Двухфазный гравитационный двигатель Российский патент 2023 года по МПК F03G7/06 F28D15/02 

Изобретение относится к тепловым двигателям, преобразующим низкопотенциальное тепло в механическую или электрическую энергию.

Известен, например, «Тепловой двигатель» авторов Осадчего Г. В. и Слободянюка В. А. по изобретению СССР № 1490317, МПК F03G 7/06.

Это устройство содержит испаритель-нагнетатель, в котором при подведении тепла повышается давление паров жидкости, которая выдавливается по трубопроводу через холодильник, клапан и исполнительный механизм, в качестве которого используется гидромотор, причем часть полезной мощности отбирается в гидроаккумулятор. После вытеснения зеркала жидкости в холодильник начинается конденсация ее паров при этом давление в испарителе-нагнетателе падает и за счет перезапуска клапанов энергия, запасенная в гидроаккумуляторе, заполняет по другому трубопроводу испаритель-нагнетатель для повторения цикла.

Данное устройство работает не ритмично, требует управление клапанами и имеет низкий коэффициент полезного действия.

Известна также «Океаническая тепловая электростанция» авторов Ильина А.К. и Шишкина И.Л. По изобретению СССР № 1681031, МПК F01K13 /00, F03G7 /04. Это устройство содержит соединенные в замкнутом контуре турбину, размещенный под уровнем моря испаритель, паровую турбину, конденсатор, аэродинамическую трубу в виде сверхзвукового диффузора с вентилятором и ветродвигателем с электрогенератором, соединенным с электропароперегревателем.

В данном устройстве пары рабочего тела (фреона) после испарителя перегреваются в электропароперегревателе и вращают турбину с электрогенератором, затем пары попадают в конденсатор, расположенный внутри аэродинамической трубы, где охлаждаются атмосферным воздухом. После этого сконденсированное рабочее тело стекает вниз и за счет напора вращает гидравлическую турбину, после чего поступает в испаритель и цикл повторяется.

Данная тепловая электростанция так же имеет низкую эффективность, обусловленную необходимостью размещать конденсатор в аэродинамической трубе, охлаждаемый воздухом от работающей ветроустановки. Известно, что ветроустановки для их нормальной работы требуют среднегодовую скорость ветра более пяти метров в секунду («золотое» правило ветроэнергетики). Таким образом, для увеличения КПД этой электростанции потребуется найти ветровую зону с более стабильными ветрами.

Известна также «Энергетическая установка» авторов Бабаяна Р. С. и Аванесова Э. С. и др. по патенту СССР № 1744276, МПК F01K 13/00, F03G 7/04.

Данное устройство содержит трубчатый испаритель и конденсатор, соединенные паропроводом через паровую турбину и трубопроводом подачи конденсата, причем в каждой теплообменной трубке испарителя дополнительно установлен упругий сепаратор в виде жалюзи, а испаритель расположен ниже уровня конденсата в конденсаторе.

Данная энергетическая установка имеет низкий КПД и ограниченное применение для условий расположения испарителя на глубине 20…30 метров и более, где температура воды составляет около плюс 4 градуса Цельсия, а конденсатор находится на поверхности льда, при температуре воздуха минус 20…30 градусов Цельсия или еще ниже. При использовании установки для других меньших перепадов температур КПД установки будет еще ниже. Кроме того, следует отметить не надежную конструкцию устройства из-за использования пластинчатых упругих сепараторов в теплообменных трубках трубчатого испарителя, подверженных колебаниями на излом и в критических случаях - обмерзанию льдом.

Известна также «Энергетическая установка» автора Мествиришвили Ш. А. по изобретению СССР № 1170180, МПК F01K 25/00.

Установка содержит две обогреваемые камеры, заполненные вспомогательной жидкостью, присоединенные к ним трубопроводы для подачи насосом легкоиспаряющегося рабочего тела, турбину и конденсатор, связанные магистральными линиями отвода, соединенные определенным образом с нижними и верхними частями камер.

Недостатками данного устройства являются его низкий КПД и необходимость иметь насос со своим электроприводом, управляемым от внешнего воздействия. Под действием нарастающего давления вспомогательная жидкость перекачивается из одной камеры в другую через турбину, создавая ее неравномерное и реверсивное вращение. Кроме того, данная установка предназначена для размещения ее в определенной климатической зоне и имеет узкоспециальное применение.

Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения является «Двухфазный гравитационный двигатель» авторов Соловьева Е. В. и Привезенцева В. В. по патенту № 2102632, МПК F03G 3/00.

Данное изобретение содержит внутри корпуса термосифона под турбиной вертикально установленную трубу с зазором относительно корпуса термосифона и ротора турбины, а в зазоре между боковой поверхностью трубы и корпусом установлено, как минимум, одно парожидкостное сопло турбины, причем турбина выполнена парожидкостной, а уровень кипящей жидкости находится выше турбины.

В настоящем двигателе паровоздушная смесь перемещается вверх на лопасти турбины, двигаясь по стенкам корпуса, что требует его подогрева на всем протяжении корпуса до зоны конденсации, а жидкость опускается по центральной трубе вниз на ее нагрев в испарительной зоне. Применена нестандартная турбина, лопасти которой расположены на периферии внутреннего диаметра корпуса для приема восходящего потока пароводяной смеси.

Подобные лопастные турбины имеют низкий КПД, обусловленный большой долей свободного пролета пара или жидкости между лопастями, не оказывая на них давление.

Другим недостатком данного двигателя является отсутствие возможности создать внутри корпуса повышенное давление пароводяной смеси, поступающей на турбину для увеличения КПД устройства в целом.

Задачей предлагаемого изобретения является создание «Двухфазного гравитационного двигателя» на базе термосифона с более высоким КПД.

Технической проблемой, которую решает настоящее изобретение, является выработка двигателем механической и/или электрической энергии от естественной разности перепадов температур в окружающей среде, используя в качестве стандартной турбины гидромотор или объемный расходомер, что расширяет его зону применения.

Технический результат заключается в том, что в двухфазном гравитационном двигателе, содержащим термосифон с корпусом, частично заполненным жидкостью, и установленным в нем турбиной, при этом турбина выполнена парожидкостной, применен термосифон, в котором нижняя испарительная камера и верхняя конденсирующая камера соединены вертикальной трубой паропровода парожидкостной смеси, нижняя часть трубы оснащена воронкой, края которой по окружности примыкают к внутренней поверхности корпуса двигателя, причем в зоне примыкания воронки к внутренней поверхности корпуса по окружности установлены обратные запорные клапаны, а в верхней части трубы паропровода перед конденсатором выполнен вырез, в котором установлена турбина, причем труба паропровода оснащена соплом по размерам входного отверстия турбины, а вал турбины выведен через стенку корпуса, в нижнюю испарительную камеру введен кольцевой мелкоячеистый наполнитель с высокой теплопроводностью, а в верхнюю конденсирующую камеру введен конденсатор с охлаждающими ребрами, во внутрь которого пропущена часть трубы паропровода, соединенная с перевернутым стаканом, также в конденсаторе выполнены отверстия, а под ними на уровне сконденсированной жидкости размещена дополнительная воронка, имеющая с корпусом кольцевой зазор.

Технический результат заключается также в том, что в двухфазном гравитационном двигателе в качестве парожидкостной турбины применен гидромотор или объемный расходомер, не допускающий холостых протечек жидкости между их лопастями.

На чертеже изображен «Двухтактный гравитационный двигатель».

Двигатель содержит корпус 1 с нижней испарительной камерой 2 «+Q» и верхней конденсирующей «-Q» камерой 3, которые соединены трубой 4 паропровода парожидкостной смеси с воронкой 5, имеющей в кольцевой зоне примыкания с корпусом обратные запорные клапаны 6. В верхнюю камеру, заполненную частично сконденсированной жидкостью, введен конденсатор 7 с охлаждающими ребрами, вовнутрь которого пропущена часть трубы паропровода, соединенной с перевернутым стаканом 8, причем верхняя часть стакана находится в воздушной зоне конденсатора, а его нижняя часть постоянно размещена в конденсирующейся жидкости. В корпусе конденсатора выполнены отверстия 9 и размещена под ними на уровне сконденсированной жидкости дополнительная воронка 10, имеющая с корпусом кольцевой зазор 11 или отверстия между нею и корпусом. В верхней части внутри трубы паропровода перед конденсатором выполнен вырез, в который установлена турбина (гидропривод) 12, вал 13 которой выведен через стенку корпуса и соединен, например, с электрогенератором, а в нижнюю испарительную камеру введен кольцевой мелкоячеистый наполнитель 14 с высокой теплопроводностью, плотно прилегающий к внутренней стенке корпуса и расположенный ниже воронки трубы паропровода. Труба также оснащена соплом 15 по размерам входного отверстия турбины (гидромотора), а место кольцевого примыкания воронки к внутренней поверхности корпуса показано на позиции 16.

«Двухфазный гравитационный двигатель» работает следующим образом. При нагреве «+Q» нижней испарительной камеры 2 до кипения жидкости пары ее парожидкостной смеси, ограниченные зоной воронки 5, поступают в паропровод 4 и далее через турбину (гидропривод) 12, где частично дросселируются, охлаждаются и далее через перевернутый стакан 8 передаются в жидкость корпуса конденсатора 7, конденсируясь в последнем «-Q». Вал 13 турбины приводит во вращение электрогенератор (не показано на рисунке). Поскольку пары парожидкостной смеси проходят «пробулькивание» через жидкость конденсатора, то это гарантирует их полную конденсацию. Для обеспечения этого условия необходимо, чтобы объем жидкости в конденсаторе был достаточен при максимальной нагрузке на двигатель.

Под воронкой 5, поскольку ее края по окружности плотно примыкают, поз. 16, к внутренней поверхности корпуса 1, происходит накопление парожидкостной смеси, которая передается в трубу 4 и далее на турбину (гидропривод) 12, что увеличивает КПД двигателя.

Увеличивающийся объем жидкости конденсата через отверстия 9 в корпусе поступает на дополнительную воронку 10 конденсатора и далее через зазоры 11 на внутреннюю стенку корпуса 1, стекая по ней через обратные запорные клапаны 6 до кольцевого мелкоячеистого наполнителя 14 нижней испарительной камеры 2. Количество клапанов 6 по окружности выбирается из условия пропуска ими сконденсированной воды при максимальной нагрузке двигателя.

Мелкоячеистый наполнитель 14, выполненный из металла, выполняет функцию теплового аккумулятора обладает высокой теплопроводностью для передачи жидкости внешней тепловой энергии и усиливает пленочное испарение за счет большой испарительной поверхности. Пленочное распределение жидкости в теплообменных поверхностях получило широкое распространение в технике (Тананайко Ю. М., Воронцов Е. Е. Методы расчета и исследования пленочных процессов. Киев, 1975).

При попадании пленки жидкости на мелкоячеистый наполнитель происходит ее перемешивание за счет сетчатой структуры наполнителя и создается волновой режим течения пленки. В работе: Капица П. Л., Капица Е. Е. ЖЭТФ. Т. 19, 1949, № 2, с.105-120, указывается, что при волновом режиме течения теплопередача на 20% больше, чем при гладком ламинарном течении.

Таким образом, наличие мелкоячеистого наполнителя 14 в нижней испарительной камере 2 приводит к возникновению дополнительного теплового потока, обусловленного поперечным течением жидкости.

В качестве турбин для разных условий эксплуатации могут использоваться, например, аналоги фреоновых турбин, разработанные Калужским турбинным заводом для Паратунской ГеоЭС около города Петропавловск-Камчатский, работающие на фреоне с температурой воды в земных пластах ниже 100 градусов Цельсия.

Также в качестве турбин могут применяться гидромоторы и объемные расходомеры, например, «Ролико-лопастная машина» авторов Домогацкого В.В. и Левченко И.В. по патенту РФ № 2230194, МПК F01C 1/14. Подобные расходомеры выпускаются серийно для разных перекачиваемых объемов жидкостей, используются при заправке самолетов, тепловозов, при прокачке топлива по трубам, например, ОР-40, ОР-1000 и др. Данные расходомеры практически не допускают холостых протечек жидкости и их целесообразно применить для реализации настоящего изобретения на вырабатываемые мощности до нескольких десятков киловатт.

Предлагаемый высокоэффективный «Двухфазный гравитационный двигатель», использующий в качестве рабочего тела разные типы легкокипящих жидкостей для конкретных условий, может найти широкое применение в народном хозяйстве для выработки механической или электрической энергии от перепада температур в различных средах.

Изобретение относится к тепловым двигателям, преобразующим низкопотенциальное тепло в механическую или электрическую энергию, используя в качестве рабочего тела разные типы легкокипящих жидкостей для конкретных условий, может найти широкое применение в народном хозяйстве. Двухфазный гравитационный двигатель содержит термосифон с корпусом, частично заполненным жидкостью, и установленной в нем турбиной, при этом турбина выполнена парожидкостной. Причем применен термосифон, в котором нижняя испарительная камера и верхняя конденсирующая камера соединены вертикальной трубой паропровода парожидкостной смеси. Нижняя часть трубы оснащена воронкой, края которой по окружности примыкают к внутренней поверхности корпуса двигателя. В зоне примыкания воронки к внутренней поверхности корпуса по окружности установлены обратные запорные клапаны, а в верхней части трубы паропровода перед конденсатором выполнен вырез, в котором установлена турбина. Труба паропровода оснащена соплом по размерам входного отверстия турбины, а вал турбины выведен через стенку корпуса. В нижнюю испарительную камеру введен кольцевой мелкоячеистый наполнитель с высокой теплопроводностью, а в верхнюю конденсирующую камеру введен конденсатор с охлаждающими ребрами, вовнутрь которого пропущена часть трубы паропровода, соединенная с перевернутым стаканом, также в конденсаторе выполнены отверстия, а под ними на уровне сконденсированной жидкости размещена дополнительная воронка, имеющая с корпусом кольцевой зазор. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Двухфазный гравитационный двигатель, содержащий термосифон с корпусом, частично заполненным жидкостью, и установленной в нем турбиной, при этом турбина выполнена парожидкостной, отличающийся тем, что применен термосифон, в котором нижняя испарительная камера и верхняя конденсирующая камера соединены вертикальной трубой паропровода парожидкостной смеси, нижняя часть трубы оснащена воронкой, края которой по окружности примыкают к внутренней поверхности корпуса двигателя, причем в зоне примыкания воронки к внутренней поверхности корпуса по окружности установлены обратные запорные клапаны, а в верхней части трубы паропровода перед конденсатором выполнен вырез, в котором установлена турбина, причем труба паропровода оснащена соплом по размерам входного отверстия турбины, а вал турбины выведен через стенку корпуса, в нижнюю испарительную камеру введен кольцевой мелкоячеистый наполнитель с высокой теплопроводностью, а в верхнюю конденсирующую камеру введен конденсатор с охлаждающими ребрами, вовнутрь которого пропущена часть трубы паропровода, соединенная с перевернутым стаканом, также в конденсаторе выполнены отверстия, а под ними на уровне сконденсированной жидкости размещена дополнительная воронка, имеющая с корпусом кольцевой зазор.

2. Двухфазный гравитационный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве парожидкостной турбины применен гидромотор или объемный расходомер, не допускающий холостых протечек жидкости между их лопастями.