Тепловой двигатель преимущественно для системы опреснения минерализованных вод вымораживанием Советский патент 1993 года по МПК F25B29/00 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, а именно к тепловым двигателям, работающим на энергии перепада температур в средах или между средами и преимущественно предназначаемым для систем опреснения минерализованной воды и/или намораживания массива льда.

Известно, устройство преобразования тепловой энергии в энергию изменения дав-; ления,которое содержит нагреватель и охладитель, заполненные в качестве рабочего тела смесью газа и жидкости 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, причем охладитель 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, а вход трубопровода возврата сообщен с нижней частью охладителя.

Недостатком известного устройства является низкая эффективность его использования для опреснения минерализованной воды и/или намораживания массива льда, так как использование нагревателя в качестве теплообменника намораживания приводит к уменьшению перепада температур между нагревателем и охладителем что в свою очередь ведет к падению мощности устройства,;

Известно также устройство преобразования тепловой энергии в энергию изменения давления, которое помимо нагревателя и.охладителя, соединенных между собою трубопроводами, клапана, трубопровода возврата, снабжено емкостью с теп лоизоли- рующими стенками, обратным клапаном, установленным в трубопроводе подачи, и сливным трубопроводом с обратным клапаном, при этом емкость сообщена с верхней частью охладителя посредством слитного трубопровода и нагревателем посредством трубопровода подачи.

Недостатком этого устройства является низкая эффективность работы при автономном использовании природных источников тепла в системах опреснения минерализованных вод вымораживанием.

Наиболее близким по технической сущ ности является устройство, содержащее собственно насос, состоящий из двух симметричных частей, каждая из которых имеет три последовательно расположенные относительно друг друга камеры соответственно подвода, рабочую и привода переключателя, электрическую систему обеспечения работы устройства, конденсатор с накопителем и солнечный испаритель, гидравлически связанные между собой через систему переключения и насос замкнутым контуром, заполненным частично испаряющейся жидкостью, а частично ее парами; систему охлаждения конденсатора водой.

Недостатком устройства является низкая эффективность при автономном использовании природных источников тепла, так как часть энергии теряется на подачу воды

5 на охлаждение конденсатора и привода переключателя. Кроме того, часть энергии должна быть преобразована в электрическую для обеспечения работы системы обеспечения работы устройства при его автономном

0 использовании.

Целью изобретения является повышение эффективности работы устройства при автономном использовании источников тепла.

5 Эта.цель достигается тем, что, рабочие и приводные камеры выполнены сильфон- ными, имеющими с камерами переменного объема общую жесткую подвижную стенку, жесткие неподвижные стенки камер уста0 новлены на общей жесткой раме, а из каждой пары камер одна расположена по другую сторону общей подвижной стенки относительно второй камеры, и площадь поперечного сечения приводных камер боль5 ше аналогичных площадей рабочих камер. Верхняя часть охладителя преобразователя тепловой энергии в энергию изменения давления гидравлически соединена с одной из приводных камер, в то время как вторая

0 приводная камера гидравлически подсоединена к верхней части нагревателя. Камеры переменного обьема выполнены герметическими, заполнены газом и каждая снабжена Дополнительной емкостью с вентилем.

5 Кроме того, каждая рабочая камера имеет нагнетательный и всасывающий клапаны и соединена через свой нагнетательный клапан с другой рабочей камерой через ее всасывающий клапан отдельным контуром

0 системы опреснения и/или нэмораживания льда, заполненным антифризом.

Выполнение рабочих и приводных камер сильфонными, и имеющими с камерами переменного объема общую жесткую по5 движную стенку и жесткие неподвижные стенки камер установленными на общей жесткой раме, обеспечивает одновременно равное по абсолютному значению изменение продольного размера объема камер, что является необходимым условием их автоматического синхронного взаимодействия между собой.

Расположение одной камеры каждой пары по другую сторону общей подвижной стенки обеспечивает обратное по знаку изменение продольного размера объема в каждой паре камер, что позволяет автоматически синхронизировать работу каждой пары камер при работе каждой из камер пары в обратном режиме, и обеспечить требуемую синхронную подачу и отбор теплоносителя в и из контуров его циркуляции, а, следовательно, этот признак также необходим для достижения поставленной цели.

Чем больше площадь поперечного сечения приводных камер аналогичных площадей рабочих камер, тем больше давление нагнетания и всасывания рабочих камер, а, следовательно, эффективность работы теплового двигателя при автономном использовании природных источников как водоподъемника с или без изменения температуры перекачиваемой жидкости. i Признак, касающийся соединения приводных камер с охладителем и нагревателем преобразователя, необходим для обеспечения работоспособности двигателя, быполнение камер, переменного объема герметичными, заполненными газом и снабженными каждая дополнительной емко- сНю с вентилем, обеспечивает повышение эффективности за счёт расширения возможностей регулирования изменения давления вшх при изменении положения общей подвижной стенки,а, следовательно, подбора оптимального изменения давления в каме- рйх переменного объема при работе двига- тфя в конкретных условиях. . Последние признаки позволяют повысить эффективность работы, при опреснении и/или намораживании массива льда.за счет создания требуемого режима теплообмена и увеличения;времени теплообмена между антифризом контура системы оп- реЬнения и/или намораживания льда и замораживаемой водой и охлаждающей средой, что обеспечивает оптимальный ре- жи|м опреснения и больший отвод холода замораживаемой воде и получение его из охлаждающей среды, а использование в качестве теплоносителя антифриза - расширить диапазон отрицательных температур, пр0 которых можно осуществить рассматриваемы процесс.

Таким образом, каждый из вышеприведенных признаков необходим, а вместе взятые достаточны для того, чтобы обеспечить достижение положительного эффекта, а, следовательно, эти признаки являются существенными.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство; на фиг. 2 - поперечный разрез А-А на фиг. 1 трехкамерного объемного насоса, Устройство содержит нагреватель 1 и

расположенный над ним охладитель 2, заполненные газом 3 и его легкоиспаряющейся жидкостью 4, или его растворителем, например аммиаком, или его водным раствором. Нагреватель 1 и охладитель 2 сое0 динены между собой трубопроводом 5 подачи рабочего тела из нагревателя 1 в охладитель 2 и трубопроводом 6 возврата рабочего тела в нагреватель 1, В трубопроводе 6 возврата установлен открытый в сто5 рону нагревателя 1 обратный клапан 7.

Основание 8 нагревателя 1 выполнено с

приямком 9 для сбора жидкости 4, причем

/вход 10 трубопровода 5 размещен в приямке

9 с зазором между его торцом и дном приямка

0 9. Выход 11 трубопровода 5 расположен в охладителе 2 выше минимально возможного уровня жидкости 4, а вход 12 трубопровода 6 сообщен с нижней частью охладителя 2. Концы трубопроводов 5 и 6 в нагревателе 1 и

5 охладителе 2 возможно удалены друг от друга. Трубопровод 13 в качестве звена отбора . мощности подключен к нагревателю непосредственно, а к охладителю 2 посредством трубопроводов 5 и 6. Трубопровод 13 звена

0 отбора мощности подсоединен к камере 14 . трехкамерного объемного насоса 15, имею- .щего общую подвижную стенку 16 со вторым трехкамерным объемным насосом 17, одна из камер 18 которого гидравлически

5 соединена с верхней частью охладителя 2 трубопроводом 19. Неподвижная стенка 20 насоса 15 и такая же стенка 21 насоса 17 установлена на жесткой раме 22. Рабочая камера 23 насоса 15 и рабочая камера 24

0 .насоса 17.подключены к вторичным контурам 25 и- 26 циркулировать незаме р- : зающего теплоносителя 27, например антифриза. Рабочие камеры насоса соединены вторичными контурами 25 и 26 с

5 рабочими камерами второго насоса гидравлически только водном направлениидоиже- ния перекачиваемого теплоносителя 27 из рабочей камеры одного насоса 15 или 17 по этому контуру через нагнетательные клапа0 ны 28 или 29, затем теплообменники 30 или 31 охлаждения теплоносителя, теплообменники 32 или 33 намораживания, клапаны 34 или 35 всасывания соответственно контура

25 или 26. Третьи камеры 36 и 37 соответст5 венно насосов 15 и 17 выполнены герметичными и заполнены газом. Рабочие камеры 23 и 24 и подключенные к ним вторичные контуры 25 и 26 заполнены антифризом. Камеры 36 и 37 соответственно снабжены дополнительными емкостями 3.8 и 39 с

вентилями. Теплообменники 30 и 31 могут размещаться в подогревателях, например, в солнечных коллекторах (не показаны). Контур 25 также снабжен отводным трубопроводом с вентилями 40 и 41, а контур 26 - трубопроводом с вентилями 42 и 43. Контур 25 соединен с источником перекачиваемой жидкости трубопроводом с вентилем 44, а контур 26 - трубопроводом с вентилем 45.

Устройство работает следующим образом. .. .

В нагревателе 1 жидкость 4, например, аммиак нагревается. Давление газов аммиака при этом возрастает. Давление в нагревателе 1 возрастает по сравнению с давлением того же газа, находящегося в охладителе 2, Под воздействием разности этого давления клапан 7 трубопровода 6 закрывается, и жидкость 4 (например, жидкий аммиак) из нагревателя 1 вытесняется в охладитель 2 по трубопроводу 5. После этого, как вся жидкость 4 по трубопроводу 5 из приямка 9 вытеснится из нагревателя 1 в охладитель 2, в него начинает из нагревателя 1 поступать газообразный аммиак, где он охлаждается и часть его конденсируется. При этом давление в нагревателе 1 падает и стремится выровняться с давлением в охладителе 2. Когда давление в нагревателе 1 падает настолько, что клапан 7 под воздействием сил давления на него жидкости 4 открывается, жидкость сбрасывается по трубопроводу 6 обратно в нагреватель 1, образуя волну попуска. До добегания волны жидкости 4 до приямка 9 давление газа между нагревателем Т и охладителем 2 продолжает выравниваться. После добегания жидкости 4 в приямок 9 поступление газа из нагревателя 1 в охладитель 2 блокируется, жидкость 4 нагревается и процесс повторяется. При этом во времени происходит изменение давления газа в нагревателе 1 относительно его давления в охладителей. Изменение этого давления передается по трубопроводам 13 и 19 соответственно в камеры 14 и 18. При давлении газа в камере 14, большем давления в камере 18, камера 14 расширяется, а камера 18 уменьшается по объему. При этом в камере 36 давление уменьшается, так как ее объем увеличивается, а в камере 37, которая сжимается, давле- ниетаза увеличивается. При передвижений подвижной стенки 16 при расширении камеры 14 теплоноситель 27 из рабочей камеры 24 насоса 17 через клапан 29 выталкивают в контур 26 через его теплообменник 31 охлаждения теплоносителя при открытом вентиле 43, где теплоноситель 27 охлаждают воздухом, имеющим отрицательные температуры, и затем в теплообменник 33

намораживания, где он отдаёт свой холод замораживаемой воде, окружающей его, и далее поступает через клапан 35 в рабочую камеру 23 насоса 15. При уменьшении давления в нагревателе 1 по отношению к дав- лению в охладителе 2 под действием сжатого газа в камере 37 и разряженного газа в камере 36 подвижная стенка 16 смещается в обратном направлении. Камера 14

сжимается, а камера 18 расширяется, рабочая камера 24 расширяется, а камера 23 сжимается, в результате чего теплоноситель 27 через клапан 28 выталкивается в контур 25 при открытом вентиле 41 через

его теплообменник 30. где его охлаждают воздухом с отрицательными температурами, далее в теплообменник 32, где он отдает холод воде и затем через клапан 34 поступает в камеру 24, но насоса 17. Таким образом

осуществляют попеременно циркуляцию теплоносителя 24, например, антифриза, в контурах25 и 26. Дополнительные газовые. емкости 38 и 39 с вентилями обеспечивают возможность соответственно требуемой

степени заполнения камер 36 и 37 газом и

изменение давления газа при изменении

положения подвижной стенки 16. При этом

вентили 40, 42, 44 и 45 - закрыты.

Подвижная стенка 16 находится в равновесии,когда.

Pit GH1 + P21 «21 + Р31

Р12 GM2 + P22 U&2+P32 «32, (1)

где Рп, Р21, Рз1 -давления соответственно

в камерах 23, 36, 14 насоса 15;

а) и, 0)21. о)31 площадь подвижной

стенки, приходящаяся соответственно на

камеры 23,36, 14; .. Pi2, Р22, Рз2 - давление соответственно

в камерах 24,37,18 насоса 17;

о 12, со 22, й 32 - площадь подвижной

стенки, приходящаяся соответственно на

камеры 24, 37, 18.. Если соблюдается неравенство

: Рп (У114-Р21 С021 + Р31 Ю31

Р12 + P22 «22 +Р32 «32 . (2)

то подвижная стенка 16 сдвигается так, что увеличивается объем насоса 15 и уменьшается обьем насоса 17, при этом через клапан 28 камеры 23 по контуру 25 теплоноситель выталкивают через клапан З4.в камеру24.

Когда

Р11 ОЛ1 + Р21 W21 + P31 W31

Р12 У 12 + Р22 0 22+Р32 , (3)

с|енка 16 сдвигается, увеличивая объем насоса 17 и уменьшая объем насоса 15, через клапан 29 из камеры 24 теплоноситель по контуру 26 выталкивают через клапан 35 в камеру 23.

При заданных пределах изменения величин давления Рзт и Рз2, определяемого изменением давления в преобразователе тепловой энергии в механическую при за- дйнном значении перепада температур нагревания и охлаждения, из соотношения (1) подбором значений Р21 и Р22, что можно регулировать с помощью емкостей 38 и 39 с вентилями, а также площадей «ц, , Ш31, (о 12, СУ 22 и CL) 32, можно найти необходимые значения Рн, PI, обеспечивающие циркуляцию необходимого количества теплоносителя в контурах устройства с оптимальным периодом времени.

Вокруг теплообменников 32 и 33, при их расположении ниже уровня минерализованной воды, намораживается частично опресненный блок льда. При медленном охлаждении соленой воды ниже 0° С образуются кристаллы пресного льда, смерзающиеся в агрегаты. Агрегат представляет собой группу кристаллов пресного льда, между которыми имеются полости, заполненные россолом. При растаивании таких агрегатов льда получают лишь частично опресненную воду. Температура образованного блока льда в предлагаемом устройстве периодически медленно изменяется во времени. При поступлении порции охлажденного теплоносителя периодически в теплообменники 32 и 33 соответственные блоки льда охлаждаются, затем за счет тепла окружающей их воды постепенно прогреваются. Но при таком подогревании блока льда замерзший между кристаллами пресного льда рассол перейдет в жидкое состояние и стечет раньше, чем начнут таять кристаллы пресного льда, т. е. лед опресняется. При очередном понижении температуры намораживается очередной слой частично опресненного льда, который затем при повышении температуры доопресняется и т. д. Таким образом намораживается в стоящей минерализованной воде блок дополнительно опресненного льда, по сравнению с блоком, намораживаемым при

постоянной циркуляции теплоносителя е теплообменниках 32 и 33.

При подогревании теплообменников 30 и 31 в контурах 25 и 26 циркулирует теплоноситель 27, подводящий вместо холода

тепло к теплообменникам 32 и 33. Это позволяет прогревать блок льда в требуемом режиме для получения опресненной воды.

При закрытых вентилях 41 и 43 и открытых вентилях 40, 42, 44 и 45 устройство работает как водоподъемник с изменением температуры перекачиваемой жидкости в теплообменниках 30 и 31. При перекачивании, например, подземной воды, обычно имеющей температуру 8-12° С независимо

от времени года, ее температура может понижаться до 2-3° С в теплообменниках 30 и 31 перед подачей на массив наморажива- ния. При необходимости подачи подогретой воды потребителю, она может нагреваться

в теплообменниках 30 и 31, например, солнечным коллектором, При теплоизолиро- ванных теплообменниках 30 и 31 жидкость подается потребителю при температуре в ее источнике,

Предлагаемое техническое решение может также быть использовано для интенсификации намораживания массивов льда в периоды с температурами воздуха положительными, например, днем и отрицательными, например, ночью; интенсификации намораживания льда в водоемах; удлинения срока службы ледяных сооружений; плотин, переправ, регуляторов уровня, бе- регозащитных устройств и т. д.

Целесообразно использование устройства для регулирования температуры массивов льда, в том числе намороженных бунтовым способом для их прогревания в требуемом режиме, в том числе равномериого (для этого теплообменники 33 и 32 спариваются), В этом случае теплообменники 30 и 31 подогреваются, например, солнечными коллекторами.

Использование: перемещение рабочих cpek посредством теплового двигателя, работающего на энергии перепада температур. Сущность изобретения: тепловой двигатель содержит преобразователь тепловой энергии в энергию изменения давления, две переводные, две рабочие и две переменного объема камеры 14, 18, 23, 24, 36. 37, имеющие общую подвижную стенку 16 и неподвижные стенки 20, 21, установленные на общей жесткой раме 22, сильфонные боковые стенки, а из каждой пары камер одна расположена по другую сторону общей подвижной стенки 16. Одна из приводных камер 14, 18 подсоединена к верхней части охладителя преобразователя тепловой энергии, а вторая - к верхней части его нагревателя. Камеры 3.6, 37 выполнены герметичными и заполнены газом, а каждая из них снабжена дополнительной емкостью 38, 39 с вентилем. Каждая из рабочих камер 14, 18 соединена через свой нагнетательный клапан 28, 29 с-другой рабочей камерой через ее всасывающий клапан 34, 35 отдельным контуром системы опреснения и/или намо- раживания льда, заполненным антифризом. 1 з. п. ф-лы, 2 ил. Jffjf 40 f.4f (/ С VI чэ ел N) О

Формула изобретения 1. Тепловой двигатель преимущественно .для системы опреснения минерализованных вод вымораживанием, содержащий две приводные и две рабочие камеры, а также две камеры переменного обьема, каждая

из которых имеет жесткую неподвижную и жесткую подвижную стенки, соединенные гофрированными боковыми стенками, нагреватель и охладитель, отличающий- с я тем, что, с целью повышения эффективности работы при автономном использовании природных источников тепла, рабочие и приводные камеры выполнены сильфон- ными, имеющими с камерами переменного объема общую жесткую подвижную стенку, жесткие неподвижные стенки установлены на общей жесткой раме, а из каждой пары камер одна расположена по другую сторону общей подвижно стенки и площадь поперечного сечения пр ивЬдных камер больше аналогичных площадЪй рабочих камер, причем одна из п рийодных камер подсоединена к верхней части охладителя преобразователя тепловой энергии в энергию изменения давления, а другая 0

к верхней части его нагревателя камеры переменного объема выполнены герметичными, заполнены газом и каждая из них снабжена дополнительной емкостью с вентилем,.

2. Двигатель по п. 1,отличающий- с я тем, что каждая рабочая камера имеет нагнетательный и всасывающий клапаны, причем каждая из рабочих камер соединена через свой нагнетательный клапан с другой рабочей камерой через ее всасывающий клапан отдельным контуром системы опреснения и/или намораживания льда, заполненным антифризом.