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

Заявленное решение относится к энергетике, в частности к устройствам, преобразующим энергию рабочего тела в механическую и/или электрическую энергию и может использоваться в электроэнергетике, теплоэнергетике, в станкостроении, в автомобилестроении и других отраслях.

Известна энергетическая установка Кандидата технических наук П. Шелеста, включающая два контура вспомогательный и основной, работающая за счет обмена тепловой энергией между рабочим телом вспомогательного контура и рабочим телом основного контура и преобразования тепловой энергии основного контура в механическую, при этом первый вспомогательный контур является разомкнутым, а его рабочим телом является воздух из окружающей среды.

Недостатком данного решения является то, что работа устройства основана на постоянном пополнении рабочего тела вспомогательного контура, забора воздуха из окружающей среды и выброс отработанного рабочего тела обратно в окружающую среду, (см. Шелест П. Полувековой юбилей одной идеи. Наука и жизнь. - 1993, №2, с. 152, 153).

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, а также потому, что для движения рабочего тела в основном контуре требуется турбина.

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

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

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

Теплосиловая энергетическая установка содержит компрессор, связанный с пневмодвигателем посредством выходных валов общей передачей, где данная общая передача взаимодействует со стартер-генератором для запуска установки и отбора полученной мощности,

узел выпуска пневмодвигателя по первому контуру трубопровода связан с по меньшей мере одним воздушным теплообменником и далее связан с узлом впуска компрессора для передачи охлажденной до близкой к уличной температуре рабочей среды, циркулирующей в первом контуре трубопровода,

узел выпуска компрессора по первому контуру трубопровода связан с по меньшей мере одним жидкостным теплообменником, обеспечивающим нагрев рабочей среды, циркулирующей в первом контуре трубопровода и далее связан с узлом впуска пневмодвигателя для передачи разогретой рабочей среды, для осуществления работы пневмодвигателя, при этом

жидкостной теплообменник выполнен с возможностью приема и переноса тепловой энергии в первом контуре трубопровода от циркулирующей по второму контуру трубопровода теплопередающей жидкости, где тепловая энергия передается от источника тепла посредством циркуляционного насоса.

Выходные валы компрессора и пневмодвигателя включают узлы уплотнения.

Общая передача является ременной.

Общая передача является Т-образным редуктором.

Источником тепла является вода водоема.

Источником тепла является нагревательный котел.

Далее принцип работы устройства будет описан с учетом прилагаемой схемы: на фигуре 1 изображена схема теплосиловой энергетической установки с источником тепла в виде воды водоема в районе крайнего севера, на фигуре 2 изображена схема теплосиловой энергетической установки с источником тепла в виде нагревательного котла, на фиг. 3 - вариант обвязки общей передачи Т-образным редуктором, где позиции

1 - компрессор;

2 - пневмодвигатель;

3 - общая передача;

4 - стартер-генератор;

5 - первый контур трубопровода;

6 - воздушный теплообменник;

7 - жидкостной теплообменник;

8 - второй контур трубопровода;

9 - источник тепла;

10 - циркуляционный насос;

Теплосиловая энергетическая установка содержит компрессор 1, связанный с пневмодвигателем 2 посредством выходных валов общей передачей 3. Пневмодвигателем 2 может быть компрессор, переработанный для работы от энергии воздуха/газа, например, фреона и иметь различную конструкцию, не ограниченную каким-либо исполнением. Компрессор 1 осуществляет сжатие рабочей среды, первоначальный нагрев за счет сжатия и ее направление по контуру.

Выходные валы компрессора 1 и пневмодвигателя 2 предпочтительно включают узлы 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 узлов для исключения потерь в ней рабочей среды.

Выходные валы компрессора 1 и пневмодвигателя 2 связаны посредством общей передачи 3. Данная общая передача 3 представляет собой узел, объединяющий выходные валы для работы установки. Общая передача 3 взаимодействует со стартер-генератором 4 для запуска установки и отбора полученной (выработанной) мощности. Общая передача 3 может быть, например ременной, как изображено на фиг. 1, 2 либо Т-образным редуктором, как показано на фиг. 3, объединяющим выходные валы компрессора 1, пневмодвигателя 2 и вал стартер-генератора 4 по различной схеме обвязки, для запуска установки и отбора полезной мощности стартер-генератором 4.

Наиболее эффективная работа установки осуществляется при использовании в качестве рабочей среды - 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.

Узел выпуска пневмодвигателя 2 по первому контуру трубопровода 5 связан с по меньшей мере одним воздушным теплообменником 6. Воздушный теплообменник 6 имеет, как правило, радиаторный блок и вентилятор для снятия тепловой энергии и охлаждения рабочей среды. 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 6 предпочтительно 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 -25°С и ниже, а в условиях использования установки в умеренном климате +10 - +25°С. 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 воздушного/ых теплообменника/ов 6 может быть различной, подбирается в зависимости от мощности установки, внешней температуры, объема компрессора 1 и пневмодвигателя 2 и иных факторов.

Первый контур трубопровода 5 далее связан с узлом впуска компрессора 1 для передачи охлажденного до близкой к уличной температуре рабочей среды, циркулирующей в первом контуре трубопровода 5, в его узел впуска. В компрессоре 1 рабочая среда сжимается и передается далее через узел выпуска в по меньшей мере один жидкостной теплообменник 7.

Необходимо пояснить, что воздушный теплообменник 6 и жидкостной теплообменник 7 - это технические устройства, в которых 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.

Жидкостной теплообменник 7 выполнен с возможностью приема и переноса тепловой энергии в первом контуре трубопровода 5 от циркулирующей по второму контуру трубопровода 8 теплопередающей жидкости, где тепловая энергия передается от источника тепла 9 посредством циркуляционного насоса 10. Циркуляционный насос 10 подбирается исходя из мощности, температуры теплопередающей жидкости и иных факторов.

На данном этапе рабочая среда, проходя через жидкостной теплообменник 7 первого контура трубопровода 5, нагревается до заданной рабочей температуры в соответствии с температурой теплопередающей жидкости второго контура трубопровода 8.

Необходимо пояснить, что в качестве источника тепла используется, например, положительная энергия воды водоема, тепловая энергия котла, энергия тепла земли и прочие источники, которые при любых отрицательных температурах воздуха остаются с положительной температурой.

Например, если в качестве источника тепловой энергии используется вода водоема в зимнее время года (или в регионе с холодным климатом), температура теплопередающей жидкости составляет +3 - +7°С. При этом температура воздуха в районах крайнего севера практически никогда не повышается выше -25°С. За счет данной разницы температур и происходит охлаждение и нагрев рабочей среды, обеспечивающего работу установки при его расширении. Если в качестве источника тепловой энергии используется нагревательный котел, то температура теплопередающей жидкости, как правило, составляет +80 - +180°С, но не ограничена данным диапазоном и может быть как больше так и меньше.

Рабочая среда первого контура трубопровода 5, увеличиваясь в объеме после жидкостного теплообменника 7, поступает по контуру трубопровода 5 в узел впуска пневмодвигателя 2 для передачи разогретой рабочей среды и осуществления работы пневмодвигателя 2. Поступающая в узел впуска пневмодвигателя 2 разогретая до рабочей температуры рабочая среда осуществляет работу пневмодвигателя 2 и осуществляет передачу вращения на выходной вал или предпочтительно на стартер-генератор 4.

Принцип работы установки.

Осуществляют запуск теплосиловой энергетической установки, посредством стартер-генератора, приводящего во вращение выходные валы компрессора 1 и пневмодвигателя 2 через общую передачу 3,

механизмы компрессора 1 с пневмодвигателем 2 начинают перекачивать рабочую среду по контуру.

Запускают циркуляционный насос 10 второго контура трубопровода 8 и осуществляют циркуляцию теплоносителя через жидкостной теплообменник 7.

В компрессор 1 засасывается охлажденная рабочая среда через узел впуска компрессора 1 и далее через узел выпуска компрессора 1 направляется по первому контуру трубопровода 5 в по меньшей мере один жидкостной теплообменник 7.

На данном этапе рабочая среда, проходя через жидкостной теплообменник 7, прогревается с уличной температуры до температуры, близкой к температуре источника тепла 9. Разогретая рабочая среда расширятся и поступает по первому контуру трубопровода 5 в узел впуска пневмодвигателя 2, что приводит к его работе.

Далее, через узел выпуска пневмодвигателя 2 по первому контуру трубопровода 5 рабочая среда, имея все еще повышенную температуру, проходит через по меньшей мере один воздушный теплообменник 6, где осуществляется охлаждение рабочей среды до уличной температуры (или близкой к ней) и ее сжатие. И далее по первому контуру трубопровода 5 рабочая среда попадает в узел впуска компрессора 1, где сжимается и направляется далее по контуру. Цикл повторяется. Работа пневмодвигателя 2 обеспечивает передачу вращения на стартер -генератор 4.

Пример 1

- теплосиловая энергетическая установка содержит компрессор 1, связанный с пневмодвигателем 2 посредством выходных валов общей передачей 3,

- общая передача 3 взаимодействует со стартер-генератором 4 посредством ременной передачи для запуска установки и отбора полученной мощности,

- узел выпуска пневмодвигателя 2 по первому контуру трубопровода 5 связан с одним воздушным теплообменником 6, установленным на улице (-20…-30°С), и, далее, связан с узлом впуска компрессора 1 для передачи охлажденной до близкой к уличной температуре (-20…-30°С) рабочей среды, циркулирующей в первом контуре трубопровода 5,

узел выпуска компрессора 1 по первому контуру трубопровода 5 связан с одним жидкостным теплообменником 7, установленным на улице, обеспечивающим нагрев (до +3…+8°С) рабочей среды посредством энергии воды от водоема, циркулирующей во втором контуре трубопровода 8, и, далее, связан с узлом впуска пневмодвигателя 2 для передачи разогретой (до +3…+8°С) рабочей среды, для осуществления работы пневмодвигателя 2,

жидкостной теплообменник 7 выполнен с возможностью приема и переноса тепловой энергии в первом контуре трубопровода 5 от циркулирующей по второму контуру трубопровода 8 теплопередающей жидкости (воды водоема), где тепловая энергия передается от источника тепла 9 (воды водоема) посредством циркуляционного насоса 10.

Пример 2

- теплосиловая энергетическая установка содержит компрессор 1, связанный с пневмодвигателем 2 посредством выходных валов общей передачей 3, где выходные валы компрессора 1 и пневмодвигателя 2 включают узлы уплотнения,

общая передача 3 взаимодействует со стартер-генератором 4 посредством Т-образного редуктора для запуска установки и отбора полученной мощности,

узел выпуска пневмодвигателя 2 по первому контуру трубопровода 5 связан с двумя воздушными теплообменниками 6, установленными на улице (+10…+30°С), и, далее, связан с узлом впуска компрессора 1 для передачи охлажденной до близкой к уличной температуре (+10…+30°С) рабочей среды, циркулирующей в первом контуре трубопровода 5,

узел выпуска компрессора 1 по первому контуру трубопровода 5 связан с двумя жидкостными теплообменниками 7, установленным на улице, обеспечивающим нагрев (до +120…+160°С) рабочей среды посредством энергии нагревательного котла, циркулирующей во втором контуре трубопровода 8, и, далее, связан с узлом впуска пневмодвигателя 2 для передачи разогретой (до +120…+160°С) рабочей среды, для осуществления работы пневмодвигателя 2,

жидкостной теплообменник 7 выполнен с возможностью приема и переноса тепловой энергии в первом контуре трубопровода 5 от циркулирующей по второму контуру трубопровода 8 теплопередающей жидкости (тосол), где тепловая энергия передается от источника тепла 9 (нагревательный котел) посредством циркуляционного насоса 10.

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

Заявленное решение относится к энергетике, в частности к устройствам, преобразующим энергию рабочего тела в механическую и/или электрическую энергию, и может использоваться в электроэнергетике, теплоэнергетике, в станкостроении, в автомобилестроении и других отраслях. Техническим результатом является упрощение конструкции теплосиловой энергетической установки при ее высокой эффективности. Теплосиловая энергетическая установка содержит компрессор, связанный с пневмодвигателем посредством выходных валов общей передачей, где данная общая передача взаимодействует со стартер-генератором для запуска установки и отбора полученной мощности. Узел выпуска пневмодвигателя по первому контуру трубопровода связан с по меньшей мере одним воздушным теплообменником и далее связан с узлом впуска компрессора для передачи охлажденной до близкой к уличной температуре рабочей среды, циркулирующей в первом контуре трубопровода. Узел выпуска компрессора по первому контуру трубопровода связан с по меньшей мере одним жидкостным теплообменником, обеспечивающим нагрев рабочей среды, циркулирующей в первом контуре трубопровода, и далее связан с узлом впуска пневмодвигателя для передачи разогретой рабочей среды, для осуществления работы пневмодвигателя. При этом жидкостный теплообменник выполнен с возможностью приема и переноса тепловой энергии в первом контуре трубопровода от циркулирующей по второму контуру трубопровода теплопередающей жидкости, где тепловая энергия передается от источника тепла посредством циркуляционного насоса. 5 з. п. ф-лы, 3 ил., 2 пр.

1. Теплосиловая энергетическая установка, характеризующаяся тем, что содержит компрессор, связанный с пневмодвигателем посредством выходных валов общей передачей, где данная общая передача взаимодействует со стартер-генератором для запуска установки и отбора полученной мощности,

узел выпуска пневмодвигателя по первому контуру трубопровода связан с по меньшей мере одним воздушным теплообменником и далее связан с узлом впуска компрессора для передачи охлажденной до близкой к уличной температуре рабочей среды, циркулирующей в первом контуре трубопровода,

узел выпуска компрессора по первому контуру трубопровода связан с по меньшей мере одним жидкостным теплообменником, обеспечивающим нагрев рабочей среды, циркулирующей в первом контуре трубопровода, и, далее связан с узлом впуска пневмодвигателя для передачи разогретой рабочей среды, для осуществления работы пневмодвигателя, при этом

жидкостный теплообменник выполнен с возможностью приема и переноса тепловой энергии в первом контуре трубопровода от циркулирующей по второму контуру трубопровода теплопередающей жидкости, где тепловая энергия передается от источника тепла посредством циркуляционного насоса.

2. Установка по п. 1, характеризующаяся тем, что выходные валы компрессора и пневмодвигателя включают узлы уплотнения.

3. Установка по п. 1, характеризующаяся тем, что общая передача является ременной.

4. Установка по п. 1, характеризующаяся тем, что общая передача является Т-образным редуктором.

5. Установка по п. 1, характеризующаяся тем, что источником тепла является вода водоема.

6. Установка по п. 1, характеризующаяся тем, что источником тепла является нагревательный котел.