ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1998 года по МПК F01K27/00 

Изобретение относится к энергомашиностроению и касается усовершенствования энергетических установок, в которых осуществляется образование энергии при помощи гидравлических двигателей.

Наиболее близкой к изобретению является энергетическая установка, содержащая энергетический блок, включающий емкость с жидкостью, соединенный с ней гидравлический двигатель, теплообменник и конденсатор, подключенный к теплообменнику и емкости [1].

Недостатками данной установки являются сложность конструкции и невысокий КПД вследствие высоких удельных затрат теплоты.

Задачей изобретения является упрощение конструкции и повышение КПД за счет уменьшения удельных затрат теплоты и усовершенствования конструкции установки и связей ее узлов и элементов между собой.

При этом установка содержит несколько (два и более) энергетических блоков, соединенных в единую тепловую схему.

Возможны варианты исполнения установки, когда испаритель, трубопровод и конденсатор (все или один из них) выполнены как вращающимися, так и не вращающимися.

Возможен вариант исполнения, когда газ из испарителя поступает в реактивное сопло, совершающее вращение вместе с установкой, которое создает тягу, которая в свою очередь создает крутящий момент в направлении вращения установки. Далее газ может поступать в конденсатор или другим потребителям.

Жидкости в испарителях (в одном или нескольких) могут не все превращаться в газ. Не превращенные в газ жидкости удаляются из испарителей.

Возможен вариант исполнения, когда не весь газ в конденсаторе превращается в жидкость.

Жидкости, образующиеся в конденсаторах, могут не все поступать в емкость (емкости).

Возможен вариант исполнения, когда (в одном или более блоках) жидкость из конденсатора вообще не поступает вновь на вход в емкость. В этом случае для непрерывной работы установки в емкость должна поступать жидкость из другого источника. В этом варианте исполнения конденсатор вообще может отсутствовать.

Возможен вариант исполнения, когда в одном или более блоках жидкость, проходя по емкости (в направлении от оси вращения), получает теплоту, и при поступлении в испаритель превращается в газ. В этом варианте емкость выполняет роль теплообменника, а испаритель - только роль камеры, в которой жидкость превращается в газ. Возможен и совместный подвод теплоты как в емкость, так и в испаритель. По мере движения от оси вращения температура жидкости возрастает, но возрастает и давление в жидкости, обусловленное действием на жидкость центробежной силы, что препятствует закипанию жидкости непосредственно в испарителе.

Возможен вариант исполнения, когда между испарителем и конденсатором установлен двигатель (например, газовая турбина), преобразующий энергию движущегося газового потока в механическую энергию.

Возможен вариант исполнения, когда газ из испарителя (в одном или нескольких блоках) поступает в компрессор, где его давление и температура повышаются. Из компрессора газ поступает в конденсатор, где отдает теплоту теплоносителю, который в свою очередь отдает ее и/или испаряемой в испарителе жидкости или используется в иных целях.

Получаемая в установке механическая энергия может преобразовываться при помощи электрогенератора в электроэнергию.

В качестве гидравлического двигателя может быть использован любой гидравлический двигатель, преобразующий в механическую энергию как преимущественно гидростатический напор жидкости (осевые, центростремительные и другие типы турбин, радиально-поршневые и другие поршневые и роторные гидродвигатели объемного расширения), так и преимущественно динамический напор жидкости (ковшовые турбины и др.). В последнем случае гидростатический напор при выходе из емкости должен быть преобразован в высокоскоростную струю жидкости (при помощи реактивного сопла) и в таком виде подаваться на рабочий орган гидравлического двигателя (например, на ковш ковшовой турбины).

Изобретение поясняется чертежом.

Установка содержит емкость 1 с жидкостью 2, гидравлический двигатель 3, испаритель 4, трубопровод 5, конденсатор 6. Позицией 7 обозначена ось вращения установки, а 8 - поверхность жидкости 2 в емкости 1. Если установка содержит второй энергетический блок, то имеются: емкость 9 с жидкостью 10, с поверхностью 15, гидравлический двигатель 11, испаритель 12, трубопровод 13, конденсатор 14, промежуточный теплоноситель 16, соединяющий конденсатор 6 первого блока и испаритель 12 второго блока. Стрелками показаны движения: __→ теплоносителей; _·→ жидкостей; газа.

Первый и второй блоки выполнены как единая конструкция, вращающаяся вокруг оси 7. При этом они соединены в единую тепловую схему, т.е. конденсатор 6 соединен в тепловом отношении с испарителем 12.

Установка работает следующим образом.

Так как она вращается вокруг оси 7 с некоторой угловой скоростью ω_эу, , то на жидкость 2 в емкости 1 будет действовать центробежная сила. Так как двигатель 3 подключен к емкости 1 таким образом, что находится дальше от оси 7, чем поверхность 8 жидкости в емкости 1, то на рабочий орган двигателя 3 будет действовать гидростатический напор жидкости, обусловленный действием на жидкость центробежной силы, в результате чего вырабатывается механическая энергия. То есть на рабочем органе двигателя 3 существует перепад давлений, который достигается тем, что жидкость 2, пройдя двигатель 3, поступает в испаритель 4, где к ней от внешнего источника при помощи теплоносителя (показано стрелкой __→ ) подводится тепловая энергия; давление образовавшегося в испарителе 4 газа (и давление жидкости на выходе из двигателя 3) меньше, чем гидростатическое давление жидкости на входе в двигатель 3 (потери давления жидкости из-за ее вязкости не принимаются во внимание), следовательно, на рабочем органе гидродвигателя 3 будет существовать перепад давлений (разность давлений).

Из испарителя 4 образовавшийся газ по трубопроводу 5 поступает в конденсатор 6 (показано стрелкой ) за счет разности давлений газа в испарителе 4 и конденсаторе 6. Газ из испарителя 4 в конденсатор 6 может поступать и принудительно, например, при помощи насоса. В конденсаторе 6 газ полностью превращается в жидкость, которая вновь поступает в емкость 1 и далее на вход в гидравлический двигатель 3 (показано стрелкой _·→ ). В дальнейшем в этом блоке все периодически повторяется.

При своей конденсации газ в конденсаторе 6 отдает теплоту промежуточному теплоносителю 16, который в свою очередь отдает ее испаряемой жидкости 10 в испарителе 12 второго блока, имеющей температуру кипения ниже, чем температура кипения жидкости 2 в испарителе 4 первого блока. Далее теплоноситель 16 поступает вновь на вход в конденсатор 6 (показано стрелкой __→ ) и в дальнейшем все периодически повторяется (т.е. теплоноситель 16 непрерывно циркулирует между конденсатором 6 и испарителем 12).

Давление образовавшегося газа в испарителе 12 и давление жидкости на выходе из гидродвигателя 11 меньше, чем гидростатическое давление жидкости 10 на входе в гидродвигатель 11, следовательно, на рабочий орган последнего будет действовать разность давлений, заставляя его вырабатывать механическую энергию. Гидростатический напор жидкости на входе в двигатель 11 создается за счет действия на жидкость центробежной силы, т.е. по характеру действующих сил и протекающих процессов первый и второй блоки абсолютно идентичны.

Газ из испарителя 12 по трубопроводу 13 поступает в конденсатор 14 (за счет разности давлений в них), где полностью конденсируется в жидкость, которая вновь поступает на вход в емкость 9 и далее на вход в двигатель 11 (показано стрелкой _·→ ). В дальнейшем во втором блоке все периодически повторяется.

Теплота, отдаваемая газом при его конденсации в конденсаторе 14, сбрасывается (отдается) окружающей среде или используется по иному назначению (показано стрелкой __→ ).

При движении жидкостей 2 и 10 в емкостях 1 и 9 в направлении от оси 7 к гидравлическим двигателям 3 и 11 на жидкости будет действовать кориолисова сила инерции, направленная в сторону, противоположную направлению вращения установки. При движении газа из испарителей 4 и 12 в конденсаторы 6 и 14 на него будет действовать кориолисова сила инерции по направлению вращения установки.

Но так как расход жидкости (расход массы в единицу времени) равен расходу газа, то сила инерции, действующая на жидкость, будет практически равна силе инерции, действующей на газ. Следовательно, сила инерции не будет оказывать существенного влияния на характер вращения установки в целом, а будет лишь нагружать материал конструкции.

Блоков может быть и более двух. Причем они могут представлять из себя как единую конструкцию, так и конструктивно отдельные блоки (при этом, однако, они соединены в тепловом отношении).

Жидкости в блоках должны быть подобраны таким образом, чтобы у каждого последующего блока температура кипения жидкости была бы ниже, чем в предыдущем блоке. Это связано с тем, что, как известно теплота может переходить только от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой.

В качестве внешнего источника тепла может быть использован абсолютно любой источник (теплота, образующаяся при сжигании органического или ядерного топлива, солнечная энергия и т.п.). Теплота к испаряемым жидкостям может подводиться любым возможным образом (при помощи теплоносителя, излучением, при помощи электронагревательного прибора и др.). Установка может быть использована как на Земле, так и в космосе (в невесомости).

Использование: в энергомашиностроении при проектировании энергетических установок для преобразования тепловой энергии в другой вид энергии. Сущность изобретения: энергетическая установка имеет по меньшей мере два энергетических блока, в каждом блоке гидравлический двигатель сообщен с той частью емкости, которая заполнена жидкостью, теплообменник подключен к выходу из гидравлического двигателя, к выходу из теплообменника подключен конденсатор, выход последнего подключен и/или к емкости или к иным потребителям, причем теплообменники и конденсаторы блоков связаны с возможностью теплового взаимодействия, например, посредством общего теплоносителя, а емкость, гидравлический двигатель и теплообменник в каждом блоке установлены с возможностью вращения вокруг общей оси. При этом конденсатор в каждом блоке установлен с возможностью вращения вокруг упомянутой оси и расположен ближе к ней, чем гидравлический двигатель и теплообменник. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Энергетическая установка, содержащая энергетический блок, включающий емкость с жидкостью, сообщенный с ней гидравлический двигатель, теплообменник и конденсатор, подключенный к теплообменнику и емкости, отличающаяся тем, что она снабжена по меньшей мере еще одним энергетическим блоком, в каждом блоке гидравлический двигатель сообщен с той частью емкости, которая заполнена жидкостью, теплообменник подключен к выходу из гидравлического двигателя, к выходу из теплообменника подключен конденсатор, выход последнего подключен и/или к емкости, или к иным потребителям, причем теплообменники и конденсаторы блоков связаны с возможностью теплового взаимодействия, например, посредством общего теплоносителя, а емкость, гидравлический двигатель и теплообменник в каждом блоке установлены с возможностью вращения вокруг общей оси. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что конденсатор в каждом блоке установлен с возможностью вращения вокруг упомянутой оси и расположен ближе к ней, чем гидравлический двигатель и теплообменник.