СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ПРИ НИЗКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ В ТЕПЛОВУЮ ЭНЕРГИЮ ПРИ ОТНОСИТЕЛЬНО ВЫСОКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ ПРИ ПОМОЩИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И НАОБОРОТ Российский патент 2013 года по МПК F25B3/00 

Настоящее изобретение относится к способу превращения тепловой энергии при низкой температуре в тепловую энергию при относительно высокой температуре при помощи механической энергии и наоборот, т.е., превращение тепловой энергии относительно высокой температуры в тепловую энергию относительно низкой температуры во время высвобождения механической энергии, при этом используется рабочее вещество, которое проходит через процесс замкнутой термодинамической циркуляции, включающий следующие технологические операции:

- Обратимое адиабатическое сжатие рабочего вещества,

- Изобарическое выведение тепла из рабочего вещества,

- Обратимое адиабатическое расширение рабочего вещества,

- Изобарическое подведение тепла в рабочее вещество.

Кроме того, данное изобретение относится к устройству для реализации способа по настоящему изобретению с применением компрессора, релаксационного устройства и соответствующего теплообменника для подвода или отвода тепла.

Из предшествующего уровня техники известны различные устройства, так называемые тепловые насосы, в которых электродвигатель, как правило, используется для нагревания рабочего вещества при низкой температуре до относительно высокой температуры посредством повышения давления. В известных тепловых насосах, рабочее вещество проходит через процесс термодинамической циркуляции, при этом такой процесс термодинамической циркуляции включает парообразование, сжатие, сжижение и расширение рабочего вещества в индукторе; т.е., агрегатное состояние рабочего вещества, как правило, изменяется.

В известных тепловых насосах, в основном, используется теплоноситель R134a или смеси, включающие R134a как один из ингредиентов, который не оказывает вредного воздействия на озоновый слой, но тем не менее, производит парниковый эффект, в 1300 раз превышающий парниковый эффект такого же количества углекислого газа. Такие способы главным образом реализуются в соответствии с процессом Карно и имеют теоретический показатель эффективности или КПД (коэффициент производительности), т.е., соотношение между выделяющимся теплом и использованной электроэнергией, равный примерно 5,5 (при "перекачке" рабочего вещества при температуре от 0 до 35°С). Однако, самый высокий коэффициент производительности, полученный до настоящего времени, составляет всего 4,9; как правило, хорошие тепловые насосы в настоящее время имеют коэффициент производительности, равный приблизительно 4,7.

Из WO 1998/30846 А1 известно устройство, которое может быть использовано в качестве холодильника или двигателя, в котором в качестве рабочего вещества используется воздух, всасываемый из окружающей среды и выпускаемый обратно в окружающую среду после сжатия или релаксации. В такой открытой системе неблагоприятным является усиление импульса момента при поступлении рабочего вещества в установку, и его ослабление при выходе рабочего вещества из установки, следствием чего являются значительные потери на трение.

Из DE 2729134 А1 известно устройство с полым ротором, в котором направляющие каналы или направляющие лопатки предусмотрены на внешней периферии вращающегося корпуса, поэтому возникает большая относительная скорость между направляющими каналами и рабочим веществом. Такие направляющие лопатки вызывают также очень большие потери энергии потока, вследствие чего коэффициент полезного действия является относительно низким.

Из FR 2749070 А1 известен еще один тип теплового насоса с обычным турбокомпрессором или зубчатым вытеснителем.

Помимо этого, нам известно из GB 1217882 А термодинамическое устройство, в котором в основном используется центробежная сила, однако в нем имеется также точка индукции, что приводит к значительным потерям на трение.

С другой стороны, известны также многочисленные способы предшествующего уровня развития техники, включающие, в частности, преобразование тепла из геотермальных жидкостей и геотермального пара в электрическую энергию. В так называемом процессе «КАЛИНА», теплота высвобождается из воды в водоаммиачный раствор, посредством чего, при значительно более низких температурах генерируется пар, который используется для приведения в действие турбин. Такой процесс «КАЛИНА» описывается, например, в «US 4489563».

Хотя достижение очень высоких коэффициентов полезного действия теоретически возможно при использовании самых разнообразных способов теплообмена, традиционные компрессоры и расширительные установки, в которых рабочее вещество сжимается и расширяется в газообразном состоянии, обычно отличаются относительно низкой эффективностью.

Вследствие этого, целью данного изобретения является повышение эффективности или коэффициента полезного действия при преобразовании тепловой энергии низкой температуры в тепловую энергию относительно высокой температуры, и наоборот, при помощи механической энергии.

Согласно данному изобретению, это достигается путем повышения или понижения давления рабочего вещества во время сжатия или расширения посредством увеличения или наращивания центробежной силы, действующей на рабочее вещество так, чтобы энергия потока рабочего вещества в основном сохранялась во время сжатия или расширения. Заметно более высокая эффективность достигается при использовании центробежного ускорения и сохранения энергии потока в рабочем веществе по сравнению с обычными компрессорами, в которых большая скорость рабочего вещества на периферии компрессора преобразуется в давление, что приводит к низкой эффективности. Подобным образом, эффективность повышается во время расширения за счет снижения давления рабочего вещества в ходе расширения путем снижения центробежной силы. Этим значительно повышается коэффициент полезного действия или эффективность способа в целом.

Кроме того, для повышения эффективности лучше, если рабочее вещество будет газообразным на протяжении всего процесса циркуляции, так как регенерация возможна постольку, поскольку это имеет смысл с точки зрения энергии при расширении газообразного рабочего вещества, в то время как это бессмысленно с точки зрения энергии, если используется жидкая среда. Помимо этого, влияние на эффективность в газообразном состоянии больше, чем в двухфазной среде.

Что касается сильного сжатия посредством центробежного ускорения, то целесообразно использовать газы с более низкой удельной теплоемкостью при постоянном давлении (ср) или с более высокой плотностью. Вследствие этого, в качестве рабочего вещества предпочтительнее использовать один из благородных газов, в частности, криптон, ксенон, аргон или радон, или их смеси. Кроме того, была доказана целесообразность доведения давления в процессе замкнутой циркуляции до уровня, превышающего 50 бар, в частности, выше 70 бар, в основном, предпочтительно 100 бар, т.е., давление должно быть сравнительно высоким на протяжении всего процесса. Сравнительно высокое давление позволяет снизить потерю давления в теплообменнике, поскольку теплопередача сравнительно высока при сравнительно низких скоростях потока.

Выполнение процесса циркуляции в непосредственной близости от критической точки газообразного рабочего вещества дополнительно повышает общую эффективность или повышает коэффициент полезного действия, при этом критическая точка присутствует в качестве функции используемого рабочего вещества при меняющемся давлении или температуре. Суммарный коэффициент полезного действия или общая эффективность доводятся до максимума при создании расширения в энтропийной области, как можно ближе к энтропии соответствующей критической точки. Помимо этого, целесообразным является, если более низкая температура расширения находится непосредственно над критической точкой. Критическая точка может доводиться до желаемой температуры процесса посредством использования газовых смесей.

Конструктивно простое и эффективное охлаждение или нагревание рабочего вещества может достигаться посредством выведения или подведения тепла с использованием теплообменной среды с показателем адиабаты Каппа ~1, т.е., среды, в которой температура остается в основном постоянной с учетом повышения давления, в частности, жидкой теплообменной среды.

В устройстве для реализации способа согласно данному изобретению, компрессор или устройство расширения не имеют направляющих лопаток, и конфигурированы таким образом, что давление рабочей среды повышается или понижается посредством увеличения или уменьшения центробежной силы, действующей на рабочую среду. Как уже описывалось выше, в связи с способом по данному изобретению, за счет этого достигается заметное улучшение эффективности во время сжатия и расширения рабочего вещества, благодаря чему определенно повышается коэффициент полезного действия или эффективность устройства согласно данному изобретению в сравнении с известными устройствами.

С точки зрения конструктивно простой конфигурации теплообменника, является целесообразным, чтобы каждый теплообменник был оснащен как минимум одной трубой для подачи жидкого теплоносителя.

Что касается получения перехода с низким коэффициентом трения из компрессора в устройство расширения, т.е., сохранения энергии потока рабочего вещества, целесообразным является соединение устройства расширения напрямую с компрессором при помощи теплообменника. С точки зрения простоты конфигурации устройства, целесообразно смонтировать рабочие колеса компрессора и устройства расширения на общем моментном вале.

Одним из конструктивно простых способов повысить давление рабочего вещества посредством центробежного ускорения является обеспечение такого корпуса, который будет вращаться вместе с рабочими колесами компрессора и устройства расширения.

Для эффективного охлаждения сжатого рабочего вещества, целесообразно предусмотреть в корпусе совместно вращающийся теплообменник. Совместно вращающийся теплообменник наиболее целесообразно расположить на внешней периферии.

Тем не менее, вместо корпуса, совместно вращающегося с рабочими колесами, вполне осуществимо поместить рабочие колеса в неподвижный корпус. Это позволяет снизить конструкционные издержки. Во избежание потерь трения рабочего вещества на трубе теплообменника, соединенного с неподвижным корпусом, целесообразно будет, однако, частично завести трубу теплообменника в корпус, благодаря чему поверхность неподвижного корпуса, соприкасающаяся с рабочим веществом, будет возможно более гладкой.

Во избежание необходимости предусматривать наружные вращающиеся детали, имеет смысл обеспечить устойчивый к кручению корпус, в который будут помещены компрессор и устройство расширения.

Для эффективной подачи тепла в рабочее вещество целесообразно встроить в корпус два теплообменника.

Обеспечение, по крайней мере, одной свободно вращающейся трубопроводной системы, в которой будет циркулировать рабочее вещество, позволит получить устройство со сравнительно низким общим весом, поскольку толщина стенок труб, подающих рабочее вещество, может быть уменьшена в сравнении с толщиной стенок корпусов, содержащих рабочее вещество.

Что касается сжатия рабочего вещества в трубопроводной системе посредством центробежной силы, целесообразно предусмотреть в трубопроводной системе трубы линейного сжатия, идущие в радиальном направлении.

Для надежной циркуляции рабочего вещества в трубопроводной системе, целесообразно предусмотреть в трубопроводной системе расширительные трубы, изогнутые в направлении, противоположном направлению вращения моментного вала. Расширительные трубы здесь могут иметь кругообразно изогнутое поперечное сечение для упрощения конструкции. В качестве варианта, расширительные трубы могут также иметь изгиб с таким радиусом поперечного сечения, который постоянно уменьшается в направлении мгновенного центра. Это позволяет снизить турбулентность, которая возникает в трубопроводной системе.

Кроме того, поток рабочего вещества в трубопроводной системе надежно обеспечен за счет включения в трубопроводную систему лопастного колеса, которое вращается относительно трубопроводной системы. Лопастное колесо конструируется в форме компрессора, расширительной турбины или направляющей лопатки, и, в данном изобретении, может быть выполнено устойчивым к кручению, при этом устойчивая к кручению конструкция вызывает перемещение относительно вращающейся трубопроводной системы. Практически осуществимым также является, например, оснащение лопастного колеса двигателем для генерирования или использования движения относительно трубопроводной системы, или генератором, который преобразует развиваемую валом мощность в электрическую энергию за счет относительного перемещения лопастного колеса.

Что касается простого и эффективного подведения или отведения тепла, целесообразно поместить идущие в осевом направлении секции трубопроводной системы внутри обвязки из коаксиально расположенных труб теплообменника.

Для подачи разности между необходимой энергией сжатия и регенерируемой энергией расширения к устройству во время работы в качестве теплового насоса, целесообразно соединять электродвигатель с моментным валом или трубопроводной системой.

Для преобразования механической энергии, полученной на меняющихся температурных уровнях, в электрическую энергию, т.е., при использовании устройства в качестве теплового двигателя, целесообразно соединить генератор с моментным валом.

Изобретение будет описано еще более подробно ниже на основании предпочтительных примеров осуществления, иллюстрируемых чертежами, но не ограничивающихся ими. Несомненно, сочетания описанных примеров осуществления также возможны. В частности, на чертежах показаны:

Фигура 1 представляет графическую технологическую блок-схему устройства согласно данному изобретению или способ согласно данному изобретению, когда устройство работает в качестве теплового насоса;

на фигуре 2 представлен вид устройства в разрезе с совместно вращающимся корпусом согласно данному изобретению;

на фигуре 3 представлен вид устройства в разрезе с неподвижным корпусом согласно данному изобретению;

на фигуре 4 представлен вид устройства в разрезе, подобный изображенному на Фигуре 3, но со встроенным электродвигателем;

на фигуре 5 представлен вид в разрезе еще одного осуществления изобретения с трубопроводами, переносящими рабочее вещество;

на фигуре 6 представлен разрез согласно линии VI-VI на фигуре 5;

на фигуре 7 представлен разрез согласно линии VII-VII на фигуре 5;

фигура 8 представляет вид в разрезе еще одного примера осуществления изобретения с трубопроводной системой, содержащей рабочее вещество;

фиг.9 представляет вид в перспективе устройства согласно фигуре 8;

фигура 10 представляет вид в разрезе устройства, подобный изображенному на фигуре 5, но с неподвижной турбиной; и

фиг.11 представляет вид в разрезе, подобный изображенному на фигуре 10, но с турбиной, вращающейся относительно трубопроводной системы.

На фигуре 1 дается схематическое представление технологической блок-схемы процесса термодинамической циркуляции, тип которой в принципе известен из предшествующего уровня развития техники. При использовании в качестве изображенного теплового насоса, компрессор 1 первоначально используется для изэнтропического сжатия газообразного рабочего вещества. Изобарический отвод тепла происходит впоследствии при помощи теплообменника 2, таким образом, что тепловая энергия с высокой температурой высвобождается и циркулирует (с водой, водой/антифризом или каким-либо другим жидким теплоносителем) в системе тепловой циркуляции.

Затем изэнтропическое расширение выполняется в расширительном устройстве 3, расположенном в турбине, за счет чего происходит регенерация механической энергии. После этого используется еще один теплообменник 4 для изобарического подвода теплоты, благодаря чему тепловая энергия при низкой температуре подается в систему при помощи циркуляции (воды, воды/антифриза, рассола или какого-либо другого жидкого теплоносителя). В таком случае, тепловая энергия, как правило, извлекается из скважинной воды, из так называемых скважинных зондов, в которых тепло извлекается из теплообменников, расположенных в грунте на глубине до 200 м, и подается на тепловой насос, или же тепловая энергия извлекается из больших теплообменников (трубопроводов), расположенных под землей, или из воздуха. Изобарический подвод тепла вновь сопровождается изэнтропическим сжатием при помощи компрессора 1, как описано выше.

В тех случаях, когда устройство по данному изобретению, или способ по данному изобретению используется для преобразования тепловой энергии при относительно высокой температуре в тепловую энергию при низкой температуре, вышеупомянутый процесс циркуляции происходит в обратном порядке. Во время эксплуатации в виде теплового насоса, предусматривается электродвигатель 5 для приведения в действие моментного вала 5'; во время эксплуатации в виде теплового двигателя, электродвигатель заменяется генератором 5 или мотором-генератором 5.

На фигуре 2 показано устройство согласно данному изобретению, по которому в электродвигателе 5 используется моментный вал 5' для приведения в действие компрессора 1 с совместно вращающимся корпусом 6. Кроме того, рабочие колеса 1' компрессора 1 приводятся в действие моментным валом 5', приводимым в действие электродвигателем 5 таким образом, что благородный газ, находящийся в герметичном, неподвижном корпусе 8, желательно криптон или ксенон, сжимается в совместно вращающемся корпусе 6 посредством центробежного ускорения.

Совместно вращающийся корпус 6 имеет в своем составе спиральный трубопровод 9 теплообменника 2, в котором содержится теплообменная среда, например, вода. Сравнительно холодная вода вводится через впускное отверстие 10 в спиральный трубопровод 9 при направлении потока 10', и распределяется по внешней периферии внутри совместно вращающегося корпуса 6 для изобарического отвода тепла из рабочего вещества, при этом такое рабочее вещество находится под максимально возможным высоким давлением, что позволяет выпускать сравнительно теплую воду из выпускного отверстия 11.

После этого рабочее вещество поступает без каких-либо значительных потерь расхода на рабочие колеса 3' устройства расширения 3, из которого регенерируется механическая энергия. Затем происходит изобарический подвод тепла в неподвижном корпусе 8 через спиральный трубопровод 12 другого теплообменника 4, до тех пор, пока рабочее вещество снова не подвергнется адиабатическому изэнтропическому сжатию при помощи рабочих колес 1' компрессора 1.

Тем не менее, важно только, чтобы энергия рабочего вещества, содержащегося в устройстве, представляющем собой герметичную систему, сохраняла энергию потока во время сжатия в компрессоре 1 и/или расширения в устройстве 3, а повышение или снижение давления рабочей среды достигается исключительно за счет центробежного ускорения молекул газа рабочего вещества. В результате этого, эффективность или коэффициент полезного действия могут быть значительно повышены при преобразовании тепловой энергии при низкой температуре в тепловую энергию относительно высокой температуры при помощи механической или электрической энергии, и наоборот.

На фигуре 3 показан еще один пример осуществления изобретения, в котором предусматривается неподвижный внутренний корпус 6'. Этим упрощается конструкция. Для сокращения потерь расхода газообразной рабочей среды или сохранения максимального момента импульса для рабочей среды, неподвижные поверхности, с которыми рабочее вещество соприкасается, предусматриваются как можно более гладкими, и отсутствуют теплопередающие трубы, расположенные поперечно потоку, вследствие чего потери давления еще больше бы возрастали. Спиральный трубопровод 9 теплообменника 2 не является отдельно расположенным, а наоборот находится внутри неподвижного корпуса 6' с гладкой поверхностью 2'. Для повышения коэффициента полезного действия или эффективности устройства в целом, предусматривается изоляционный материал 13 внутри неподвижного корпуса 6'.

На фигуре 4 показан еще один пример осуществления изобретения, который в основном соответствует изображенному на фигуре 3, единственная разница состоит в расположении электродвигателя 5; в частности, электродвигатель 5 в данном примере осуществления расположен внутри неподвижного корпуса 6.

Линии 14, которые проходят через статически устойчивые к сжатию втулки 15, а также неподвижный вал электродвигателя 16, предусмотрены для приведения в действие электродвигателя 5. В данном примере электродвигатель 5 соединяется с компрессором 1 или устройством 3 таким образом, что происходит их совместное вращение. Преимущество этого заключается в устранении необходимости динамических прокладок (прокладок для жидкости и газа), что снижает объем работ по техобслуживанию.

На фигурах с 5 по 7 показан еще один вариант реализации устройства согласно данному изобретению, в котором все детали, подвергающиеся давлению рабочей среды, сконструированы в виде труб или трубопроводной системы 17, благодаря чему уменьшается общий вес устройства, и также допускается меньшая толщина стенок труб 17 по сравнению с толщиной стенок корпусов 6, 6' и 8, изображенных на фигуре 2-4.

Рабочее вещество сначала сжимается в радиально расположенных компрессионных трубах 18 трубопроводной системы 17 компрессорной установки 1 вследствие центробежного ускорения. Теплообменник 2 в данном варианте снабжен трубами 19, которые расположены коаксиально относительно отдаленного участка труб 17, расположенных в осевом направлении, и охватывают соответствующую трубу 17 таким образом, что тепло сжатой рабочей среды высвобождается в противоточном направлении относительно жидкой теплообменной среды теплообменника 2.

Затем рабочее вещество расширяется в трубах 20 (устройства расширения 3). Расширительные трубы 20 в данном варианте изогнуты в направлении, противоположном направлению вращения 21 устройства, в котором циркуляция рабочего вещества неизменно возникает в результате обратного изгиба трубы (сравните с фигурой 7).

Как видно, в частности, на фигуре 7, расширительные трубы 20 могут быть изогнуты полукруглым образом, благодаря чему их легче изготавливать с конструктивной точки зрения. Рабочее вещество поступает затем в осевом направлении в трубопроводную систему 17, в которой теплообменник низкого давления 4 по данному варианту также имеет коаксиально расположенную трубу 19 так, чтобы тепло из жидкой теплообменной среды высвобождалось в холодное расширенное рабочее вещество.

Как видно, в частности, на фигуре 7, получаются 2 закрытые трубопроводные системы 17 в основном имеющие форму цифры восемь, если смотреть сверху по отношению к рабочей среде, эти трубопроводные системы расположены под углом 90° относительно друг друга. Конечно, трубопроводная система 17 также может иметь большее число линий 20;

должна только сохраняться вращательная симметрия расположения в целях простоты балансировки.

Трубы 19 теплообменников 2 и 4, расположенные коаксиально относительно расположенных в осевом направлении секций труб 17, взаимосвязаны линиями 22, 23, 24, 25 подающими жидкость, при этом данная система труб с 22 по 25 жестко закреплена с остальной частью устройства так, что линии с 22 по 25 могут совместно вращаться. Жидкий теплоноситель подается в трубопроводную систему 17 через устройство подачи 26' статического распределителя 26; затем теплообменное вещество подается через совместно вращающийся распределитель 27 через линию 22 в теплообменник 2, в котором оно нагревается и возвращается по линии 23 в совместно вращающийся распределитель 27. Нагретый теплоноситель затем подается в циркуляционную систему нагревателя при помощи статического распределителя 26 или нагнетательной трубы 26”.

Холодное теплообменное вещество теплообменника 4 направляется через подающее устройство 28' статического распределителя 28, передаваемое другим совместно вращающимся распределителем 29 в этой совместно вращающейся линии 25 в теплообменник низкого давления 4, где тепло высвобождается в газообразную рабочую среду. Теплообменное вещество направляется затем через совместно вращающуюся линию 25 в совместно вращающийся распределитель 29, а затем в статический распределитель 28, после чего оно выходит из устройства через выпускное отверстие 28”.

Здесь также предусматривается электродвигатель 5 для приведение в действие компрессора 1, теплообменников 2, 4 и устройства 3.

На фигуре 8 и 9 показаны примеры реализации изобретения, подобные изображенным на фигуре 5-7, но расширительные трубы 20 здесь не являются полукруглыми в поперечном сечении, а скорее имеют постоянно убывающий радиус в направлении средней точки оси вращения 30. Вследствие этого имеем монотонно понижающееся, запаздывающее движение рабочего вещества, позволяющее уменьшить возникающую турбулентность. Кроме того, пример осуществления изобретения, показанный на фигуре 8 и 9 изображает две независимые трубопроводные системы 17, расположенные под углом 60° относительно друг друга, и здесь на каждую трубопроводную систему 17 приходятся по три сжатия, расширенияи т.д.

На фигуре 10 показан еще один пример осуществления изобретения, который большей частью соответствует изображенному на фигуре 5 - 7, за исключением того, что циркуляция рабочего вещества здесь не достигается при помощи труб 20, изогнутых в направлении, противоположном направлению вращения, а скорее при помощи колеса 31, которое действует как компрессор или турбина. Колесо 31 закреплено на месте, и здесь относительное вращательное движение к трубам 17, окружающим колесо 31, вызывает поток рабочего вещества в трубах 17.

В данном случае, рабочее вещество расширяется в трубах 17 устройства 3 и направляется на колесо 31, при этом колесо 31 помещено в корпус 32, который закрыт при помощи крышки 33. Колесо 31 установлено таким образом, что оно может вращаться при помощи подшипников 34, однако в нем предусмотрены постоянные магниты 35, которые взаимодействуют с постоянными магнитами 36, установленными в положении, устойчивом к кручению снаружи корпуса колеса 32, тем самым фиксируя колесо 31 на месте. Магниты 36 опираются здесь на статический вал 37.

На фигуре 11 показано устройство, сконструированное очень похоже на пример осуществления изобретения, изображенный на фигуре 10, однако относительное вращательное движение колеса 31 к колесам 17 компрессора и устройств 1 и 3 вызывается в данном варианте электродвигателем 38. Двигатель 38 закреплен с совместно вращающимся распределителем 27 устойчивым к кручению образом. Энергия здесь подается через линии 39, которые размещены в вале 40. Вал 40 снабжен контактами 41 для целей передачи энергии. В данном варианте реализации, энергия, подаваемая электродвигателем 5, предназначена только для преодоления сопротивления воздуха вращающейся системы.

Вследствие этого, такая энергия может быть удалена с использованием турбин в системе циркуляции жидкого теплоносителя, который и выводит эту энергию из циркуляции. Энергия, требующаяся для преодоления сопротивления воздуха, затем дополнительно обеспечивается насосами, которые подают циркулирующий жидкий теплоноситель.

Способ работы теплового насоса или теплового двигателя, по которому используют рабочее вещество, проходящее через процесс замкнутой термодинамической циркуляции, включает следующие технологические операции: адиабатическое сжатие рабочего вещества, изобарическое выведение тепла из рабочей среды при помощи теплообменного вещества, адиабатическое расширение рабочего вещества, изобарическое подведение тепла в рабочую среду при помощи теплообменного вещества. Для повышения давления рабочего вещества во время сжатия рабочее вещество передают в основном радиально наружу относительно оси вращения, что вызывает увеличение центробежной силы, действующей на рабочее вещество, и для понижения давления рабочего вещества во время расширения, рабочее вещество передают в основном радиально внутрь относительно оси вращения, что вызывает уменьшение центробежной силы, действующей на рабочее вещество. Рабочее вещество во время процесса замкнутой циркуляции так же, как теплообменные вещества, направляется вокруг оси вращения в целях подведения и отведения тепла. Использование изобретения позволит повысить КПД. 2 н. и 23 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ работы теплового насоса или теплового двигателя, по которому используют рабочее вещество, проходящее через процесс замкнутой термодинамической циркуляции, включающий следующие технологические операции:
адиабатическое сжатие рабочего вещества,
изобарическое выведение тепла из рабочей среды при помощи теплообменного вещества,
адиабатическое расширение рабочего вещества,
изобарическое подведение тепла в рабочую среду при помощи теплообменного вещества,
при этом, для повышения давления рабочего вещества во время сжатия, рабочее вещество передают в основном радиально наружу относительно оси вращения, что вызывает увеличение центробежной силы, действующей на рабочее вещество и для понижения давления рабочего вещества во время расширения, рабочее вещество передают в основном радиально внутрь относительно оси вращения, что вызывает уменьшение центробежной силы, действующей на рабочее вещество, отличающийся тем, что рабочее вещество во время процесса замкнутой циркуляции, также как теплообменные вещества, направляется вокруг оси вращения в целях подведения и отведения тепла.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что рабочее вещество является газообразным на протяжении всего процесса циркуляции.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве рабочего вещества используется благородный газ, в частности криптон, ксенон, аргон, радон или их смесь.

4. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что давление в процессе замкнутой циркуляции равно величине, превышающей 50 бар, в частности свыше 70 бар, в основном желательно 100 бар.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что процесс циркуляции выполняется в непосредственной близости от критической точки газообразного рабочего вещества.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что тепло выводится и подается при помощи теплообменного вещества с показателем адиабаты Каппа~1, в частности жидкого теплообменного вещества.

7. Устройство для реализации способа по одному из пп.1-6 с компрессором (1), расширительным устройством (3) и соответствующим теплообменником (2, 4) для подвода или отвода тепла, в котором компрессор (1) и расширительное устройство (3) смонтированы таким образом, что могут вращаться вокруг оси вращения, и эти компрессор (1) и расширительное устройство (3) сконструированы таким образом, что рабочее вещество в компрессоре (1) в основном передается радиально наружу относительно оси вращения, а в расширительном устройстве (3) - в основном передается радиально внутрь, вследствие чего соответственно повышается давление за счет увеличения центробежной силы, действующей на рабочее вещество, и понижается давление за счет уменьшения центробежной силы, действующей на рабочее вещество, при этом данное устройство, отличающееся тем, что теплообменники (2, 4) сконструированы в расчете на совместное вращение с компрессором (1) и расширительным устройством (3), в которых рабочее вещество направляется вокруг оси вращения во время процесса замкнутой циркуляции.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что каждый из теплообменников (2, 4) имеет, по меньшей мере, одну трубу (9), подающую жидкий теплоноситель.

9. Устройство по п.7 или 8, отличающееся тем, что расширительное устройство (3) соединяется напрямую с компрессором (1) через теплообменники (2, 4).

10. Устройство по п.7, отличающееся тем, что рабочие колеса соответственно (1', 3') компрессора (1) и расширительного устройства (3) смонтированы на общем моментном вале (5').

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что предусмотрен корпус (6), который вращается совместно с рабочими колесами (Г) компрессора (1) и расширительного устройства (3).

12. Устройство по п.9, отличающееся тем, что рабочие колеса (1', 3') находятся внутри неподвижного корпуса (6').

13. Устройство по п.11, отличающееся тем, что труба (9) теплообменника (2) частично заходит в корпус (6').

14. Устройство по п.7, отличающееся тем, что предусмотрен устойчивый к кручению корпус (8), в который помещены компрессор (1) и расширительное устройство.

15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что два теплообменника (2, 4) встроены в корпус (8).

16. Устройство по п.7, отличающееся тем, что предусмотрена по меньшей мере одна свободно вращающаяся трубопроводная система (17), в которой циркулирует рабочее вещество.

17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что трубопроводная система (17) снабжена трубами линейного сжатия (18), идущими в радиальном направлении.

18. Устройство по п.16 или 17, отличающееся тем, что трубопроводная система (17) снабжена расширительными трубами (20), изогнутыми в направлении, противоположном направлению вращения моментного вала (5').

19. Устройство по п.18, отличающееся тем, что расширительные трубы (20) кругообразно изогнуты в поперечном сечении.

20. Устройство по п.18, отличающееся тем, что расширительные трубы (20) имеют изгиб с таким радиусом поперечного сечения, который постоянно убывает в сторону центра вращения (30).

21. Устройство по п.16 или 17, отличающееся тем, что трубопроводная система (17) имеет в своем составе турбину (31) которая вращается относительно трубопроводной системы (17).

22. Устройство по п.21, отличающееся тем, что турбина(31) расположена в положении, устойчивом к кручению.

23. Устройство по п.21, отличающееся тем, что турбина (31) снабжена электродвигателем (38) для произведения перемещения относительно трубопроводной системы (17).

24. Устройство по п.16, отличающееся тем, что идущие в осевом направлении секции трубопроводной системы (17) окружены коаксиально расположенными трубами (19) теплообменников (2, 4).

25. Устройство по п.10, отличающееся тем, что электродвигатель или генератор (5) соединен с моментным валом (5') или трубопроводной системой (17).