Система преобразования тепловой энергии Российский патент 2023 года по МПК F01K27/00 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, к тепловым машинам, в частности к двигателям внешнего сгорания, преобразующим тепловую энергию внешнего источника в иной вид энергии с совершением полезной работы. Может использоваться с применением любого источника тепла, в том числе, не зависящего от сжигания топлива. Может быть применимо на электростанциях, в судостроении, на предприятиях газоэнергетического комплекса, где может использоваться в качестве привода двигателей с одновременной утилизацией попутного газа.

Известен компрессор с жидкостным поршнем по авторскому свидетельству СССР SU 1153109, F04В 35/02. Компрессор содержит два резервуара и подсоединенный к ним в нижней части трубопровод, на котором установлен насос с приводом. Привод снабжен электрически соединенными между собой переключателями направления вращения с контактами. В трубопроводе по обе стороны от насоса установлены датчики давления, взаимодействующие с контактами переключателей. Недостатком является невысокий КПД устройства.

Известен жидкостно-поршневой тепловой двигатель по патенту США на изобретение US 5195321, F02G 1/04, 1993. В двигателе применен цикл Стирлинга. В конструкции двигателя секция холодного теплообменника и секция горячего теплообменника того же цилиндра прикреплены к оси в смещенном от центра положении. При вращении оси жидкость, действующая как поршень, перемещается внутри части цилиндра против центробежной силы и приводится в движение рабочим газом, который используется в том же цилиндре. За счет колебания жидкости центр масс жидкости в цилиндре обеспечивает больший момент силы во время нисходящего, силового хода, чем во время хода вверх. При нагреве в секции горячего теплообменника и охлаждении в секции холодного теплообменника, в определенное время двигатель вырабатывает непрерывную мощность, приводящую к вращательному движению вокруг оси. Секция холодного теплообменника и секция горячего теплообменника цилиндра могут охлаждаться и нагреваться с использованием солнечной энергии или любого другого внешнего источника охлаждения и нагрева. Двигатель может включать в себя как верхний, так и нижний цилиндр на одной и той же оси, также может включать в себя множество блоков цилиндров, расположенных на расстоянии вокруг одной оси. Недостатком является сложность конструкции двигателя и невысокая его эффективность.

Известен способ преобразования тепловой энергии по патенту России на изобретение RU 2773086, F01К 27/00, 2022. Способ преобразования тепловой энергии включает использование в замкнутом цикле рабочего тела, состоящего из смеси компонентов, сжатие рабочего тела, нагрев рабочего тела, расширение рабочего тела с совершением им работы, охлаждение рабочего тела. Первым компонентом является инертный газ, а вторым – легкокипящая жидкость. Расчетным путем подбирают количество компонентов таким образом, чтобы соотношение количества первого компонента к количеству второго компонента по массе находилось в переделах от 1:0,055 до 1:6,25. Проводят сжатие компонентов, при котором испарение и конденсация второго компонента происходят по линии насыщения. Проводят нагрев образовавшейся смеси газов до 100-150°С. Проводят расширение рабочего тела, после которого проводят охлаждение рабочего тела с выделением второго компонента в жидкую фазу. Для осуществления способа используют последовательно связанные между собой компрессор, нагреватель, расширитель, холодильник. В качестве компрессора используют объемные винтовые компрессоры, выполненные с возможностью работы с разнофазными телами, таким как жидкость и газ. Недостатком является сложность осуществления способа, связанная с использованием двухкомпонентного рабочего тела, подбором соотношения компонентов, наличием четырех стадий цикла, необходимостью впрыска жидкости, необходимостью использования холодильника для конденсации одного из компонентов.

В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбран замкнутый энергетический цикл по патенту России на изобретение RU 2747894, F01К 25/06, 2021. В замкнутом энергетическом цикле в качестве рабочего тела используется смесь инертного газа и жидкости, находящейся в начале цикла в жидкой фазе. Рабочее тело подают на фазу сжатия в соотношении, при котором происходит испарение жидкости за счет разогрева сжимаемого инертного газа. Затем рабочее тело, находящееся в газовой фазе, нагревают и направляют в расширитель для совершения работы, после чего рабочее тело посредством теплообмена доводится в холодильнике до первоначальной температуры и возвращается в начало цикла. Производят измерение температуры рабочего тела в конце фазы сжатия и в зависимости от температуры регулируют соотношение инертного газа и жидкости при их подаче на фазу сжатия. В качестве инертного газа используют аргон, в качестве жидкости используют бутан. В качестве жидкости могут использовать фреон или предельный углеводород. Недостатком является сложность преобразования тепловой энергии в замкнутом цикле, связанная с двухкомпонентным рабочим телом, с необходимостью регулирования соотношения инертного газа и жидкости при их подаче на фазу сжатия, необходимостью испарения жидкости и переходом ее в газовую фазу.

Технической задачей является расширение арсенала технических средств, относящихся к системам преобразования тепловой энергии.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в реализации расширения арсенала технических средств, в упрощении процесса преобразования тепловой энергии в механическую энергию, в упрощении конструкции системы.

Технический результат достигается за счет того, что в системе преобразования тепловой энергии, содержащей замкнутый контур с двумя компонентам внутри, одним из которых является газ, а вторым - жидкость, в контур последовательно включены компрессор объемного сжатия, нагреватель с внешним подводом тепла, расширитель для совершения работы, согласно изобретению, рабочим телом в замкнутом контуре является газ, а жидкость используется в качестве поршней в компрессоре и расширителе, компрессор выполнен в виде двух емкостей, частично заполненных жидкостью, емкости соединены верхней и нижней линиями сообщения, которые соединены с охлаждающим устройством компрессора, на нижней линии сообщения емкостей компрессора установлен гидронасос, связанный через гидрораспределители со входом охлаждающего устройства компрессора, выход этого охлаждающего устройства через гидрораспределитель связан с верхней линией сообщения емкостей компрессора, концы которой соединены с рассеивателями жидкости, расположенными внутри емкостей компрессора в их верхних частях, замкнутый контур на участке между компрессором и расширителем выполнен с разветвлением на две линии, на каждой из которых расположен свой нагреватель с внешним подводом тепла, связанный с расширителем, расширитель выполнен в виде двух емкостей, частично заполненных жидкостью, на линии сообщения емкостей расширителя установлен гидромотор, на входах в оба нагревателя и на линиях их сообщения с расширителем установлены обратные клапаны.

Упрощение процесса преобразования тепловой энергии в механическую энергию обеспечивается за счет использования в замкнутом контуре только одного рабочего тела. Это позволяет уменьшить количество операций при преобразовании энергии тепла и упростить конструкцию системы. Так, по сравнению с ближайшим аналогом, для преобразования тепла в иной вид энергии не требуется охлаждение двухкомпонентного рабочего тела для возвращения одного из компонентов в жидкую фазу, не требуется применение специального холодильного оборудования, не требуется определение количественного соотношения между двумя компонентами. В отличие от аналога, при использовании заявляемой системы в ее рабочем цикле используется только одно рабочее тело - одноатомный газ и только три операции с ним: изотермическое сжатие, изохорный нагрев, адиабатное расширение. Конструктивное упрощение системы преобразования тепловой энергии обеспечивается применением жидкости, находящейся в замкнутом контуре, в качестве поршня компрессора и поршня расширителя. Заявляемая система относится к двигателям внешнего сгорания, но в отличие от подобных двигателей в ней не используется множество цилиндров с механическими поршнями, не используется коленчатый вал. Компрессор и расширитель выполнены в виде сообщающихся емкостей, частично заполненных жидкостью. В компрессоре жидкость используют для совершения работы над газом, поступающим в эти емкости. В расширителе жидкость используют для совершения работы по выработке механической энергии под действием газа, поступающего в эти емкости. Рабочим телом является газ, но работу совершает жидкость, которая используется в расширителе и в компрессоре. Жидкость, в качестве которой используется гидравлическое масло передавливается из одной емкости в другую. При переливании жидкости из одной емкости в другую совершается работа. Использование локального охлаждающего устройства, установленного внутри компрессора и охлаждающего масло в емкостях компрессора, позволяет значительно упростить конструкцию компрессора за счет отказа от системы охлаждения компрессора, состоящей из нескольких блоков защиты от перегрева. Отпадает необходимость применения специального оборудования для охлаждения газа в замкнутом контуре. Таким образом, за счет использования жидкости в качестве гидравлических поршней упрощается конструкция системы преобразования энергии, упрощается процесс преобразования, и происходит расширение арсенала технических средств, относящихся к системам преобразования тепловой энергии.

На фиг. 1 представлена схема системы преобразования тепловой энергии.

На фиг. 2 представлена схема компрессора системы преобразования тепловой энергии.

На фиг. 3 представлена схема расширителя системы преобразования тепловой энергии.

Система преобразования тепловой энергии содержит замкнутый контур 1, в который последовательно включены компрессор 2, нагреватели 3 с внешним подводом тепла, расширитель 4. В замкнутом контуре заключено рабочее тело, рабочим телом может являться любой благородный одноатомный газ, например, могут использовать аргон или могут использовать смеси таких газов. Компрессор 2 состоит из двух вертикально ориентированных емкостей 5 и 6. Емкости компрессора 2 частично заполнены жидкостью 7, в качестве которой могут использовать гидравлическое масло. Или в зависимости от стадии процесса преобразования тепловой энергии одна из емкостей 5 или 6 может быть полностью заполнена жидкостью, а вторая в это время может не содержать жидкость. Емкости 5 и 6 соединены внизу трубопроводом 8, в котором установлен гидронасос 9. Трубопровод 8 является нижней линией сообщения емкостей 5 и 6. Емкости 5 и 6 соединены вверху трубопроводом 26. Емкости 5 и 6 через трубопроводы 8 и 26 соединены с охлаждающим устройством 27 компрессора 2. В качестве охлаждающего устройства используют теплообменник, в котором охладителями могут быт вода, газ и др. На линии сообщения охлаждающего устройства 27 с трубопроводом 8 и гидронасосом 9 установлены гидрораспределители 28, 29, 30. Выход охлаждающего устройства 27 через гидрораспределитель 31 связан с трубопроводом 26, который является верхней линией сообщения емкостей 5 и 6. Концы трубопровода 26 соединены с устройствами ввода охлажденного масла в емкости 5 и 6. Эти устройства выполнены в виде рассеивателей жидкости 32. Каждая из емкостей 5 и 6 соединена с линией подвода и отвода газа замкнутого контура 1, на входах и выходах газа из емкостей 5 и 6 установлены обратные клапаны 10, 11, 12, 13. Замкнутый контур 1 выполнен с разветвлением на две линии 14 и 15, на каждой из которых размещен нагреватель 3, клапаны 16 на входе в нагреватели 3 и клапаны 17 на выходе из нагревателей 3. Нагреватели 3 с подводом внешнего тепла выполнены в виде подогреваемых снаружи емкостей. В качестве нагревателя 3 могут использовать теплообменные аппараты, например, конвективного типа, теплообменники "труба в трубе" однопоточные неразборные (ТТОН). В качестве источника тепла могут использовать природный газ, выхлопные газы газотурбинных установок, солнечные батареи и т.д. Выходы нагревателей 3 соединены линиями 14 и 15 с расширителем 4. В качестве расширителя 4 используют жидкопоршневой детандер. Расширитель 4 состоит из двух вертикально ориентированных емкостей 18 и 19. Емкости расширителя 4 частично заполнены гидравлическим маслом 7. Или в зависимости от стадии процесса преобразования тепловой энергии одна из емкостей 18 или 19 может быть полностью заполнена жидкостью, а вторая в это время может не содержать жидкость. Расширитель 4 находится в вакууме для теплоизоляции (на чертеже не показано). Емкости 18 и 19 соединены внизу трубопроводом 20, в котором установлен гидромотор 21. Каждая из емкостей 18 и 19 соединена с линией подвода газа из обоих нагревателей 3. Выход каждой из емкостей 18 и 19 соединен с основной линией замкнутого контура 1. На входах и выходах газа из емкостей 18 и 19 установлены обратные клапаны 22, 23, 24, 25.

Система преобразования тепловой энергии работает следующим образом.

Рабочее тело, которым является газ, в замкнутом контуре 1 первоначально находится при температуре 30ºС и давлении 70 бар. Во время рабочего цикла одноатомный газ, в качестве которого используют, например, аргон, сжимается, нагревается, расширяется, совершает работу. Для сжатия газ направляют в компрессор 2, открывают клапан 10, включают гидронасос 9. Гидронасосом 9 перекачивают гидравлическое масло 7 из емкости 6 в емкость 5. При этом масло из емкости 6 поступает в гидронасос 9, через гидрораспределитель 28 поступает в охлаждающее устройство 27 и далее через гидрораспределитель 31 по трубопроводу 26 поступает в емкость 5. В емкости 5 охлажденное масло разбрызгивается через рассеиватель жидкости 32, проходит в виде струй и капель вертикально внутри емкости 5, охлаждая при этом находящийся внутри газ, и осаждается на дно емкости 5. По мере накопления масла его уровень поднимается, газ, находящийся над маслом 7 сжимается, его давление увеличивается, открывается клапан 11, и газ вытесняется в магистраль замкнутого контура 1 под давлением 158 бар. Масло 7 доходит до верхнего уровня в емкости 5, после чего закрывают клапан 11 и открывают клапан 12. Далее датчик уровня (на чертеже не показан) переключает работу гидронасоса 9 в обратную сторону, при этом вал насоса 9 сохраняет направление вращения, но перекачивает жидкость 7 в обратном направлении – из емкости 5 в емкость 6. Процесс повторяется в обратном направлении. Направление вращения вала обеспечивается работой системы управления гидронасосом 9 с помощью управляющих сигналов величиной 24 В. При сжатии газа в компрессоре 2 затрачивается механическая энергия. После сжатия в компрессоре 2 давление аргона составляет 158 бар, температура 30ºС. Далее сжатый в компрессоре 2 газ через открытые клапаны 16 линий разветвления 14 и 15 подают в нагреватели 3, закрывают в них и нагревают практически изохорно до температуры 300ºС, при этом давление газа увеличивается до 350 бар. На нагрев затрачивают тепловую энергию внешнего источника. При достижении газом такого давления открывают один клапан 17, газ из одного из нагревателей 3 поступает в расширитель 4, где давление газа преобразуется в механическую работу. Запорный клапан 22 с электроприводом, настроенным на давление 350 бар открывается. Газ, попадая в емкость 18 расширителя 4, начинает передавливать гидравлическое масло 7 по трубопроводу 20 в емкость 19, при этом происходит вращение вала гидромотора 21. По мере снижения уровня масла 7 в емкости 18 снижается давление газа. Объем емкости 18 рассчитывают таким образом, чтобы при достижении маслом 7 нижнего уровня давление газа с величины в 350 бар опускалось до значения 70 бар. При достижении нижнего уровня масла в емкости 18, клапан 22 закрывают и открывают клапан 23 для выхода газа в магистраль замкнутого контура 1 с давлением 70 бар. Емкость 19 подключают ко второму нагревателю 3 с помощью клапанов 17 и 24. Газ под давлением 350 бар поступает в емкость 19, передавливает масло в емкость 18, совершая работу по вращению вала гидромотора 21. При этом вал гидромотора 21 не меняет направление вращения, но при подаче управляющего сигнала от системы управления изменяется направление потока жидкости 7. В расширителе 4 давление газа преобразуется в механическую работу. Далее рабочий цикл повторяется.

Таким образом, изобретение позволяет упростить конструкцию системы преобразования тепловой энергии, упростить сам процесс преобразования энергии, расширить арсенал технических средств, относящихся к подобным системам.

Изобретение относится к двигателям внешнего сгорания, преобразующим тепловую энергию внешнего источника в иной вид энергии с совершением полезной работы. Расширение арсенала технических средств, упрощение процесса преобразования тепловой энергии в механическую энергию, конструктивное упрощение системы происходит за счет того, что в замкнутом контуре с двумя компонентам внутри, одним компонентом является газ, а вторым компонентом является жидкость, рабочим телом в замкнутом контуре является газ, а жидкость используется в качестве поршней в компрессоре и расширителе. В контур последовательно включены компрессор объемного сжатия, нагреватель, выполненный в виде подогреваемой снаружи емкости, расширитель для совершения работы. Компрессор выполнен в виде двух емкостей, полностью или частично заполненных жидкостью, емкости компрессора соединены верхней и нижней линиями сообщения, которые соединены с охлаждающим устройством компрессора. На нижней линии сообщения емкостей компрессора установлен гидронасос, связанный через гидрораспределители со входом охлаждающего устройства компрессора, выход этого охлаждающего устройства через гидрораспределитель связан с верхней линией сообщения емкостей компрессора. Концы этой линии соединены с рассеивателями жидкости, расположенными внутри емкостей компрессора в их верхних частях. Замкнутый контур на участке между компрессором и расширителем выполнен с разветвлением на две линии, на каждой из которых расположен свой нагреватель с внешним подводом тепла, связанный с расширителем. Расширитель выполнен в виде двух емкостей, частично заполненных жидкостью, на линии сообщения которых установлен гидромотор. На линиях сообщения нагревателей с компрессором и расширителем установлены обратные клапаны. 3 ил.

Система преобразования тепловой энергии, содержащая замкнутый контур с двумя компонентам внутри, одним компонентом является газ, а вторым компонентом является жидкость, в контур последовательно включены компрессор объемного сжатия, нагреватель, выполненный в виде подогреваемой снаружи емкости, расширитель, отличающийся тем, что рабочим телом в замкнутом контуре является газ, а жидкость используется в качестве поршней в компрессоре и расширителе, компрессор выполнен в виде двух емкостей, частично заполненных жидкостью, емкости компрессора соединены верхней и нижней линиями сообщения, обе линии сообщения емкостей компрессора соединены с охлаждающим устройством компрессора, на нижней линии сообщения емкостей компрессора установлен гидронасос, связанный через гидрораспределители со входом охлаждающего устройства компрессора, выход этого охлаждающего устройства через гидрораспределитель связан с верхней линией сообщения емкостей компрессора, концы которой соединены с рассеивателями жидкости, расположенными внутри емкостей компрессора в их верхних частях, замкнутый контур на участке между компрессором и расширителем выполнен с разветвлением на две линии, на каждой из которых расположен свой нагреватель с внешним подводом тепла, связанный с расширителем, нагреватели выполнены с возможностью попеременной подачи нагретого газа в расширитель, расширитель выполнен в виде двух емкостей, частично заполненных жидкостью, на линии сообщения емкостей расширителя установлен гидромотор.