Устройство для утилизации тепловой энергии в механическую и электрическую энергию
Полезная модель относится к энергомашиностроению и устройствам для преобразования низкопотенциальной тепловой энергии естественной окружающей среды и техногенной тепловой энергии в нефтехимических производствах за счет использования разности их температур, при воздействии разности температур на низкотемпературную кипящую жидкость (например, фреон), и использование ее переходов в агрегатные состояния из жидкой в газообразную фазы, для экологически чистого преобразования энергии расширения газообразной фазы низкотемпературной кипящей жидкости в механическую энергию мембраны воздушного компрессора, и механическую энергию вращения воздушной турбины в электрическую. Заявленный технический результат достигается за счет того, что предусматривается применение блока источника тепла, замкнутый контур с промежуточным теплоносителем, реактором, жиклером, воздушным компрессором, разделительными клапанами, баллон для сжатого воздуха, баллон, со сжатой газовой фазой фреона, корпус холодильника, теплообменники для нагрева и охлаждения рабочего тела, воздушную турбину и генератор тока.
УСТРОЙСТВО ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ И ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ
ОПИСАНИЕ
Полезная модель относится к энергомашиностроению и может быть использована для преобразования низкопотенциальной тепловой энергии естественной окружающей среды и/или техногенной тепловой энергии в нефтехимическом производстве за счет использования разности их температур, при воздействии разности температур на низкотемпературную кипящую жидкость (например, фреон), и использование ее переходов в агрегатные состояния из жидкой в газообразную фазы, для экологически чистого преобразования энергии расширения газообразной фазы низкотемпературной кипящей жидкости в механическую энергию мембраны воздушного компрессора, и механическую энергию вращения воздушной турбины в электрическую.
Известен способ получения механической энергии вращения за счет комплексного использования разности температур морской воды на разных ее уровнях и гравитационного взаимодействия без расходования топливно-энергетических ресурсов.
Сущностью данного изобретения является: равномерно по окружности частично погруженного в воду ротора, установлены теплочувствительные элементы (ТЭ), связанные с грузом, выполненным в виде массивного обода, с возможностью его радиального перемещения при изменении температуры окружающей среды, что обеспечивается созданием в верхней и нижней частях ротора соответственно зон нагрева и охлаждения, первой из которых является окружающий воздух, а вторая образована емкостью в виде лотка, который сообщается с верхней частью трубопровода, поднимающему вверх, как по сообщающемуся сосуду, холодную воду из глубинных ее слоев. Ротор снабжен лопатками для перемешивания воды по лотку от верхней части трубопровода. Вращение ротора осуществляется за счет момента сил тяжести F, создаваемых грузами при разных расстояниях Р2 и Р1 боковых частей обода от оси в зависимости от нагрева и охлаждения ТЭ. (См. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ВРАЩЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Б.Ф.КОЧЕТКОВА, RU 2075645 C1, МПК 6 F03G 7/05, F03G 7/06).
Однако, этот способ позволяет использовать тепловую энергию только в узком диапазоне температур, также он обладает значительной инерционностью и не может обеспечивать высокий КПД преобразования низкопотенциальной энергии окружающей среды (воды и воздуха) в механическую энергию.
Известен также парокомпрессионные способы термотрансформации, включающие испарение рабочей среды при пониженном давлении, сопровождаемое поглощением тепловой энергии низкотемпературного источника, сжатие рабочей среды в парообразном состоянии с помощью компрессора, охлаждение и конденсацию рабочей среды с передачей, выделяющейся при этом тепловой энергии более высокотемпературному приемнику, и понижение давления рабочей среды (как правило, дросселированием) перед испарением. (См. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. - М.. Энергия, 1968, с.185-212., а также изобретение СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРАНСФОРМАЦИИ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ, RU 2161759, МПК 7 F25B 9/08, F25B 30/02).
Однако, энергетическая эффективность такого рода устройств сравнительно мала и уступает по эффективности способам на основе низкотемпературных кипящих жидкостей, поскольку требует применения устройства для трансформации тепловой энергии (холодильник или тепловой насос), включающее циркуляционный контур с установленными в нем последовательно испарителем, струйным аппаратом, охладителем (конденсатором), дросселем или детандером, и дополнительный циркуляционный контур (коммуникации), содержащий насос и испаритель высокого давления и подключенный к основному контуру со стороны насоса между охладителем и дросселем, а со стороны испарителя высокого давления - к струйному аппарату.
Известна теплосиловая установка, содержащая высокопотенциальный источник тепла, замкнутый контур с промежуточным теплоносителем, силовую турбину, теплообменники для нагрева и охлаждения рабочего тела. (См. изобретение ТЕПЛОТРУБНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, RU 2287709, МПК F01K 25/00)
Основные недостатки такой установки:
- сложность конструкции, потребность в источниках высоких температур, невозможность использования низкопотенциального тепла в широком диапазоне температур от -50 градусов по Цельсию до +150 градусов по Цельсию, например, от естественных и/или техногенных источников;
- невысокий КПД из-за непроизводительных потерь тепла на образование и конденсацию пара легкокипящей жидкости, который используется для вытеснения вспомогательной жидкости из камеры, а также невозможность использования в цикле низкопотенциального тепла для производства, например, электроэнергии и образования экологически чистой системы преобразования тепла.
Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности и достигаемому результату является способ преобразования тепловой энергии в механическую и электрическую энергию является теплосиловая установка, содержащая блок высокопотенциального источника тепла, замкнутый контур с промежуточным теплоносителем, силовую турбину, теплообменники для нагрева и охлаждения рабочего тела для преобразования энергии жидкой и газовой фаз в механическую и электрическую энергию. (См. изобретение «ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА И СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЕЕ РАБОЧЕГО ТЕЛА», RU 2013572, МПК 5 F01K 25/00).
Основные недостатки такой установки - необходимость и сложность технологии приготовления ее рабочего тела и, как результат, сложность конструкции, потребность в источниках высоких температур, невозможность использования низкопотенциального тепла, например, от естественных или техногенных источников нефтехимического производства, невысокий КПД.
Целью полезной модели является создание устройства преобразования низкопотенциальной тепловой энергии окружающей среды и/или тепловой энергии техногенных процессов в нефтехимическом производстве за счет использования разности их температур, при воздействии разности температур (градиента) на низкотемпературную кипящую жидкость (например, фреон), и использование ее фазовых переходов в агрегатные состояния из жидкой в газообразную фазы для экологически чистого преобразования энергии расширения газообразной фазы низкотемпературной кипящей жидкости в механическую энергию мембраны воздушного компрессора, и механическую энергию вращения воздушной турбины в электрическую.
Указанная цель достигается за счет того, что устройство для утилизации тепловой энергии в механическую и электрическую энергию, содержащее блок источника тепла, замкнутый контур с промежуточным теплоносителем, силовую турбину, теплообменники для нагрева и охлаждения рабочего тела для преобразования энергии жидкой и газовой фаз в механическую и электрическую энергию за счет использования разности (градиента) температуры окружающей среды и/или техногенных процессов в нефтехимическом производстве, при воздействии на низкокипящую жидкость, отличающееся тем, что источник тепловой энергии через разделительные шаровые краны соединен с теплообменником реактора, который через жиклер подсоединен к корпусу воздушного компрессора, причем мембрана в корпусе воздушного компрессора соединена с клапанной коробкой с всасывающим клапаном и нагнетательным клапаном, и через разделительный клапан присоединена к баллону для сжатого воздуха, который через клапан ресивера соединен с пневматической магистралью воздушной турбины, вал которой соединен с генератором тока, электрический выход генератора подключен к блоку коммутации и управления, который соединен с внешним источником электропитания для начального запуска устройства и снабжен цепью электрического питания внешней нагрузки, а теплообменник холодильника через контур соединен с источником холода. Кроме того, патрубок корпуса теплового компрессора подсоединен через первый разделительный клапан к корпусу холодильника и через второй разделительный клапан к баллону для сжатой газовой фазы фреона, выход которого через третий разделительный клапан соединен с коллектором холодильника фреона, который через четвертый разделительный клапан подсоединен к корпусу холодильника, и через пятый разделительный клапан соединен с патрубком реактора, причем первый, второй, третий, четвертый и пятый разделительные клапаны соединены цепями управления с блоком управления клапанами, который соединен цепью электрического питания с блоком коммутации и управления, который выполнен с возможностью запуска от внешнего источника электропитания или от генератора устройства.
Краткое описание чертежей.
На Фиг.1 показана конструктивная схема преобразователя низкопотенциальной тепловой энергии окружающей среды и/или тепловой энергии техногенных процессов, где 1 - Блок преобразования градиента низкопотенциальной тепловой энергии в энергию сжатого воздуха, 2 - Блок воздушной турбины и генератора электрического тока, 3 - Источник тепловой энергии, 4 - Контур теплового нагрева, 5 - Шаровые краны, 6 - Теплообменник, 7 - Реактор, 8 - Жиклер, 9 - Корпус воздушного компрессора, 10 - Мембрана, 11 - Клапанная коробка, 12 - Клапан всасывания, 13 - Клапан нагнетания, 14 - Разделительный клапан, 15 - Болон для сжатого воздуха, 16 - Клапан ресивера, 17 - Патрубок выходной корпуса воздушного компрессора, 18 - первый разделительный клапан, 19 - второй разделительный клапан, 20 - третий разделительный клапан, 21 - четвертый разделительный клапан, 22 - пятый разделительные клапаны, 23 - Баллон со сжатой газовой фазой фреона, 24 Выходной патрубок баллона 23, 25 - Коллектор холодильника фреона, 26 - Патрубок реактора 7, 27 - Блок управления разделительными 18, 19, 20, 21, 22 клапанами, 28, 29, 30, 31, 32 - Цепи управления разделительными 18, 19, 20, 21 и 22 клапанами, 33 - Корпус холодильника, 34 - Теплообменник холодильника - 33, 35 - Контур источника холода, 36 - Источник холода, 37 - Цепь питания блока управления клапанами - 27, 38 - Воздушная турбина, 39 - Генератор тока воздушной турбина, 40 - Цепь генератора тока 39, 41 - Цепь электрического питания внешней нагрузки, 42 - Цепь электрического питания запуска от внешнего источника питания, 43 - Кнопка запуска от внешнего источника электропитания, 44 - Кнопка переключения на работу от генератора 39, 45 - Кнопка подключения внешней нагрузки, 46 - Пневматическая магистраль воздушной турбины 38, 47 - Блок коммутации и управления.
На Фиг.2. показана диаграмма работы клапанов 18, 19, 20, 21, 22;
Фаза 1. - Открыты разделительные клапаны 18 и 22, разделительные клапаны 19, 20, 21 - закрыты, производится расширение газообразной фазы фреона в реакторе 6 и повышение давления в корпусе воздушного компрессора 9, и баллоне 23, охлажденная жидкая фаза фреона из корпуса холодильника 33 через клапан 22 поступает в коллектор 25.
Фаза 2. - Открыт разделительный клапан 22, закрыты разделительные клапаны 19, 20 и 21 в корпусе воздушного компрессора 9 производится сжатие воздуха, мембрана 10 сжимается, и воздух из клапанной коробки 11, через клапан нагнетания 13 и разделительный клапан 14 поступает в баллон со сжатым воздухом 15, нагнетательный клапан 12 закрыт, охлажденная жидкая фаза фреона из корпуса холодильника 33 через разделительный клапан 22 поступает в коллектор 25.
Фаза 3. - Открыты разделительные клапаны 19 и 22, мембрана 10 выдавила воздух из клапанной коробки 11, через клапан нагнетания 13 и разделительный клапан 14 в баллон со сжатым воздухом 15, нагнетательный клапан 12 закрыт, охлажденная жидкая фаза фреона из корпуса холодильника 33 через клапан 22 поступает в коллектор 25.
Фаза 4. - Закрыты разделительные клапаны 18, 19, 22. Открыты разделительные клапаны 20 и 21. Под действием избыточного давления, накопленного в баллоне 23 в течение Фазы 1, происходит эжекция жидкой фазы фреона, ранее накопленного в коллекторе 25, через разделительный клапан 20 по патрубку реактора 26 в реактор 6.
Далее цикл работы повторяется в соответствии с Фазами 1, 2, 3 и 4.
На Фиг.3. показана диаграмма изменения давления фреона в корпусе воздушного компрессора 9, воздействующего на мембрану 10.
На Фиг.4. показана диаграмма зоны работы устройства на хладагенте фреон R 134 изменения давления фреона в корпусе воздушного компрессора 9, воздействующего на мембрану 10.
Устройство может быть реализовано на основе преобразователя низкопотенциальной тепловой энергии окружающей среды и/или тепловой энергии техногенных процессов.
Принцип работы устройства основан на преобразовании низкопотенциальной тепловой энергии окружающей среды и/или тепловой энергии техногенных процессов (в нефтехимии) за счет использования разности их температур, при воздействии разности температур на низкотемпературную кипящую жидкость (например, фреон), и использование ее переходов в агрегатные состояния из жидкой в газообразную фазы для экологически чистого преобразования энергии расширения газообразной фазы низкотемпературной кипящей жидкости в механическую энергию мембраны воздушного компрессора, и механическую энергию вращения воздушной турбины в электрическую.
Устройство реализуется посредством использования блока высокопотенциального источника тепла (как правило, техногенного происхождения, в частности нефтехимического производства) с промежуточным теплоносителем, силовой турбины, теплообменниками нагрева и охлаждения рабочего тела для преобразования энергии жидкой и газовой фаз низкокипящей жидкости в механическую и электрическую энергию.
Отличием устройства является использование источника тепловой энергии естественного или техногенного происхождения присоединенного через разделительные шаровые краны с теплообменником реактора, который через жиклер подсоединен к корпусу воздушного компрессора, мембрана в корпусе воздушного компрессора соединена с клапанной коробкой с всасывающим клапаном и нагнетательным клапаном, и через разделительный клапан присоединена к баллону для сжатого воздуха, который через клапан ресивера соединен с пневматической магистралью воздушной турбины, вал которой соединен с генератором тока, электрический выход генератора подключен к блоку коммутации и управления, который соединен с внешнем источником электропитания для начального запуска устройства и снабжен цепью электрического питания внешней нагрузки, теплообменник холодильника через контур соединен с источником холода. Патрубок корпуса теплового компрессора подсоединен через первый разделительный клапан к корпусу холодильника и через второй разделительный клапан к баллону для сжатой газовой фазы фреона, выход которого через третий разделительный клапан соединен с коллектором холодильника фреона, который через четвертый разделительный клапан подсоединен к корпусу холодильника, и через пятый разделительный клапан соединен с патрубком реактора, первый, второй, третий, четвертый и пятый разделительные клапаны соединены цепями управления с блоком управления клапанами, который соединен цепью электрического питания с блоком коммутации и управления, который снабжен кнопкой запуска от внешнего источника электропитания, кнопкой переключения на работу от генератора устройства и кнопкой подключения внешней нагрузки.
Принцип работы устройства основан на следующем.
Начальное состояние устройства. Шаровые клапаны - 5 закрыты. Низкотемпературная кипящая жидкость (например, фреон) залит в реактор 7. При открытии шаровых клапанов - 5, по контуру - 4 в теплообменник - 6 поступает из источника тепловой энергии - 3 тепловая энергия. Низкокипящая жидкость в реакторе - 7 расширяется и через жиклер - 8 с увеличивающимся давлением поступает в корпус воздушного компрессора - 9, мембрана - 10, которая размещена в корпусе воздушного компрессора - 9 сжимается, и воздух через клапанную коробку - 11, клапан нагнетания - 13 и разделительный клапан - 14 поступает баллон для сжатого воздуха - 15, и через клапан ресивера - 16 поступает в пневматическую магистраль - 46, которая присоединена к воздушной турбине - 38. Под давлением сжатого воздуха воздушная турбина - 36 приводится во вращение, на валу которой размещен генератор тока 39, выход которого подключен к блоку коммутации и управления - 47. При нажатии на кнопку запуска от внешнего источника электропитания - 44 с блока коммутации и управления - 47 подается питание на блок управления клапанами - 27. Диаграмма работа разделительных клапанов 18, 19, 20, 21 и 22 представлена на Фиг.2.
Диаграмма изменения давления фреона в корпусе воздушного компрессора - 9, воздействующего на мембрану - 10 представлена на Фиг.3. При выходе на рабочий режим генератора тока - 39, выполняется кнопкой - 44 перевод устройства в автономный режим работы от генератора тока - 39, и подключается выход генератора электрического тока - 39 к цепи электрического питания внешней нагрузки.
1. Устройство для утилизации тепловой энергии в механическую и электрическую энергию, содержащее блок источника тепла, замкнутый контур с промежуточным теплоносителем, силовую турбину, теплообменники для нагрева и охлаждения рабочего тела для преобразования энергии жидкой и газовой фаз в механическую и электрическую энергию за счет использования разности (градиента) температуры окружающей среды и/или техногенных процессов в нефтехимическом производстве, при воздействии на низкокипящую жидкость, отличающееся тем, что источник тепловой энергии через разделительные шаровые краны соединен с теплообменником реактора, который через жиклер подсоединен к корпусу воздушного компрессора, причем мембрана в корпусе воздушного компрессора соединена с клапанной коробкой с всасывающим клапаном и нагнетательным клапаном и через разделительный клапан присоединена к баллону для сжатого воздуха, который через клапан ресивера соединен с пневматической магистралью воздушной турбины, вал которой соединен с генератором тока, электрический выход генератора подключен к блоку коммутации и управления, который соединен с внешним источником электропитания для начального запуска устройства и снабжен цепью электрического питания внешней нагрузки, а теплообменник холодильника через контур соединен с источником холода.
2. Устройство для утилизации тепловой энергии в механическую и электрическую энергию по п.1, отличающееся тем, что патрубок корпуса теплового компрессора подсоединен через первый разделительный клапан к корпусу холодильника и через второй разделительный клапан - к баллону для сжатой газовой фазы фреона, выход которого через третий разделительный клапан соединен с коллектором холодильника фреона, который через четвертый разделительный клапан подсоединен к корпусу холодильника и через пятый разделительный клапан соединен с патрубком реактора, причем первый, второй, третий, четвертый и пятый разделительные клапаны соединены цепями управления с блоком управления клапанами, который соединен цепью электрического питания с блоком коммутации и управления, выполненным с возможностью запуска от внешнего источника электропитания или от генератора устройства.
