ТЕПЛОИСПОЛЬЗУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1997 года по МПК F25B13/00 

Предложение относится к энергетике вообще и более всего к тепловым насосам. Применяться может везде, где имеются теплый влажный воздух и источники низкопотенциального тепла.

Тепловые насосы становятся одним из наиболее распостраненных направлений в теплоэлектроэнергетике в связи с начавшимся энергетическим кризисом и возросшими стимулами энергосбережения. Существует широкий класс тепловых насосов, описанных в литературе, например: Бартош Е.Т. Тепловые насосы в энергетике железнодорожного транспорта. М. Транспорт, 1985 г. Практически тепловые насосы по сложности не уступают существующим холодильным машинам, используют те же циклы и рабочие тела, что является серьезным недостатком с точки зрения затрат на производство и эксплуатацию и несоответствия экологическим требованиям. Очень важно не только реализовать низкопотенциальное тело, но и получить в результате энергию или работу с наиболее высоким типом температурного потенциала, например в виде электрической энергии.

Наиболее близким аналогом заявляемого теплового насоса является термоэлементный тепловой насос (см. Бартош Е.Т. Тепловые насосы в энергетике железнодорожного транспорта. М. Транспорт, 1985 г. стр. 99), так как в нем происходит прямая трансформация низкопотенциального тепла в электрическую энергию, или с помощью электроэнергии получают тепло и холод.

При поддерживании различных температур на контактах цепи, составленной из двух проводящих стержней различных материалов с существенно отличными термоэлектродвижущими силами, возникает электрический ток (эффект Зеебека) с электродвижущей силой
E (Э_а-Э_б)(Т₂-Т₁),
где Э_а и Э_б коэффициенты термоэлектродвижущей силы стержней;
Т₂ и Т₁ разность температур на стержнях.

Для получения заметной мощности применяют очень сложные и громоздкие каскадные сборки. Получаемое напряжение на одной секции недостаточно высокое, и сборка соединяется последовательно-параллельно в большие тяжелые блоки, что еще более усложняет и делает ненадежной энергоустановку такого типа.

Целью настоящего предложения является энергетическое преобразование низкопотенциального тепла природной и производственной атмосфер для получения электрической энергии, холода и воды.

Цель достигается в теплоиспользующем устройстве, состоящем из приемника низкопотенциального тепла, разгонного теплогазодинамического устройства, преобразователя тепловой энергии в электрическую, которое выполнено как тепловой насос в виде кольцевого канала, в котором разгонное теплогазодинамическое устройство является комбинированным соплом Лаваля, имеющим по потоку входное устройство с вентиляторами подачи и перемешивания теплового и холодного воздуха, коронирующий разрядник, докритическую часть с окном подвода переохлажденного воздуха и дополнительным коронирующим разрядником, сверхзвуковую часть, переходящую в диэлектрический канал электрогазодинамического генератора-детандера с электрическими цепями питания внешней нагрузки, коронирующих разрядников и пусковых источников высокого напряжения, причем канал электрогазодинамического генератора-детандера, как часть кольцевого канала, имеет приемник конденсатора с электромагнитным узлом встряхивания и разделяется на три параллельных канала, подающих с помощью вентиляторов переохлажденный воздух всего в докритическое сечение, затем к внешнему потребителю и далее на вход в сопло Лаваля, а для запуска предусмотрена баллонная рампа сжатого воздуха.

Устройство, показанное на чертеже, состоит из кольцевого канала 1-2-3-4-5-6, включающего сверхзвуковое сопло Лаваля, имеющего окно 7 с вентилятором 8 для подачи теплового влажного воздуха, окно 9 с вентилятором 10 для подачи переохлажденного в электрогазодинамическом генераторе-детандере 11 воздуха, первого коронирующего разрядника 12, запитанного от запускающего источника высокого напряжения 13, с ключами 14 и 15, дозвуковой камерой смешения 1, переходящей в сужающуюся докритическую часть, в свою очередь состоящую из конфузора 20, в котором вмонтированы острийный электрод 16 и вытягивающий электрод 17 второго коронирующего разрядника 21, и соплом эжектора, в котором в пределах докритического сечения предусмотрено кольцевое окно 22 приема переохлажденного воздуха, который вначале доводит скорость всего потока до звуковой и необходим для охлаждения воздуха, поступающего из дозвуковой части, в процессе его движения по сверхзвуковой части сопла Лаваля, которое переходит в канал электрогазодинамического генератора-детандера 11 с коллекторами 24 и вытягивающими электродами 25, причем канал электрогазодинамического генератора-детантера переходит в канал 4-5-6, и имеет приемник конденсата 26 с устройством 27 электромагнитного встряхивания, подвески 28 и имеющий крышку 29. Весь рабочий канал сопла Лаваля и электрогазодинамического генератора-детандера выполнен из диэлектрика со стенками 18, 19, 23. Для запуска устройства предусмотрена баллонная рампа сжатого воздуха (на чертеже условно не показана), от которой через каналы 30 и 31 переключением вентилей 32, 33, 34, 35 переохлажденный при дросселировании воздух поступает в каналы 9, 1, 16, 22 вместе с теплым воздухом в каналы 7, 1, 16. Электрическая сеть состоит из пускового источника 13, электрогазодинамического генератора-детандера 11, балластного сопротивления 36, полезной нагрузки 37, включателя и цепи питания вентиляторов 8, 10 и электромагнитного узла встряхивания 27, а также при включении вентиляторов 8, 10, 38, включении в работу разрядников 12 и 21 от источника 13. При этом теплый влажный воздух через окно 7 поступает вместе с переохлажденным при дросселировании от баллонной рампы воздухом через окно 9 в канал смешения 1, заряжается в разрядке 12, и в связи с резким понижением температуры смеси потоков на ионах происходит ударная конденсация водяных паров, что порождает большое количество заряженных кластеров воды и выделение энергии конденсации паров и замерзания микрокапель и кластеров в количестве 2600 джоулей на 1 грамм пара. Так как при расходе влажного воздуха один м³/сек при начальной температуре +30^oC конденсируется 42,43 г, общее выделение энергии составляет 110,38 кДж/сек. Разогнанный предварительно вентиляторами 8, 10 воздух до скоростей не более 10-20 м/сек за счет подвода к нему тепла фазовых переходов, а также за счет сужения сечения конфузора 20 сопла ускоряется до околозвуковой скорости в докритическом сечении, а за счет подвода к околозвуковому потоку переохлажденного пускового воздуха скорость общего потока доводится до звуковой в критическом сечении, а затем переходит в сверхзвуковой части сопла Лаваля в скорость сверхзвуковую, которая увеличивается также за счет того, что сразу же после критического сечения начинается понижение температуры смешанного потока из-за подмешанного в докритическом сечении переохлажденного воздуха после электрогазодинамического генератора-детандера. Таким образом, в дозвуковой части сопла Лаваля использованы принципы ускорения потока как теплового, так и расходного сопла, помимо ускоряющего воздействия конфузора. А в сверхзвуковой части сопла работают на ускорение как геометрия обычного сопла Лаваля, так и законы теплового сопла за счет понижения температуры смешанного и уже сверхзвукового потока после критического сечения. Важно отметить, что масса переохлажденного электрогазодинамического генератора-детандера воздуха подведена именно к околозвуковому потоку до критического сечения, что доускоряло околозвуковой поток до звуковой скорости, а вот торможение этого же потока за счет того, что дополнительная масса имеет значительно меньшую температуру не происходит из-за того, что у суммарного потока времени на перемешивание и усреднение температуры нет, и поток успевает при своей прежней температуре, установившейся после теплоподвода, перейти в сверхзвуковую часть сопла, ускориться там до сверхзвуковой скорости за счет геометрии сопла Лаваля, и, спустя некоторое время, за которое перемешивание общего потока станет заметным, начинается дополнительное понижение температуры уже сверхзвукового потока и в соответствии с теорией теплового сопла дополнительное ускорение потока с увеличением его кинетической энергии и термодинамического коэффициента полезного действия преобразования тепла в работу.

На этом кончается процесс превращения низкопотенциального тепла в кинетическую энергию и начинается процесс превращения этой энергии в электрическую.

Это обеспечивается прежде всего дополнительной зарядкой многофазного потока холодного воздуха во втором по потоку разряднике 21, а затем работой заряженного потока, несущего со сверхзвуковой скоростью объемный заряд в канал электрогазодинамического генератора-детандера, где вначале этот заряд оседает на коллекторах 24, а далее электрическое поле коллекторов во взаимодействии с движущимся объемным зарядом генерирует постоянное напряжение в диапазоне (50-200) кВ на коллекторах, что позволяет осуществлять питание внешней нагрузки 37 и через балластное сопротивление 36 вентиляторы 8, 10, 38, отключить источник 13, закрыть вентили 32, 35 и открыть вентили 33, 34. На этом запуск установки завершен. От электрогазодинамического генератора-детандера поступает электроэнергия на полезную нагрузку 37, в приемник 26 поступает конденсат чистой воды, которая при заполнении приемника, открытием крышки 29 за счет встряхивания приемника 26 на подвесках 28 электромагнитной волной от узла 27 направляется к потребителю. Переохлажденный воздух через отвод 39 поступает к внешнему потребителю, а через вентиль 34 и вентилятор 38 в докритическое сечение для подмешивания к околозвуковому потоку и ускорения его до скорости звука и последующего охлаждения и ускорения потока уже в сверхзвуковой части; через канал 5-6 и окно 9 и вентилятор 10 в канал смещения 1 для охлаждения до отрицательной температуры поступающего через окно 7 и вентилятор 8 теплого влажного воздуха.

Максимальная температура воздуха в дозвуковом потоке может достигать (+10 +15)^oC, минимальная температура в сверхзвуковом сопле может достигать при этом (-30 -40)^oC, а после электрогазодинамического генератора-детандера (-70 -90)^oC.

Для привода трех вентиляторов и начального разгона воздушного потока до 10 м/сек требуется электрическая мощность около 700 Вт (коэффициент полезного действия вентиляторов 75%). Даже с коэффициентом полезного действия сопла 10% и при коэффициенте полезного действия электрогазодинамического генератора-детандера 50% что является реальным значением, полученная электрическая энергия составит не менее 10 кДж на 1 м³ теплого воздуха (191 кВт тепло фазовых переходов в 1 м³/сек). Реально можно считать, что половина подведенного тепла фазовых переходов в конечном счете после оптимизации всех участков преобразования энергии может быть получена в виде электрической энергии.

Так как ежегодно солнце испаряет с водных поверхностей 448000 км³ и с суши 63000 км³ водяного пара при стоке с суши в моря 99000 км³ и ежегодных осадков над морем 412000 км³, можно представить, какова мощность циркулирующей энергии фазовых переходов на земном шаре. Приближенно, примерно в миллион раз энергия конденсации превышает годовые потребности населения земного шара. Но даже если всего в 10 раз эта энергия больше наших потребностей, то стоит реализовать предлагаемое устройство, чтобы прекратить сжигать углеводородное ценнейшее химическое сырье, восстановив экологическое равновесие природы.

Устройство особенно полезно для засушливых зон, где водяного пара много за счет принесенного от зон повышенной влажности, так как даст не только электроэнергию, но холод для холодильников и воду для питья.

Справочный состав атмосферы по абсолютной влажности и по энергии фазовых переходов на 1 м³:
-20^oC 1,073 г/см² 2790 Дж/м³
-10^oC 2,357 г/см² 6128 Дж/м³
0^oC 4,845 г/см² 12597 Дж/м³
+10^oC 12,270 г/см² 31902 Дж/м³
+20^oC 23,370 г/см² 60762 Дж/м³
+30^oC 42,430 г/см³ 110380 Дж/м³
+40^oC 73,780 г/см² 191828 Дж/м³
(Физическая энциклопедия, М. 1961 г. в пяти томах).

Очень удобен этот энергоисточник для кораблей, так как влажность над морем, особенно в тропических зонах, всегда высокая, а энергия, например, при 40^oC, получаемая с 1 м³, уже составляет около 200 кДж. Корабль в этих условиях может иметь установки с любым расходом, так как получает избыточную энергию. При 20 м³/сек электрическая мощность составляет 2000 кВт, и приход дистиллированной воды в сутки составит около 120 тонн. Если предусмотреть иные источники как накопители энергии фазового перехода для зимних условий, то практически водный транспорт может не зависеть от наличия на борту топлива.

Использование: в энергетике вообще, в частности к тепловым насосам. Сущность: теплоиспользующее устройство, состоящее из приемника низкопотенциального тепла, разгонного теплогазодинамического устройства, преобразователя тепловой энергии в электрическую, которое выполнено как тепловой насос в виде кольцевого канала, в котором разгонное теплогазодинамическое устройство является комбинированным соплом Лаваля, имеющем по потоку входное устройство с вентиляторами подачи и перемешивания теплового и холодного воздуха, коронирующий разрядник, докритическую часть с окном подвода переохлажденного воздуха и дополнительным коронирующим разрядником, сверхзвуковую часть, переходящую в диэлектрический канал электрогазодинамического генератора - детандера с электрическими цепями питания внешней нагрузки, коронирующих разрядников и пусковых источников высокого напряжения, причем канал электрогазодинамического генератора - детандера, как часть кольцевого канала, имеет приемник конденсата с электромагнитным узлом встряхивания и разделяется на три параллельных канала, подающих с помощью вентиляторов переохлажденный воздух прежде всего в докритическое сечение, затем к внешнему потребителю и далее на вход в сопло Лаваля, а для запуска предусмотрена баллонная рампа сжатого воздуха. 1 ил.

Теплоиспользующее устройство, состоящее из приемника низкопотенциального тепла, разгонного теплогазодинамического устройства, преобразователя тепловой энергии в электрическую, отличающееся тем, что оно выполнено как тепловой насос в виде кольцевого канала, в котором разгонное теплогазодинамическое устройство является комбинированным соплом Лаваля, имеющим по потоку входное устройство с вентиляторами подачи и перемешивания теплого и холодного воздуха, коронирующий разрядник, докритическую часть с окном подвода переохлажденного воздуха и дополнительным коронирующим разрядником, сверхзвуковую часть, переходящую в диэлектрический канал электрогазодинамического генератора-детандера с электрическими цепями питания внешней нагрузки коронирующих разрядников и пусковых источников высокого напряжения, причем канал электрогазодинамического генератора-детандера как часть кольцевого канала имеет приемник конденсата с электромагнитным узлом встряхивания и разделяется на три параллельных канала, подающих с помощью вентиляторов переохлажденный воздух прежде всего в критическое сечение, затем к внешнему потребителю и далее на вход в сопло Лаваля, а для запуска предусмотрена балонная рампа сжатого воздуха.