Спосіб отримання корисної роботи від теплообміну

Реферат: UA 73603 U UA 73603 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Спосіб належить до енергетики, а саме до конструювання ефективних теплових двигунів, та може бути використаний для отримання електроенергії, механічної роботи та тепла. Відомо, що теплообмінники зустрічного типу використовуються у кріогенному устаткуванні (міжнародна заявка № WO 2011/115790 А2 Longsworth R. С). Крім того існують способи, що дозволяють отримувати корисну роботу з внутрішньої енергії оточуючого середовища (міжнародні заявки № WO 2011/119074 А2 Стекольщиков Μ. В., № WO 2011/107651 Α1 Majalahti Т.). Як прототип вибрана міжнародна заявка № WO 2011/045282 А2 (Mercangoez Μ. та ін.), в якій описаний спосіб, при якому відбувається рекуперація надлишкової внутрішньої енергії робочої речовини. Використання даного способу у відомих високоефективних двигунах з використанням теплообмінників зустрічного типу потребує багато додатково обладнання: випарки, холодильні машини у трансформаторному режимі та великі теплові резервуари (океани, річки, озера і таке інше). Крім того постійно існує необхідність збільшувати ефективність теплових машин як можливо більше. В основу корисної моделі поставлена задача при використанні відомого способу рекуперації надлишкової внутрішньої енергії робочої речовини спростити процес отримання корисної роботи та значно збільшити ефективність теплових двигунів за рахунок перекачування рідкої фази робочої речовини з холодного об'єму до гарячого об'єму через теплообмінник при зустрічному протіканні відпрацьованої газової фази. Технічним результатом заявленого способу отримання корисної роботи від теплообміну є збільшення коефіцієнту трансформації енергії теплових двигунів до 25 одиниць, в яких даний спосіб буде реалізовуватися, повна відмова від спалювання коштовного органічного палива та отримання екологічно чистого, відновлювального джерела енергії. Поставлена задача вирішується тим, що в способі отримання корисної роботи від теплообміну, при якому відбувається рекуперація надлишкової внутрішньої енергії робочої речовини, рідку фазу робочої речовини з холодного об'єму перекачують до гарячого об'єму через теплообмінник при зустрічному протіканні відпрацьованої газової фази з гарячого об'єму, в якому отримують корисну роботу. Причому, у кожному наступному термодинамічному циклі корисна робота виконується за рахунок внутрішньої теплової енергії, яку отримують у теплообміннику від робочого тіла після попереднього термодинамічного циклу. Крім цього, роботу витрачають на стискання рідкої фази, а корисну роботу здобувають від розширення газової фази за рахунок збільшення об'єму робочої речовини під час фазового переходу першого роду. В свою чергу, робочу речовину переміщують між холодним та гарячим об'ємами у прямому і зворотному напрямках одночасно з теплообміном у зустрічних потоках робочої речовини. Крім того, у відкритому термодинамічному циклі використовують газ з оточуючого середовища. Також, при використанні ізотермічних процесів корисну роботу здобувають з теплообміном у напрямку від оточуючого середовища до гарячого об'єму. Поставлена задача вирішується тим, що використання теплообмінника із зустрічними потоками робочої речовини між холодним та нагрітим об'ємами. Таким чином після виконання робочого циклу у нагрітому об'ємі внутрішня енергія робочої речовини, що виходить з цього об'єму, передається робочій речовині, що надходить з холодного об'єму для виконання наступного циклу. Завдяки цьому у кожному наступному циклі буде використовуватись теплова енергія, яка відібрана від робочої речовини після попереднього циклу. Так як об'єм нагрітої робочої речовини значно більший, ніж об'єм холодної робочої речовини, то і робота витрачена у холодному об'ємі буде значно меншою, ніж корисна робота отримана у нагрітому об'ємі. Суть корисної моделі пояснюють креслення: фіг. 1. - Термодинамічний прес на початку першого теплового циклу (стрілками вказано переміщення робочої речовини):1 - циліндр з рідкою фазою робочої речовини; 2 - циліндр з газовою фазою робочої речовини; 3 - теплообмінник; 4 - поршень, до я кого прикладається діюча сила; 5 - поршень, який переміщується завдяки різниці тисків з обох боків, та виконує позитивну роботу; фіг. 2. - Термодинамічний прес після скінчення першого теплового циклу та на початку наступного циклу (стрілками вказано переміщення робочої речовини):1 - циліндр з рідкою фазою робочої речовини; 2 - циліндр з газовою фазою робочої речовини; 3 - теплообмінник; 4 поршень, до я кого прикладається діюча сила; 5 - поршень, який переміщується завдяки різниці тисків з обох боків, та виконує позитивну роботу; 1 UA 73603 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 фіг. 3 - Діаграма залежності тиску від об'єму робочої речовини в циліндрах термодинамічного пресу при ізотермічному процесі (стрілками вказано напрямок обходу циклів):6→6' - процес стискання рідини у холодному циліндрі (при цьому витрачається негативна робота А1); 6'→7 - процес натікання робочої речовини у нагрітий циліндр при сталому об'ємі; 7→8 - процес ізотермічного розширення газу у нагрітому циліндрі (під час виконання позитивної роботи А2); 8→9 - процес витікання робочої речовини із нагрітого циліндру; 9→6' процес ізотермічного стискання залишкової робочої речовини у нагрітому циліндрі; фіг. 4 - Діаграма залежності тиску від об'єму в циліндрах термодинамічного пресу при адіабатичному процесі (стрілками вказано напрямок обходу циклів):10→10' - процес стискання рідини у холодному циліндрі (при цьому витрачається негативна робота А1); 10'→11 - процес натікання робочої речовини у нагрітий циліндр при сталому об'ємі; 11→12 - процес адіабатичного розширення газу у нагрітому циліндрі (під час виконання позитивної роботи А2); 12→13 - процес витікання робочої речовини із нагрітого циліндру; 13→10' - процес адіабатичного стискання залишкової робочої речовини у нагрітому циліндрі; фіг. 5 - Технічне застосування описаного способу для отримання корисної роботи від теплообміну за закритим циклом (стрілками вказано напрямок руху робочої речовини):14 гідравлічний насос, що використовується для створення підвищеного тиску; 15 - тепловий насос, який використовується для компенсації теплових втрат; 16 - теплообмінник, у якому надлишкова енергія газової фази передається рідкій фазі робочого тіла; 17 - турбіна, у якій внутрішня енергія стисненого робочого тіла перетворюється у механічну роботу; 18 - генератор, що перетворює механічну роботу від турбіни на електричну енергію; фіг. 6. - Технічне застосування описаного способу для отримання корисної роботи від теплообміну за відкритим циклом (стрілками вказано напрямок руху робочої речовини):14 гідравлічний насос, що використовується для створення підвищеного тиску; 15 - тепловий насос, який використовується для компенсації теплових втрат; 16 - теплообмінник, у якому надлишкова енергія газової фази передається рідкій фазі робочого тіла; 17 - турбіна, у якій внутрішня енергія стисненого робочого тіла перетворюється у механічну роботу; 18 - генератор, що перетворює механічну роботу від турбіни на електричну енергію. Реалізація запропонованого способу ілюструється на прикладі робочого процесу теплового двигуна (фіг. 1 та фіг. 2). Такий двигун схожий на звичайний гідравлічний прес з двома циліндрами 1 та 2, що з'єднанні через теплообмінник зустрічного типу 3. У циліндрі 1 під поршнем 4 знаходиться охолоджена робоча речовина (наприклад, вуглекислий газ або пропан) з температурою Т1 і малим тиском насиченої пари р1. У циліндрі 2 навпаки знаходиться нагріта робоча речовина у газовому стані при значно вищий температурі Т2 та великому тиску р2. У момент, коли сила F1 діє на поршень 4 тиск у циліндрі 1 миттєво збільшиться (нестисливість рідин, процес 6→6' на фіг. 3) до величини p2+Δp=F1 • S1 (S1 - площа поршня 2). Під цим тиском рідка фаза переміщується до циліндру 2 крізь теплообмінник 3, але газова фаза навпаки переміщується з циліндру 2 до циліндру 1 через той самий теплообмінник 3. При цьому у циліндрі 1 буде затрачена робота А1, але у теплообміннику 3 надлишкова теплова енергія від газової фази буде передана до рідкої фази робочої речовини. Завдяки цьому газова фаза з циліндру 2 стане рідиною з температурою Т1 і малим тиском р1, але рідка фаза з циліндру 1 навпаки стане газом з більшою температурою Т2 і значним тиском ρ2+Δρ. Таким чином тиск ρ2+Δρ діє на поршень 5 з нижньої сторони, але з верхньої сторони цього поршня тиск зменшиться до р1. Завдяки отриманої різниці тисків виникне сила F2 і поршень 5 буде зміщуватись вгору і виконає корисну роботу A2=ΔU+A1. Після цього обидва поршні 4 і 5 будуть рухатись у зворотному напрямку з аналогічним виконанням корисної роботи А2 за рахунок рекуперації теплової енергії ΔU у зустрічних потоках робочої речовини (фіг. 2). Термодинамічний цикл закінчено з подвійним позитивним ефектом (фіг. 3, стрілками вказано напрямок процесів, повний робочий цикл у циліндрі 2 відповідає точкам 6'→7→8→9). Чисельні підрахунки вказують на те, що ефективність у наведеному термодинамічному циклі значно перевищує одиницю. Більш того, у випадку додаткового теплообміну з оточуючим середовищем (при використанні не адіабатичних (фіг. 4), а ізотермічних чи політропічних процесів (фіг. 3)) теоретично ефективність додатково збільшиться. Необхідно підкреслити що запропонований спосіб може бути використаний не лише у поршневих двигунах але і у ротаційних машинах та турбінах. При цьому головний вміст залишається незмінним – отримання корисної роботи за рахунок рекуперації надлишкової теплової енергії після попереднього термодинамічного циклу. Приклад використання запропонованого способу. 2 UA 73603 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Не ідеалізована теплова машина працює з використанням політропічних процесів та з неминучими втратами тепла. Тому буде необхідно додатково використовувати тепловий насос для стабілізації різниці температур між холодним та нагрітим об'ємами. Крім того більш ефективно зберігати незмінним напрямок циркуляції робочої речовини у теплообміннику. Для найкращого розв'язання вказаних проблем пропонується гідравлічний насос (для рідині у холодному об'ємі) та турбіну або ротаційну машину (у гарячому об'ємі) (фіг. 5). Немає ніякої необхідності для використання будь-яких нагрівачів, тому що у цьому способі отримання корисної роботи достатньо мати теплообмін турбіни з оточуючим середовищем. У такій тепловій машині об'єм газової фази у турбіні значно більший ніж об'єм рідини у гідравлічному насосі, а тому і корисна робота отримана від турбіни буде значно більшою від роботи, яка витрачається на роботу гідравлічного насосу. Окрім того за запропонованим способом можна сконструювати тепловий двигун з відкритим циклом (фіг. 6). Для цього необхідно використовувати газ з оточуючого середовища у якості робочого тіла, але при цьому температура у холодному об'ємі повинна бути нижчою, ніж температура кипіння газу. Завдяки тому, що наведений спосіб дозволяє будувати теплові двигуни лише з трьох основних частин (холодний об'єм, нагрітий об'єм та теплообмінник, розташований поміж ними), то і його реалізація не потребує складних технічних рішень (фіг. 5). Високий тиск у такому двигуні забезпечується гідравлічним насосом. При використанні гідравлічного насосу з 2 3 потужністю 12 кВт можна отримати тиск 2 МПа при швидкості течії 2 • 10- м /хв. Низька температура у гідравлічному насосі може бути досягнута шляхом використання звичайного компресорного холодильного устаткування як теплового насосу. Завдяки сучасному холодильному обладнанню можна знизити температуру робочої речовини до 233 К і нижче. Тепловий насос буде необхідно використовувати лише для збалансування 510 відсотків теплових втрат у теплообміннику. При цьому електрична потужність теплового насосу буде складати 12 кВт. Для отримання результуючої роботи зручно використати пневматичний двигун. Такі двигуни присутні у шахтному устаткуванні та їх потужність сягає до 10 кВт. В результаті буде отримано 56 кВт надлишкової енергії, що надає можливість здійснення корисної моделі виключно з використанням загальновідомого обладнання в найкоротші терміни. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Спосіб отримання корисної роботи від теплообміну, при якому здійснюють рекуперацію надлишкової внутрішньої енергії робочої речовини, який відрізняється тим, що рідку фазу робочої речовини з холодного об'єму перекачують до гарячого об'єму через теплообмінник при зустрічному протіканні відпрацьованої газової фази з гарячого об'єму, в якому отримують корисну роботу. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що у кожному наступному термодинамічному циклі корисну роботу виконують за рахунок внутрішньої теплової енергії, яку отримують у теплообміннику від робочого тіла після попереднього термодинамічного циклу. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що роботу витрачають на стискання рідкої фази, а корисну роботу здійснюють від розширення газової фази за рахунок збільшення об'єму робочої речовини під час фазового переходу першого роду. 4. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що робочу речовину переміщують між холодним та гарячим об'ємами у прямому і зворотному напрямках одночасно з теплообміном у зустрічних потоках робочої речовини. 5. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що у відкритому термодинамічному циклі використовують газ з оточуючого середовища. 6. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при використанні ізотермічних процесів корисну роботу отримують з теплообміном у напрямку від оточуючого середовища до гарячого об'єму. 3 UA 73603 U 4 UA 73603 U Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 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