Способ преобразования тепла в газовых циклах и устройство для осуществления изотермических частей цикла по способу преобразования тепла в газовых циклах
Использование: трансформаторы тепла, тепловые насосы и тепловые двигатели. Сущность изобретения: термодинамический цикл с подводом и отводом тепла начинают с процессов сжатия и расширения двух разных порций газообразного рабочего тепла в роторной машине, поочередно приводя их в контакт с одними и теми же регенеративными поверхностями. Затем каждую порцию рабочего тепла расширяют или снижают адиабатно до первоначального давления. Роторная машина содержит цилиндрический корпус с впускными и выпускными окнами. Корпус машины разделен ротором на детандерную и компрессорную части, сообщенные с впускными и выпускными окнами. Приводится соотношение, связывающее величину давления конца сжатия в компрессорной части и величину давления конца расширения в детандерной части. 2 и.з. ф-лы, 1 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в трансформаторах тепла и низкотемпературных тепловых двигателях.
Из литературы известно много термодинамических циклов преобразования тепла, ставших основной современной энергетики. Но загрязнение окружающей среды и повышение стойкости ископаемых видов топлива делают актуальными поисками новых способов получения энергии, как в сторону повышения эффективности преобразования, так и использования низкотемпературных источников тепла и естественных перепадов температур. Теоретически, максимальным по эффективности преобразования признается цикл Карно, описанный, например, в книге В. А.Кирилин и др. "Техническая термодинамика" М. Энергия, 1968 стр.327-329. Но из-за ограничений, налагаемых применение в цикле влажного пара, цикл практического применения не нашел. Известны высокоэффективные газовые циклы, описанные, например, в книге Е.Г.Фастовский и др. "Криогенная техника" М.Энергия. 1974. стр. 222-228. В этих циклах изотермы замыкаются изохорами (цикл Стирлинга) или изобарами (регенеративный цикл Карно). Ближе всего к предлагаемому способу классические теплонасосные газовые циклы описанные, например, в книге: Е.И.Янтовский, Л.А.Левин "Промышленные тепловые насосы" М.Энергоиздат. 1989. стр. 107-108 и стр. 62. Теплоносный цикл Томсона (Кельвина) заключается в том, что воздух первоначально расширяет адиабатно в детандере с понижением температуры, затем разряженный газ нагревают до температуры окружающей среды и снижают в компрессоре до первоначального давления с повышением температуры выше температуры окружающей среды. Этот отработанный воздух, непосредственно, используют для отопления. Наибольшие трудности и потери возникают в процессе теплопередачи к разряженному газу. Теплонасосный газовый цикл Брайтона заключается в том, что воздух, наоборот, вначале сжимают с повышением его температуры, после чего охлаждают при этом же давлении с использованием тепла для отопления. Заканчивают процесс расширением в детандере до первоначального давления. Недостатком цикла является то, что подъем температуры сжатого воздуха должен значительно превышать температуру отапливаемого помещения с тем, чтобы обеспечить достаточную теплопередачу, а это значительно снижает эффективность цикла. Основной задачей изобретения является снижение потерь температурного напора при температуре в теплонасосном газовом цикле до минимума и тем самым резко повысить эффективность преобразования тепла. Эта задача решается тем, что оба цикла начинают одновременно в одной и той же двухроторной объемной машине с расширения и сжатия двух разных порций газа поочередно приводят их в контакт с одними и теми же регенеративными поверхностями тел, размещенных в рабочих камерах машины так, что количество тепла выделенное и поглощенное теплоемкостью регенеративных тел при сжатии одной порции равно количеству тепла поглощаемому при расширении другой. После чего, каждую порцию, соответственно расширяют или сжимают адиабатно до первоначального давления. Работа расширения газа в детандерах частично возмещает работу сжатия в компрессорах. Для того, чтобы работа расширения превышала работу сжатия, то есть для того, чтобы устройство, реализующее способ, работало в режиме теплового двигателя, газ после изотермического сжатия нагревают до постороннего источника тепла теплее окружающей среды, либо охлаждают расширенный, если имеющийся источник холоднее окружающей среды, например грунтовая вода в летнее время. Предлагаемый способ поясняется тремя рисунками: фиг.1 фиг.4 и фиг.5. На фиг.1 показана диаграмма воздуха с нанесенной сеткой изотерм: Tx; To; Tт; Tp; T2 и термодинамическими циклами по предлагаемому способу. На фиг.4 изображена принципиальная схема теплового насоса по предлагаемому способу (циклы 0-1-2-0 и 0-1-2-0, фиг.1). На фиг.5, изображена принципиальная схема теплового двигателя по предлагаемому способу. Вариант, когда посторонний источник теплее окружающей среды. (На фиг.1 циклы 0-1-3-3-4-0 и 0-1-2-0). Реализация изотермических частей термодинамических циклов по предлагаемому способу возможна с изобретением двухроторных объемных машин с коаксиальным расположением роторов известной, например, из описания к а.с.СССР 1244356. Основу подобного типа машин составляют 2 коаксиально расположенных ротора с одним или несколькими лопастями, размещенных концентрично в цилиндрическом корпусе, совместно образующие круговую цепочку рабочих камер и смещенные по фазе привода неравномерного вращения роторов. Чаще всего, этот тип машин предлагают в качестве двигателей внутреннего сгорания и для осуществления изотермических или близких к ним процессов сжатия, расширения, эти машины не пригодны. Основной задачей усовершенствования этого типа машин, используемых в предлагаемом способе, является максимально полный регенеративный теплообмен между т. д. процессами сжатия и расширения двух разных порций газа, объединенных в общий процесс в одной машине. Эта задача разрешается тем, что каждый ротор выполнен с двумя радиально противоположными лопастями-поршнями, образующими совместно 4 рабочие камеры, оснащенные внутри телами с развитой регенеративной поверхностью, например, в форме пластин, подвижных в окружном направлении относительно роторов, а наружная коммутация подводящих и отводящих каналов с выпускными и впускными окнами корпуса разделяет ее на две автономные части, одна из которых подключена к внешней цепи как компрессор, а другая как детандер, причем давление в конце сжатия компрессорной половины и давление конца расширения в детанденой заданы соотношением: ; Устройство для осуществления способа проиллюстрировано фиг.2 и 3. На фиг. 2 изображен радиальный разрез устройства. На фиг. 3 изображено устройство в осевом разрезе. Устройство состоит (см. фиг.2) из цилиндрического корпуса 1, двух роторов с парами поршней 2 и 3. Во внутренних проточках роторов подвижно закреплены теплообменные пластины 4, расположенные во всех 4 камерах. Плоскость А-А разделяет полость устройства на две части. Верхняя часть с впускным окном 5 и выпускным 6 на фланцах корпуса настроена как компрессор. Нижняя часть с впускным окном 7 и выпускным 8 встроена как детандер. Настройка на функцию и выходные параметры автономных частей осуществлена размерами и расположением окон 5; 6; 7 и 8 в зависимости от направления вращения роторов. Каждый ротор соединен с отдельным приводом в коробке приводов неравномерного вращения 9 (см. фиг.3). Устройство изображено в момент вращения, когда оба ротора имеют одинаковую скорость, но ротор с поршнями 2 ускоряется, а ротор с поршнями 3 замедляет свое вращение, две камеры в плоскости А-А полностью "захлопнуты", а две перпендикулярные им максимально раскрыты, при чем, верхняя заполнена газом с параметрами: Pa; a To; а нижняя: P'1; To (см. диаграмму фиг.1). Работает устройство следующим образом. Привода в коробке проводов 9 формируют вращение роторов таким образом, что когда один ротор имеет максимальную скорость, его спутник минимальную и наоборот, что обеспечивает непрерывное изменение объемов всех четырех камер, так поршни 2 при повороте с ускорением своей фронтальной поверхностью в верхней части сжимают газ от Pa до P1. Одновременно в нижней части уже разреженных газ вытесняется через окно 8 к адиабатному компрессору, а тыльные кромки поршней 2 открывают окна заполнения нижней 7 и верхней 5 частей. Начинается заполнение камер в сечении А-А. Через некоторое время поршень 3, продолжая замедляться, откроет окно 6 и закроет окно 7. Тем самым, компрессорная часть начинает выпуск сжатого газа к адиабатному детандеру, а в нижней детандерной части прекращается заполнение и начинается расширение газа (процесс 0-1 на диаграмме). Этот процесс прекратится, когда поршни 2, пройдя через максимум своей скорости и начав замедляться, займут место поршней 3, а поршни 3 место поршней 2. С этого момента все процессы повторяются в той же последовательности, но с новыми порциями газа. Теплота сжатия в верхней части устройства воспринимается пластинами 4, общая теплоемкость которых значительно превышает теплоемкость порции газа за один цикл, и механически переносится в детандерную часть, где в обратном направлении через те же поверхности передается расширяемому газу. Но поскольку теплоемкость пластин значительно превышает теплоемкость порции газа за один цикл, то повышение средней температуры при сжатии и понижении при расширении только незначительно отличается от температуры окружающей среды, т.е. процессы сжатия и расширения можно считать, практически, изотермическими. Способ с помощью описанной машины осуществляют следующим способом: газ, например воздух, всасывают одновременно в две автономные части одной машины. В одной части порцию газа сжимают до давления P (участок 0-1 на диаграмме фиг. 1) изотермически, причем выделяющаяся при этом теплота механически переносится в детандерную часть, где она передается расширяющемуся газу другой порции до давления P'1 (0-1 на диаграмме), причем оба процесса проводят при условии, что количество тепла выделенного при сжатии одной порции равно количеству тепла поглощенного при расширении другой, а поскольку в изотермическом процессе количество подводимого тепла равно производимой работе, то и работа, затраченная на привод компрессорной части, равна работе, производимой детандерной частью. Таким образом, устройство для осуществления изотермической частей "расщепленного" цикла, в идеальном случае не получая извне ни работы, ни теплоты, расщепляет газовый поток на два, отличающихся только давлением и энтропией. Дальнейшие действия над этими потоками зависят от назначения цикла в целом. Так, в способе, предназначенном для использования в качестве теплонасосного цикла, изображенного на диаграмме фиг.1 отрезками 0-1-2-0 и 0-1'-2'-0, а принципиальная схема которого изображена на фиг.4, сжатый поток от устройства 10 для осуществления изотермических частей цикла по предлагаемому способу (в дальнейшем расширитель) направляют в адиабатный детандер 11, где поток, расширяясь, совершает работу и покидает детандер 11 холодным с температурой Tx (1-2 на диаграмме), а поток с детандерной части расщепителя 10 направляют непосредственно в компрессор 12, приводимого во вращение эл. двигателем 13 и детандером 11, где его снижают до атмосферного давления с повышением температуры до Tт (участок 1'-2'). В способе, предназначенном для использования в качестве Т.Д. цикла теплового двигателя, изображенного на диаграмме 0-1-3'-3-4-0 и 0-1'-2'-0; а, принципиальная схема которого изображена на фиг.5, сжатый поток от расщепителя 10 нагревают в рекуператоре 15 при давлении P1 до температуры Tp (1-3' на диаграмме), после чего при этом же давлении нагревают от постороннего источника, например в солнечном коллекторе 16, до температуры Т (участок 3-3) и подают на вход адиабатного детандера 11, где газ, расширяясь, совершает работу (3-4 на диаграмме) и с температурой Tp его направляют в рекуператор 15, где он при атмосферном давлении передает избыток тепла сжатому потоку (участок 4-0). Газ от детандерной части расщепителя 10 подают непосредственно в адиабатный компрессор 12, где он с затратой работы от детандера 11 повышает давление от атмосферного и температуру до Т (участок 1'-2'). Избыток работы детандера 11 используют для выработки электроэнергии в генераторе 14. При наличии источника холоднее окружающей среды, охлаждают поток после детандерной части расщепителя 10. Предлагаемые т.д. циклы характеризуются показателями: где x холодильный коэффициент. т отопительный коэффициент. д коэффициент полезного действия теплового двигателя. Q количество теплоты на соответствующем участке диаграммы фиг.1 L количество работы на соответствующем участке диаграммы. калорический коэффициент расщепления. = Tx/Tт термический коэффициент расщепления. степень изотермического расширения. Основной т.д. параметр. На диаграмме и в описании приняты обозначения: Pa давление атмосферное. P1 давление в конце сжатия компрессорной части расщепителя P'1 давление в конце расширения его детандерной части. To температура окружающей среды. Tx температура в конце адиабатного расширения. Tx= (T0-Tx) холодный перепад температур. Tт температура в конце адиабатного сжатия. Tт= (Tт-T0) теплый перепад температур. T2 температура горячего источника. Tр верхняя температура рекуператора. Tг= (Tг-Tp) горячий перепад температур. Cp удельная теплоемкость газа. удельный объем. K показатель адиабаты. Теоретическая эффективность циклов по заданному способу зависит от показателей адиабаты К и степени расширения. Если в качестве рабочего тепла принять воздух с К 1,35, то коэффициент q изменяется от 1,044 при 1,2 до 1,26 при d 4, а холодный коэффициент x к примеру, изменится от 22,7 до 3,8; соответственно холодный перепад температур Tx при T 273 K (0oC) изменится от 10,5 K до 23,45 K, теплый Tт от 13,2 K до 118 K. Для сравнения, холодный и отопительный коэффициенты по циклу Карно для тех же перепадов температур Tx и Tт имеют значения: Rxfhyj от 25 до 10,64; Ктарно от 21,6 до 3,3. Из сравнения видно, что эффективно применение предлагаемого цикла в устройствах типа тепловой насос. Анализ КПД теплового двигателя с предложенным циклом д показывает, что он стремится к КПД цикла Карно, при стремящейся к 1. Практически выбор значения d будет зависеть от отношения To/T2, но при любом его значении, даже очень близком к единице, можно подобрать такое значение d что работа теплового двигателя будет возможна, то есть возможно получить энергию, используя даже незначительные естественные перепады температур.
Формула изобретения
где P1 давление в конце сжатия компрессорной части;
давление в конце расширения детандерной части;
Pа давление атмосферное.
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5