Устройство для теплового привода объемного насоса Советский патент 1992 года по МПК F04B19/24 

Изобретение относится к насосострое- нию и может быть использовано для перекачки жидкости или газа за счет тепловой энергии перепада температур между двумя средами.

Известно устройство, позволяющее осуществлять тепловой привод центробежного насоса, Это устройство содержит парогенератор, соединенный трубопроводом с турбиной, к которой подсоединен конденсатор, из которого конденсированный жидкий фреон перекачивают в парогенератор, где его испаряют. ПодЗчу тепло- и хлэдоносите- лей соответственно в парогенератор и конденсатор осуществляют с помощью насосов.

Недостатком этого устройства является то, что для привода объемного насоса требуется дополнительное устройство для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и затраты механической энергии на привод трех насосов для перекачки жидкого фреона, теплоносителя и охладителя, что снижает КПД устройства.

Известно устройство, которое можно использовать для привода объемного насоса. Оно содержит V-образную трубу, один конец которой герметизирован жидким поршнем, а второй является глухим. Верхняя часть глухой трубы заполнена легкоиспаряющейся жидкостью и расположена в среде с более высокой температурой, чем температура среды, в которой расположена нижняя часть трубы. На повороте V-образ- ной трубы расположен жидкий поршень, плотность которого больше, чем плотность воды и легкоиспаряющейся жидкости. В трубе у ее свободного выхода расположен обратный клапан нагнетания, а ниже него к трубе подсоединен тр/бопровод, имеющий обратный клапан всасывания.

Недостатком этого технического решения является низкий КПД из-за периодического перегревания жидкостей и

4 СО Ы

Ю

непроизводительного теплового обмена между зоной нагревания и охлаждения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство преобразования тепловой энер- гии в энергию изменения давления, содержащее нагреватель и расположенный над ним охладитель, заполненные газом и жидкостью легкоиспаряющегося рабочего тела и соединенные между собой трубопроводом подачи жидкости из нагревателя в охладитель, входе который расположен в приямке нагревателя, а выход - в охладителе выше максимально возможного уровня жидкости. Охладитель и нагреватель также соединены вторым трубопроводом возврата, который предназначен для отвода жидкости из охладителя в нагреватель. Вход трубопровода возврата сообщен с нижней частью охладителя и в нем установлен открытый в сторону нагревателя обратный клапан. Верхняя часть нагревателя соединена с объемным насосом трубопроводом.

Недостатком устройства является то, что часть энергии в нем затрачивается на прерывную циркуляцию части жидкого рабочего тела без его фазового превращения из нагревателя в охладитель по трубопроводу подачи и слива его из охладителя в нагре- ватель по трубопроводу, а также бесполезное периодическое перегревание жидкого рабочего тела: охлаждение его в охладителе при подаче из нагревателя и нагревание в нагревателе после сброса из охладителя, Это приводит к понижению КПД устройства.

Цель изобретения - повышение КПД устройства путем исключения необходимости перегревания и перекачки жидкого рабочего тела.

Указанная цель достигается тем, что на- сое снабжен разделительной подвижной перегородкой, разделяющей рабочую и приводную камеры, а также коромыслом, имеющим емкости, расположенные на его концах; емкости коромысла заполнены де- балансовой жидкостью и кинематически связаны как с перегородкой насоса, так и штоком герметичных золотниковых переключателей, выполненных с возможностью попеременного перекрытия трубопроводов, соединяющих охладитель и нагреватель с приводной камерой насоса, при этом верхний конец патрубка, сообщающего приямок нагревателя с охладителем, распо- ложен в охладителе на отметке поверхности жидкого рабочего тела в нем.

Подвижная перегородка обеспечивает необходимый силовой привод и режим работы кинематической связи: приводная камера - золотниковые переключатели.

Наличие коромысла, емкости которого расположены на его концах и заполнены дебалансовой жидкостью, является необходимым элементом, обеспечивающим работоспособность кинематической системы и перекрытие трубопроводов за возможно более короткий промежуток времени. Последнее обеспечивает сведение к минимуму непроизводительного обмена газообразным рабочим телом между нагре вателем и охладителем.

Выполнение золотниковых переключателей герметичными позволяет увеличивать КПД устройства за счет исключения утечек рабочего тела, а также уменьшить опасность загрязнения окружающей .среды.

Признак, относящийся к расположению верхнего конца патрубка, дает возможность стабилизировать и интенсифицировать процесс фазового перехода рабочего тела в охладителе за счет поддержания в нем постоянной площади контактов рабочего тела, находящегося в жидкой и газообразной фазах.

Каждый из вышеприведенных признаков является необходимым для достижения поставленной цели, а в совокупности обеспечивают повышение КПД устройства.

Кроме того, соединение одного из подвижных торцов золотникового переключателя кинематически со счетчиком циклов открытия-закрытия трубопровода, на котором установлен переключатель, позволяет определить количество жидкости или газа, перекачиваемого и проходящего через устройство.

На фиг.1 показано устройство после отключения нагревателя от приводной камеры и подключения к ней охладителя (окончания цикла расширения приводной камеры и цикла нагнетания в рабочей камере насоса), поперечный разрез; на фиг.2 - то же, после подключения нагревателя к приводной камере и отключения охладителя от нее (окончание цикла сжатия приводной камеры и цикла всасывания в рабочей камере насоса).

Устройство содержит нагреватель 1 и охладитель 2, приямок 3, в котором расположен выход 4 из патрубка 5, вход 6 в который расположен на отметке уровня жидкого рабочего тела 7 в охладителе 2. Верхние части нагревателя 1 и охладителя 2 соединены трубопроводом 8 через золотниковые переключатели 9 и 10, а между ними через приводную камеру 11 обьемного насоса 12. Приводная камера 11 имеет общую подвижную перегородку 13 с рабочей камерой 14 насоса 12. Рабочая камера 14 имеет всасывающий и нагнетательные трубопроводы соответственно с обратными клапанами 15 и 16. На подвижной перегородке 13 установлен груз 17 с возможностью изменения массы, например, выполненный в виде короба с засыпкой песком. Неподвижные стенки камер 11 и 14 установлены на общей жесткой раме 18. К подвижной перегородке 13 жестко подсоединена вертикальная рама 19, в прорези которой размещен один конец 20 рычага полого коромысла 21, опертого на опору 22, и концевые, гидравлически соединенные между собой емкости 23 и 24, которые частично заполнены дебалансной жидкостью 25. Второй конец 26 рычага коромысла 21 расположен в рамке 27, жестко соединенной штоками 28 и 29 с соответственно торцами 30 и 31 золотниковых переключателей 9 и 10. Подвижные торцы золотниковых переключа елей 9 и 10 жестко соединены между собой золотниковыми штоками 32 и 33, имеющими радиальные отверстия 34 и 35, позволяющие проход газа через них по трубопроводу 8 в одном из крайних положений шгока. Причем, когда отверстия одного штока в одном крайнем положении позволяют проход газа через него, то отверстие второго штока не совпадает с трубопроводом 8, и проход газа по нему блокируется этим штоком. При противоположном крайнем положении наблюдается обратная картина. К подвижным горцам герметично подсоединены одним концом соответственно сильфонные камеры 36, 37 и 38, 39, второй конец которых соответственно подсоединен к соответственно неподвижным торцам 40, 41 и 42, 43. Сильфонные камеры 36 и 37, 38 и 39 соответственно гидравлически соединены между собой газопроводами 44 и 45.

На трубопроводе 8 установлен счетчик 46 циклов его открытия-закрытия, например, счетчик количества нажимов на его датчик 47 жесткой консоли 48, жестко прикрепленной к торцу 30. 11олзя часть ко- ромысла 21, соединяющего емкости 23 и 24, разделена перегородкой 49 с открытыми торцами.

Нагреватель 1 может быть выполнен в виде солнечного нагревателя одной из известных конструкций, включая фокусирующие коллекторы и аккумуляторы тепла (на фиг. не показаны).

Устройство работает следующим образом,

Нагреватель 1 расположен в среде, имеющей более высокую температуру, чем сре- дэ, в которой расположен охладитель 2. Напримео, нагреватель 1 расположен в сбросной воде коммунального предприятия, нагревающей рабочее тело в нагревателе до температуры +30°С, а охладитель 2 - в воздушной среде, охлаждающей рабочее тело о нем до температуры +150С. В этом

случае в нагревателе 1 давление газа PL например, фреона-114. на линии насыщения равно 2,55 атм, а в охладителе 2 давление Pg 1,54 атм. Под действием разности давления в патрубке 5 жидкий фреон-114

вытесняется на высоту над его поверхностью в нагревателе 1, равную

н, Ь-.(1) g AK

где g - ускорение силы тяжести, рж - плот- ность жидкого рабочего тела (фреона-114 в данном случае).

Удельный объем жидкого фреона U1 -0,90-103 см3/кг в пределах рассматриваемых температур (см. стр.393, там же).

1

Принимая во внимание, -, из

V1

соотношения (1) находим

9,81(2,55-1,54) кг М Hi

2 2 СМ С

9,81 м/с2 х 0,90-103см3/кгс; 0,9-103 см 9 м . (2)

ПриН Hi (3)

где Н - разница отметок уровней жидкого рабочего тела в охладителе 2 и нагревателе 1 (см, фиг.1 и 2),

жидкое раЬочее тело 7 при возрастании его отметки выше отметки входа 6 стекает по

патрубку 5 из охладителя 2. При крайнем положении золотникового переключателя 10(см. фиг.1) газ из приводной камеры 11 по трубопроводу 8 поступает через отверстие 35 в охладитель 2 при условии, что груз 17

оказывает давление на подвижную перегородку 13, обеспечивающее, например, давление РЗ 2,0 атм на газ, находящийся в камере 11. В результате газ из камеры 11 поступает в охладитель 2, где он конденсируется, и жидкое рабочее тело 7 в объеме конденсированного газа стекает в патрубок 5 и поступает в нагреватель 1. При этом подвижная перегородка 13 опускается, вертикальная рамка 19 опускается, соответственно поворачивая коромысло 21 на опоре 22. При достижении близкого к горизонтальному положения дебалансная жидкость 25 из емкости 23 начинает сливаться в емкость 24. Перегородка 49 дает возможность отдельно жидкости 25 поступать в емкость 24 из емкости 23, а газу - из емкости 24 в емкость 23. При достижении определенной степени перелива жидкости 25 в емкость 24 коромысло 21 поворачивается, сдвигая што- ки28и29 вверхдо крайнего положения При

эгом переключатель 10 закрывает nocryme- ние газа из камеры 11 в охладитель 2, и одновременно переключатель 9 открывает через отверстие 34 доступ газа из нагревателя 1 в камеру 11 (см. фиг.2). Газ под более высоким давлением из нагревателя 1 поступает в приводную камеру 11, при отом подвижная стенка смещается вверх,, соответственно поворачивая коромысло 21 до тех пор, пока жидкость 25 из емкости 24 поступит в емкость 23 в объеме, достаточном для поворота коромысла 21. В результате этого поворота блокируется поступление газа из нагревателя 1 в камеру 11, и она гидравлически соединяется с охладителем 2. Далее процесс периодически повторяется. При смещении подвижной перегорЬдки 13 вниз в рабочей камере 14 происходит процесс всасывания жидкости через клапан 15, при смещении перегородки 13 вверх- рабочая камера 14 сжимается, и жидкость (газ) выталкивается через клапан 16 в напорный трубопровод

Если

Н Hi ,(4)

то жидкое рабочее тело 7 выдавливается из нагревателя 1 в охладитель 2.

Отсюда следует, чтобы обеспечить работоспособность устройства в режиме сте- кания конденсированного рабочею тела из охладителя 2 в нагреватель 1, необходимо соблюдение условия неравенства (3).

В одном из крайних положений торца 30 жесткая консоль 48 нажимает на датчик 47 счетчика 46 циклов, который регистрирует количество нажимов, которые равны количеству рабочих циклов, совершенних объемным насосом.

Количество жидкости (газа), перекачи ваемое рабочей камерой 14, равно

W ruAW,(5)

где п - количество циклов (всасывания-нагнетания);

ЛW - количество жидкости (газа), перекачиваемое за один цикл.

Значение AW практически является постоянной величиной. Отсюда, зная по .счетчику 46 количество циклов, а также значение AW, находим по зависимости (5) объем жидкости, перекаченный насосом.

Аналогично можно определить количество газа, прошедшего через приводную камеру 11 при постоянных значениях давления Pi и Р2.

Регулируя массу груза 17, изменяют

значение давления Рз, а следовательно, высоту всасывания и нагнетания рабочей камеры 14.

Предлагаемое устройство позволяет

осуществлять привод объемного насоса за счет тепла перепада естественных температур гЛежду различными средствами, такими как грунт, вода и воздух, например, между грунтом или водой водохранилища, имеющими положительную температуру зимой, при отрицательных температурах воздуха. Оно позволяет перекачивать жидкость, а также газ. С помощью этого устройства целесообразно осуществлять подачу воздуха в

водоемы зимой для обогащения воды кислородом при борьбе с заморами, а также подачу воды на орошение, когда нагреватель 1 выполнен о виде солнечною нагревателя одной из известных конструкций

Формула изобретения

Устройство для теплового привода объемного насоса, содержащее нагреватель

и расположенный над ним охладитель, соединенные между собой посредством патрубка, нижний конец которого расположен в приямке нагревателя, и трубопровод, соединяющий верхнюю часть нагревателя с

объемным насосом, о т л и ч а ю щ е е с п гем, что, с целью повышения КПД0нчсос снабжен разделительной подвижной пере- юродкой с образованием рабочей и приоод- ной крмер и полым коромыслом, концевые

емкости которого частично заполнены деба- лангной жидкостью и кинематически связаны соответственно с перегородкой насоса и штоком герметичных золотниковых переключателей с возможностью периодпческого перекрытия трубопроводов, сообщающих охладитель и нагреватель с природной камерой насоса, при этом верхний коней патрубка расположен в охладителе па отметке поверхности хидкого

р&5очр 0 тела.

/4

-;j -;/

Сущность изобретенил: нагреватель с расположенным над ним охладителем соединены между собой патрубком. Нижний конец патрубка расположен в приямке нагревателя. Верхнюю часть нагревателя с объемным насосом соединяет трубопровод. Разделительная подвижная перегородка образует рабочую и приводную камеры. Концевые емкости полого коромысла частично заполнены дебалансной жидкостью и кинематически связаны соответственно с перегородкой и штоком герметичных золотниковых переключателей с возможностью периодического перекрытия трубопроводов, сообщающих охладитель и нагреватель с приводной камерой. Верхний конец патрубка расположен в охладителе на отметке поверхности жидкого рабочего тела. 2 ил.

У

W//I 6 3 M 37