АРКТИЧЕСКАЯ ТЕПЛОСИЛОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2024 года по МПК F01K25/10 

Изобретение относится к энергетике, в частности к устройствам, преобразующим энергию рабочего тела (среды) в механическую и/или электрическую энергию и может использоваться в электроэнергетике, теплоэнергетике, в станкостроении, в автомобилестроении и других отраслях в климатических зонах с холодным климатом.

Известна энергетическая установка RU 100559 U1, 20.12.2010, раскрывающая устройство для утилизации тепловой энергии в механическую и электрическую энергию, содержащее блок источника тепла, замкнутый контур с промежуточным теплоносителем, силовую турбину, теплообменники для нагрева и охлаждения рабочего тела для преобразования энергии жидкой и газовой фаз в механическую и электрическую энергию, где источник тепловой энергии через разделительные шаровые краны соединен с теплообменником реактора, который через жиклер подсоединен к корпусу воздушного компрессора, причем мембрана в корпусе воздушного компрессора соединена с клапанной коробкой с всасывающим клапаном и нагнетательным клапаном и через разделительный клапан присоединена к баллону для сжатого воздуха, который через клапан ресивера соединен с пневматической магистралью воздушной турбины, вал которой соединен с генератором тока, электрический выход генератора подключен к блоку коммутации и управления, который соединен с внешним источником электропитания для начального запуска устройства и снабжен цепью электрического питания внешней нагрузки, а теплообменник холодильника через контур соединен с источником холода.

Недостатком данного решения является то, что работа устройства основана на использовании ресивера со сжатым воздухом, который прогоняется турбиной по магистрали, что усложняет конструкцию и не обеспечивает высокой эффективности системы.

Известна двухконтурная энергетическая установка, являющаяся ближайшим аналогом к предложенному решению RU 2785178 С1, 05.12.2022, принадлежащая автору, которая содержит размещенные последовательно на одном валу генератор, стартер, турбину и два компрессора основного и вспомогательного контура, а также два замкнутых контура: вспомогательный и основной с рабочим телом в каждом, при этом контуры выполнены с возможностью взаимодействия между собой;

замкнутый основной контур имеет последовательно соединенные в рамках своего контура компрессор основного контура, промежуточный теплообменник, встречный теплообменник-конденсатор вспомогательного контура, воздушный теплообменник, подогреваемый внешним источником тепла, турбину, промежуточный теплообменник, встречный теплообменник-испаритель вспомогательного контура;

замкнутый вспомогательный контур имеет последовательно соединенные компрессор вспомогательного контура, встречный теплообменник-конденсатор, воздушный теплообменник-конденсатор, устройство, понижающее давление, встречный теплообменник-испаритель, воздушный теплообменник-испаритель.

Недостатком данного решения является то, что система сложна, поскольку содержит несколько дополнительных модулей фазового изменения рабочей среды, два отдельных контура, а также потому, что для движения рабочей среды в основном контуре требуется турбина.

Задачами заявленного изобретения является разработка простой и эффективной конструкции арктической теплосиловой энергетической установки, в которой устранены недостатки известных систем.

Техническим результатом является упрощение конструкции арктической теплосиловой энергетической установки при ее высокой эффективности.

Поставленные задачи и результат достигаются за счет разработанной конструкции арктической теплосиловой энергетической установки.

Арктическая теплосиловая энергетическая установка включает пневмодвигатель, содержащий узел впуска и узел выпуска, а также выходной вал, взаимодействующей с механизмом привода данного пневмодвигателя, для отбора полученной мощности,

узел выпуска пневмодвигателя по основному контуру трубопровода, в котором циркулирует рабочая среда, связан с по меньшей мере одним воздушным теплообменником, обеспечивающим охлаждение рабочей среды до температуры, близкой к уличной,

воздушный теплообменник связан по основному контуру трубопровода с узлом впуска компрессора для передачи охлажденной до близкой к уличной температуре рабочей среды,

узел выпуска компрессора по основному контуру трубопровода связан с по меньшей мере одним жидкостным теплообменником, обеспечивающим нагрев рабочей среды, циркулирующей в основном контуре трубопровода и далее связан с узлом впуска пневмодвигателя для передачи разогретой рабочей среды, для осуществления работы пневмодвигателя и передачи полученной мощности на выходной вал, при этом

жидкостной теплообменник выполнен с возможностью приема и переноса тепловой энергии по нагревательному контуру, концы которого погружены в водоем - ниже глубины его промерзания, где в нагревательном контуре циркулирует вода из водоема посредством циркуляционного насоса.

Выходной вал пневмодвигателя включает узел уплотнения.

Выходной вал пневмодвигателя дополнительно взаимодействует со стартер-генератором, для упрощения запуска установки.

Жидкостный теплообменник и/или воздушный теплообменник оснащен системой устранения обледенения.

Далее принцип работы устройства будет описан с учетом прилагаемой схемы по фигуре 1, где изображена схема арктической теплосиловой энергетической установки, где

1 - пневмодвигатель;

2 - выходной вал;

3 - основной контур трубопровода;

4 - воздушный теплообменник;

5 - компрессор;

6 - жидкостный теплообменник;

7 - нагревательный контур;

8 - циркуляционный насос

Арктическая теплосиловая энергетическая установка функционирует в холодном климате, где температура воздуха имеет устойчивые отрицательные температуры (-15°С и ниже), однако может функционировать и в умеренном климате зимой, при этом ее КПД в таких случаях будет ниже. Для функционирования установки необходима достаточная разница между уличной температурой воздуха и температурой воды в водоеме, предпочтительно в 15°С и более.

Арктическая теплосиловая энергетическая установка включает пневмодвигатель 1, содержащий узел впуска и узел выпуска, а также выходной вал 2, взаимодействующий с механизмом привода данного пневмодвигателя 1, для отбора полученной мощности.

Пневмодвигателем 1 может быть компрессор, переработанный для работы от энергии воздуха/газа, например, фреона и иметь различную конструкцию, не ограниченную каким-либо выполнением, например, иметь в качестве механизма привода цилиндро-поршневую группу с передачей вращения на выходной вал 2.

Выходной вал 2 пневмодвигателя 1 предпочтительно включают узел уплотнения. Узел уплотнения может иметь различную конструкцию, при этом его особенности конструкции не являются частью испрашиваемого объема охраны данной заявки. Узел уплотнения обеспечивает абсолютную герметичность выходного вала 2 для исключения потерь рабочей среды.

Выходной вал 2 пневмодвигателя 1 дополнительно может взаимодействовать со стартер-генератором (на фиг. не показан) для упрощения запуска установки, где запуск будет осуществляться одновременно и с пневмодвигателя 1 и с компрессора 5.

Узел выпуска пневмодвигателя 1 по основному контуру трубопровода 3, в котором циркулирует рабочая среда, связан с по меньшей мере одним воздушным теплообменником 4, обеспечивающим охлаждение рабочей среды до температуры, близкой к уличной.

Наиболее эффективная работа установки осуществляется при использовании в качестве рабочей среды - низкотемпературного фреона. Фреон обеспечивает его быстрый нагрев и охлаждение, большой диапазон изменения давления при нагреве (расширение), нужный диапазон рабочих температур, что положительно сказывается при его использовании в установке и ее эффективности.

Воздушный теплообменник 4 имеет, как правило, радиаторный блок и вентилятор для снятия тепловой энергии и охлаждения рабочей среды. Причем, предпочтительно, чтобы вентилятор был оснащен датчиком температуры, для его принудительного включения при недостаточном охлаждении и отключении при избыточном/необходимом охлаждении. Для повышения эффективности охлаждения и/или в случае излишне высокой температуры наружного воздуха (как резервный источник охлаждения) могут дополнительно в контуре применяться более эффективные методы охлаждения, например, гликолевый блок охлаждения.

Воздушный теплообменник 4 выполнен с возможностью его размещения на открытом воздухе. На данном этапе работы установки осуществляется охлаждение рабочей среды до уличной температуры или близкой к ней, что, например, в условиях крайнего севера как правило составляет -20°С и ниже. При этом для использования установки в разных климатических зонах предпочтительно использовать рабочую среду с соответствующими различными рабочими температурами, для правильной работы установки. Количество и мощность воздушных теплообменников 4 может быть различной, подбирается в зависимости от мощности установки, внешней температуры, рабочего объема компрессора 5 и пневмодвигателя 1 и иных факторов.

Воздушный теплообменник 4 связан по основному контуру трубопровода 3 с узлом впуска компрессора 5 для передачи охлажденной до близкой к уличной температуре рабочей среды. В компрессоре 5 рабочая среда сжимается, осуществляется первоначальный нагрев за счет сжатия и ее направление по основному контуру трубопровода 3 далее через узел выпуска.

Из компрессора 5 охлажденная и сжатая рабочая среда через узел выпуска компрессора 5 по основному контуру трубопровода 3 проходит через по меньшей мере один жидкостный теплообменник 6. Количество жидкостных теплообменников 6 может быть различным, исходя из необходимости.

Необходимо пояснить, что воздушный теплообменник 4 и жидкостный теплообменник 6 - это техническое устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя средами, имеющими различные температуры. Как правило, теплообменник выполняется в виде расположенного змейкой трубчатого замкнутого контура, пронизанного радиаторными пластинами, и обеспечивающими нагрев/охлаждение рабочей среды. Конструкция теплообменников может быть и иной, например, спиральный контур и прочие виды.

Возможно оснастить жидкостный теплообменник 6 и/или воздушный теплообменник 4 системой устранения обледенения, выполненной, например, в виде нагревательных пластин, проходящих сквозь их элементы, отвечающих за теплопередачу. Конструкция системы устранения обледенения может быть различной и не ограничена каким-либо выполнением. Данная система периодически или по мере необходимости очищает теплообменники от образовавшегося наледенения, ухудшающего работу данных узлов, для повышения эффективности установки.

Жидкостный теплообменник 6, обеспечивает нагрев рабочей среды, циркулирующей в основном контуре трубопровода 3. Нагрев рабочей среды через жидкостный теплообменник 6 осуществляется посредством приема и переноса тепловой энергии по нагревательному контуру 7, концы которого погружены в водоем - ниже глубины его промерзания, где в нагревательном контуре 7 циркулирует вода данного водоема посредством циркуляционного насоса 8. Как правило, температура в водоемах (море, океан, река и пр.), даже зимой, ниже глубины его промерзания является плюсовой, обеспечивая тем самым должный прогрев рабочей среды в жидкостном теплообменнике 6. Циркуляционный насос 8 подбирается исходя из мощности, температуры теплопередающей жидкости и иных факторов.

На данном этапе рабочая среда, проходя через жидкостный теплообменник 6 основного контура трубопровода 3, нагревается до заданной рабочей температуры, в соответствии с температурой, близкой к температуре воды водоема. Например, если в качестве источника тепловой энергии используется вода в р. Норильская в г. Норильске, то в осенне-весенний период, ее температура ниже глубины промерзания составляет +2 - +6°С. При этом температура воздуха в осенне-весенний период практически никогда не повышается в данном периоде выше -15 - (-30)°С.

Жидкостный теплообменник 6 по основному контуру трубопровода 3 далее связан с узлом впуска пневмодвигателя 1 для передачи разогретой рабочей среды, для осуществления работы пневмодвигателя 1 и передачи полученной мощности на выходной вал 2 (отбор мощности).

Разница температур, а именно температуры нагретой рабочей среды в основном контуре трубопровода 3 после жидкостного теплообменника 6 и температуры остывшей рабочей среды после воздушного теплообменника 4 обеспечивают работу пневмодвигателя 1 и отбор мощности. За счет данной разницы температур и происходит работа установки.

Рабочая среда основного контура трубопровода 3, увеличиваясь в объеме после жидкостного теплообменника 6, поступает по контуру в узел впуска пневмодвигателя 1 для передачи разогретой рабочей среды к приводному механизму и осуществления работы пневмодвигателя 1, для осуществления передачи вращения на выходной вал 2 и отбора полученной мощности.

Как вариант, выходной вал 2 пневмодвигателя 1 может взаимодействовать со стартер-генератором для упрощения/ускорения запуска установки при ее пуске.

Принцип работы установки.

Осуществляют запуск арктической теплосиловой энергетической установки посредством включенного в сеть компрессора 5, который начинает перегонять по основному контуру трубопровода 3 рабочую среду, заставляя функционировать установку,

механизмы компрессора 5 с пневмодвигателем 1 начинают перекачивать рабочую среду по основному контуру трубопровода 3, выходя на рабочий режим,

запускают циркуляционный насос 8 нагревательного контура 7 и осуществляют циркуляцию теплоносителя через жидкостный теплообменник 6.

В компрессор 1 засасывается охлажденная рабочая среда через узел впуска компрессора 5, где она сжимается и предварительно прогревается от сжатия и далее через узел выпуска компрессора 5 направляется по основному контуру трубопровода 3 в по меньшей мере один жидкостный теплообменник 6,

на данном этапе рабочая среда, проходя через жидкостный теплообменник 6, прогревается с уличной температуры до температуры, близкой к температуре источника тепла (воды водоема). Разогретая рабочая среда расширяется и поступает по основному контуру трубопровода 3 в узел впуска пневмодвигателя 1, что приводит к его работе и передаче полученной мощности на выходной вал 2.

Далее через узел выпуска пневмодвигателя 1 основного контура трубопровода 3 рабочая среда, имея все еще повышенную температуру, проходит через по меньшей мере один воздушный теплообменник 4, где осуществляется охлаждение рабочей среды до уличной температуры (или близкой к ней) и ее сжатие. И далее по основному контуру трубопровода 3 рабочая среда попадает в узел впуска компрессора 5, где она сжимается и направляется далее по контуру. Цикл повторяется. Работа пневмодвигателя 1 обеспечивает передачу вращения на выходной вал 2.

Пример 1

Арктическая теплосиловая энергетическая установка включает пневмодвигатель 1, содержащий узел впуска и узел выпуска, а также выходной вал 2, взаимодействующей с механизмом привода данного пневмодвигателя 1, для отбора полученной мощности,

узел выпуска пневмодвигателя 1 по основному контуру трубопровода 3, в котором циркулирует рабочая среда, связан с одним воздушным теплообменником 4, обеспечивающим охлаждение рабочей среды до температуры, близкой к уличной,

воздушный теплообменник 4 связан по основному контуру трубопровода 3 с узлом впуска компрессора 5 для передачи охлажденной до близкой к уличной температуре рабочей среды,

узел выпуска компрессора 5 по основному контуру трубопровода 3 связан с одним жидкостным теплообменником 6, обеспечивающим нагрев рабочей среды и далее связан с узлом впуска пневмодвигателя 1 для передачи разогретой рабочей среды, для осуществления работы пневмодвигателя 1 и передачи полученной мощности на выходной вал 2,

жидкостный теплообменник 6 выполнен с возможностью приема и переноса тепловой энергии по нагревательному контуру 7, концы которого погружены в водоем - ниже глубины его промерзания, где в нагревательном контуре 7 циркулирует вода водоема посредством циркуляционного насоса 8.

Пример 2

Арктическая теплосиловая энергетическая установка включает пневмодвигатель 1, содержащий узел впуска и узел выпуска, а также выходной вал 2, взаимодействующей с механизмом привода данного пневмодвигателя 1, для отбора полученной мощности,

выходной вал 2 пневмодвигателя 1 включает узел уплотнения и взаимодействует со стартер-генератором,

узел выпуска пневмодвигателя 1 по основному контуру трубопровода 3, в котором циркулирует рабочая среда, связан с двумя воздушными теплообменниками 4, обеспечивающими охлаждение рабочей среды до температуры, близкой к уличной,

второй в контуре воздушный теплообменник 4 связан по основному контуру трубопровода 3 с узлом впуска компрессора 5 для передачи охлажденной до близкой к уличной температуре рабочей среды,

узел выпуска компрессора 5 по основному контуру трубопровода 3 связан с двумя жидкостными теплообменниками 6, обеспечивающими нагрев рабочей среды и далее связан с узлом впуска пневмодвигателя 1 для передачи разогретой рабочей среды, для осуществления работы пневмодвигателя 1 и передачи полученной мощности на выходной вал 2,

каждый жидкостный теплообменник 6 выполнен с возможностью приема и переноса тепловой энергии по нагревательному контуру 7, концы которого погружены в водоем - ниже глубины его промерзания, где в нагревательном контуре 7 циркулирует вода водоема посредством циркуляционного насоса 8,

жидкостный теплообменник 6 и воздушный теплообменник 4 оснащены системой устранения обледенения, запускаемой по таймеру два раза в сутки.

Таким образом, созданная конструкция арктической теплосиловой энергетической установки обеспечивает упрощение ее конструкции при ее высокой эффективности.

Заявленное решение относится к энергетике, в частности к устройствам, преобразующим энергию рабочего тела (среды) в механическую и/или электрическую энергию, и может использоваться в электроэнергетике, теплоэнергетике, в станкостроении, в автомобилестроении и других отраслях в климатических зонах с холодным климатом. Техническим результатом является упрощение конструкции арктической теплосиловой энергетической установки при ее высокой эффективности. Арктическая теплосиловая энергетическая установка включает пневмодвигатель, содержащий узел впуска и узел выпуска, а также выходной вал, взаимодействующей с механизмом привода данного пневмодвигателя, для отбора полученной мощности. Узел выпуска пневмодвигателя по основному контуру трубопровода, в котором циркулирует рабочая среда, связан с по меньшей мере одним воздушным теплообменником, обеспечивающим охлаждение рабочей среды до температуры, близкой к уличной. Воздушный теплообменник связан по основному контуру трубопровода с узлом впуска компрессора для передачи охлажденной до близкой к уличной температуре рабочей среды. Узел выпуска компрессора по основному контуру трубопровода связан с по меньшей мере одним жидкостным теплообменником, обеспечивающим нагрев рабочей среды, циркулирующей в основном контуре трубопровода, и далее связан с узлом впуска пневмодвигателя для передачи разогретой рабочей среды, для осуществления работы пневмодвигателя и передачи полученной мощности на выходной вал. Жидкостный теплообменник выполнен с возможностью приема и переноса тепловой энергии по нагревательному контуру, концы которого погружены в водоем ниже глубины его промерзания, где в нагревательном контуре циркулирует вода из водоема посредством циркуляционного насоса. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Арктическая теплосиловая энергетическая установка, характеризующаяся тем, что включает пневмодвигатель, содержащий узел впуска и узел выпуска, а также выходной вал, взаимодействующей с механизмом привода данного пневмодвигателя, для отбора полученной мощности,

узел выпуска пневмодвигателя по основному контуру трубопровода, в котором циркулирует рабочая среда, связан с по меньшей мере одним воздушным теплообменником, обеспечивающим охлаждение рабочей среды до температуры, близкой к уличной,

воздушный теплообменник связан по основному контуру трубопровода с узлом впуска компрессора для передачи охлажденной до близкой к уличной температуре рабочей среды,

узел выпуска компрессора по основному контуру трубопровода связан с по меньшей мере одним жидкостным теплообменником, обеспечивающим нагрев рабочей среды, циркулирующей в основном контуре трубопровода, и далее связан с узлом впуска пневмодвигателя для передачи разогретой рабочей среды, для осуществления работы пневмодвигателя и передачи полученной мощности на выходной вал, при этом

жидкостный теплообменник выполнен с возможностью приема и переноса тепловой энергии по нагревательному контуру, концы которого погружены в водоем ниже глубины его промерзания, где в нагревательном контуре циркулирует вода из водоема посредством циркуляционного насоса.

2. Установка по п. 1, характеризующаяся тем, что выходной вал пневмодвигателя включает узел уплотнения.

3. Установка по п. 1, характеризующаяся тем, что выходной вал пневмодвигателя дополнительно взаимодействует со стартером-генератором для упрощения запуска установки.

4. Установка по п. 1, характеризующаяся тем, что жидкостный теплообменник и/или воздушный теплообменник оснащены системой устранения обледенения.