Пристрій для перетворення тепла навколишнього ізотермічного середовища в механічну та електричну енергію

Винахід належить до галузі енергетики і може бути використаний в енергетичному машинобудуванні. Близьким аналогом пристрою, що заявляється, вибраним як прототип, є паросиловий пристрій, який перетворює тепло горіння палива: нафти, газ у, вугілля та ін. В механічну та електричну енергію. Прототип (Фіг. 1) містить топку 1, паливо 2, котел 3, робоче тіло (воду) 4, насичену пару 5, пароперегрівач 6, перегріту (ненасичену) пару 7, вентиль 8, парову турбіну 9 з електрогенератором 10, насичену пару 11, конденсатор 12, охолодну воду 13, конденсат 14, конденсатний насос 15 з електродвигуном 16 [1]. Процес перетворення тепла горіння палива в механічну та електричну енергію відображено на діаграмі РV (Фі г. 2). Завдяки теплу горіння палива 2 , вода 4 в паровому котлі 3 нагрівається до температури кипіння і кипить при сталому тиску P 1 і сталій температурі TKHa з утворенням насиченої, тобто мокрої, з крапельками води, двофазної пари (відрізок 5-4-6). На відрізку 6-1 відбувається перегрів насиченої пари у пароперегрівачі 6 до заданої температури Т1, при сталому тиску Р1, завдяки чому насичена пара перетворюється в перегріту, тобто суху, ненасичену, однофазну пару (точка 1). Ці процеси відбуваються завдяки теплу q1 горіння палива. У паровій турбіні 9 перегріта пара 7 розширюється по адіабаті 1-2, виконуючи корисну роботу обертання турбіни 9 і електрогенератора 10. Тиск пари і її температура знижуються, відповідні, з Р1 до P2 та з T 1 до T 2, перегріта (ненасичена) пара перетворюється в насичену пару, (точка 2). Далі насичена пара потрапляє в конденсатор 12, де вона, охолоджувана водою 13, перетворюється в конденсат 14, віддаючи тепло q2 навколишньому середовищу (пряма 2-3). Одержаний конденсат 14 стискується конденсатним насосом 15 від тиску Р2 до тиску Р1 (адіабата 3-5), конденсат потрапляє в котел 1, де він нагрівається теплом q1 горіння палива і цикл повторюється. Тепловий коефіцієнт корисної дії прототипу: h t = 1 - q2 / q1; Корисна робота одного циклу еквівалентна площі 1-2-3- 5-1. Загальною суттєвою ознакою прототипу та заявленого пристрою є застосування тепловіддавача та теплоприймача. Тепловіддавачами у прототипі являються палива: нафта, вугілля, природний газ та інші горючі речовини, температура горіння яких вища за температуру довкілля. Теплоприймачем - навколишнє середовище. Спалювання величезної, з кожним роком зростаючої кількості палива, веде, з одного боку, до повного вичерпання його запасів з природних родовищ, а з другого - відходи горіння палива забруднюють довкілля, шкодять здоров'ю людей і, взагалі, екологічно небезпечні. В основу заявленого винаходу поставлена задача - знайти принципово новий, відновлюваний, екологічно чистий тепловіддавач. Поставлена задача вирішується тим, що в якості тепловіддавача і теплоприймача,— використовується навколишнє ізотермічне середовище (НІС). Корисна робота одержується завдяки тому, що кількість тепла q'1 , відібраного від НІС, більша кількості тепла q'2 , відведеного до НІС: q'1 > q' 2 і h' t = 1 - q' 2 / q'1 ; Суть винаходу пояснюється описом та кресленнями. На фіг. 3. зображена схема заявленого пристрою, що містить котел 1, робоче тіло (низкокиплячу рідину) 2, насичену пару 3, парову трубу 4, ненасичену пару 5, вентиль 6, паровий двигун 7, електрогенератор 8, електродвигун 9, конденсатор 10, конденсат 11, вентиль регулювальний 12, трубу конденсатну 13, гідротурбіну 14, електрогенератор 15. Весь пристрій знаходиться в постійному тепловому контакті з атмосферним повітрям або водою з температурою навколишнього ізотермічного середовища. Котел, парову тр уба, циліндр і конденсатор зроблено з теплопровідного матеріалу. Для прискорення теплообміну між НІС і робочим тілом, і, як наслідок, для збільшення потужності пристрою, він має теплові труби q1 , які з великою швидкістю, ізотермічно, підводять з НІС до робочого тіла тепло q'1 , і теплові тр уби q2 , які, також з великою швидкістю, ізотермічно, відводять тепло q'2 від робочого тіла до НІС [2]. Пристрій працює так (фіг. 3 та фіг. 4). Перший етап. Коли поршень знаходиться в крайньому нижньому положенні (КНП), вентиль 6 відкривається, всмоктувальний клапан, під тиском Pнн ненасиченої пари 5, також відкривається, і поршень, при закритому нагнітальному клапані, піднімається до крайнього верхнього положення (КВП). Цей процес ізобарно-ізотермного розширення ненасиченої пари 5 від нуля до свого питомого об'єму Vнн , з виконанням корисної роботи l нн , відображає ізобара-ізотерма 1-2 (фіг.4): l нн = Рнн Vнн l нн Кількість одержаної роботи l нн дорівнює кількості тепла qнн , підведеного до робочого тіла від НІС: = qнн Другий етап. Поршень, рухаючись зворотньо, стискує ізотермічно ненасичену пару з параметрами Pнн і Vнн до насиченої, з параметрами Pн і Vн , на що затрачується робота l ст (ізотерма 2 - 3 на фіг. 4): l ст = Рнн Vнн l nPн / Pнн ; l ст Робота l ст дорівнює кількості тепла qст , відведеного від робочого тіла до НІС: = qст ; Третій етап. Під тиском Pн насиченої пари, завдяки рухаючому вниз поршню, нагнітальний клапан відкривається і насичена пара з тиском Pн і питомим об'ємом Vн потрапляє в конденсатор 10. На перетворення насиченої пари в конденсат затрачується робота (ізобара - ізотерма 3 - 4): l н = Р н Vн Робота l н дорівнює кількості тепла qн , відведеного від робочого тіла до НІС: l н = qн Коли поршень прийде до КНП і насичена пара перетвориться в конденсат, відкривається вентиль регулюючий 12 і конденсат, падаючи донизу, приводе в дію гідротурбіну 14 з електрогенератором 15, і конденсат самопливом потрапляє в котел 1. Електричний струм від електрогенератора 15 приводе в дію електродвигун 9. Робота l К падаючого з висоти h конденсату масою m = 1кг в полі тяжіння Землі, дорівнює: l К = mgh . Згідно з барометричною формулою робота l К = l ст , тобто mgh = Pнн Vнн l nPн / Pнн ; Четвертий етап. Під час ходу поршня з НКП до ВКП, конденсат, потрапивший в котел 1, випаровується, пара, по паровій трубі 4, піднімається вверх проти сили тяжіння, розширюється і перетворюється з насиченої в ненасичену (однофазну), бо крапельки рідини, на відміну від молекул пари, не можуть рухатись проти дії сили тяжіння. Конденсат, який випаровується, і пара, яка піднімаючись на висоту h , розширюється, прагнуть охолоджуватись до температури Th - згідно з формулою: Tніс - Т h = mgh / C p Cp - питома теплоємність пари при p = const ), але завдяки теплопровідності стінок котла 1 і парової труби 4, а також тепловим трубам q1 конденсат і пара нагріваються до температури Tніс (ізотерма 4 -1 на Фіг. 4). Далі ненасичена пара з температурою Tніс входячи в циліндр (точка 1), піднімає поршень вверх і цикл , (де повторюється. Кількість тепла qn , підведеного з НІС при здійсненні четвертого етапу, дорівнює кількості тепла qст , відведеного до НІС при перетворенні ненасиченої пари в насичену в др угому етапі: qn = qст q Підсумкова кількість тепла å відібраного від НІС за один цикл (qнн + qn ) , і повернутого до НІС (qn + qст ) дорівнює: q å = q нн + q n - q н - q ст ; q = q нн - q н; А так як qст = qn , то å l l = l нн - l ст + l К - l н; Підсумкова кількість роботи å , одержаної і затраченої за один цикл, дорівнює: å l = l нн - l н ; А так як l К = l ст , то å Одержана корисна робота одного циклу еквівалентна площі 1-2-3-4-1. Тепловий коефіцієнт корисної дії пристрою: h' t = 1 - qн / qнн = 1 - l н / l нн; Суть винайденого пристрою та його роботоздатність пояснюється конкретним прикладом виконання. Приклад Робочим тілом у заявленому пристрою є вуглекислота СО2, насичена пара якої, при 20°С, має такі табличні, тобто багаторазово провірені практикою, параметри [3]: Ненасичена пара, також при 20°С, на висоті h = 15,4 м , має такі, згідно з барометричною формулою і нашими замірами, параметри: Рнн =100МПа, Vнн =0,0052181м 3/кг. Питома робота l нн ізобарно-ізотермічного м3 розширення ненасиченої пари, дорівнює: l нн = Рнн Vнн = 5,100МПа × 0,0052181 / кг = 29743Нм / кг. Питома робота l н ізобарно-ізотермічного стиску насиченої пари, з одержанням конденсату, дорівнює: l н = 5,729МПа × 0,0051334м3 / кг = 29409Нм / кг Різниця питомих робіт D l , виконаних за один цикл, дорівнює: l нн - l н = 334Нм / кг. Так як 1Нм/кг =1Дж/кг, то така ж кількість тепла Dq = 334 Дж / кг відбирається від НІС, з температурою 20°С, і перетворюється в роботу Dl = 334Нм / кг за кожний цикл. Коли пристрій збудувати висотою h=132м, то параметри насиченої пари на висоті h=0, тобто в котлі 1, при 20°С, будуть такими, як у розглянутому пристрію, а на висоті h=132м, також при 20°С такі: Vнн = 0,00577 м3 / кг, Різниця питомих робіт D l , виконаних за один цикл у цьому випадку, дорівнює: Рнн = 5,500 МПа Dl = 31736 Нм / кг - 29409 Нм / кг = 2327 Нм / кг. При здійсненні кожного циклу за 0,1с (600 обертів колінчастого валу за одну хвилину) теоретична потужність такого пристрою, з чотирьох циліндровим двигуном, дорівнюватиме: NT = 2327Нм / кг × 4 / 0,1c = 93080Вт = 93,08 кВт. N = 80... 83 кВт. Практична потужність, з урахуванням втрат на тертя та ін., буде на 10... 15% меньшою: пр Робота і потужність заявленого пристрою при інших температурах навколишнього ізотермічного середовища та інших висотах h пристрою, є у [4] та [5]. Джерела інформації: 1. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е., Те хническая термодинамика. Изд. 2-е. М., "Энергия" 1974. 2. Дан П.Д., Рей Д.А. Тепловые трубы. Пер. с англ. М. 1982. 3. Пименова Т.Ф. Производство и применение сухого льда, жидкого и газообразного диоксида углерода. М. 1982. 4. Фролов А.А. Гравитационные испарительно-конденсационные энергоустановки с одним источником тепла. Одесса. Изд-во "Астро-Принт". 1997. 5. Фролов А.А. Экспериментальные установки, преобразующие тепло одного источника в работу. Одесса. Из-во "Астро-Принт". 2001.