоносителю 6₂ (теплоносителю второго каскада).

Образовавшаяся в К 5₁ жидкость, имеющая температуру, близкую к температуре кипения при данном давлении (чтобы для ее последующего превращения в газ в И 3₁ к ней нужно было подвести минимальное количество теплоты), поступает в трубопровод с жидкостью 2₁ и далее вновь на вход в ГД 1₁. В дальнейшем все периодически повторяется.

Промежуточный теплоноситель 6₂, отбирающий теплоту от конденсирующегося в К 5₁ газа, имеет температуру на входе и выходе из К 5₁ меньшую, чем температура сконденсировавшейся в К 5₁ жидкости (чтобы теплота могла самостоятельно переходить от конденсирующегося газа к промежуточному теплоносителю). Таким образом подогретый в К 5₁ промежуточный теплоноситель 6₂ из К 5₁ поступает на вход в И 3₂ второго каскада, где отдает полученную в К 5₁ теплоту испаряемой в И 3₂ жидкости, имеющей температуру кипения (при данном давлении) меньшую, чем температура промежуточного теплоносителя 6₂ на входе и выходе из И 3₂ (по причинам, указанным ранее).

Образовавшийся в И 3₂ газ по трубопроводу 4₂ поступает в К 5₂, и далее все происходит аналогичным первому каскаду образом. Давление газа в И 3₂ и давление жидкости на выходе из ГД 1₂ меньше, чем гидростатическое давление жидкости (обусловленное действием на жидкость гравитационной силы) на входе в ГД 1₂. Следовательно, на рабочий орган ГД 1₂ будет действовать разность этих давлений, заставляя его совершать работы и получать таким образом механическую энергию, преобразуемую при помощи электрогенератора 7₂ (механически связанного с ГД 1₂) в электрическую энергию и далее передаваемую в таком виде потребителям.

Во всех последующих каскадах (до 12) происходят аналогичные процессы. То есть температура кипения испаряемой в испарителе жидкости в предыдущем каскаде выше, чем в последующих каскадах.

В последнем (12) каскаде конденсирующийся газ в К 5₁₂ отдает теплоту промежуточному теплоносителю 6₁₃, который сбрасывает (отдает) ее в окружающую среду.

Таким образом, подводя одно и то же количество теплоты, что и у прототипа (теплота от внешнего источника подводится только в первом каскаде), используя в заявляемом изобретении несколько каскадов с испаряемыми жидкостями, имеющими температуры кипения в каждом последующем каскаде меньшую, чем в предыдущем каскаде, можно получать больше электрической энергии, чем у прототипа. Иными словами для выработки равного количества электроэнергии (с прототипом) в заявляемом изобретении тратится меньшее количество теплоты (топлива) или, что то же самое, заявляемое изобретение имеет меньший удельный расход топлива (теплоты).

Важным свойством жидкости является то, что скрытая теплота парообразования зависит от температуры и уменьшается при ее увеличении, становясь равной нулю при критической температуре (Бретшнайдер С. Свойства газов и жидкостей. М. Химия. 1966, с. 15, [4]).

Теперь если жидкость, поступающая в испаритель, будет иметь температуру, близкую к критической, то для ее превращения в газ к ней нужно будет подводить меньшее количество теплоты, чем вдали от критической точки.

Возможен вариант исполнения заявляемого изобретения (фиг.2), когда теплоноситель после выхода из испарителя предыдущего каскада поступает на вход в испаритель последующего каскада. После прохождения испарителя последнего каскада теплоноситель поступает на вход в конденсатор предыдущего каскада (температура на входе и выходе из этого конденсатора (температура теплоносителя) должна быть меньше, чем температура конденсирующегося в конденсаторе газа). Далее теплоноситель поступает на вход в конденсатор предыдущего каскада, и так далее по всем каскадам. Из конденсатора первого каскада теплоноситель поступает в подогреватель 8, где он нагревается до требуемой температуры, и далее вновь поступает на вход в испаритель первого каскада. В дальнейшем все периодически повторяется.

Возможен вариант исполнения заявляемого изобретения, когда между испарителем и конденсатором установлена турбина, преобразующая энергию движущегося газа в механическую энергию.

Использование: в гидроэнергетике, в частности касается способов получения механической энергии при помощи гидравлического двигателя (ГД). Сущность изобретения: установка состоит из нескольких одинаковых каскадов, соединенных между собой в единую тепловую схему. Каждый каскад состоит из ГД, подключенного к резервуару с жидкостью, причем ГД находится на уровне ниже, чем поверхность жидкости в резервуаре с жидкостью. Жидкость, пройдя ГД, поступает в испаритель, где превращается в газ. Давление газа в испарителе и давление жидкости на выходе из ГД меньше, чем давление жидкости на входе в ГД, обусловленное действием на жидкость гравитационной силы, следовательно, на рабочий орган ГД будет действовать разность этих давлений, заставляя его совершать работу и получать, таким образом, механическую энергию. Образовавшийся газ из испарителя и/или самостоятельно или принудительно удаляется в конденсатор, где, превращаясь в жидкость, отдает теплоту теплоносителю, который, в свою очередь, отдает ее жидкости, испаряемой в испарителе последующего каскада, имеющей температуру кипения меньшую, чем у жидкости в предыдущем каскаде. И так далее во всех каскадах. Образовавшаяся в конденсаторе жидкость поступает вновь в резервуар с жидкостью и далее на вход в ГД. В дальнейшем все периодически повторяется. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения механической энергии, заключающийся в том, что гидравлический двигатель подключают к резервуару с жидкостью, причем гидравлический двигатель располагают на уровне ниже, чем поверхность жидкости в резервуаре, жидкость из гидравлического двигателя подают в испаритель, где жидкость подвергают воздействию теплоносителя и преобразуют в газообразное состояние, при этом обеспечивают давление газа в испарителе и давление жидкости на выходе из гидравлического двигателя меньше, чем давление жидкости на входе в гидравлический двигатель, обусловленное действием на жидкость гравитационной силы, далее газ подают в конденсатор, установленный на уровне выше, чем уровень испарителя, в конденсаторе осуществляют теплообмен газа с теплоносителем и перевод газа в жидкое состояние, а полученную жидкость вновь подают в резервуар, отличающийся тем, что используют несколько каскадов подобных установок, соединенных в единую тепловую схему, в которой теплоноситель из конденсатора предыдущего каскада подают в испаритель последующего, а из последнего теплоноситель возвращают в упомянутый выше конденсатор, при этом в каждом предыдущем каскаде используют жидкость с температурой кипения выше, чем в последующем. 2. Способ получения механической энергии, заключающийся в том, что гидравлической двигатель подключают к резервуару с жидкостью, причем гидравлический двигатель располагают на уровне ниже, чем поверхность жидкости в резервуаре, жидкость из гидравлического двигателя подают в испаритель, где жидкость подвергают воздействию теплоносителя и преобразуют в газообразное состояние, при этом обеспечивают давление газа в испарителе и давление жидкости на выходе из гидравлического двигателя меньше, чем давление жидкости на входе в гидравлический двигатель, обусловленное действием на жидкость гравитационной силы, далее газ подают в конденсатор, установленный на уровне выше, чем уровень испарителя, в конденсаторе осуществляют теплообмен газа с теплоносителем и перевод газа в жидкое состояние, а полученную жидкость вновь подают в резервуар, отличающийся тем, что используют несколько каскадов подобных установок, соединенных в единую тепловую схему, в которой теплоноситель из испарителя предыдущего каскада подают на вход в испаритель последующего, а возврат теплоносителя осуществляют через конденсаторы каскадов, при этом в каждом предыдущем каскаде используют жидкость с температурой кипения выше, чем в последующем. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что по меньшей мере газ из одного испарителя перед подачей в конденсатор подают в газовую турбину. 4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что по меньшей мере в одном каскаде жидкость в испарителе имеет температуру на входе близкую или равную критической температуре. 5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что получаемую механическую энергию при помощи электрогенератора преобразуют в электрическую энергию.