Устройство преобразования тепловой энергии в энергию изменения давления Советский патент 1992 года по МПК F03G7/06 

15

VJ

ON 00 XI СЛ

Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано для теплообмена между средами при одновременном приводе в действие объемных насосов и/или гидравлических турбин.

Известно устройство преобразования тепловой энергии в энергию изменения давления, содержащее нагреватель и охладитель, заполненные рабочим телом и соединенные между собой трубопроводом подачи рабочего тела из нагревателя в охладитель и трубопроводом возврата рабочего тела в нагреватель. В трубопроводе возврата установлен открытый в сторону нагревателя обратный клапан, а звено отбора мощности подсоединено к нагревателю. Охладитель устройства расположен над нагревателем, вход трубопровода подачи размещен в приямке с зазором между его торцом и дном приямка, выход расположен в охладителе выше максимально возможного уровня жидкости, Недостатком этого устройства является узость его функциональных возможностей. Так, оно не позволяет осуществлять непрерывный равномерный теплообмен между нагревающей и охлаждающей средами, расположенными на большом расстоянии между собой по высоте, при одновременном использовании гидравлической энергии слива рабочего тела.

Цель изобретения - совершенствование устройства преобразования тепловой энергии в энергию изменения давления. Для этого устройство дополнительно снабжено трубопроводом подсоса, содержащим вентиль и сопло на одном из его концов; запорным вентилем и гидротурбиной. Часть трубопровода подачи рабочего тела, размещенная в нагревателе, выполнена перфорированной, трубопровод подсоса закреплен внутри трубопровода подачи соосно с ним, так, что сопловый конец трубопровода подсоса расположен выше перфорированного участка трубопровода подачи, а второй конец трубопровода подсоса на одном уровне со входным концом трубопровода подачи, запорный вентиль размещен на трубопроводе подачи между перфорированным участком и уровнем соплового конца трубопровода подсоса с возможностью перекрытия проходного сечения трубопровода подачи, гидротурбина размещена на трубопроводе возврата рабочего тела. Трубопроводы подачи и возврата рабочего тела выполнены составными. Наличие в устройстве дополнительно трубопровода подсоса, запорного вентиля и турбины является необходимым условием для подъема жидкого рабочего тела из нагревателя в охладитель за счет избыточной энергии обтекающего сопло трубопровода подсоса газа, и увеличения расхода жидкого рабочего тела, сбрасываемого из охладителя в нагреватель через турбину, а, следовательно, для достижения поставленной цели. Выполнение части трубопровода подачи рабочего тела, размещенного в нагревателе, перфорированной обеспечивает возможность поступления газообразного рабочего тела в этот трубопровод, обтекание им сопла трубопровода

0 подсоса, а в результате работу последнего как жидкостеподъемника.

Выполнение трубопроводов подачи и возврата рабочего тела составными позволяет расширить диапазон возможностей

5 поддержания режимов подачи и сброса рабочего тела соответственно из нагревателя в охладитель и из охладителя в нагреватель через турбину.

На чертеже представлен поперечный

0 разрез устройства.

Устройство содержит нагреватель 1 и расположенный над ним охладитель 2, заполненные в качестве рабочего тела газом

3и его жидкостью 4, например фреоном 5 или аммиаком; нагреватель 1 и охладитель

2 соединены между собой трубопроводом 5 подачи рабочего тела, имеющим теплоизолированные стенки, и который в пределах части 6, расположенной в нагревателе 1,

0 выполнен перфорированным, Нагреватель 1 и охладитель 2 соединены также трубопроводом 7 возврата жидкого рабочего тела из охладителя 2 в нагреватель 1 с обратным клапаном 8, открывающимся в сторону на5 гревателя 1. На трубопроводе 7 расположена гидравлическая турбина 9 или двигатель, Основание 10 нагревателя 1 выполнено с приямком 11 для сбора жидкости, причем начало 12 трубопровода 5 размещено в при0 ямке 11 с зазором между его торцом и дном. Выход 13 трубопровода 5 расположен выше максимально возможного уровня жидкости

4в охладителе 2, а вход 14 трубопровода 7 сообщен с нижней частью охладителя 2. В

5 трубопроводе 5 в нижней его части коакси- ально установлен трубопровод подсоса, имеющий сопло 15 с вентилем, вход в которое расположен на той же отметке, что и начало 12 трубопровода 5, с которым сопло

0 15 жестко связано ниже перфорации, а выход - выше перфорированной части 6 трубопровода 5. Внутренний диаметр трубопровода 5 больше, чем внешний диаметр сопла 15 в пределах последнего, выше

5 сопла площадь поперечного сечения трубопровода 5 уменьшается на площадь поперечного сечения сопла 15 трубопровода подсоса. Трубопроводы 16 и 17 в качестве звеньев отбора мощности соответственно подключены к нагревателю 1 и охладителю

2 через вентили 18 и 19, Объем жидкого рабочего тела в устройстве больше, чем его объем в полностью заполненном трубопроводе 7. К турбине 9 подсоединен генератор электрического тока или насос (на фиг. не показан). Трубопроводы 16 и 17 подсоединены к дополнительному потребителю энергии перепада давления (на фиг. не показано). На трубопроводе 7 может быть установлено несколько последовательно установленных турбин с расположенными между ними буферными камерами (на фиг. не показаны). В части трубопровода 5 на уровне ниже выхода сопла 15, но выше перфорированной части б трубопровода 5 уста- новлен вентиль, регулирующий поступление газа, обтекающего сопло (на фиг. не показан). Трубопровод 5 и трубопровод 7 выполнены имеющими вставные части одинаковой длины по высоте (на фиг. не показаны).

Устройство работает следующим образом.

При закрытых вентилях трубопроводов 16 и 17 жидкость 4 (например, фреон или жидкий аммиак) подогревают в нагревателе 1. В результате этого давление газообразного фреона или аммиака увеличивается (см., например, с. 393 и с. 464, табл, Термодинамические свойства аммиака. Н. Б. Варгафтик. Справочник по тепло-физическим свойствам газов и жидкостей. М., изд. Наука, 1972). Газ 3 через отверстия перфорированной части 6 поступает в трубопровод 5 (при открытом его вентиле) и по нему в охладитель 2. Поступление газа в охладитель 2 происходит при условии (с точностью до потерь и инерционной составляющей), что

ДР догН

(1)

где ДР - перепад давления газа в нагревателе 1 и охладителе 2;

Pi - средняя плотность газа в трубопроводе 5;

Н - высота столба газа в трубопроводе 5;

g - ускорение силы тяжести,

В охладителе 2 газ охлаждается и конденсируется, выделяемое при этом тепло отводят через стенки охладителя 2 в среду, охлаждающую его. При отводе газа 3 из нагревателя 1 в нем давление несколько понижается, и из жидкого рабочего тела 4 выделяется газ, который непрерывно и равномерно начинает поступать по трубопроводу 5 в охладитель 2. При этом в нагревателе 1 при испарении жидкости поглощается тепло которое непрерывно подводится через стенки нагревателя 1 от подогревающей среды к рабочему телу. Так как давление в нагревателе 1 выше, чем давление в охладителе 2, клапан 8 закрыт и блокирует поступление газа из нагревателя 1 по трубопроводу 7 возврата в охладитель 2. Конденсированная в охладителе 2 жидкость 4 стекает в трубопровод 7. По мере увеличения столба жидкости 4 в трубопроводе 7

давление его на лопасти турбины 9 и клапан 8 увеличивается, Когда перепад давления жидкости на клапан 8, действующей на него со стороны охладителя 2, и давления газа 3 со стороны нагревателя 1 станет больше,

чем перепад давления газа 3 между нагревателем 1 и охладителем 2, клапан 8 открывается и жидкость 4 поступает в нагреватель 1. При этом должно соблюдаться неравенство (с точностью до потерь)

држНж АР ,(2)

где рж средняя плотность жидкости 4 в трубопроводе 7;

Нж- высота столба жидкости 4 в трубопроводе 7;

h - высота жидкости 4, необходимая для привода турбины 9 (высота напора на турбину или турбины);

gjo h - напор, утилизированный турбиной или турбинами. При условии,что

35

(3)

где QK - расход жидкости, получаемой конденсацией газа в охладителе 2.

От - расход жидкости, сбрасываемой через турбину 9;

происходит равномерное перемещение рабочего тела-теплоносителя из нагревателя 1 по трубопроводу 5 в виде газа в охладитель 2 и сброса с него через турбину 9 жидкости обратно в нагреватель 1 по трубопроводу 7,

и т.д. в непрерывном процессе. В этом случае осуществляют непрерывный равномерный теплообмен между нагревающей и охлаждающей средами при одновременном использовании гидравлической гравитационной энергии слива жидкого рабочего тела. Когда перепад температуры между нагревающей и охлаждающей средами увеличивается, и при Этом возрастает разница температур рабочего тела в нагревателе и

охладителе, перепад давления газа в нагревателе и охладителе увеличивается, соответственно возрастают скорости газа в трубопроводе 5. При обтекании газом сопла 15 давление на выходе из него меньше, чем

на входе. При определенной скорости газа, обтекающего выход из сопла 15, с него срываются капли жидкости, которые подхватываются потоком газа и выносятся им в охладитель 2 (см. с. 47-54. М. П. Калинуш- кин. Гидравлические машины и холодильные установки. М., Высшая школа, 1973). Таким образом, часть избыточной энергии движущегося газа используется в рассматриваемом случае для подъема жидкого рабочего тела в охладитель 2. Это также интенсифицирует испарение рабочей жидкости из-за интенсификации теплообмена. В результате увеличивается масса жидкости, сбрасываемой по трубопроводу 7. Количества жидкости, проходящей через сопло 15 трубопровода подсоса, регулируют вентилем, установленным на нем. В рассматриваемом случае избыточная энергия перепада давления газа в нагревателе 1 и охладителе 2 может также отводиться потребителю по трубопроводам 16 и 17 при открытых вентилях 18 и 19, величиной открытия которых регулируют количество энергии, отводимой от устройства потребителю, например, для привода обьемных насосов, Регулирование жидкости, проходящей через сопло 15 с помощью вентиля, установленного на нем, а также отвода части энергии перепада давления газа по трубопроводам 16 и 17 через их вентили внешнему потребителю позволяет расширить возможности поддержания равномерного теплообмена между нагревающей и охлаждающей средами при одновременном использовании энергии слива жидкости с обеспечением более широких возможностей регулирования работы турбины без потерь энергии и уменьшения КПД устройства. Высоту расположения охладителя 2 над нагревателем 1 регулируют изменением количества вставных частей в трубопроводах 5 и 7, добавляя или демонтируя которые, соответственно увеличивают и уменьшают расстояние по высоте между нагревателем 1 и охладителем 2. При этом вентиль на трубопроводе 5, вентиль сопла 15 и турбина 9 закрыты. При открытом вентиле сопла 15 трубопровода подсоса и закрытом вентиле трубопровода 5 предлагаемое устройство работает полностью аналогично известному устройству по авт. свид. СССР № 1315647.

Устройство целесообразно прежде всего использовать для утилизации тепла сбросных вод, поступающих в естественные водоемы или охладители, в том числе пруды-охладители в районах, имеющих подходящие перепады отметок земной поверхности, например в горных районах. В этом случае, по сравнению с известным по авт сеид СССР

№ 1315647 устройством,заявляемое устрой ство позволяет равномерно отводить тепло от сбросных вод или других источников вторичных энергоресурсов, а, следовательно.

избежать негативных экологических последствий, связанных с неравномерным во времени отводом сбрасываемого тепла, причем без интенсификации испарения сбрасываемых вод, что особенно важно с технологической и

экологической точек зрения. Кроме того, оно дает возможность повысить КПД устройства при преобразовании тепловой низкопотенциальной энергии в механическую путем увеличения до максимально возможного

предела гравитационной энергии сбрасываемой из охладителя 2 в нагреватель 21 жидкости и сведения к минимуму энергетических потерь на подачу газа из нагревателя 1 в охладитель- 2,-а также отвода избыточной

энергии перепада давления газа внешнему потребителю. При этом гидравлическая турбина работает при возможно высоком напоре, а, следовательно, ее стоимость является минимальной по сравнению с другими вариантами использования гравитационной энергии сбрасываемого жидкого рабочего тела.

Формула изобретения

1.Устройство преобразования тепловой

энергии в энергию изменения давления, содержащее частично заполненные рабочим телом нагреватель и охладитель, соединенные между собой трубопроводами подачи и возврата рабочего тела, причем охладитель

расположен над нагревателем, отличающееся тем, что, с целью расширения его функциональных возможностей, устройство дополнительно снабжено трубопроводом подсоса, запорным вентилем и гидротурбиной, часть трубопровода подачи рабочего тела, размещенная в нагревателе, выполнена перфорированной, трубопровод подсоса содержит вентиль и сопло, расположенное на одном из концов, трубопровод подсоса

закреплен внутри трубопровода подачи соос- но с последним, так что сопловой конец трубопровода подсоса расположен выше перфорированного участка трубопровода подачи, а второй конец трубопровода подсоса

на одном уровне с входным концом трубопровода подачи, запорный вентиль размещен на трубопроводе подачи между перфорированным участком и уровнем соплового конца тру- бопровода подсоса с возможностью

перекрытия проходного сечения трубопровода подачи, гидротурбина размещена на трубопроводе возврата рабочего тела.

2 Устройство по п. 1,отличяющее- с я тем, что трубопроводы подачи и возврата рабочего тела выполнены состаьмыг/и

Изобретение относится к машиностроению и используется для теплообмена между средами с одновременным приводом автономно действующих механизмов. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей последнего. При полностью закрытом запорном вентиле устройство ра/ /J ботает аналогично известному, преобразуя тепловую энергию в энергию изменения давления, при открытом запорном вентиле и закрытом вентиле сопла 15 рабочее тело 4 испаряется в нагревателе 1 и конденсируется в охладителе, после чего сливается по трубопроводу 7 через турбину 9, преобразуя гравитационную энергию рабочего тела 4 в полезную механическую энергию турбины 9, совместное открытие запорного вентиля и вентиля сопла 15 позволяет осуществить одновременное преобразование тепловой энергии в энергию изменения давления и энергию турбины 9 за счет подсоса газовым потоком из сопла 15 жидкого рабочего тела 4. 1 з. п., 1 ил. г/9 /7 I У