Устройство получения механической энергии при замерзании воды

 

Использование: энергетические установки для эксплуатации в условиях низких температур окружающей среды. Сущность изобретения: в устройстве используется тепло, выделяемое водой при ее замерзании, которая подается в диспергированном состоянии в замкнутый объем сжатого воздуха при минусовой температуре. При использовании соответствующего термодинамического цикла и конструктивном оформлении устройства оно превращается в механическую работу. 9 ил.

Изобретение относится к области энергетики, преимущественно получению механической энергии при замерзании воды. Это может быть использовано в районах Крайнего Севера и Сибири, вообще, где есть наличие воды и отрицательная температура окружающего воздуха -20^oC и ниже.

"Средняя температура воздуха (также по многолетним данным) за период ноябрь-март в прибрежных районах от 105 до 180^o в.д. равна 27,6^oC, а за период ноябрь-апрель - 26^oC, в том числе по месяцам: ноябрь - 22, декабрь - 28, январь - 30, февраль - 30, март - 28, апрель - 18^o.

Минимальная температура воздуха в этих районах равна - -52^oC". (Академия наук СССР, Дальневосточный центр. Тихоокеанский океанологический институт. Преобразование тепловой энергии океана./ Сборник научных трудов. Владивосток, 1984., с.19).

Известно устройство получения механической энергии из окружающей среды ("Устройство получения механической энергии при замерзании воды в замкнутом объеме" по авт. свид. N 42764).

В этом изобретении получение механической энергии достигается за счет увеличения объема и давления воды при ее замерзании в закрытых объемах, периодически заполняемых водой и извлечением затем льда с помощью автоматически действующих механизмов.

Недостаток этого устройства заключается в медленном замерзании воды за счет того, что при ее замерзании корка льда, которая со временем растет,уменьшая теплопередачу, а следовательно, увеличивается время замерзания, что снижает эффективность получения механической энергии.

Цель изобретения - повышение эффективности получения механической энергии.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве используется тепло, выделяемое водой при ее замерзании, которая подается в диспергированном состоянии в замкнутый объем сжатого воздуха при минусовой температуре, и с использованием термодинамических циклов и конструктивного оформления устройства, оно превращается в механическую работу.

Анализ известных технических решений показал, что авторами не выявлены устройства получения механической энергии за счет использования тепла замерзающей воды, которую подают в диспергированном состоянии в замкнутый объем сжатого воздуха при минусовой температуре. При температуре окружающего воздуха t=-20^oC T=235 есть возможность реализовать цикл 2-1-3 (фиг. 1), состоящий из адиабаты 2-1, изотермы 1-3 и изобары 3-2.

Параметры точек T₂=253^o - P₂=0,981 бар T₁=268^o - P₃=0,981 бар T₃=268^o В адиабатном процессе существует зависимость: Откуда определим P₁, для воздуха K=1,4 Объемы 1 кг воздуха в точках цикла

Определим работу цикла

l_3-2=R(T₂-T₃)=287 (253-268)=-4,305 кДж
l_цикла=-l_2-1+l_1-3-l_3-2= -10,7625+15,505589-4,305=0,438089 кДж
Выделяемое тепло при замерзании воды затрачивается на изотермический процесс 1-3, равно 15,505589 кДж. 1 кг воды при замерзании выделяет тепла g= 334,72 кДж. Тогда для одного цикла необходимо кг воды, т.е. на 1 кДж работы необходимо воды:

Таким образом, из 1 кг воды при ее замерзании теоретически можно получить работы.

Полученный анализ цикла ставит условие конструктивному оформлению устройства, способному реализовать термодинамические процессы этого цикла. Оно должно иметь максимальный рабочий объем по отношению к общему объему устройства.

Основными узлами и деталями устройства являются лопасти, цилиндр, кулачковый механизм, маховики, аппаратура подачи воды в цилиндр.

Лопасть 1 фиг. 2 и фиг. 3 закреплена на цилиндрической поверхности 2, которая с помощью подшипников 3 может совершать вращательно-колебательное движение на оси 4 в цилиндре 5. В пазах лопасти вставлены пластины 6 (уголковой и трапецеидальное формы, которые с помощью пружины 7 прижимаются к цилиндрической поверхности второй лопасти и общему цилиндру 5, сохраняя компрессию в устройстве.

На фиг. 3 ось 4 с помощью кронштейнов 8 крепится на крышках цилиндра 9 (на фиг. 3 лопасти для лучшего обозрения расположены друг относительно друга на одной прямой, т.е. составляют угол 180^o).

Для передачи движения от лопасти к кулачковому механизму крепежная цилиндрическая часть лопасти снабжена рычагом 10 (A и B).

Цилиндр 5 фиг. 3 является основной собирательной деталью устройства. Внутри этого цилиндра находятся две взаиморасположенные лопасти. Нижняя часть цилиндра имеет клапанную коробку с всасывающим окном 11 и выхлопным окном 12 с соответствующими клапанами: всасывающим 13 и выхлопным 14 (фиг. 4).

Полость цилиндра соединена с клапанной коробкой отверстиями 15 - участок а (механизм газораспределения на схеме не показан).

Для наглядности примем диаметр цилиндра, например D=1,150 м и диаметр цилиндра d=0,150 м, на который крепится лопасть, тогда площадь кольца в сечении, перпендикулярном оси цилиндра, составит:
П/4 (D² - d²)=0,785 (1,3225-0,0225)=1,0205 м²
фиг. 5.

При взаимном расположении лопастей в цилиндре под углом 240^o (фиг. 4-1) такой угол благоприятно сказывается на кинематике механизма (фиг. 6 и фиг. 7).

Площадь сектора, заключенного между двумя лопастями, составит:

Какова должна быть длина цилиндра l, чтобы объем, заключенный между двумя лопастями (объем лопастей в расчет не принимается) и цилиндром, составил бы V₃, т.е. 0,784056 м³.

Определим угол раскрытия лопастей согласно объемам V₁ и V₂.

Таким образом, на фиг. 4 представлены основные положения лопастей I-IV, на основании которых графически рассчитывается профиль кулачка (расчет здесь не приводится). На этой же фигуре показаны отверстия 16 в цилиндре, соединяющие нерабочую его часть с атмосферой.

На фиг. 6, 7 и 8 кинематически представлено устройство, где рычаг 10, связанный с соответствующей лопастью, например 7 и через соответствующий шатун 17А, который соединен с рычагом 18А. Рычаг 18А заканчивается крестовиной, на которой помещен ролик 19, входящий в профилированный ручей кулачка 20А. Лопасть B имеет такую же связь с другим аналогичным кулачком 20B. Взаимное расположение кулачка является их зеркальным отображением фиг. 8. На фиг. 8 также показаны маховики 21 и вал отбора мощности 22. На фиг. 9 полностью показан кулачок и участки его профиля, соответствующие циклам работы устройства. Наклон профиля кулачка на участках "Сжатие" и "рабочий ход" (за исключением переходных) соответствует 4^o, на остальных участках он колеблется от 0^o до 45^o.

На фиг. 3 в крышке цилиндра показано место 23 крепления форсунки, а на фиг. 4 несколько мест 23 крепления форсунок.

Форсунки располагаются таким образом, чтобы диспергированная жидкость (вода), прежде чем достичь какой-либо поверхности, покрылась прочной коркой льда и не могла примерзнуть к поверхности. Форсунки должны работать с отсечкой и без подтекания. Трубопроводы, по которым движется вода, имеют тепловую изоляцию.

Система плунжерного насоса воды и его привод на схеме не показана.

Работа устройства.

Как уже было сказано выше, устройство работает при окружающей температуре воздуха - 20^oC и ниже. Для запуска первые порции воды подогреваются, чтобы в форсунках она не замерзла. Затем создается декомпрессия (оба клапана открыты) и раскручивается вал с маховиками устройства. После этого устраняется декомпрессия и включается плунжерный насос. Устройство должно заработать.

Диспергированная вода, выходя из форсунок, попадая в воздух с отрицательной температурой, замерзает в воздухе, выделяя тепло, и при изотермическом расширении воздуха совершается работа.

При выходе содержащиеся в воздухе иней и мелкие кристаллики льда выходят наружу, направляются под лед и разносятся течением, затем летом таят.

Формула изобретения

Устройство получения механической энергии при замерзании воды, состоящее из цилиндра, лопастей, рычагов, аппаратуры для подачи воды в диспергированном состоянии, вала отбора мощности, отличающееся тем, что оно снабжено кулачковым механизмом, служащим для задания определенного положения лопастей в цилиндре друг относительно друга согласно циклу, по которому устройство работает, и передачи движения от лопастей к валу отбора мощности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9