Устройство для получения механической энергии

 

Использование: энергетика, преимущественно для получения механической энергии в районах с жарким климатом и при наличии минерализованной воды. Сущность изобретения: двигатель состоит из тороидальных цилиндров 1, поршней 2 с поршневыми кольцами, коромысла 3 с центральным рычагом 4, оси, впускных заслонок 6, выхлопных заслонок 7, циклона 8, кривошипно-шатунного механизма 9 - 11. Компрессор состоит из тороидальных цилиндров 12, поршней 13 с поршневыми кольцами, коромысла 14 с центральным рычагом 15, оси, соединительного звена 17, впускных клапанов 18, выхлопных клапанов 19. Генератор 20 влажного воздуха снабжен входным патрубком воздуха, расположенным тангенциально к корпусу генератора, с целью закрутки поступающего из компрессора воздуха. Генератор 20 снабжен водяным насосом 21, блоком форсунок 22, патрубком 23 горячей воды, спускным краном 24 концентрированного раствора. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к энергетике, преимущественно к получению механической энергии и может быть использовано при получении механической энергии и опреснении воды в районах с жарким климатом, где дефицитом является пресная вода и имеется наличие минерализованной воды. Кроме того, изобретение может быть использовано и в средних широтах земного шара при получении только механической энергии, если в получении пресной воды нет необходимости, а также для получения дополнительной механической энергии на тепловых электростанциях, работая за счет воды для охлаждения конденсаторов, особенно в зимнее время.

С особой эффективностью это изобретение может работать в тех местах, где есть возможность создания солнечного соляного пруда. Этот пруд представляет собой неглубокий (2-3 м) водоем, заполненный соленой водой с установившимся неоднородным распределением солености - вверху она невелика (доли или единицы процента), а внизу весьма значительна (десятки процента). За счет солнечной радиации вода в таком бассейне вблизи его дна нагревается почти до 100^оС (известный рекорд 103^оС). В отличие от морской или пресной воды крутой рассол при нагревании становится не легче, а тяжелее потому, что повышается растворимость тяжелой соли. Рассол при нагреве не поднимается и не отдает теплоту воздуху. Получается "жидкостная теплица". Тепловая инерция пруда очень велика, его температура слабо зависит от облачности или времени суток. Даже зимой на широте наших пустынь (40^о с. ш. ) температура падает ниже 50^оС (Янтовский Е. И. Повернуть к Солнцу. - Энергия, 1988, N 1, с. 39).

Известно устройство для получения механической энергии, которое включает испаритель, вакуумные насосы, турбину низкого давления и другие дополнительные устройства, работающие с использованием солнечного соляного пруда.

Недостатком этого устройства является то, что для получения электроэнергии из солнечных прудов необходимо оснастить их сложным технологическим оборудованием - турбиной низкого давления, вакуумными насосами, конденсатором с большим теплообменником. Это приведет к чрезмерному удорожанию всей системы, затруднит ее эксплуатацию, а выход пресной воды не увеличится ни на один кубометр (Энергия, 1988, N 6, с. 90).

Целью изобретения является повышение КПД.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для получения механической энергии, содержащее механизм преобразования тепловой энергии в механическую, связанный с выходным валом, и источник теплового воздействия, снабжено компрессором и генератором влажного воздуха, соединенными между собой трубопроводом подвода влажного воздуха, при этом генератор влажного воздуха выполнен в виде циклона с установленным в нем блоком форсунок, подключенным к насосу, который связан через подпитывающий патрубок с истоником теплового воздействия и подсоединен выпускным патрубком с механизмом преобразования тепловой энергии, который кинематически связан с компрессором через шарнирный кривошипно-коромысловый механизм. На корпусе циклона выполнен попитывающий патрубок и расположен в нем выше уровня рабочей жидкости источника теплового воздействия. Устройство снабжено сливным краном, установленным в нижнем торце циклона.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критеpию "новизна".

Анализ известных технических решений показал, что авторами не выявлены конструктивные решения получения механической энергии за счет разности работ двигателя, работающего на влажном воздухе, и компрессора, подающего сухой воздух в генератор влажного воздуха.

На фиг. 1 представлено устройство для получения механической энергии; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

Устройство состоит из двигателя, компрессора и генератора влажного воздуха.

Двигатель состоит из тороидальных цилиндров 1, поршней 2 с поршневыми кольцами коромысла 3 с центральным рычагом 4, оси 5, впускных заслонок 6, выхлопных заслонок 7, циклонов 8, кривошипно-шатунного механизма 9-11.

Компрессор состоит из тороидальных цилиндров 12, поршней 13 с поршневыми кольцами, коромысла 14 с центральным рычагом 15, оси 16, соединительного звена 17, впускных клапанов 18 и выхлопных клапанов 19.

Генератор 20 влажного воздуха снабжен входным патрубком воздуха расположенным тангенциально к корпусу генератора, с целью закрутки поступающего из компрессора воздуха. Генератор влажного воздуха снабжен водяным насосом 21, блоком форсунок 22, патрубком 23 горячей воды и спускным краном 24 концентрированного раствора.

Детали, соприкасающиеся с горячей водой и окружающей средой, снабжены теплоизоляцией (не показана).

Устройство работает следующим образом.

R₂ больше R₁. При вращении кривошипа радиусом r, меньшим R₁, рычаг двигателя R₁ совершает колебательное движение, равное углу α, который больше угла β (колебания рычага компрессора R₂). Так как диаметры цилиндров у двигателя и компрессора равны, то за один оборот кривошипа z рабочий объем цилиндров двигателя больше рабочего объема цилиндров компрессора.

При соответствующем давлении в генераторе влажного воздуха и соответствующей диаграмме газораспределения (диаграмма газораспределения не показана) устройство является работоспособным.

Обратимся к конкретному примеру работы устройства с использованием солнечного соляного пруда.

Имеется солнечный соляной пруд с температурой нижнего слоя воды 90 и верхнего слоя воды 30^оС (Эффективность системы преобразования энергии океана. Сб. научных трудов, с. 19. /АН СССР, Дальневосточное отделение, Тихоокеанский океанологический институт, Владивосток, 1967).

Часть емкости генератора влажного воздуха заполняется из нижнего слоя пруда горячей водой (t = 90^оС), вращают маховик механизма 11. Начинает работать компрессор с автоматически действующими клапанами 18 и 19. Всасываемый сухой воздух при t₂ = 30^оС и давлении 1 бар адиабатно сжимается до давления 1,7011 бар. Такое давление создается в генераторе при насыщении воздуха водяным паром при температуре воды 90^оС. (Рабинович С. И. Сборник задач по технической термодинамике. М. : Машиностроение, 1969, с. 335, табл. XII).

Воздух, входя тангенциально в генератор, приобретает вращательное движение, соприкасаясь с мелко распыленной водой за счет форсунок 22 и насоса 21, подогревается до 90^оС, увеличиваясь в объеме, и насыщается водяным паром при том же давлении. Образованная паровоздушная смесь попадает через центральный отвод в двигатель. Благодаря вращательному движению паровоздушная смесь выходит из генератора в двигатель без воды в капельном состоянии (только пар и воздух).

Двигатель работает как обычная паровая машина. При адиабатном расширении в цилиндре двигателя часть пара конденсируется и паровоздушная смесь вместе с капельками воды попадает в циклон 8 (он без тепловой изоляции). В циклоне продолжается конденсация и отсепарированая пресная вода через нижний патрубок выходит наружу. Через верхний патрубок выходит воздух.

Концентрация раствора в генераторе постепенно увеличивается и, доходя до определенного предела, удаляется через спускной кран 24. Генератор влажного воздуха наполняется горячей водой через патрубок 23. Смена рассола в генераторе производится без остановки работы устройства.

Конкретизируем этот процесс цифровыми данными: t₂ = 30^оС (Т₂ = 303), t₄ = 90^оС (Т₄ = 363). Объем сухого воздуха в т. 2: из формулы PV = RT, V₂ = (R_в·T₂)/P₂, R_B = 287 Дж/кг ˙ н, Р₂ = 1 бар V₂ = (287·303)/(1·10⁵) = 0,86961 м³. Температура сухого воздуха в т. 1: из формулы адиабатного сжатия T₂/T₁= (P₂/P₁)^к-1/к T₁= T₂/(P₂/P₁)^к-1/к= 303(1/1,7011)^1,4-1/1,4= 352,6675°, V₁= (R_в·T)/P₁= (287·352,6675)/(1,7011·10⁵) = 0,5950007 м³, V₄= (R_в·T₄)/P = (287·363)/(1,7011·10⁵) = 0,6124331 м³, Если считать чистый пар, который только поступил в воздух в генераторе влажного воздуха при t = 90^оС, то ρ^''₉₀o - ρ^''₃₀o = 0,4235 - 0,03037 = 0,39313 кг/м³ на 1 кг сухого воздуха
0,39313 - 1 м³
х_кг - 0,86961 м³
х = =
= 0,3418697 кг пара/кг воздуха. Из формулы адиабатного процесса
P₃/P₄= (V₄/V₃)^к
V₃= V₄/(P₃/P₄)^1/к= [0,6124331/(1/1,7011)^1/1,4] = 0,8950979 м³ .

Работа цикла сухого воздуха (фиг. 3а):
l_2-1 = (Т₁ - Т₃) = x
x (352,6675 - 303) = -35,36431 кДж/кг,
l_1-4 = P(V₄ - V₁) = 1,7011 ˙ 10⁵(0,6124331 - 0,5950007) = 2,654255 кДж/кг,
P= 1·0,6124331)/1,4-1 ×
l_3-2 = P(V₃ - V₂) = 1 ˙ 10⁵(0,8950879 - 0,86961) = -254779 кДж/кг,
l_цикла = -l_2-1 + l_1-4 + l_4-3 - l_3-2 = -35,36431 + 2,654255 + 36,680511 - 2,54779 = 1,422666 кДж/кг. Объем пара составит
V = (R_n·T)/P = (461,6·363·0,3418697)/(1,7011·10⁵)= 0,3367465 м³
R_n = 461,6 Дж/(кг ˙ к).

На фиг. 3, в показана диаграмма работы пара: линия 5-6 - изобара, впуск пара в цилиндр двигателя под давлением 1,7011 бар. При закрытии заслонки впуска идет адиабатное расширение 6-7. При полном расширении т. 7 далеко бы ушла вправо, что увеличивает габариты машины. В данный момент неизвестно рациональное положение т. 7 и в пользу доказательства работоспособности устройства жертвуют площадь полезной работы 6-7-8-9, оставляя только площадь 5-6-9-10, которая равна P ˙ V.

l = P ˙ V = (1,7011 - 1) ˙ 10⁵ ˙ 0,3367456 = 23,360929 кДж. Полная работа паровоздушной смеси
l_полн. = l_n+ l_в = 23,360929 + 1,422666 = 24,783595 кДж.

Если принять механический КПД устройства 0,7, то полезная работа устройства выразится
l_эф = 24,783595 ˙ 0,7 = 17,348516 кДж.

В изобретении используются искусственным приемом расчета получения работы паровоздушной смеси, отдельно определив работу сухого воздуха и работу пара, находящегося в паровоздушной смеси. Можно определить работу паровоздушной смеси, определив ее объем и газовую постоянную R_см. Хотя такой расчет является не совсем правомерным, сослаться на него в подтверждение работоспособности предлагаемого устройства можно.

Генератор влажного воздуха работает под положительным давлением.

Предлагаемое устройство может являться компактным модулем, которым может пополняться энергетическая станция в действии по мере его выпуска промышленностью, а также может быть энергетическим автономным комплексом при малых хозяйствах.

Применение генератора влажного воздуха дает возможность использовать воздух окружающей среды с низкой влажностью, меньшим температурным параметром нижнего слоя рассола солнечного соляного пруда, а также предварительное насыщение воздуха водяным паром вне объема цилиндров двигателя позволяет увеличить мощность предлагаемого устройства. (56) Энергия, 1988, N 1, с. 39.

Авторское свидетельство СССР N 1566065, кл. F 03 G 7/06, 1990.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ, содержащее механизм преобразования тепловой энергии в механическую, связанный с выходным валом, и источник теплового воздействия, отличающееся тем, что оно снабжено компрессором и генератором влажного воздуха, соединенными между собой трубопроводом подвода влажного воздуха, при этом генератор влажного воздуха выполнен в виде циклона с установленным в нем блоком форсунок, подключенным к насосу, который связан через подпитывающий патрубок с источником теплового воздействия и подсоединен выпускным патрубком к механизму преобразования тепловой энергии, который кинематически связан с компрессором через шарнирный кривошипно-коромысловый механизм.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что на корпусе циклона выполнен подпитывающий патрубок и расположен в нем выше уровня рабочей жидкости источника теплового воздействия.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что снабжено сливным краном, установленным в нижнем торце циклона.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3