ДВУХФАЗНЫЙ ГРАВИТАЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК F03G3/00 

Изобретение относится к области гравитационных двигателей с внешним подводом тепла и может быть использовано для преобразования энергии низкопотенциальных источников тепла в механическую энергию с более высоким КПД.

Известно устройство гравитационного двигателя (патент ФРГ 2951574, кл. F 03 3/00, 1981), содержащее резервуар с жидкостью высотой (H), в котором установлена вертикально движущаяся замкнутая цепь с колоколами на звеньях, на дне которой под колоколами установлен участок подвода тепла, а в верхней части резервуара холодильник.

Колокола последовательно заполняются паром кипящей на участке подвода тепла жидкости в нижней части резервуара. Возникает подъемная сила и цепь движется, совершая механическую работу, в верхней части резервуара пар сбрасывается в холодильник, а сконденсированная жидкость возвращается в резервуар.

Недостатками лифтовых двигателей являются:
большие утечки тепла из-за больших габаритов;
большие гидравлические сопротивления движению цепи с колоколами, а следовательно, небольшие скорости движения цепи и небольшая снимаемая мощность.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство парового термосифонного двигателя Ренкина. (T. Nguyeu, M. Mochizuku "Thermosyphon Rankine Engine" Heat Recovery Systems. CHP. Volume 15.1995 p. 73).

Это устройство содержит вертикально расположенный цилиндрический герметичный корпус термосифона, частично заполненный жидкостью, с устройством подвода тепла к жидкости в нижней части, с адиабатической паровой средней зоной и холодильником в верхней зоне, в паровой зоне термосифона установлены паровые сопла и паровая турбина соосно с цилиндрическим корпусом, вал турбины соединен с электродвигателем, установленным внутри корпуса термосифона.

Недостатками этого двигателя являются:
низкий КПД (Heat Recovery Systems CHP Volume 15, 1995) паросилового цикла Ренкина, так как в цикле используется сухой насыщенный пар, полученный от низкопотенциального источника тепла;
не используется кинетическая энергия кипящей жидкости.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно возможность увеличения КПД преобразования энергии низкопотенциального тепла, используя кинетическую энергию кипящей жидкости.

Для достижения поставленной задачи в "двухфазный гравитационный двигатель", содержащий термосифон с корпусом, частично заполненным жидкостью, и установленной в нем турбиной, внутри корпуса под турбиной вертикально установлена труба с зазорами относительно корпуса термосифона и ротора турбины, а в зазоре между боковой поверхностью трубы и корпусом установлено, как минимум, одно парожидкостное сопло турбины, при этом турбина выполнена парожидкостной, а уровень кипящей жидкости находится выше турбины.

Сущность изобретения поясняется схемой, приведенной на чертеже. Устройство "двухфазного гравитационного двигателя" содержит вертикальный цилиндрический герметичный корпус термосифона (1), нижняя часть которого, заполненная жидкостью, является теплоприемником (Q₁), а верхняя часть холодильником (Q₂). В жидкостной полости корпуса (1) установлена кооксиально труба (2), которая имеет зазор (3) между днищем корпуса (1) и ее нижним торцом и кольцевой зазор между боковой поверхностью трубы (2) и внутренней поверхностью корпуса (1). В корпусе (1) над верхним торцом трубы (2) с зазором установлен ротор парожидкостной турбины (4) соосно с корпусом (1) и трубой (2) в подшипниках (5), а лопатки турбины (4) расположены в кольцевом зазоре. Перед лопатками турбины (4) в кольцевом зазоре установлены неподвижно парожидкостные сопла (7). Вал (8) турбины (4) соединен с электрогенератором (9).

Устройство работает следующим образом. Труба (2) разделяет кипящую жидкость на два потока; на жидкостной поток в трубе (2) и на парожидкостной поток в кольцевом зазоре, в котором жидкость под действием сил гравитации и вязкости поднимается вверх, приобретая кинетическую энергию, затем соплами (7) ускоряется и направляется (дроссилируется) на лопатки турбины (4).

На выходе из кольцевого зазора отработанный парожидкостной поток разделяется на два паровой и жидкостной. Пар поступает в холодильник, а жидкость через центральную зону турбины (4) по трубе (2) опускается в зону начала кипения. Сконденсированная жидкость из холодильника также стекает в трубу (2).

В отличие от двигателя прототипа, в котором на лопатки турбины подается пар, в предлагаемом двигателе на лопатки трубины подается парожидкостная смесь, которая разгоняется под действием подъемных сил паровых пузырей.

Для доказательства задачи изобретения рассмотрим одну секцию двигателя в виде замкнутой вертикальной петли с поперечным сечением одного сопла турбины и сравним с аналогичной петлей устройства прототипа при одинаковой производительности пара и при одинаковых параметрах пара.

Теплоноситель вода. Сечение каналов (3х2)см², S=6•10^-4м². Высота парожидкостной зоны H=0,5 м. Массовое паросодержание X=0,1 м. Высота паровой зоны прототипа H=0,5 м. Поворотные части каналов вверху и внизу на 180^o с радиусом R-0,1 м, которые соответственно являются зоной полной конденсации и зоной подвода тепла, в которой достигается заданное паросодержание. Давление в зоне кипения ρ_кип = 1 атм, следовательно, t_кип=100^o.

Расчет проводился по программе "Смоголев И.П. Анисимов В.В. и др.", "Программный комплекс для гидравлического расчета потерь давления на персональном компьютере" Атомная энергия. т. 70, с. 402, 1991 г. и материалами справочника ИЕ Идельчик. "Справочник по гидравлическим сопротивлениям" М. Машиностроение 1975, с.26.

В результате расчетов: для предлагаемого двигателя расход парожидкостного потока G=583,9 кг/час, скорость парожидкостной смеси V=46 м/сек, плотность ρ = 5,77 кг/м³, расход пара G_пар=0,0267 м³/сек, мощность парожидкостной струи N₁=169 Вт.

Для двигателя прототипа: при тех же габаритах и параметрах, но в нижнем повороте канала вся жидкость превращается в сухой пар. Расход пара G_n=0,0267 м³/сек,скорость пара V"=44,5 м/сек, плотность пара ρ″ = 0,597 кг/м³ мощность паровой струи N₂=16 Вт.

Лифтовый двигатель: уровень жидкости в резервуаре H=0,5 м, колокол полусферической формы V= 0,0267 м³ заполняется паром за 1 сек. С учетом только гидравлического сопротивления скорость подъема колокола V=0,15 м/сек, подъемная сила P=26,7 кг, развиваемая мощность N₃=40 Вт.

Сравнивая результаты, можно сделать вывод, что при одинаковых тепловых затратах наиболее эффективным преобразователем тепловой энергии в механическую является предлагаемый "двухфазный гравитационный двигатель".

N₁=169 Вт, N₂=16 Вт, N₃=40 Вт.

Использование: преобразование энергии низкопотенциальных источников тепла в механическую энергию. Сущность изобретения: внутри корпуса термосифона под турбиной вертикально установлена труба с зазором относительно корпуса термосифона и ротора турбины, и в зазоре между боковой поверхностью трубы и корпусом установлено, как минимум, одно парожидкостное сопло турбины, при этом турбина выполнена парожидкостной, а уровень кипящей жидкости находится выше турбины. 1 н.п. ф-лы, 1 ил.

Двухфазный гравитационный двигатель, содержащий термосифон с корпусом, частично заполненным жидкостью и установленной в нем турбиной, отличающийся тем, что внутри корпуса под турбиной вертикально установлена труба с зазорами относительно корпуса термосифона и ротора турбины, а в зазоре между боковой поверхностью трубы и корпусом установлено, как минимум, одно парожидкостное сопло турбины, при этом турбина выполнена парожидкостной, а уровень кипящей жидкости находится выше турбины.