Устройство для получения механической энергии за счет энергии Солнца Советский патент 1993 года по МПК F03G7/00 

разности работ сжимаемого воздуха при впрыскивании в него воды с нижним температурным параметром, т.е. вода, взятая с верхних слоев солнечного соляного пруда, и расширяющегося объема воздуха при впрыскивании в него воды с верхним температурным параметром, т.е. вода, взятая из нижних слоев солнечного соляного пруда. Конденсация водяных паров производится после расширения объема с верхним температурным параметром.

Устройство для получения механической энергии, включающее двигатель, состоящий, из тороидальных цилиндров, поршней с форсунками, коромысла с центральным рычагом, вала, соединительных фланцев, кривошипно-шатунного механиз- ма, водяных емкостей, соединительных водяных труб, соединительных воздушных труб, водяного насоса, водяных и воздушных заслонок, циклона и теплообменника; и компрессор, состоящий из тороидальных цилиндров, поршней с форсунками, коро- .мысла с центральным рычагом, вала, соединительных фланцев соединительных труб, водяных/заслонок, воздушных всасывающих и нагнетательных клапанов, циклона, регулятора уровня жидкости, детандера, водяного насоса. .. ;

Каждый цилиндр двигателя снабжен дополнительной водяной емкостью с впускным краном, расположенной выше уровня цилиндра (например, на 2 метра) и соедийя- ющейся с рабочим объемом цилиндра воздушной трубой и водяным каналом через форсунки с заслонкой.

Авторами не выявлены устройства, в которых каждый цилиндр двигателя соединен -с дополнительной водяной емкостью с впускным краном, расположенной выше уровня цилиндра (например, на 2 метра) воздушной трубой и водяным каналом через форсунки с заслонкой.

В настоящее время для получения механической энергии за счет энергии Солнца при наличии солнечного соляного пруда известна установка, основными узлами и агрегатами которой являются: специальный испаритель, паровая турбина и другое вспомогательное оборудование.

Недостатком этого устройства является наличие отдельного испарителя и отдельного двигателя (турбины), что делает устройство взаимозависимым и способствует его удорожанию.

Известны также двигатели-компрессоры (СПДК), работающие на топливе (нефтепродукты, газ и т.д.), что и является существенным отличием от предлагаемого устройства.

В настоящей заявке предлагается устройство получения механической энергии и опреснения воды за счет энергии Солнца. Это осуществлено в одном агрегате, т.к.

протекающие процессы между собой взаимосвязаны. Такой агрегат может являться компактным модулем, которым может пополниться энергетическая станция в действии по мере выпуска их промышленностью.

На фиг.1 представлены термодинамические характеристики компрессора и двигателя; на фиг. 2 - предлагаемое устройство.

Для реализации этого предложения примем термодинамический цикл, который

состоит из двух изотерм и двух изобар (см. фиг.1). Возможно также применить и цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат (цикл Карно), но он усложнит конструкцию, хотя и КПД выше. Остановимся на первом

цикле.

Исключая некоторое переменное температурное воздействие на узлы и детали устройства, которое может понижать КПД, примем для изотермического сжатия (приблИжение к изотерме) компрессор, а для изотермического расширения - двигатель. Температура изотермы сжатия меньше температурь изотермы расширения. Таким образом, полезная работа будет равна

разности работ двигателя и компрессора.

Устройство состоит из двигателя и компрессора (см. фиг.2). Двигатель состоит из тороидальных цилиндров 1 (нафиг.2удви- гателя показано два тороидальных цилиндра, которые в дальнейшем будем называть правым и левым) поршней 2 с форсунками, коромысла 3 с центральным рычагом 4, вала 5, соединительных фланцев 6, кривошипно-шатунного механизма 7, до- полнительных водяных ем.костей 3, кранов 9, соединительных водяных труб 10, соединительных воздушных труб 11, водяного насоса 12, водяных заслонок 13, впускных воздушных заслонок 14, выпускных заслонок 15, циклона 16, теплообменника 17.

Компрессор состоит из тороидальных цилиндров 18, поршней 19 с форсунками,

коромысла 20 с центральным рычагом 21, вала 22, соединительных фланцев 23, соеди0 нительных водяных труб 24, водяных заслонок 25, всасывающих клапанов 26, нагнетательных клапанов 27, циклона 28, регулятора уровня выходящей жидкости 29, : детандера 30, ресивера 31, насоса 32.

5 Работа устройства.

На фиг.1 представлен теоретический цикл компрессора e-a-b-f-e и двигателя f-c- d-e-f. Полезная работа будет составлять разность площадей этих циклов, т.е. b-c-d-a-b.

Если взять солнечный соляной пруд с температурой нижнего слоя воды пруда 90°С и верхнего слоя с температурой 30°С, то при изотермическое сжатии воздуха в компрессоре вода для охлаждения будет использоваться с температурой 30°С, а при расширении воздуха в двигателе, сначала по; изобаре, а затем по изотерме, вода для нагревания будет использоваться с температурой 90°С. Перепад температуры воды ка при нагревании, так и при охлаждении примем Д , тогда изотермическое сжатий будет происходить при температуре Хи сжзтйя 30+10 400С, а .изотермическое расширение гиз.расш 90-10 80°С.

Разумеется, необходимо для этого соответственное количество впрыскиваемой воды; в тороидальные цилиндры как при сжатии, так и при расширении. Давление в начале сжатия и в конце расширения пример бар; давление в конце сжатия (дав- в ресивере) бара.

Рассмотрим работу двигателя. При вращении щатунно-кривошипного механизма 7 кдоомысло 3 с поршнем 2 будет совершать колебательное движение относительно тороидальных цилиндров. На фиг.2 показаны крайние положения поршней и лоответст- BeitHoe расположение деталей,и механизмов. .... ...-

В левом тороидальном цилиндре пор- ше|нь 2 находится в крайнем верхнем поло- жеЦии. При этом дополнительная водяная емкость 8, которая находится выше уровня поршня, например на 2 метра, пустая; магистраль водяного насоса 12 перекрыта кра- Hoji 9 дополнительной водяной емкости; водяная магистраль в коромысле, которая соединяется с форсунками, расположенными днище поршня, перекрыта водяной заслонкой 13; всасывающий воздушный канал перекрыт впускной воздушной заслонкой 14;: впускная заслонка 15 открыта.

В правом тороидальном цилиндре пойшёнь находится в крайнем верхнем положении. При этом дополнительная водяная емкость 8, которая находится выше уровня поршня, например на 2 метра, пустая}; магистраль водяного насоса 12 перекрыта краном 9 дополнительной водяной емкости; водяная магистраль в коромысле, которая соединяется с форсунками, распо- ло |сенными в днище поршня, перекрыта водяной заслонкой 13; всасывающий воздушный канал перекрыт впускной воз- дуи|жой заслонкой 14; впускная заслонка 15 открыта,

В правом тороидальном цилиндре поршень находится в крайнем нижнем положении. При этом дополнительная водяная емкость заполнена водой с температурой 90°С из солнечного соляного пруда с помощью водяного насоса 12, разовая порция воды которого равна объему дополни- тельной водяной емкости; кран дополнительной водяной емкости закрыт; впускная воздушная заслонка открыта; водяная магистраль в коромысле перекрыта водяной заслонкой, впускная заслонка за0 крыта.

Сначала рассмотрим работу правой части двигателя. Как только открылась впускная воздушная заслонка, воздух из ресивера 31, куда он нагнетается компрес5 сором под давлением 3 бара с температурой 40°С, поступает в тороидальный цилиндр и поршень начинает двигаться под постоянным давлением (на диаграмме фиг.1 движение изображено от точки f до точки Ь). В

0 точке b воздушная заслонка закрывается и постепенно открывается водяная заслонка в коромысле, после чего вода, при температуре 90°С. из дополнительной водяной емкости через форсунки в поршне под

5 давлением, высоты водяного столба мелкими брызгами поступает в сжатый воздух. Наличие соединительной воздушной трубы 11 способствует воде под давлением высоты водяного столба поступать в сжатый объ0 ем воздуха.

При контакте сжатого воздуха с горячей водой происходит увеличение объема за счет нагревания воздуха и испарения воды и движение поршня продолжается под по5 стоянным давлением (на диаграмме фиг.1 прямая Ь-с).

В зависимости от количества воды, подаваемой в разбрызганном состоянии в сжатый воздух, а также скорости движения

0 псршня, давление в тороидальном цилиндре может быть постоянным и прямая Ь-с фигЛ может быть изобарой.

Достигнув точки с и температуры 80°С, паровоздушная смесь продолжает расши5 ряться по изотерме при дальнейшем движении поршня и дальнейшей подаче воды с температурой 90°С, которая, охлаждаясь до температуры 80°С, поддерживает постоянную температуру при изотермическом расширении (объем дополнительной водяной емкости должен быть таким, чтобы воды в ней хватало до конца изотермического расширения). Конец изотермического расшире5 ния в точке, где правый поршень займет верхнее положение.

Если в точке b при закрытой воздушной заслонке мгновенно открыть водяную заслонку, то давление в полости тороидального цилиндра . может стать выше давления в ресивере и прямая Ь-с может

занять положение политропы b -с фиг.1. Это еще зависит и от скорости поршня.

Что же происходит в левой части двигателя в момент перемещения правого поршня из нижнего положения в верхнее, т.е. на фиг.1 движение соответствует точкам f-b-c-d.

Левый поршень из верхнего положения перемещается в нижнее и при этом зависимые операции в левой части двигателя проходят такие, какие должны проходить в правой части двигателя при перемещении правого поршня из верхнего положения в нижнее. Это движение является выхлопом

(на диаграмме фиг.1 прямая d-a-e).

При этом, при открытой выпускной за-v слонке 15 содержимое рабочего обьема тороидального цилиндра (паровоздушная, смесь и вода) при температуре 80°С поступает в циклон 16, где ртсепарированная вода направляется в нижний слой солнечного соляного пруда для подогрева, Вопрос извлечения из пруда кристаллизуемой соли, которая может постепенно накапливаться, здесь не рассматривается. Паровоздушная смесь поступает в теплообменник 17, работающий в противотоке, в котором водян ые .пары конденсируются и пресная вода поступает к. потребителю. Вода, которая идет в теплообменник для охлаждения паровоз-1 душной смеси (минерализованная или пресная), нагревается за счет тепла, выделяемого при конденсации паров, и может быть использована как.горячая вода.

При открыто /) выпускной заслонке 15 и закрытой водяной заслонке 13 давление в тороидальном цилиндре немного выше атм.осферного, В этот момент открывается кран 9 дополнительной водяной емкости 8 и водяным насосом 12 порция горячей воды при температуре 90° подается в дополнительную водяную емкость 8, заполняя ее, после чего кран 9 закрывается.

Достигнув нижнего1 положения, поршень начинает возвращаться в верхнее положение, выпускная заслонка, 15 закрывается и открывается впускная воздушная заслонка 14. В левой части двигателя начинает происходить тот процесс, который происходил ранее в правой части двигателя. Циклы повторяются.

Наличие дополнительных водяных емкостей 8 делает двигатель более экономичным по сравнению с тем двигателем, в котором они бы отсутствовали.

Если бы в сжатый объем воздуха подавалась горячая вода непосредственно сразу же водяным насосом, то надо было бы преодолеть противодавление сжатого воздуха. А поскольку объем сжатого воздуха и объем подаваемой воды могут быть соизмеримы,

особенно при увеличении отношения давления Pi/P, что полезно при увеличении мощности двигателя, то на это может затрачиваться значительная работа. И эту

работу нельзя возвратить за счет детандера, т.к. вода начинает подаваться в тороидаль-. ный цилиндр при максимальном в нем давлении и заканчивается к концу движения поршня в верхнее положение, когда давле0 ние в тороидальном цилиндре почти отсутствует.

Дополнительные водяные емкости водяной насос заполняет водой в момент открытой выпускной заслонки 15, Поэтому

5 работа водяного насоса будет затрачена только на преодоление высоты водяного столба от нижнего уровня (забор воды) до верхней части дополнительной водяной емкости, а также на гидравлическое сопротив0 :ление. Таким образом, увеличение отношения давления Pi/Pa на работу водяного насоса почти не влияет.

Детали двигателя и относящиеся к нему механизмы, соприкасающиеся с горячей во5 дои и окружающей средой, снабжены теплоизоляцией (не показано)..

Рассмотрим работу компрессора. При вращении шатунно-кривошипкого механизма 7 центральный рычаг 21, коромысло 20,

0 поршня 19 с форсунками совершают колебательное движение и при наличии всасывающих и нагнетательных клапанов 26, 27 компрессор может работать.

Как известно, работа компрессора бу5 дет минимальной при изотермическом сжатии. С этой целью используем для охлаждения при изотермическом сжатии холодную воду (30°С) верхней части солнечного соляного пруда, которая подается в

0 диспергированном состоянии (грубодис- персный аэрозоль) за счет водяного насоса и форсунок, .расположенных в днище поршня, в сжимаемый объем тороидального цилиндра.

5 ... Вода, соприкасаясь со сжимаемым воздухом, нагревается до температуры 40°С. Таким образом, разность температур , умноженная на количество (массу) и на ее теплоемкость, составит то. тепло,

0 которое надо отнять от изотермически сжи маемого воздуха (паровоздушной смеси) при температуре 40°С (разумеется, часть тепла идет на испарение воды при температуре 40°С); . ..

5 Рассмотрим работу правой и левой части компрессора.

Работа правой части компрессора. При перемещении поршня из нижнего положения в верхнее всасывающий клапан 26 от- крывается и окружающий воздух

засасывается в полость тороидального ци- лийдра. Водяная заслонка в канале коромысла при этом закрыта. После того, как поршень достиг верхнего положения, всасывающий клапан 26 закрывается и пор- шфнь идет вниз. Водяная заслонка в канале коромысла открывается и в диспергированной состоянии вода при температуре 30°С поступает при закрытых клапанах 26 и 27 в снимаемый объем воздуха, принимая на себя; тепло изотермического сжатия. Как только давление достигнет немногим больше давления в ресивере, открывается нагнета- те)пьный клапан 27 и содержимое (паровоздушная смесь и вода при температуре 40°С) направляется в циклон 28, где происходит отделение воды от паровоздушной смеси. Выделенная вода поступает в регулятор уровня выходящей жидкости 29 (регулятор уровня выходящей жидкости дает возмож- ногсть выходить только накапливающейся воде при сохранении давления в циклоне, равного давлению в ресивере), затем в детандер 30 (детандер возвращает, в основ- н0м ту энергию, которая была затрачена водяным насосом при впрыскивании воды в противодавление) и затем наружу. Паровоздушная смесь при 40°С направляется в ресивер,

. Работа левой части компрессора аналогична правой.

Двигатель и компрессор связаны между собою шатунно-кривошипным механизмом.

Как двигатель, так и компрессор, имеют тороидальные цилиндры одного и того же диаметра и один и тот же диаметр у средних окружностей тороидальных цилиндров. Но расстояния RI у двигателя (расстояние of оси вала 5 до шарнира шатуна двигателя) и На (расстояние от оси вала.22 до шарнира шатуна компрессора) разные. Причем, R2 больше-.Вт.

Таким образом, при вращении кривошипа радиусом г, который меньше R2 и меньше RI, угол /3 будет, меньше угла а. Следовательно, рабочий объем тороидаль- Hb ix цилиндров двигателя будет больше рабочего объема тороидальных цилиндров крмпрессора. Если давление в ресивере ( бара) выше давления окружающей среды ( бар) и температура рабочего вещества в двигателе () выше температуры в ресивере (), то устройство будет работать.

Ранее нами установлено, что изотермическое сжатие происходит при , a изотермическое расширение при . Сделаем ориентировочный расчет работы устройства.

Допустим, что в процессе принимает участие только чистый воздух (первоначальное давление бар; давление в ресивере, температура изотермического сжатия

Т2 40°СЛ 2 313К); температура изотермического расширения (); газовая постоянная воздуха Дж/(кг- К)). Из формулы для одного кг идеального газа

работа изотермического сжатия

-Т2 In -pi-0,287 -313 In | - 98,68944 кДж/кг;

работа изотермического расширения

-Ti -In ,287 -353 In | -111,3.015 кДж/кг;

полезная работа

полн 1расиНсж 111.3015-98,68944 12,61206 кДж/кг.

Таким образом, при участии в процессе одного кг чистого воздуха получено полезной работы 12,61206 кДж/кг. В действительности же в изотермическом процессе принимает влажный воздух, т.е. паровоздушная смесь; которая состоит из воздуха и водяного пара.

Если газовая постоянная воздуха Дж/(кг -К), а газовая постоянная водяного пара Дж/(кг- К), то газовая постоянная смеси воздуха и пара RCM будет больше газовой постоянной воздуха,

Поскольку степень насыщения воздуха зависит от температуры при одном и том же давлении, то RCM при 80°С будет больше RCM при 40°С.

В расчетной формуле определения работы одного кг воздуха при изотермическом процессе Т- In как при

Р2

сжатии, так и при расширении при постоянном отношении Pi/P2 на величину работы влияет только температура, т.к. газовая постоянная воздуха RB как при сжатии, так и при расширении одна и та же.

Если же в процессе участвует паровоздушная смесь при том же отношении давлений, что и для воздуха и тех же температурах изотермического сжатия и расширения то 1сж.см.

Ксж40°С -Т2 In p, a Ipacm-CKfRcxecfoIj- In j ,

можно видеть, что разность работ одного кг смеси (полезная работа) будет больше полезной работы одного кг чистого воздуха.

Т.К. RCM 80вС.бОЛЬШе ROM .

Паровоздушная смесь, вышедшая из тороидального цилиндра двигателя при температуре 80°С, конденсируется, максимальная температура конденсации равна

40°С.

Количество воды, получаемой из одного кг паровоздушной смеси, равно разности вл а госо держания при температурах 80 С и 40°С, .;.. ... .- ::-- . . ...-:..: .

Если же засасываемый компрессором воздух имеет температуру ниже 3QPC, что может быть в ночное время работы устро,й- ства. то охлаждающая вода, подаваемая в компрессор при сжатии, подается не сразу (начало сжатия), а по достижении температуры сжимаемого воздуха,гравной темпера

5

туре охлаждающей воды, т.е. 30°С (температура верхнего слоя солнечного соляного пруда). Работа устройства в этом случае экономичнее.

В компрессоре может изменяться рабочий объем за счет изменения расстояния и длины коромысла (не показано). Это может быть вызвано заметным изменением температур солнечного соляного пруда в различное время года,

Получение пресной воды при использовании устройства для получения механической энергии носит характер побочного явления (самопроизвольного), тем более, что такое устройство является более прием лемымв,тех местах с жарким климатом, где имеется минерализованная вода и наличие дефицита пресной воды.

Ф о р мул а и з обретён и я

Устройство для получения механической энергии за счет энергии Солнца, чающее цилиндры комдрессора и двигателя с всасывающими и выхлопными клапанами,

Р J V . ....

Изобара.

Яолитраяа J

Узотерма Jjofapa Фиг.1

а также шатунно-шарнирный синхронизирующий механизм, о тли ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения эффективности, цилиндры компрессора и двигателя выполнены тороидальной формы с форсунками для впрыска воды. ;/- :