Установка перетворення теплової енергії в механічну енергію

1. Установка перетворення теплової енергії в механічну енергію, яка містить пристрій стиснення робочого агента, наприклад гідронасос, теплообмінник для підведення теплової енергії із зовнішнього джерела робочому агенту та пристрій розширення робочого агента, наприклад детандер, яка відрізняється тим, що містить тепловий трансформатор потенційного поля, який має два теплообмінники, холодний і теплий, вхід холодного теплообмінника з'єднаний з виходом першого каналу теплообмінника для підведення теплової енергії із зовнішнього джерела, вихід холодного теплообмінника з'єднаний з входом пристрою стиснення робочого агента, вхід теплого теплообмінника з'єднаний з виходом пристрою стиснення робочого агента, вихід теплого теплообмінника з'єднаний з входом детандера, а вихід детандера з'єднаний з входом першого каналу теплообмінника для підведення теплової енергії із зовнішнього джерела. 2. Установка за п. 1, яка відрізняється тим, що містить додатковий теплообмінник, перший канал U 2 (19) 1 3 двох різних енергетичних рівнях для роботи установки. В основу корисної моделі поставлено задачу: за рахунок теплової енергії (наприклад теплової енергії оточуючого середовища: повітря, вода, грунт) з використанням термодинамічних циклів і принципу перерозподілу (трансформації) теплової енергії потенційним полем отримувати механічну енергію, застосовуючи при цьому в якості робочого агента екологічно чисті речовини (холодоагенти) і не спалюючи вуглеводневого палива; створити установку перетворення теплової енергії в механічну енергію. Поставлена задача вирішується тим, що в установці перетворення теплової енергії в механічну енергію, яка містить пристрій стиснення робочого агента (холодоагента), наприклад гідронасос, теплообмінник для підведення теплової енергії із зовнішнього джерела робочому агенту та пристрій розширення робочого агента (детандер, турбіна; далі – детандер), відповідно до корисної моделі установка містить тепловий трансформатор потенційного поля, який має два теплообмінника, холодний і теплий, вхід холодного теплообмінника з'єднаний з виходом першого канала теплообмінника для підведення теплової енергії із зовнішнього джерела, вихід холодного теплообмінника з'єднаний з входом пристрою стиснення робочого агента, вхід теплого теплообмінника з'єднаний з виходом пристрою стиснення робочого агента, вихід теплого теплообмінника з'єднаний з входом детандера, а вихід детандера з'єднаний з входом першого канапа теплообмінника для підведення теплової енергії із зовнішнього джерела. Відповідно до корисної моделі всі компоненти установки з'єднані трубопроводами з робочим агентом (холодоагентом) і можуть бути теплоізольовані, окрім теплообмінника призначеного для підводу теплової енергії із зовнішнього джерела, задля уникнення втрат теплової енергії з установки. Допускаються різні способи підводу теплової енергії до робочого агента, наприклад: - шляхом підігріву робочого агента за допомогою потоку теплоносія із зовнішнього джерела; - шляхом опромінення робочого агента; - та інші. Головна відмінність установки, яка патентується, від відомих установок перетворення теплової енергії в механічну енергію полягає в застосуванні принципу перерозподілу (трансформації) теплової енергії потенційним полем, що і дозволяє одержати виграш в механічній потужності, оскільки коефіцієнт втрат потужності kL пристрою перерозподілу теплової енергії (теплового трансформатора потенційного поля) може бути негативним і як наслідок – відсутність необхідності наявності температурного потенціалу на двох різних енергетичних рівнях, а достатньо лише на одному енергетичному рівні для роботи установки. Відомі пристрої, експериментально підтверджуючі основну ідею: 1). Тепловий трансформатор потенційного поля (тепловий трансформатор у гравітаційному полі та тепловий трансформатор відцентрового типу) 40579 4 по патенту України №36191 від 10.10.2008p., перевірений експериментально. 2). Пристрої розширення робочого агента (детандери, турбіни) у складі повітря відокремлювальних установок, теплових та атомних електростанцій. Корисна модель пояснюється кресленнями, на яких: Фіг.1 зображена узагальнена структурна схема установки перетворення теплової енергії в механічну енергію; Фіг.2, Фіг.3 і Фіг.4 зображені варіанти Фіг.1; Фіг.5 зображений варіант Фіг.1 з розгорнутою схемою пристрою перерозподілу теплової енергії, з тепловим трансформатором у гравітаційному полі; Фіг.6 зображений варіант Фіг.1 з розгорнутою схемою пристрою перерозподілу теплової енергії, з тепловим трансформатором відцентрового типу; Фіг.7 зображена узагальнена T-S діаграма для довільного робочого агента (холодоагента), яка пояснює роботу установки перетворення теплової енергії в механічну енергію відповідно до Фіг.1, 2, 3, 4, 5, 6. Установка перетворення теплової енергії в механічну енергію містить пристрій 1 перерозподілу теплової енергії (тепловий трансформатор потенційного поля; далі – тепловий трансформаторі), пристрій 2 стиснення робочого агента (далі – живильний гідронасос 2), пристрій 3 розширення робочого агента (детандер, турбіна; далі – детандер 3), електрогенератор 4, теплообмінник 5 для підведення теплової енергії до робочого агента із зовнішнього джерела, холодний теплообмінник 6 безпосередньо самого теплового трансформатора 1, теплий теплообмінник 7 безпосередньо самого теплового трансформатора 1, додатковий теплообмінник 8 холодного контуру теплового трансформатора 1, додатковий теплообмінник 9 теплого контуру теплового трансформатора 1, циркуляційний гідронасос 10 холодного контуру теплового трансформатора 1, циркуляційний гідронасос 11 теплого контуру теплового трансформатора 1. Тепловий трансформатор 1 призначений для перерозподілу теплової енергії робочого агента (холодоагента) з низького енергетичного рівня на вищий (і навпаки). На Фіг.1, 2, 3, 4, позиції 1 відповідає умовне позначення теплового трансформатора потенційного поля яке має на увазі тепловий трансформатор в гравітаційному полі, позначений позицією 1 на Фіг.5, та/або тепловий трансформатор відцентрового типу, також позначений позицією 1 на Фіг.6. Оскільки функціональні призначення обох вищезазначених типів теплового трансформатора і їх компонентів однакові, то обом пристроям і їх компонентам відповідно дані однакові позиційні позначення. Тепловий трансформатор 1 має холодний теплообмінник 6 і теплий теплообмінник 7. Вхід 12 холодного теплообмінника 6 з'єднаний трубопроводом 13: з виходом 14 першого канапа теплообмінника 5 відповідно до Фіг.1, 3, 5 або з виходом 15 циркуляційного гідронасоса 10 відпо 5 відно до Фіг.2, 6 або з виходом 16 першого канала додаткового теплообмінника 8 відповідно до Фіг.4. Вихід 17 холодного теплообмінника 6 з'єднаний трубопроводом 18: з входом 19 живильного гідронасоса 2 відповідно до Фіг.1, 3, 5 або з входом 20 першого канала додаткового теплообмінника 8 відповідно до Фіг.2, 4, 6. Вхід 21 теплого теплообмінника 7 з'єднаний трубопроводом 22: з виходом 23 живильного гідронасоса 2 відповідно до Фіг.1, 2, 5 або з виходом 24 першого канала додаткового теплообмінника 9 відповідно до Фіг.3, 4, 6. Вихід 25 теплого теплообмінника 7 з'єднаний трубопроводом 26: з входом 27 детандера 3 відповідно до Фіг.1, 2, 5 або з входом 28 циркуляційного гідронасоса 11 відповідно до фіг. 3, 6 або з входом 29 першого канала додаткового теплообмінника 9 відповідно до Фіг.4. Процес роботи теплового трансформатора 1, зображеного на Фіг.1, 2, 3, 4, 5, 6, відповідає ділянці 2-3-4 і ділянці 5-6-7-8 на T-S діаграмі Фіг.7. Живильний гідронасос 2 призначений для стиснення робочого агента (холодоагента). Живильний гідронасос 2 має вхід 19 і вихід 23. Вхід 19 з'єднаний: трубопроводом 18 з виходом 17 холодного теплообмінника 6 теплового трансформатора 1 відповідно до Фіг.1, 3, 5 або трубопроводом 30 з виходом 31 другого канала додаткового теплообмінника 8 відповідно до Фіг.2, 4, 6. Вихід 23 з'єднаний: трубопроводом 22 з входом 21 теплого теплообмінника 7 теплового трансформатора 1 відповідно до Фіг.1, 2, 5 або трубопроводом 32 з входом 33 другого канала додаткового теплообмінника 9 відповідно до Фіг.3,4, 6. Процес роботи живильного гідронасоса 2, зображеного на Фіг.1, 2, 3, 4, 5, 6, відповідає ділянці 4-5 на T-S діаграмі Фіг.7. Детандер 3 призначений для відбору потужності від потоку пароподібного робочого агента (холодоагента) і перетворення цієї теплової потужності в механічну потужність обертання вала. Детандер 3 має вхід 27 і вихід 34. Вхід 27 з'єднаний: трубопроводом 26 з виходом 25 теплого теплообмінника 7 теплового трансформатора 1 відповідно до Фіг.1, 2, 5 або трубопроводом 35 з виходом 36 другого канала додаткового теплообмінника 9 відповідно до Фіг.3, 4, 6. Вихід 34 з'єднаний трубопроводом 37 з входом 38 першого канала теплообмінника 5 відповідно до Фіг.1, 2, 3, 4, 5, 6. Процес роботи детандера 3, зображеного на Фіг.1, 2, 3, 4, 5, 6, відповідає ділянці 8-1 на T-S діаграмі Фіг.7. Електрогенератор 4 призначений для перетворення механічної енергії обертання вала детандера 3 в електричну енергію. Електрогенератор 4 може бути: електрогенератором постійного струму, синхронним електрогенератором змінного струму, асинхронним електрогенератором змінного струму або іншім подібним пристроєм та їх комбінацією; 40579 6 Теплообмінник 5 призначений для підведення теплової енергії до робочого агента (холодоагента) із зовнішнього джерела. Теплообмінник 5 має вхід 38 і вихід 14 першого канала, вхід 39 і вихід 40 другого канала. Через перший канал проходить потік робочого агента, а через другий канал проходить потік теплоносія із зовнішнього джерела. Теплообмінник 5 може бути встановлений в установці довільно. Якщо теплообмінник 5 встановлений після детандера 3, що обумовлено тиском, який після детандера 3 значно менший ніж перед ним, то в цьому випадку порядок з'єднання входів і виходів теплообмінника 5 наступний. Вхід 38 першого канала з'єднаний трубопроводом 37 з виходом 34 детандера 3 відповідно до Фіг.1, 2, 3, 4, 5, 6. Вихід 14 першого канала з'єднаний: трубопроводом 13 з входом 12 холодного теплообмінника 6 теплового трансформатора 1 відповідно до Фіг.1, 3, 5 або трубопроводом 41 з входом 42 другого канала додаткового теплообмінника 8 відповідно до Фіг.2, 4, 6. Процес роботи теплообмінника 5, зображеного на Фіг.1, 2, 3, 4, 5, 6, відповідає ділянці 1-2 на T-S діаграмі Фіг.7. Якщо теплообмінник 5 встановлений перед детандером 3, то це призведе до зменшення температурного діапазону роботи теплового трансформатора 1 по відношенню до випадку, коли теплообмінник 5 встановлений після детандера 3, але з практичної точки зору цей варіант є менш вигідним за попередній. Якщо теплообмінник 5 встановлений перед живильним гідронасосом 2, то це призведе до збільшення температурного діапазону роботи теплового трансформатора 1 по відношенню до випадку, коли теплообмінник 5 встановлений перед детандером 3, а також можливо випаровування рідкого робочого агента, що неприпустимо перед його стисненням, цей варіант не є прийнятним. Якщо теплообмінник 5 встановлений після живильного гідронасоса 2, то це також призведе до збільшення температурного діапазону роботи теплового трансформатора 1 по відношенню до випадку, коли теплообмінник 5 встановлений перед детандером 3, а також в цьому випадку треба враховувати тиск, який після живильного гідронасоса 2 значно більший ніж перед ним, цей варіант також не є прийнятним. Якщо теплообмінник 5 встановлений, довільно, у холодному контурі теплового трансформатора 1 у разі наявності додаткового теплообмінника 8, то це також призведе до збільшення температурного діапазону роботи теплового трансформатора 1 по відношенню до випадку, коли теплообмінник 5 встановлений перед детандером 3, а також не є доцільним з позиції конденсації робочого агента у додатковому теплообміннику 8, цей варіант також не є прийнятним. Якщо теплообмінник 5 встановлений у теплому контурі теплового трансформатора 1 на трубопроводі 22 у разі наявності додаткового теплообмінника 9, то це призведе до зменшення 7 ефективності теплопередачі у теплообміннику 7 теплового трансформатора 1, цей варіант також не є прийнятним. Додатковий теплообмінник 8 призначений для конденсації робочого агента (холодоагента) за допомогою теплового трансформатора 1, а використання якого має місце при застосуванні теплового трансформатора відцентрового типу, якщо за відсутності цього додаткового теплообмінника 8 значно зменшується ефективність перерозподілу температур (градієнт температур), так як потік робочого агента контактує з деталями теплового трансформатора 1, які обертаються. Додатковий теплообмінник 8 має вхід 20 і вихід 16 першого канала, вхід 42 і вихід 31 другого канала. Вхід 20 з'єднаний трубопроводом 18 з виходом 17 холодного теплообмінника 6 теплового трансформатора 1 відповідно до Фіг.2, 4, 6. Вихід 16 з'єднаний: трубопроводом 43 з входом 44 циркуляційного гідронасоса 10 відповідно до Фіг.2, 6 або трубопроводом 13 з входом 12 холодного теплообмінника 6 теплового трансформатора 1 відповідно до Фіг.4. Вхід 42 з'єднаний трубопроводом 41 з виходом 14 першого канала теплообмінника 5 відповідно до Фіг.2, 4, 6. Вихід 31 з'єднаний трубопроводом 30 з входом 19 живильного гідронасоса 2 відповідно до Фіг.2, 4, 6. Процес роботи додаткового теплообмінника 8, зображеного на Фіг.2, 4, 6, відповідає ділянці 2-3-4 на T-S діаграмі Фіг.7. Додатковий теплообмінник 9 призначений для підведення перетвореної теплової енергії до робочого агента (холодоагента) від теплового трансформатора 1, а використання якого має місце при застосуванні теплового трансформатора відцентрового типу, якщо за відсутності цього додаткового теплообмінника 9 значно зменшується ефективність перерозподілу температур (градієнт температур), так як потік робочого агента контактує з деталями теплового трансформатора 1, які обертаються, а також якщо відбуваються значні втрати робочого агента через гранбукси із-за великої різниці тиску. Додатковий теплообмінник 9 має вхід 29 і вихід 24 першого канала, вхід 33 і вихід 36 другого канала. Вхід 29 з'єднаний: трубопроводом 45 з виходом 46 циркуляційного гідронасоса 11 відповідно до Фіг.3, 6 або трубопроводом 26 з виходом 25 теплого теплообмінника 7 теплового трансформатора 1 відповідно до Фіг.4. Вихід 24 з'єднаний трубопроводом 22 з входом 21 теплого теплообмінника 7 теплового трансформатора 1 відповідно до Фіг.3, 4, 6. Вхід 33 з'єднаний трубопроводом 32 з виходом 23 живильного гідронасоса 2 відповідно до Фіг.3, 4, 6. Вихід 36 з'єднаний трубопроводом 35 з входом 27 детандера 3 відповідно до Фіг.3, 4, 6. Процес роботи додаткового теплообмінника 9, зображеного на Фіг.3, 4, 6, відповідає ділянці 5-6-78 на T-S діаграмі Фіг.7. 40579 8 Циркуляційний гідронасос 10 призначений для циркуляції холодоагента в холодному контурі теплового трансформатора 1. Доцільність застосування циркуляційного гідронасоса 10 доречна тільки у разі наявності додаткового теплообмінника 8. Циркуляційний гідронасос 10 може бути встановлений довільно у холодному контурі теплового трансформатора 1. Циркуляційний гідронасос 10 має вхід 44 і вихід 15. Вхід 44 з'єднаний трубопроводом 43 з виходом 16 першого канапа додаткового теплообмінника 8 відповідно до Фіг.2, 6. Вихід 15 з'єднаний трубопроводом 13 з входом 12 холодного теплообмінника 6 теплового трансформатора 1 відповідно до Фіг.2, 6. Якщо додатковий теплообмінник 8 застосовується без циркуляційного гідронасоса 10, то в цьому випадку теплообмін між теплообмінником 6 теплового трансформатора 1 і додатковим теплообмінником 8 відбувається лише за рахунок теплопровідності холодоагента в трубопроводах, якими з'єднані ці теплообмінники. Циркуляційний гідронасос 11 призначений для циркуляції холодоагента в теплому контурі теплового трансформатора 1. Доцільність застосування циркуляційного гідронасоса 11 доречна тільки у разі наявності додаткового теплообмінника 9. Циркуляційний гідронасос 11 може бути встановлений довільно у теплому контурі теплового трансформатора 1. Циркуляційний гідронасос 11 має вхід 28 і вихід 46. Вхід 28 з'єднаний трубопроводом 26 з виходом 25 теплого теплообмінника 7 теплового трансформатора 1 відповідно до Фіг.3, 6. Вихід 46 з'єднаний трубопроводом 45 з входом 29 першого канала додаткового теплообмінника 9 відповідно до Фіг.3, 6. Якщо додатковий теплообмінник 9 застосовується без циркуляційного гідронасоса 11, то в цьому випадку теплообмін між теплообмінником 7 теплового трансформатора 1 і додатковим теплообмінником 9 відбувається лише за рахунок теплопровідності холодоагента в трубопроводах, якими з'єднані ці теплообмінники. На Фіг.4 на трубопроводах, які з'єднують додаткові теплообмінники з теплообмінниками теплового трансформатора, стрілками вказані напрями руху потоків теплової енергії, а не напрями руху потоків холодоагента як у всіх інших випадках. Установка перетворення теплової енергії в механічну енергію відповідно до Фіг.1, 2, 3, 4, 5, 6 працюють таким чином. У початковому стані робочий агент (холодоагент) знаходиться в паровій фазі на низькому енергетичному рівні під тиском Р1 і при температурі Т1, точка 1 на Фіг.7. Далі відбувається підведення до робочого агента теплової енергії із зовнішнього джерела в теплообміннику 5, при цьому температура робочого агента підвищується до значення Т2, ділянка 1-2. Далі відбувається відбір теплової енергії робочого агента при постійному тиску Р 1 до повної його конденсації у холодному теплообміннику 6, 8 теплового трансформатора 1, при цьому 9 температура знизиться до значення Т4, ділянка 23-4. Тепловий трансформатор 1 може бути виконаний принаймні у двох варіантах: - тепловий трансформатор у гравітаційному полі; - тепловий трансформатор відцентрового типу. Тепловий трансформатор як за першим так і за другим варіантом виконання перерозподіляє температурний потенціал робочої речовини (холодоагента) з низького енергетичного рівня на вищий (і навпаки) без витрат енергії із зовні на цей перерозподіл. Тепловий трансформатор у гравітаційному полі є резервуаром, заповненим робочою речовиною (холодоагентом), з системою підведення і відведення теплової енергії робочої речовини, яка включає перший теплообмінник для підведення теплової енергії до робочої речовини і другий теплообмінник для відведення теплової енергії від робочої речовини, кожен теплообмінник розташований в середовищі робочої речовини, якою заповнений резервуар, який знаходиться в гравітаційному полі, причому перший теплообмінник розташований в щільніших, холодніших формуваннях робочої речовини, а другий теплообмінник розташований в менш щільних, тепліших формуваннях робочої речовини. Тепловий трансформатор відцентрового типу є корпусом в якому встановлений резервуар, заповнений робочою речовиною (холодоагентом), з системою підведення і відведення теплової енергії робочої речовини, яка включає перший теплообмінник для підведення теплової енергії до робочої речовини і другий теплообмінник для відведення теплової енергії від робочої речовини, а зазначений резервуар виконаний у вигляді тіла обертання з порожнистою віссю, яка встановлена на підшипниках в корпусі, заповненому холодоагентом, причому порожнина корпусу з'єднана з першим теплообмінником, а внутрішня порожнина порожнистої осі з'єднана з другим теплообмінником і також заповнена холодоагентом, а вісь з резервуаром з'єднана з приводом обертання. У процесі роботи теплового трансформатора як за першим так і за другим варіантом виконання менш щільні, тепліші формування його робочої речовини рухаються проти вектора поля, в той час як щільніші, холодніші формування рухаються по вектору поля. Температура конденсації під тиском Р1 і температура випаровування під тиском Р2 робочого агента (холодоагента) утилізаційного (детандерного, турбінного) циклу повинна знаходитись в межах градієнта температур, отриманого від теплового трансформатора. Після конденсації робочого агента проводиться його стиснення за допомогою живильного гідронасоса 2 з тиску Р1 до тиску Р2 при цьому температура трохи підвищиться до значення Т 5, ділянка 4-5. Потім відбувається підведення до робочого агента перетвореної теплової енергії у теплому теплообміннику 7, 9 теплового трансформатора 1, при цьому температура робочого агента 40579 10 істотно підвищиться до значення Т8, ділянка 5-6-78. З цими значеннями тиску Р2 і температури Т8 відбувається розширення пароподібного робочого агента в детандері 3 до тиску Р1 і відповідній цьому тиску температурі Т 1 з перетворенням теплової енергії робочого агента в механічну енергію обертання вала детандера 3 і подальшим її перетворенням, якщо це необхідно, в електричну енергію в електрогенераторі 4, який може бути з'єднаний з валом детандера 3, ділянка 8-1. Цикл замикається. Характеристики Установка по типу утилізаційного термодинамічного циклу можуть класифікуватися на 2 види: 1). Установка закритого циклу. 2). Установка відкритого циклу. При роботі установок дотримується закон збереження енергії (потужності). Рзовн.+Рживл.-Рвтрат=РД, де Рзовн – теплова потужність, підведена із зовнішнього джерела до установки в теплообміннику 5. Рживл – потужність, що витрачається на живлення компонентів установки: теплового трансформатора, гідронасосів і електронних компонентів систем управління. Рвтрат – сумарна потужність втрат: теплові втрати теплоізоляції трубопроводів і компонентів установки та втрати робочого агента в рухливих компонентах установки. Рд - механічна потужність, одержана від детандера 3. Перша основна характеристика роботи установки - питома енергоємність Рρ, яка вимірюється в кВт/(кг/м3). Pr = P , де mV Р - максимальна корисна потужність, яку можна одержати від установки. m - маса установки. V – об'єм установки. Друга основна характеристика роботи установки – ефективність перетворення потужності e, яка визначається по формулі: e= Pвідібр. , де Pмакс . Рвідібр – потужність, відібрана установкою від потоку енергоносія, який пройшов через установку. Рмакс – максимальна потужність, яку можна одержати від потоку енергоносія, який пройшов через установку. Рмакс.=Рпap+Рпap-рід.+Ррід., де Рпар – потужність, одержана за рахунок питомої теплоємності пара при зміні його температури з початкового значення до температури початку конденсації. Рпap-рід. – потужність, одержана при конденсації пара в рідину. Ррід – потужність, одержана за рахунок питомої теплоємності рідини при її охолоджуванні з температури кінця конденсації до температури початку отвердіння. Ще одна характеристика роботи установки – температурний діапазон роботи, який залежить від 11 використовуваного робочого агента (холодоагента). У разі, коли робочим агентом є повітря, температурний діапазон знаходиться в межах від 50°С до +50°С, який перекриває майже любе місце Земної кулі. Відмітна особливість установки від існуючих прототипів – використання принципу роботи теплового трансформатора потенційного поля. Переваги установки у порівнянні з відомими відновлювальними і екологічно чистими установками перетворення енергії, такими як вітрові електростанції, гідроелектростанції, сонячні електростанції є: 1). Постійність роботи. 2). Повсюдність енергоносія. 40579 12 3). Компактність по масі і габаритам. 4). Більша енергоємність. 5). Відсутність необхідності акумулювання енергії. Переваги установки у порівнянні з відомими установками перетворення енергії, такими як теплові і атомні електростанції є: 1). Екологічна чистота. 2). Невичерпність енергоносія. 3). Повсюдність енергоносія. Установка може використовуватись як в побутових, так і в промислових цілях для отримання механічної енергії із теплової енергії, а також холоду у вигляді потоку енергоносія. 13 Комп’ютерна верстка C.Литвиненко 40579 Підписне 14 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601