Альтернативний спосіб отримання електроенергії

Реферат: Альтернативний спосіб отримання електричної енергії заснований на перетворенні енергії теплового розширення робочого тіла при його нагріванні в одній із двох радіальних ділянок симетричного потоку вищезазначеного робочого тіла в процесі його обертання в установці, агрегатованій із теплообмінника, турбіни, розширювача, радіатора та мотор-генератора. Як робоче тіло використовують рідину з великою зміною величини щільності при нагріванні (наприклад, зріджений вуглекислий газ). UA 67697 U про видачу патенту: UA 67697 U UA 67697 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до області теплоенергетики й призначена для перетворення як низькотемпературних, так і високотемпературних відновлюваних джерел тепла природного походження в електричну енергію і може бути використаний для її виробництва упродовж цілого року, застосовуючи, наприклад, тепло підлідної води в зимовий період, тепло сонячних батарей в літній період і т. п. Окрім цього, можна використовувати бросове тепло, наприклад, тепло вихлопних газів двигунів внутрішнього згорання великої потужності, конденсат теплових електростанцій, підвищуючи їх К.К.Д. і т.п. Відомий спосіб перетворення в механічну роботу теплоти природних теплоносіїв в установці, ізольованій від атмосфери і заповненій робочим тілом, представленим двома фазами у вигляді легковипарюваної рідини та парів цієї рідини (див. опис винаходу СРСР № 1758248 01 К 25/02). Недоліком способу є низький К.К.Д., оскільки після перетворення робочої рідини в пар теплом теплоносія і здійснення паром роботи, його необхідно перетворити в рідину охолоджуванням і стисненням в компресорі, що знижує тим самим К.К.Д. установки. Частково ці недоліки усунені в найбільш близькому за принципом роботи аналозі, представленому у вигляді енергоустановки (див. опис патенту України за № 41697А F03 G7/06), в якій реалізований спосіб перетворення енергії розширення льоду при замерзанні підлідної води за природних мінусових температур в механічну, а потім в електричну енергію. Відомий і заявлений способи мають наступні загальні ознаки: - теплообмін між теплоносієм і теплоприймачем (робочим тілом) здійснюють в процесі обертання останнього; - потік робочого тіла, що обертається, формують у вигляді двох симетричних радіальних і аксіальних ділянок; - вхідний і вихідний канали потоку співвісні і мають однакові перерізи; - у процесі теплообміну задіяна тільки одна з двох радіальних ділянок потоку робочого тіла і частково аксіальних. Проте ефективність використання способу є низькою, як і експлуатаційні властивості установки, в якій спосіб реалізований, з наступних причин: - потік робочого тіла формують у теплообміннику, що обертається, чим ускладнюється процес теплообміну, а для виготовлення теплообмінника потрібний високоміцний матеріал; - у процесі теплообміну робоче тіло (підлідна вода) змінює фазовий стан, тобто перетворюється на лід, який перетворюється на крижану крихту і видаляється із каналів теплообмінника, що обертається, проблематично; - час роботи установки обмежується зимовим періодом за наявності мінусових температур; - термодинамічний цикл робочого тіла є розімкненим, а це вимагає видаляти або зберігати лід, що утворюється, під час роботи установки, чим ще більше ускладнюються її експлуатаційні властивості. В основу корисної моделі поставлено задачу підвищити К.К.Д. і розширити можливості і технологічність виготовлення установки для реалізації способу отримування електроенергії упродовж цілого року, використовуючи різні джерела тепла як природного, так і штучного походження, і тим самим зняти тимчасові обмеження використання установки, а також спростити її експлуатацію. У альтернативному способі отримання електричної енергії, заснованому на перетворенні енергії теплового розширення робочого тіла при його нагріванні в одній із двох радіальних ділянок симетричного потоку вищезазначеного робочого тіла в процесі його обертання в установці, агрегатованій із теплообмінника, турбіни, розширювача, радіатора та моторгенератора; як робоче тіло використовують рідину з великою зміною величини щільності при нагріванні (наприклад, зріджений вуглекислий газ), при цьому процес нагрівання теплоносієм потоку робочого тіла, його формування та обертання навколо вертикальної осі здійснюють у нерухомому теплообміннику, причому обертання потоку здійснюють за допомогою барабана з лопатями, який розміщено усередині теплообмінника з можливістю обертання разом з турбіною і мотор-генератором, який під час пуску установки вмикають в режим роботи двигуном, а після пуску - генератором. Одночасно з цим робоче тіло примушують здійснювати замкнений термодинамічний цикл у герметичному закільцьованому контурі, що складається з теплообмінника з барабаном, турбіни, розширювача, радіатора та мотор-генератора, який розміщено поза контуром, а зв'язок моторгенератора з валом турбіни і барабана здійснюють за допомогою магнітної муфти, яку виконано із двох півмуфт, причому одна із них розміщена на валу турбіни разом із одним із підшипників в газовій подушці розширювача, а друга - на валу мотор-генератора, окрім цього півмуфти 1 UA 67697 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 згаданої вище муфти розділені між собою діамагнітною діафрагмою, герметично з'єднаною з корпусом розширювача. Між відмінними ознаками і досягнутим технічним результатом існує причинно-наслідковий зв'язок. Завдяки тому, що як робоче тіло вибрана рідина (наприклад, зріджений вуглекислий газ) з великою зміною щільності при нагріванні, стало можливим підвищити К.К.Д. способу й ефективно використовувати тепло джерел як штучного, так і природного походження. Це пояснюється тим, що при незначному підвищенні температури робочого тіла в ділянці потоку, що нагрівається різко падає його щільність, в порівнянні зі щільністю в ділянці, що не нагрівається, а оскільки потік обертається, то виникає велика різниця відцентрових сил, що діють на об'єми робочих тіл в радіальних ділянках. Під дією цієї різниці сил робоче тіло спрямовується з теплообмінника до турбіни під великим тиском, що призводить до більш ефективнішого використання тепла, тобто до підвищення К.К.Д. способу. Окрім цього, знімаються тимчасові обмеження використання способу, оскільки протягом року в природі завжди є різниця температур (у зимовий час - підлідна вода тепліша за повітря, влітку - повітря тепліше за воду т.п.) Можна також використовувати тепло бросових теплоносіїв, наприклад тепло конденсату теплових електростанцій, тепло вихлопних газів двигунів внутрішнього згорання. А оскільки в потоці, що обертається, робоче тіло знаходиться тільки в рідкій фазі, то відпадає необхідність видаляти тверду фазу, що підвищує К.К.Д. способу і технологічність виготовлення установки для його реалізації. Одночасно з цим обертання потоку навколо вертикальної осі здійснюють в нерухомому теплообміннику за допомогою барабана з лопатями, який розташований усередині теплообмінника з можливістю обертатись разом з турбіною і мотор-генератором, який під час пуску установки вмикають у режим роботи двигуном, а після пуску - генератором, що спрощує підведення теплоносія до робочого тіла і перетворення його в електроенергію. Все це також підвищує К.К.Д. способу. Вказані вище ознаки є істотними для вирішення поставленої задачі, тому вони включені в перший пункт формули корисної моделі. Наступні відмінні ознаки є допоміжними. Завдяки тому, що робоче тіло примушують здійснювати замкнутий термодинамічний цикл в герметичному контурі, що включає в себе нерухомий теплообмінник з барабаном, турбіну, розширювач і радіатор, стало можливим не тільки ізолювати робоче тіло від атмосфери, але й тримати його під тиском, що спрощує встановлення зв'язку між окремими агрегатами і вирішує проблему ущільнення підшипникових вузлів, в результаті чого підвищується надійність роботи установки. При цьому мотор-генератор розміщують поза контуром, а зв'язок мотор-генератора з валом барабана і турбіни здійснюють за допомогою магнітної або електромагнітної муфти, яку виконано із двох півмуфт, причому одна із них розміщена на валу турбіни разом із одним із підшипників в газовій подушці розширювача, а друга - на валу мотор-генератора, окрім цього півмуфти розділені між собою діамагнітною діафрагмою, герметично з'єднаною з корпусом розширювача. Усе це додатково підвищує надійність та експлуатаційні властивості установки, зокрема експлуатацію мотор-генератора. Задача перетворення теплоти природних і штучних джерел тепла в електричну енергію без обмежень їх використання упродовж цілого року вирішена нетрадиційним шляхом і не витікає з очевидністю з відомих способів. Розроблена методика розрахунку основних параметрів способу перетворення теплоти в електричну енергію. Будова установки. На фіг. 1 - зображена принципова блок-схема установки в подовжньому перерізі. На фіг. 2- зображений вигляд на теплообмінник в перерізі площиною А-А. Установка включає: - нерухомий теплообмінник 1; - барабан, що обертається, 2 з лопатями 3; - проточну камеру 4 для підведення теплоносія; - турбіну 5; - вал 6; - розширювач 7; - радіатор; 2 UA 67697 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 - півмуфти 9 і 10; - діамагнітну діафрагму 11; - мотор-генератор 12; - підшипники 13, 14; - перекриваючий вентиль 15; Додаткові позначення: - кутова швидкість вала - ; - відцентрові сили - F1 і F2; - тиск газу в розширювачі - Р; Перетворення теплоти в електричну енергію здійснюють у такий спосіб. Перед пуском установки в роботу закривають вентиль 15 і подають теплоносій у проточну камеру 4 теплообмінники 1. Після нагрівання робочого тіла в теплообміннику 1 вмикають моторгенератор 12 в режим роботи двигуном і розкручують за допомогою півмуфт 9 і 10 вал 6 разом з барабаном 2 і турбіною 5 до заданої кутової швидкості  . Після цього мотор-генератор 12 перемикають в режим генерування струму і одночасно відкривають вентиль 15. Під час обертання барабана 2 з кутовою швидкістю ω його лопаті 3 примусять обертатися з цією ж кутовою швидкістю і робоче тіло в теплообміннику 1 (у зазорі між стінками теплообмінника 1 і барабана 2). Під дією обертання на об'єми робочих тіл в радіальних ділянках потоку діятимуть відцентрові сили F1 і F2. Оскільки в нижніх радіальних ділянках знаходиться холодне робоче тіло з більш високою щільністю в порівнянні з щільністю у верхніх ділянках, що нагріваються, то відцентрові сили F1 будуть більші за F2. Під дією різниці відцентрових сил (F=F1-F2) робоче тіло надходитиме з теплообмінника 1 до турбіни 5, примушуючи її обертатися. У свою чергу турбіна 5 за допомогою півмуфт 9 і 10 примусить обертатися моторгенератор 12. При цьому частина енергії турбіни 5 витрачатиметься на обертання барабана 2, на подолання тертя в підшипниках 13 і рідини в контурі. Охолоджене робоче тіло в радіаторі 8 надходитиме знову до теплообмінника 1, здійснюючи тим самим безперервно свої замкнуті термодинамічні цикли. Оскільки потік, що обертається, є симетричним і рівновіддаленим від осі обертання, а перерізи вхідного і вихідного каналів теплообмінника однакові, то робота барабана 2 в режимі відцентрового насоса за законами механіки неможлива (маса рідини, що йде від центру обертання, рівна масі, що приходить до центру обертання). Моменти від сил Коріоліса в радіальних каналах урівноважують один одного. Енергія потоку робочого тіла створюється тільки за рахунок енергії його розширення при нагріванні теплоносієм. Можливості практичного застосування способу для отримання електроенергії протягом цілого року розкриваються на прикладі використання в установці робочого тіла, яким є, наприклад, зріджена вуглекислота. Розглянемо графік залежності щільності рідинного СО2 від температури (див. фіг. 3). У зимовий період теплоносій - підлідна вода з температурою +4 °C, а охолоджувач радіатора - повітря з температурою нижче 0 °C. Наприклад, при температурі повітря -6 °C щільність рідинного СО2 рівна 1000 г/л, а при температурі + 4 °C - 900 г/л. Різниця щільності очевидна. У теплий період (весна, літо, осінь) теплоносій - повітря, середовище охолоджування радіатора - вода з річок і водоймищ. У цей період можна вибрати за графіком інтервал температур від 0 °C до 31 °C і відповідно щільності рідинного СО2 від 929 г/л до 468 г/л. Протягом цілого року можна використовувати також тепло штучного походження, наприклад конденсат ТЕЦ, продукти горіння природного газу в газотурбінних установках, вихлопні гази від стаціонарних двигунів внутрішнього згорання і т.п. 50 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 60 1. Альтернативний спосіб отримання електричної енергії, заснований на перетворенні енергії теплового розширення робочого тіла при його нагріванні в одній із двох радіальних ділянок симетричного потоку вищезазначеного робочого тіла в процесі його обертання в установці, агрегатованій із теплообмінника, турбіни, розширювача, радіатора та мотор-генератора, який відрізняється тим, що як робоче тіло використовують рідину з великою зміною величини щільності при нагріванні (наприклад, зріджений вуглекислий газ), при цьому процес нагрівання теплоносієм потоку робочого тіла, його формування та обертання навколо вертикальної осі здійснюють у нерухомому теплообміннику, причому обертання потоку здійснюють за допомогою 3 UA 67697 U 5 10 барабана з лопатями, який розміщено усередині теплообмінника з можливістю обертання разом з турбіною і мотор-генератором, який підчас пуску установки вмикають в режим роботи двигуном, а після пуску - генератором. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що робоче тіло примушують здійснювати замкнений термодинамічний цикл у герметичному закільцьованому контурі, що складається з теплообмінника з барабаном, турбіни, розширювача, радіатора та мотор-генератора, який розміщено поза контуром, а зв'язок мотор-генератора з валом турбіни і барабана здійснюють за допомогою магнітної муфти, яку виконано із двох півмуфт, причому одна із них розміщена на валу турбіни разом із одним із підшипників в газовій подушці розширювача, а друга - на валу мотор-генератора, окрім цього півмуфти згаданої вище муфти розділені між собою діамагнітною діафрагмою, герметично з'єднаною з корпусом розширювача. 4 UA 67697 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5