Тепловой двигатель преимущественно для системы опреснения минерализованных вод вымораживанием

 

Использование: перемещение рабочих cpek посредством теплового двигателя, работающего на энергии перепада температур . Сущность изобретения: тепловой двигатель содержит преобразователь тепловой энергии в энергию изменения давления , две переводные, две рабочие и две переменного объема камеры 14, 18, 23, 24, 36. 37, имеющие общую подвижную стенку 16 и неподвижные стенки 20, 21, установленные на общей жесткой раме 22, сильфонные боковые стенки, а из каждой пары камер одна расположена по другую сторону общей подвижной стенки 16. Одна из приводных камер 14, 18 подсоединена к верхней части охладителя преобразователя тепловой энергии, а вторая - к верхней части его нагревателя . Камеры 3.6, 37 выполнены герметичными и заполнены газом, а каждая из них снабжена дополнительной емкостью 38, 39 с вентилем. Каждая из рабочих камер 14, 18 соединена через свой нагнетательный клапан 28, 29 с-другой рабочей камерой через ее всасывающий клапан 34, 35 отдельным контуром системы опреснения и/или намораживания льда, заполненным антифризом. 1 з. п. ф-лы, 2 ил. Jffjf 40 f.4f (/ С VI чэ ел N) О

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sl)s F 25 В 29/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) (ЭПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4671150/06 (гф) 03.04.89 (4ф) 15.02.93. Бюл. ¹ 6 (71) Центральный научно-исследовательск и институт комплексного использования водных ресурсов (72) Э.П.Коваленко . (51 Авторское свидетельство СССР

N - 1315647, кл. F 03 G 7/00, 1987.

Авторское свидетельство СССР № 1541404, кл. F 03 G 7/00, 1987.

Патент Франции

N . 501302, кл, F 04 В 45/02, опубл, 1982. (54) ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ДЛЯ СИСТЕМЫ ОПРЕСНЕНИЯ

МИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ВОД BblMOPAЖИВАНИЕМ (57) Использование: перемещение рабочих сре посредством теплового двигателя, раб тающего на энергии перепада температур. Сущность изобретения: тепловой двигатель содержит преобразователь тепЯ2, 1795240 Al ловой энергии в энергию изменения давления, две переводные, две рабочие и две переменного обьема камеры 14, t8, 23, 24, 36, 37, имеющие общую подвижную стенку 16 и неподвижные стенки 20, 21, установленные . на общей жесткой раме 22, сильфонные боковые стенки, а из каждой пары камер одна расположена по другую сторону общей подвижной стенки 16. Одна из приводных камер 14, 18 подсоединена к верхней части охладителя преобразователя тепловой энергии, а вторая — к верхней части его нагревателя. Камеры 36, 37 выполнены герметичными и заполнены газом, а каждая из них снабжена дополнительной емкостью 38, 39 с вентилем. Каждая из рабочих камер 14, 18 соединена через свой нагнетательный клапан 28, 29 с другой рабочей камерой через ее всасывающий клапан 34, 35 отдельным контуром системы опреснения и/или намораживания льда, заполненным антифризом.

1з. и, ф-лы,2 ил, Л l795240

20 тви поспедоеатепьно расположенные отно- яв

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, а именно к тепловым двигателям, работающим на энергии . перепада температур в средах или между средами и преимущественно предназначаемым для систем опреснения минерализованной воды и/или намораживания массива льда.

Известно. устройство преобразования тепловой энергии в энергию изменения давления, которое содержит нагреватель и охладитель, заполненные в качестве рабочего тела смесью газа и жидкости и соединенные между собой трубопроводом подачи рабочега тела из нагревателя в охладитель и тру- 15 бопроводом возврата рабочего тела в нагреватель, в трубопроводе возврата установлен открытый в сторону нагревателя обратный клапан, а звено отбора мощности подсоединено к нагревателю, причем охладитель расположен над нагревателем, вход трубопровода подачи размещен в приямке с зазором между его торцом и дном приямка, выход расположен в охладителе выше максимально возможного уровня 25 жидкости, а вход трубопровода возврата сообщен с нижней частью охладителя..

Недостатком известного устройства является низкая эффективность его использования для опреснения минерализованной 30 воды и/или намораживания массива льда, так как использование нагревателя в качестве теплообменника намораживания приводит к уменьшению перепада температур между нагревателем и охладителем. что в 35 свою очередь ведет к падению мощности устройства.

Известно также устройство преобразования тепловой энергии в энерги1о изменения давления, которое помимо нагревателя Ж и охладителя, соединенных между собою трубопроводами, клапана, трубопровода возврата, снабжено емкостью с теплоизолирующими стенками, обратным клапаном, установленным в трубопроводе подачи, и 45 сливным трубопроводом с обратным клапаном, при этом емкость сообщена с верхней частью охладителя пОсредством сливного .трубопровода и нагревателем посредством трубопровода подачи. 50

Недостатком этого устройства является низкая эффективность работы при автономном использовании природных источников тепла в системах опреснения минерализо, . ванных вад вымораживанием.

Наиболее близким по технической сущности является устройство, садер>кащее собственно насос, состоящий из двух симметричных частей, каждая из которых имеет сительно друг друга камеры соответственно подвода, рабочую и привода переключателя, электрическую систему обеспечения работы устройства, конденсатор с накопителем и солнечный испаритель, гидравлически связанные между собой через систему переключения и насос замкнутым контуром, запалненн ым частично испаряющейся жидкостью, а частично ее парами; систему охлаждения конденсатора водой.

Недостатком устройства является низкая эффективность при автономном использовании природных источников тепла, так как часть энергии теряется на подачу воды на охлаждение конденсатора и привода переключателя. Кроме того, часть энергии должна быть преобразована в электрическую для обеспечения работы системы обеспечения работы устройства при его автономном использовании, Целью изобретения является повь1шение эффективности работы устройства при автономном использовании источников тепла.

Эта.цель достигается тем, что, рабочие и приводные камеры выполнены сильфонными, имеющими с камерами переменного объема общую жесткую подвижную стенку, жесткие неподвижные стенки камер установлены на общей жесткой раме, а из ка>кдой пары камер одна расположена по другую сторону общей подви>кной стенки относительно второй камеры, и площадь поперечного сечения приводных камер больше аналогичных площадей рабочих камер, Верхняя часть охладителя преобразователя тепловой энергии в энергию изменения давления гидравлически соединена с одной из приводных камер, s то время как вторая приводная камера гидравлически подсоединена к верхней части нагревателя, Камеры переменного объема выполнены герметическими, заполнены газом и каждая снабжена дополнительной емкостью с вентилем, Кроме того, каждая рабочая камера имеет нагнетательный и всасывающий клапаны и соединена через свой нагнетательный клапан с другой рабочей камерой через ее всаСыва ащий клапан отдельным контурам системы опреснения и/или намораживания льда, заполненньил антифризам.

Выполнение рабочих и приводных камер сильфонными, и имеющими с камерами переменного объема общую жесткую подвижную стенку и жесткие неподвижные стенки камер установленными на общей жесткой раме, обеспечивает одновременно равное по абсолютному значению изменение продольного размера объема камер, что ляется необходимым условием их автома1795240

9 с зазором между его торцом и дном приямка

20 9. Выход 11 трубопровода 5 расположен в

35 установлена на жесткой раме 22, Рабочая камера 23 насоса l5 и рабочая камера 24

40,насоса 17 подключены к вторичным конмежду антифризом контура системы ortреснения и/илй намораживания льда и за- 45 мбраживаемой водой и охлаждающей срЕдой, что обеспечивает оптимальный режйм опреснения и больший отвод холода замораживаемой воде и получение его из охлаждающей среды, а использование в ка- 50 честве теплоносителя антифриза — расширить диапаэок отрицательных температур, пр 4 которых можно осуществить рассматриваемы процесс.

Таким образом, каждый из вышеприве- 55 денных признаков необходим, а вместе взятые достаточны дпя того, чтобы обеспечить достижение положительного эффекта, а, следовательно, эти признаки являются существенными. тического синхронного взаимодействия между собой.

Расположение одной камеры каждой пары по другую сторону общей подвижной стенки обеспечивает обратное по. знаку изменение продольного размера объема в каждой паре камер, что позволяет автоматически синхронизировать работу каждой пары камер при работе каждой из камер пары в обратном режиме, и обеспечить требуемую синхронную подачу и отбор теплоносителя в и из контуров его циркуляции, а, следовательно, этот признактакже необходим для достижения поставленной цели.

Чем больше площадь поперечного сечения приводных камер аналогичных площадей рабочих камер, тем больше давление нагнетания и всасывания рабочих камер, а, следовательно, эффективность работы тепnosoro двигателя при автономном использовании природных источников как водоподьемника с или без изменения температуры пе рекачиваемой жидкости, .Признак, касающийся соединения приводных камер с охладителем и нагревателем преобразователя, необходим для . обеспечения работоспособности двигателя.

Выполнение камер переменного обьема герметичными, заполненными газом и снаб>кенными каждая дополнительной емкостью с вентилем. обеспечивает повышение эффективности за счет расширения возможнрстей регулирования изменения давления в них при изменении положения общей подвижной стенки, а, следовательно, подбора оптимального изменения давления в камервх переменного обьема при работе двигателя в конкретных условиях.

Последние признаки позволяют повысить эффективность работы при опреснении и/или намораживании массива льда.за счет создания требуемого режима теплообмена и увеличения времени теплообмена

На фиг, 1 изображено предлагаемое устройство; на фиг. 2- поперечный разрез А-А на фиг. 1 трехкамерного объемного насоса, Устройство содержит нагреватель 1 и расположенный над ним охладитель 2, заполненные газом 3 и его легкоиспаряющейся жидкостью 4, или его растворителем, например аммиаком, или его водным раствором. Нагреватель 1 и охладитель 2 соедикены между собой трубопроводом 5 подачи рабочего тела из нагревателя 1 в охладитель 2 и трубопроводом 6 возврата рабочего тела в нагреватель 1, В трубопроводе 6 возврата установлен открытый в сторону нагревателя 1 обратный клапан 7.

Основание 8 нагревателя 1 выполкено с приямком 9 для сбора жидкости 4, причем вход 10 трубопровода 5 размещен в приямке охладителе 2 выше минимально возможного уровня жидкости 4, а вход 12 трубопровода 6 сообщен с нижней частью охладителя 2. Концы трубопроводов 5 и 6 в нагревателе 1 и охпадителе 2 возможно удалекы друг от друга. Трубопровод 13 в качестве звена отбора мощности подключен к нагревателю непосредственно, а к охладителю 2 посредством трубопроводов 5 и 6. Трубопровод 13 звена отбора мощности подсоедикен к камере 14 трехкамерного объемного насоса 15, имею- . щего общую подвижную стенку 16 со вторым трехкамерным обьемным насосом 17, одна из камер 18 которого гидравлически соединена с верхней частью охладителя 2 трубопроводом l9. Неподвижная стенка 20 насоса 15 и такая же стенка 21 насоса l7 турам 25 и 26 циркулирования незамерзающего теплоносителя 27, например антифриза. Рабочие камеры насоса соединены вторичными контурами 25 и 26 с рабочими камерами второго насоса гидравлически только в одном направлении движения перекачиваемого теплоносителя 27 иэ рабочей камерьi одного насоса 15 или 17 по этому контуру через нагнетательные клапаны 28 или 29, затем теплообманники 30 или

31 охлаждения теплоносителя, теплообменники 32 или 33 намораживания, клапаны 34 или 35 всасывания соответственно контура

25 или 26. Третьи камеры 36 и 37 соответственно насосов 15 и l7 выполнены герметичными и заполнены газом. Рабочие камеры

23 и 24 и подключенные к ним вторичные контуры 25 и 26 заполнены антифризом. Камеры 36 и 37 соответственно снабжены дополнительными -MKacTsMv 38 и 39 с

1795240

25

30 вентилями. Теплообменники 30 и 31 могут размещаться в подогревателях, например, в солнечных коллекторах (не показаны). Контур 25 также снабжен отводным трубопроводом с вентилями 40 и 41, а контур 26— трубопроводом с вентилями 42 и 43. Контур

25 соединен с источником перекачиваемой жидкости трубопроводом с вентилем 44, а контур 26 — трубопроводом с вентилем 45.

Устройство работает следующим образом.

В нагревателе 1 жидкость 4, например, аммиак нагревается. Давление газов аммиака при этом возрастает. Давление в нагревателе 1 возрастает по сравнению с давлением того же газа, находящегося в охладителе 2, Под воздействием разности этого давления клапан 7 трубопровода 6 закрывается, и жидкость 4 (например, жидкий аммиак) из нагревателя 1 вытесняется в охладитель 2 по трубопроводу 5, После этого, как вся жидкость 4 по трубопроводу 5 из приямка 9 вытеснится из нагревателя 1 в охладитель 2, в него начинает из нагревателя 1 поступать газообразный аммиак, где он охлаждается и часть его конденсируется.

При этом давление в нагревателе 1 падает и стремится выровняться с давлением в охладителе 2. Когда давление.в нагревателе 1 падает настолько, что клапан 7 под воздей8 намораживания, где он отдает свой холод замораживаемой воде, окружающей его, и далее поступает через клапан 35 в рабочую камеру 23 насоса 15. При уменьшении давления в нагревателе 1 по отношению к дав- лению в охладителе 2 под действием сжатого газа в камере 37 и разряженного газа в камере 36 подвижная стенка 16 смещается в обратном направлении. Камера 14 сжимается, а камера 18 расширяется, рабочая камера 24 расширяется, а камера 23 сжимается, в результате чего теплоноситель.27 через клапан 28 выталкивается в контур 25 при открытом вентиле 41 через

его теплообменник 30, где его охлаждают воздухом с отрицательными температурами, далее в теплообменник 32, где он отдаетхолод воде и затем через клапан 34 поступает в камеру 24, но насоса 17. Таким образом осуществляют попеременно циркуляцию теплоносителя 24, например, антифриза, в контурах 25 и 26. Дополнительные газовые. емкости 38 и 39 с вентилями обеспечивают. возможность соответственно требуемой степени заполнения камер 36 и 37 газом и изменение давления газа при изменении поло>кения подвижной стенки 16. При этом вентили 40, 42, 44 и 45- закрыты.

Подвижная стенка 16 находится в равновесии, когда

45

50 ствием сил. давления на него жидкости 4 открывается, жидкость сбрасывается по трубопроводу 6 обратно в нагреватель 1, образуя волну попуска. До добегания волны жидкости 4 до приямка 9 давление газа между нагревателем 1 и охладителем 2 продолжает выравниваться, После добегания жидкости 4 в приямок 9 поступление газа из нагревателя 1 в охладитель 2 блокируется, жидкость 4 нагревается и процесс повторяется. При этом во времени происходит изменение давления газа в нагревателе 1 относительно его давления в охладителе 2

Изменение этого давления передается по трубопроводам 13 и 19 соответственно в камеры 14 и 18. При давлении газа в камере

14, большем давления в камере 18, камера

14 расширяется. а камера 18 уменьшается по объему, При этом в камере 36 давление уменьшается, так как ее объем увеличивается, а в камере 37, которая сжимается, давление газа увеличивается, При передвижении подвижной стенки 1 6 при расширении камеры 14 теплоноситель 27 из рабочей камеры

24 насоса 17 через клапан 29 выталкивают в контур 26 через его теплообменник 31 охлаждения теплоносителя при открытом вентиле 43, где теплоноситель 27 охлаждают воздухом, имеющим отрицательные температуры, и затем в теплообменник 33

Р11 И11+ Р21 И21+ Р31 N31 =

= P12 И 12+ Р22 а22+ Р32 И 32; (1) где Р11. Р21, Р31 — давления соответственно в камерах 23, 36; 14 насоса 15;

N11, и21, и31 — площадь подви>кной стенки, приходящаяся соответственно на камеры 23, 36, 14; . Р12, Р22, P32 — давление соответственно

s камерах 24, 37, 18 насоса 17; И 12, И 22, И 32 ПЛОЩадь пОдвИжНОй стенки, приходящаяся соответственно на камеры 24, 37, 18.

Если соблюдается неравенство

Р11 И 11+ Р21 И21+ Р31 И31

> Р12 И12+ Р22 И22+ Р32 N32 (2) то подвижная стенка 16 сдвигается так, что увеличивается объем насоса 15 и уменьшается объем насоса 17, при этом через клапан 28 камеры 23 по контуру 25теплоноситель выталкивают через клапан 34 в камеру 24.

Когда

Р11 N11+ Р21 И21+ Р31 И 31 < Р12 N12+ Р22 И22+ Р32 И32, (3) 10

1795240

10

25

50

55 стенка 16 сдвигается, увеличивая обьем насоса 17 и уменьшая объем насоса 15, через клапан 29 из камеры 24 теплоноситель по контуру 26 выталкивают через клапан 35 в камеру 23.

При заданных пределах изменения величин давления Р31 и Р32, определяемого изменением давления в преобразователе тепловой энергии в механическую при заданном значении перепада температур нагревания и охлаждения, из соотношения (1) подбором значений Р2< и Р22, что можно регулировать с помощью емкостей 38 и 39 с вентилями, а также площадей N)), N2>, N31, и t2, N22 и N32, можно найти необходиМые значения Р11, Р12, обеспечивающие циркуляцию необходимого количества теплоносителя в контурах устройства с оптимальным периодом времени.

Вокруг теплообменников 32 и 33, при их расположении ниже уровня минерализованной воды, намораживается частично опресненный блок льда, При медленном охлаждении соленой воды ниже Оо С образуются кристаллы пресного льда, смерзающиЕся в агрегаты. Агрегат и редставляет собой группу кристаллов пресного льда, между которыми имеются полости, заполненные россолом, При растаивании таких агрегатов льда получают лишь частично опресненную воду. Температура образованного блока льда в предлагаемом устройстве периодически медленно изменяется во времени. При поступлении порции охлажден- 35 ного теплоносителя периодически в теплообменники 32 и 33 соответственные блоки льда охлаждаются, затем за счет тепла окружающей их воды постепенно прогреваются. Но при таком подогревании блока льда "замерзший между кристаллами пресного льда рассол перейдет в жидкое состояние и стечет раньше, чем начнут таять кристаллы пресного льда. т. е. лед опресняется". При очередном пони>кении температуры намораживается очередной слой частично опресненного льда, который затем при повышении температуры доопресняетФормула изобретения

1. Тепловой двигатель преимущественно .для системы опреснения минерализованных вод вымораживанием, содержащий две приводные и две рабочие камеры, а также две камеры переменного объема. каждая ся и т. д. Таким образом намораживается в стоящей минерализованной воде блок дополнительно опресненного льда, по сравнению с блоком, намораживаемым при постоянной циркуляции теплоносителя в теплообменниках 32 и 33.

При подогревании теплообменников 30 и 31 в контурах 25 и 26 циркулирует теплоноситель 27, подводящий вместо холода тепло к теплообменникам 32 и 33. Зто позволяет прогревать блок льда в требуемом режиме для получения опресненной воды.

При закрытых вентилях 41 и 43 и открытых вентилях 40, 42, 44 и 45 устройство работает как водоподъемник с изменением температуры перекачиваемой жидкости в теплообменниках 30 и 31. При перекачивании, например, подземной воды, обычно имеющей температуру 8 — l2 С независимо от времени года, ее температура может понижаться до 2-3 С в теплообмен никах 30 и

31 перед подачей на массив наморажива- ния. При необходимости подачи подогретой воды потребителю, она может нагреваться в теплообменниках 30 и 31, например, солнечным коллектором, При теплоизолированных теплообменниках 30 и 31 жидкость подается потребителю при температуре в ее источнике, Предлагаемое техническое решение может также быть использовано для интенсификации намораживания массивов льда в периоды с температурами воздуха положительными, например, днем и отрицательными, например, ночью; интенсификации намораживания льда в водоемах; удлинения срока службы ледяных сооружений; плотин, переправ, регуляторов уровня, берегозащитных устройств и т. д, Целесообразно использование устройства для регулирования температуры массивов льда, El том числе намороженных бунтовым способом для их прогревания в требуемом режиме, в том числе равномерного (для этого теплообменники 33 и 32 спариваются), В этом случае теплообменники

30 и 31 подогреваются, например, солнечными коллекторамй. из которых имеет жесткую неподвижную и жесткую подвижную стенки, соединенные гофрированными боковыми стенками, нагреватель и охладитель, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения эффективности работы при автономном использова12

1795240

Составитель 3.Коваленко

Техред M.Mîðãåíòàë Корректор Л.Филь

Редактор

Заказ 420 Тираж Подписное

8НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 нии природных источников тепла, рабочие и приводные камеры выполнены сильфонными, имеющими с камерами переменного объема общую жесткую подвижную стенку, жесткие неподвижные стенки установлены на общей жесткой раме, а из каждой пары камер одна расположена по другую сторону общей подвижнойстенки и площадь поперечного сеченйя Иривьдных камер больше аналогичных площадей рабочих камер, причем одна из прийодных камер подсоединена к верхней части охладителя преобразователя тепловой энергии в энергию изменения давления, а другая— к верхней части его нагревателя камеры переменного объема выполнены герметичными, заполнены газом и каждая из них снабжена дополнительной емкостью с вен5 тилем.

2. Двигатель по и, 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что каждая рабочая камера имеет нагнетательный и всасывающий клапаны, причем каждая из рабочих камер соединена

10 через свой нагнетательный клапан с другой рабочей камерой через ее всасывающий клапан отдельным контуром системы опреснения и/илй намораживания льда, заполненным антифризом.