Устройство преобразования тепловой энергии в энергию изменения давления

 

Устройство преобразования тепловой энергии в энергию изменения давления содержит средство отбора мощности, нагреватель и охладитель, частично заполненные газом и рабочим телом, соединенные трубопроводами подачи и возврата рабочего тела и размещенные так, что охладитель расположен выше нагревателя. Трубопровод возврата имеет обратный клапан. Входной конец трубопровода подачи расположен в приямке нагревателя, а выходной конец трубопровода подачи расположен в охладителе выше максимально возможного уровня рабочего тела. Устройство дополнительно снабжено гидротурбиной, установленной в магистрали трубопровода возврата. Нагреватель выполнен секционированным, причем каждая секция изолирована от других и имеет свой трубопровод подачи и средство отбора мощности, соединенные с секцией трубопроводом с вентилем. Трубопроводы подачи секций расположены по окружности с образованием в центре магистрали трубопровода возврата, соединенной с каждой секцией патрубками с обратным клапаном. 3 ил.

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и приборостроению, а именно к устройствам преобразования тепловой энергии малой разницы температур в средах или между средами в энергию изменения давления, и может быть использовано для привода в действие объемных насосов и/или гидротурбин.

Известно устройство для преобразования солнечной энергии в механическую и очистки воды по патенту США N 5243307, кл. F 03 G 7/02, F 03 G 7/04, 1981, содержащее параболический рефлектор солнечных лучей, их линзу-концентратор, установленную в стенке сферического испарителя, плавающего на поверхности вод, требующих очистки, средств забора этих вод, последовательно соединенных: паровода, первичного генератора, радиатора, конденсатора, резервуара конденсата, слива с вентилем, гидравлической турбины, трубопровода отвода конденсата. Недостатком устройства является его ограниченные функциональные возможности при преобразовании тепловой энергии малой разницы температур при отсутствии прямого солнечного облучения.

Известно устройство для реализации способа (авт. св. N 1386720, кл. F 01 K 13/02, F 01 D 21/00, 1988), которое содержит ряд однотипных частей, подключенных параллельно, а именно, два паровых котла, к которым подключена магистраль с трубопроводами, задвижками, регулирующими питательными клапанами, паровыми турбинами и пароперегреватель. Это устройство имеет ограниченные функциональные возможности при преобразовании низкопотенциального тепла в механическую энергию.

Наиболее близким по технической сущности является устройство преобразования тепловой энергии в энергию изменения давления (авт. св. N 1315647, кл. F 03 G 7/00, 1987). Это устройство содержит средство отбора мощности, нагреватель и охладитель, частично заполненные рабочим телом, соединенные трубопроводами подачи и возврата рабочего тела, охладитель расположен над нагревателем, причем трубопровод возврата содержит обратный клапан, а входной конец трубопровода подачи расположен в охладителе выше максимально возможного уровня рабочего тела.

Недостатком устройства является то, что потенциальная энергия сбрасываемой из охладителя в нагреватель рабочей жидкости и тело, отводимое с рабочим телом из нагревателя в охладитель, не используются, т.е. узость функциональных возможностей.

Цель изобретения заключается в расширении функциональных возможностей устройства.

Цель достигается тем, что устройство дополнительно снабжено гидротурбиной, нагреватель выполнен состоящим из ряда изолированных друг от друга секций, имеющих свой трубопровод подачи и средство отбора мощности, соединенное с секцией трубопроводом с вентилем, трубопроводы подачи секций расположены по окружности с образованием в центре магистрали трубопровода возврата, которая соединена с каждой секцией патрубками с обратным клапаном и в которой установлена гидротурбина.

Признак "устройство дополнительно снабжено гидротурбиной, установленной в трубопроводе возврата" является необходимым условием использования потенциальной энергии рабочей жидкости, отводимой из охладителя в секции нагревателя. Выполнение нагревателя состоящим из ряда изолированных друг от друга секций, имеющих свой трубопровод подачи и средство отбора мощности, соединенное с секцией трубопроводом с вентилем, обеспечивает непрерывную работу охладителя устройства и гидротурбины за счет регулирования рабочих циклов нагревателей. Расположение трубопроводов подачи секций по окружности с образованием в центре магистрали трубопровода возврата, соединенной с каждой секцией патрубками с обратным клапаном, позволяет использовать тепло отводимой из нагревателя в охладитель рабочей жидкости.

Таким образом, каждый в отдельности из этих признаков является существенным, а в совокупности они обеспечивают достижение поставленной цели.

На фиг. 1 приводится принципиальная схема устройства, разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 2 - разрез В-В на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 2.

Устройство содержит секционный нагреватель 1 и расположенные над ним охладители 2, заполненные газом 3 и его легко испаряющейся жидкостью 4, например аммиаком или газом и его растворителем, например аммиаком или его водным раствором. Нагреватель 1 состоит из изолированных друг от друга секций, каждая из которых соединена трубопроводом 5 подачи рабочего тела из секции в соответствующий охладитель 2 и патрубком 6 с обратным клапаном 7 возврата жидкого рабочего тела в секцию нагревателя 1. Основание 8 секции нагревателя 1 выполнено с приямком 9 для сбора жидкости 4, причем вход 10 трубопровода 5 размещен в приямке 9 с зазором между его торцом и дном приямка 9. Выход 11 трубопровода 5 расположен в охладителе 2 выше максимально возможного уровня жидкости 4, а вход 12 патрубков 6 сообщен с нижней частью охладителя 2.

Концы трубопровода 5 и патрубка 6 возможно удалены в каждой секции нагревателя 1 на различные расстояния друг от друга. Трубопpовод 13 в качестве звена отбора мощности подключен к каждой секции нагревателя 1 непосредственно, а к охладителю 2 - посредством трубопровода 5 и патрубка 6. Охладители 2 объединены в один охладитель 14, а патрубки 6 выше клапанов 7 объединены в один трубопровод 15, в котором установлена гидравлическая турбина 16, например, с генератором 17. Причем трубопроводы 5 расположены по окружности с образованием в центре магистрали трубопровода 15 так, что трубопроводы 5 и 15 имеют общие части стенок, через которые осуществляют теплообмен между ними. Секции нагревателя 1 имеют, например, общую стенку 18 и зазоры 19, отделяющие их друг от друга. Трубопроводы 13 имеют вентили 20. Объем охладителя 14 больше, чем объем жидкого рабочего тела, находящегося в устройстве.

В качестве конкретного примера работы предлагаемого устройства рассмотрим случай его работы при использовании перепада температур между грунтом, расположенным ниже линии его промерзания и имеющим температуру +1^оС и воздухом с температурой -27^оС.

В секциях нагревателя 1 жидкость 4 (аммиак) нагревается, например, до температуры -3^оС, а в охладителе 14 охлаждается до температуры -23^оС. Давление газов аммиака в секциях нагревателя 1 при этом будет равно 3,80 атм, а в охладителе 14 - 1,65 атм (стр. 464. Н.Б.Варгафтик. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. Изд. "Наука". М., 1972). Разница в давлении газов в секциях нагревателя 1 и охладителе 14 составит 3,80 - 1,65 = 2,15 атм. Средняя в пределах этих температур плотность жидкого аммиака ρ_а ≈ 0,66 г/см³ (см. там же). Клапан 7 патрубка 6 под действием разности давления в секции нагревателя 1 и в охладителе 14 закрывается и жидкость 4 (например, жидкий аммиак) из секции нагревателя 1 вытесняется в охладитель 14 на высоту до 10 ≃ 33 м при полном заполнении жидкостью 4 трубопровода 5.

После того, как вся жидкость 4 по трубопроводу 5 из приямка 9 вытесняется из секции нагревателя 1 в охладитель 14, газообразный аммиак из этой секции поступает в охладитель 14, и давление в ней падает, стремясь к давлению в охладителе 14, в котором часть газообразного аммиака конденсируют. Под давлением столба жидкости 4 клапан 7 рассматриваемой секции нагревателя 1 открывается и жидкость 4 поступает в нее из охладителя 14 через гидротурбину. Когда волна сбрасываемой жидкости 4 заполнит приямок 9, поступление газа из секции нагревателя 1 в охладитель 14 прекращается, давление в ней увеличивается; по мере увеличения давления жидкость 4 снова вытесняется в трубопровод 5, проходит через часть этого трубопровода, имеющего часть стенки с трубопроводом 15, по которому сбрасывают в это время охлажденную жидкость 4 из охладителя 14 в другие секции нагревателя 1, и охлаждается по мере подъема к сливу 11. Через слив 11 в охладитель 14 поступает из секций нагревателя 1 охлажденная жидкость 4, отдавшая свое тепло жидкости 4, сбрасываемой из охладителя 14 в секции нагревателя 1 по трубопроводу 15, патрубки 6 и далее через соответствующие клапаны 7.

Затем процесс повторяется для каждой в отдельности секции нагревателя 1 в рассматриваемом устройстве. Объем охладителя 14 позволяет аккумулировать всю жидкость 4, таким образом перераспределить ее сброс через гидротурбину во времени в зависимости от потребностей потребителя. Так как расстояние между концами трубопровода 5 и патрубка 6 в каждой секции нагревателя 1 различное, то период времени их рабочего цикла неодинаков. При закрытых вентилях 20 процессы циркуляции жидкости 4 ускоряются из-за того, что по мере открытия вентилей 20 увеличивается часть преобразуемой энергии, идущей на привод подключенных к трубопроводам 13 преобразователей энергии изменения давления во времени, например, волновых объемных насосов, и уменьшается количество энергии, идущей на циркуляцию жидкости 4. Таким образом, с помощью вентилей 20 регулируют количество отбираемой для привода внешних преобразователей энергии, а, следовательно, и энергии для привода гидротурбины 16. Механическая энергия ее вращения может быть использована для получения электроэнергии при подсоединении к гидротурбине 16 генератора 17 (фиг. 2) или других пользователей или устройств для использования этого вида энергии.

Теплообмен между подогретой жидкостью 4, вытесняемой из секций нагревателя 1 в охладитель 14 по трубопроводу 5, и той же охлажденной жидкостью, сбрасываемой по трубопроводу 15, а также использование энергии, сбрасываемой из охладителя 14 в секции нагревателя 1 жидкости 4, позволяют увеличить КПД устройства.

Сброс жидкости 4 из охладителя 14 в секции нагревателя 1 через гидротурбину 16 и наличие вентилей 20 дает возможность расширить функциональные возможности устройства, позволяя: преобразовывать тепловую энергию перепада температур в механическую энергию вращения; преобразовывать эту энергию одновременно в механическую энергию вращения и, например, потенциальную энергию перекачиваемой жидкости или другие виды энергии через подсоединенные к трубопроводам 13 отбора мощности другие виды преобразователей энергии изменения давления, причем такие преобразователи могут быть различного назначения для каждого трубопровода отбора мощности или части их.

Предлагаемое устройство позволяет также интенсифицировать обмен между жидкостью и окружающей его средой без интенсификации испарения жидкости, например, при понижении температуры воды в пруде-охладителе ТЭС для уменьшения потерь воды на испарение, а, следовательно, понижения степени минерализации воды, или при понижении температуры воды хранилища при ее сбросе в нижний бьеф для ликвидации там незамерзающей полыньи с целью ограничения отрицательных экологических последствий сброса подогретой в летний период воды зимой.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭНЕРГИЮ ИЗМЕНЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ, содержащее средство отбора мощности, нагреватель и охладитель, частично заполненные газом и рабочим телом, соединенные трубопроводами подачи и возврата рабочего тела и размещенные так, что охладитель расположен выше нагревателя, причем трубопровод возврата содержит обратный клапан, входной конец трубопровода подачи расположен в приямке нагревателя, а выходной конец трубопровода подачи расположен в охладителе выше максимально возможного уровня рабочего тела, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, устройство дополнительно снабжено гидротурбиной, нагреватель выполнен секционированным, причем каждая секция изолирована от других и имеет свой трубопровод подачи и средство отбора мощности, соединенные с секцией трубопроводом с вентилем, трубопроводы подачи секций расположены по окружности с образованием в центре магистрали трубопровода возврата, соединенной с каждой секцией патрубками с обратными клапанами, гидротурбина установлена в магистрали трубопровода возврата.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3