УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ТЕПЛОВУЮ Российский патент 2000 года по МПК F24J3/00 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к устройствам для преобразования механической энергии в тепловую.

Известно устройство для преобразования кинетической энергии потока жидкости в тепловую, которое содержит корпус, внутреннюю приводную систему (гидравлическую турбину и насос), рабочую жидкость и тепловыделяющий элемент. В качестве тепловыделяющего элемента служит гидравлический тормоз (а. с. СССР N 989267, кл. F 24 J 3/00, 1983).

Устройство работает следующим образом. Гидравлическая турбина и насос разгоняют рабочую жидкость относительно корпуса и направляют ее в гидравлический тормоз, где происходит торможение рабочей жидкости. В результате кинетическая энергия потока преобразуется в тепловую, и нагретая жидкость через трубопроводы поступает к внешнему потребителю.

Основным недостатком известного устройства является низкий механический коэффициент полезного действия внутренней приводной системы. Другим недостатком известного устройства является малая эффективность преобразования кинетической энергии потока жидкости в тепловую, из-за относительно небольшого коэффициента трения жидкостной струи с окружающей жидкостью и неразвитой тепловыделяющей поверхности. Кроме того, часть энергии, подводимой от внешнего привода, расходуется на дальнейшее движение жидкости по трубопроводам к внешнему потребителю.

Другое известное устройство для преобразования механической энергии в тепловую также состоит из корпуса, внутренней приводной системы, рабочей жидкости и тепловыделяющего элемента, в котором используют два фрикционных диска, установленных внутри корпуса, заполненного рабочей жидкостью (а.с. СССР N 1627790, кл. F 24 J 3/04, 1991). Один из дисков неподвижен и закреплен в корпусе, другой является поворотным и содержит боковые лопасти. Устройство работает следующим образом. При вращении подвижного диска относительно неподвижного в месте их контакта происходит выделение тепла, которое через боковые лопасти передается рабочей жидкости. Поворотный диск, соединенный через внутреннюю приводную систему с внешним крутящим приводом, устроен так, что с увеличением скорости вращения все сильнее прижимается к неподвижному диску.

Основными недостатками известного устройства являются низкая эффективность преобразования механической энергии в тепловую, которая происходит в тепловыделяющем элементе. Она зависит от состояния поверхностей и площади соприкосновения дисков, а также от скорости вращения поворотного диска.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является дроссельный забойный нагреватель, который состоит из корпуса, внутренней приводной системы (насоса высокого давления), рабочей жидкости и тепловыделяющего элемента (кн. ЧЕКАЛЮК Э.Б. Термодинамика, нефтяного плата, М., "Недра", 1965, с. 218, 219, 224.) В качестве тепловыделяющего элемента используется неподвижная относительно корпуса пористая насадка, через которую с помощью насоса однократно протекает рабочая жидкость. В результате действия эффекта Джоуля-Тамсона рабочая жидкость нагревается.

Основным недостатком известного устройства является чрезвычайно низкий прирост температуры нагрева, который ограничен давлением насоса и, соответственно, прочностью корпуса.

Например, нетрудно рассчитать, что для адиабатически изолированного нагревателя, заполненного водой, при перепаде давления в пористом поршне, равном 0,2 МПа (давление на выкиде насоса при этом должно быть более высоким), максимальный прирост температуры ничтожно мал и не превышает 0,05^oC. При перепаде давления в пористом поршне, равном 10 МПа (давление на выкиде насоса при этом должно быть больше 10 МПа), максимальный прирост температуры будет составлять 2,2^oC.

Цель настоящего изобретения заключается в повышении температуры нагревания рабочей жидкости.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве корпус является герметичным и имеет торцевой узел сочленения с внешним приводом, а пористый тепловыделяющий элемент выполнен в виде пористого поршня, совершающего возвратно-поступательные движения относительно корпуса. Внутренний привод представляет собой шток, подвижный относительно корпуса, одна сторона которого сочленена с пористым поршнем, а конец другой стороны соединяется с внешним приводом. В результате возвратно-поступательных движений пористого поршня относительно герметичного корпуса, заполненного рабочей жидкостью, в соответствии с эффектом Джоуля-Томсона происходит ее нагревание до заданной сколь угодно высокой температуры.

Если вместо рабочей жидкости корпус заполнен газообразным агентом, то происходит соответственное охлаждение устройства.

Прирост температуры для адиабатически изолированного корпуса определяется числом ходов пористого поршня в единицу времени и характеристиками поршня и рабочей жидкости из следующей зависимости: ΔT = εnτΔP,
где ΔT - интегральный прирост температуры, ^oC.

ε - интегральный коэффициент Джоуля-Томсона, ^oC/Па,
n - число ходов поршня в единицу времени, 1/сек,
τ - продолжительность нагревания, сек,
ΔP - - потеря давления в пористом поршне, Па.

Например, если скорость поршня равна 1 ходу/сек, то для условий, аналогичных принятым выше для известного устройства, получим, что при перепаде давления в пористом поршне, равном 0,2 МПа, прирост температуры в 100^oC будет достигнут через 38 мин. Соответственно, при перепаде давления в пористом поршне, равном 10 МПа, прирост температуры в 100^oC будет достигнут через 45 сек.

Схема устройства для преобразования механической энергии в тепловую со штоком, совершающим вращательное движение, показана на чертеже.

Устройство состоит из герметичного корпуса (1), полностью заполненного рабочего жидкостью (2) или газом, на торцевой поверхности которого находится герметичный узел вывода штока (3) и его сочленения с внешним крутящим приводом (4), а на внутренней стороне другой торцевой поверхности - опорный узел вращения штока (5). На внутренней боковой поверхности корпуса расположены продольные рейки скольжения (6) пористого поршня (7), которые входят в его продольные пазы (8). Приводная система представляет собой шток (9) с поверхностной винтовой нарезкой, конец (10) которого через герметичный узел вывода (3) выведен наружу и сочленен с внешним крутящим приводом (4). Другой конец штока находится внутри корпуса и входит в опорный узел вращения (5). Пористый поршень имеет внутреннее сочленение (11) с поверхностной винтовой нарезкой штока (9). На внешней цилиндрической поверхности поршня находятся продольные пазы (8), в которые вставлены продольные рейки скольжения (6).

Устройство работает следующим образом.

При вращении внешнего привода (4) через сочленение, находящееся в узле (3), приходит во вращательное движение штока (9) и его поверхности винтовая нарезка (10). Другой конец штока входит в опорный узел вращения (5) внутри герметичного корпуса (1). Вращающаяся поверхностная винтовая нарезка (5) через узел сочленения (11) происходит в возвратно-поступательное движение пористый поршень (7). При этом продольные рейки скольжения (6) корпуса, которые входят в продольные пазы (8) пористого поршня, удерживают последний от его проворачивания относительно корпуса (1). В результате возвратно-поступательных движений пористого поршня (7) относительно рабочей жидкости (2), заполняющей герметичный корпус (1), происходит ее нагревание до заданной сколь угодно высокой температуры.

Изобретение предназначено для преобразования механической энергии в тепловую и может использоваться в теплоэнергетике. Сущность изобретения: в устройстве корпус является герметичным и имеет торцевой узел сочленения с внешним приводом, пористый тепловыделяющий элемент выполнен в виде поршня, совершающего возвратно-поступательные движения относительно корпуса, а внутренний привод представляет собой шток, подвижный относительно корпуса, одна сторона которого сочленена с пористым поршнем, а конец другой стороны через торцевой узел сочленен с внешним приводом. В результате возвратно-поступательных движений пористого поршня относительно герметичного корпуса, заполненного рабочей жидкостью, в силу эффекта Джоуля-Томсона происходит ее нагревание до заданной сколь угодно высокой температуры. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для преобразования механической энергии в тепловую, которое состоит из корпуса, заполненного рабочей жидкостью или газом, внутреннего привода и пористого тепловыделяющего элемента, отличающееся тем, что корпус является герметичным и имеет торцевой узел сочленения с внешним приводом, пористый тепловыделяющий элемент выполнен в виде поршня, совершающего возвратно-поступательные движения относительно корпуса, а внутренний привод представляет собой шток, подвижный относительно корпуса, одна сторона которого сочленена с пористым поршнем, а конец другой стороны через торцевой узел соединен с внешним приводом. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутри корпуса расположены торцевой опорный узел вращения, на боковой поверхности - продольные рейки скольжения, а вращающийся шток содержит поверхностную винтовую нарезку и его конец входит в торцевой опорный узел вращения, внутри поршня находится винтовое сочленение с поверхностной винтовой нарезкой штока, а на его внешней цилиндрической поверхности расположены продольные пазы, которые вставлены в продольные рейки скольжения.