СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 1997 года по МПК F03G7/06 

Изобретение относится к области энергетики, в частности к тепловым двигателям, использующим изменения температуры окружающей среды для преобразования тепловой энергии в механическую при периодическом охлаждении и нагревании рабочего тела.

Изобретение может использоваться при строительстве и эксплуатации сооружений, создании электростанций (особенно в районах Крайнего Севера) и других установок.

Известен способ получения механической энергии [1] в котором рабочее тело (воду) нагревают до температуры испарения с получением механической энергии при фазовом переходе рабочего тела в пар с последующим охлаждением рабочего тела до температуры конденсации с совершением холостого хода.

Недостатками известного способа являются низкая эффективность при больших энергозатратах, малый коэффициент полезного действия.

Наиболее близким по технической сущности и решаемым задачам к заявляемому способу является способ получения механической энергии [2] в котором расширяющееся при замерзании рабочее тело (воду) охлаждают до температуры кристаллизации с получением механической энергии за счет увеличения объема рабочего тела при его фазовом превращении с последующим нагреванием рабочего тела до температуры плавления с совершением холостого хода.

Недостатками данного аналога являются: низкая эффективность способа вследствие малого (до 10%) расширения рабочего тела и значительной продолжительности кристаллизации и расплавления рабочего тела, невозможность получения механической энергии в области положительных температур.

Известен способ подъема давления природного газа [3] в котором используются газогидраты (клатратный лед), в которые для получения высокого давления нагревают до температуры их разложения. Однако в заявляемом способе в отличие от известного (а.с. N 237770) используют для получения механической энергии фазовый переход клатратного льда, получая при этом механическую энергию в области отрицательных температур, тем самым расширяя рабочий диапазон, то есть повышая эффективность способа.

Нами не обнаружено технических решений, в которых использовался бы фазовый переход клатратного льда с целью получения механической энергии.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности использования способа за счет увеличения рабочего хода, сокращения времени фазового перехода рабочего тела, снижения энергозатрат, а также расширения температурного диапазона применения способа, в результате увеличения объема рабочего тела как при отрицательных, так и положительных температурах.

Указанная задача достигается тем, что перед заполнением рабочей камеры водой ее предварительно насыщают газом, способным образовывать с водой клатратный лед, а нагревание рабочего тела осуществляют до температуры разложения рабочего тела, превышающей температуру плавления, с выделением газа и получением механической энергии за счет совершения рабочего хода как в области отрицательных температур, в результате фазового перехода, так и в области положительных температур, при разложении рабочего тела, причем после образования клатратного льда из рабочей камеры отводят балластную воду.

Использование в качестве рабочего тела газонасыщенной воды обусловлено тем, что при замерзании она увеличивает свой объем на 15 20% больше, нежели при кристаллизации обыкновенной воды, в результате чего может быть получена большая механическая энергия. Кроме того время образования и разложения клатратного льда значительно меньше, чем время кристаллизации и расплавления обыкновенного льда. Это позволяет дополнительно повысить эффективность использования предлагаемого способа.

И наконец, если в прототипе в области положительных температур получение механической энергии невозможно, поскольку вода, образованная при расплавлении обыкновенного льда, не расширяется, то в предлагаемом способе это имеет место, в результате выделения большого количества газа (1 см³ клатратного льда выделяет до 300 см³ газа) в процессе разложения клатратного льда при его нагревании.

Удаление балластной воды необходимо для того, чтобы сократить время фазового перехода рабочего тела и чтобы при разложении клатратного льда весь выделяющийся газ участвовал в получении механической энергии, а не растворялась бы часть его в балластной воде. Кроме того, различные примеси (соли и т. п. ), находящиеся в балластной воде, будут удаляться с ее удалением из рабочей камеры, что улучшает свойства клатратного льда.

Таким образом, с помощью предлагаемого способа можно повысить эффективность преобразования тепловой энергии в механическую и расширить температурный диапазон использования этого способа (как в отрицательной, так и в положительной области).

Осуществить указанный способ можно следующим образом.

При комнатной (или любой, но более 10^oC) температуре помещают в рабочую камеру 1 (см. чертеж) через вентиль 2, расположенный под поршнем 3 в стенке рабочей камеры, воду, в которой растворен газ, в количестве достаточном для образования клатратного льда. Закрыв вентиль, снижают температуру газонасыщенной воды в зависимости от вида газа до 1 6^oC. Температуру внутри рабочей камеры регистрируют с помощью термопары 4 и милливольтметра 5. При указанной температуре в рабочей камере образуется клатратный лед и остается избыточная (балластная) воды. Затем через вентиль 2 удаляют балластную воду, в результате чего в рабочей камере остается только клатратный лед, представляющий собой рабочее тело, которое и используют для получения механической энергии.

Так, при снижении температуры в отрицательную область клатратный лед расширяется и перемещает поршень (рабочий ход), тем самым совершая механическую работу. Если теперь начать повышать температуру рабочего тела, объем клатратного льда уменьшается и поршень будет совершать обратный (холостой) ход. Однако при достижении температуры разложения клатратного льда из него начнет выделяться газ и поршень будет вновь совершать рабочий ход, но уже не при охлаждении, а при нагревании рабочего тела и не в отрицательной, а в положительной области температур.

Таким образом, рабочий ход поршня значительно увеличивается по сравнению с прототипом, а следовательно, возрастают механическая энергия и эффективность способа.

Пример. В рабочую камеру 1 объемом 1,5•10^-2 м³ через вентиль 2 при температуре 20^oC поместили под поршень 5 л воды насыщенной пропаном. С помощью холодильника снизили температуру внутри камеры до -3^oC (зимой для этой цели использовали низкую температуру наружного воздуха). После образования клатратного льда (момент его образования фиксировался по милливольтметру 5) через вентиль 2 удалили балластную воду. Снизили температуру рабочего тела до -12^oC (для этой цели использовались либо морозильная камера, либо наружный воздух). При этом объем рабочего тела возрос на 30% и поршень поднялся на 10 см (если бы вместо клатратного использования обыкновенный лед, объемное расширение которого 10% то поршень поднялся бы только на 3 см). При повышении температуры (в нашем примере до 20^oC) клатратный лед сначала расплавился и объем рабочего тела уменьшился до первоначального значения (совершился холостой ход), а затем в результате выделения газа поршень вновь поднялся но уже на высоту 40 см, что позволило получить дополнительную механическую энергию.

Преимущества технико-экономических показателей заявляемого способа перед прототипом (базовым объектом) показаны в таблице.

Таким образом, использование заявляемого способа позволяет повысить эффективность и энергоемкость и получить возможность совершения механической работы как при отрицательных так и при положительных температурах.

Использование: в области энергетики. Сущность: за счет использования в качестве рабочего тела предварительно насыщенной газом воды, причем механическая энергия получается как в результате фазового перехода, так и разложения рабочего тела, что позволяет получить механическую энергию и при отрицательных, и при положительных температурах окружающей среды. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Способ получения механической энергии, основанный на изменении объема рабочего тела при изменении температуры, заключающийся в том, что рабочую камеру заполняют рабочим телом в виде газового гидрата, способного образовывать клатратный лед, а затем нагревают до температуры разложения с образованием газовой фазы, отличающийся тем, что газовый гидрат дополнительно охлаждают до температуры ниже образования клатратного льда. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что газовый гидрат образуют, предварительно насыщая рабочую камеру газом с последующим заполнением ее водой. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что после образования клатратного льда из рабочей камеры отводят балластную воду.