Тепловая машина для преобразования тепловой энергии в механическую (электрическую)

 

Изобретение предназначено для использования в энергетике, транспорте, авиации и космонавтике. Тепловая машина осуществляет преобразование низкопотенциального тепла окружающей среды в механическую (электрическую) энергию путем использования многоконтурных термодинамических циклов со смешением разнородных чистых газов. Газы в различных контурах сжимают в компрессорах, к ним подводится тепло окружающей среды в теплообменниках и смешиваются (возможно, многократно) в газовых эжекторах для получения смесей с необходимыми теплофизическими свойствами и термодинамическими параметрами, а затем расширяются в турбине для получения положительной работы с последующим разделением смеси на первоначальные компоненты. Изобретение позволяет использовать низкопотенциальное тепло окружающей среды и получать экологически чистую механическую или электрическую энергию, так как в данной тепловой машине применяются чистые газы и отсутствуют процессы сжигания углеводородных топлив. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Настоящее изобретение предназначено для использования в области энергетики, транспорта, авиации и космонавтики, где большую роль играет повышение экономичности тепловых машин и их экологичность.

Известны устройства преобразования тепловой энергии в механическую, где осуществляются замкнутые циклы со смешением различных рабочих тел.

Например, паротурбинные, газотурбинные и комбинированные установки, в которых осуществляются замкнутые термодинамические циклы с различными рабочими телами (см. "Теплотехника" под ред. проф. В.И. Крутова, М., Машиностроение, 1986 г.). В качестве рабочих тел в этих установках применяются воздух, азот, инертные газы и их смеси, углекислый газ.

В этих установках подвод тепла к рабочим телам осуществляется за счет сжигания углеводородных топлив или угля, что приводит к загрязнению атмосферы. По принципу взаимодействия рабочих тел такие комбинированные установки осуществляются с раздельными контурами, в которых пароводяное или газообразное рабочие тела движутся отдельно по самостоятельным контурам, или со смешением рабочих тел перед расширением в парогазовой турбине.

В последнее время появилось много патентов, в которых используется подмешивание различных газов к основным продуктам сгорания углеводородных топлив для увеличения теплосодержания смеси газов перед турбиной.

Так в патенте РФ 2076929, МПК F 01 K 21/04, 1997 года предлагается смешивать в эжекторе продукты сгорания топлива с перегретым паром, образующимся в парогенераторе, для последующего расширения смеси в турбине и разделения парогазовой смеси. Недостатком этой установки является большие затраты тепла на получение перегретого пара и загрязнение атмосферы при выбросе продуктов сгорания углеводородных топлив.

В заявке DE 3605466, МПК F 01 K 21/04, 1987 г. предлагается раздельно сжимать газы в компрессорах (ксенон, СО₂), подводить к ним тепло в газонагревателях, а затем расширять в газовой турбине и смешивать с водой или фреоном для получения парогазовой смеси, которую направляют во вторую турбину. После второй турбины смесь направляется в конденсатор для разделения смеси, и процесс повторяется. Недостатками являются большие затраты тепла и громоздкость оборудования. Кроме того, так как подогрев газов в нагревателе осуществляется путем сжигания топлива, то данная установка также загрязняет окружающую среду.

Из известных тепловых машин наиболее близкой является тепловая машина для преобразования тепловой энергии в механическую (электрическую) энергию путем использования двух разнородных рабочих тел (см. патент US 5444981, МПК F 01 K 21/04, 1995 г.), содержащая последовательно соединенные компрессор, теплообменник и эжектор, турбину адиабатического расширения, связанную с приемником механической энергии (электрическим генератором), выход которой соединен с конденсатором, и жидкостной насос. В известной тепловой машине разнородные рабочие тела раздельно сжимаются, к ним подводится тепло, а затем смесь адиабатически расширяется в турбине для получения положительной работы. В качестве рабочих тел здесь используются пары воды и гелий. Вода нагревается в паровом котле, а газы в нагревателе за счет сжигания топлива, что также приводит к загрязнению атмосферы.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в использовании в тепловой машине низкопотенциального тепла (например, тепла окружающей среды, тепла солнца и др.) и экологически чистых газов.

Поставленная задача решается тем, что в тепловой машине используются замкнутые контуры со смешением разнородных экологически чистых газов и подогревом их за счет низкопотенциального тепла (см. патент RU 2164607, МПК F 01 K 21/04, 27.03.2001).

Поставленная задача решается тем, что тепловая машина для преобразования тепловой энергии в механическую (электрическую), содержащая последовательно соединенные компрессор, теплообменник и эжектор, турбину адиабатического расширения, связанную с приемником механической энергии (электрическим генератором), выход которой соединен с конденсатором, и жидкостной насос, согласно изобретению снабжена совместно образующими замкнутые контуры со смешением разнородных экологически чистых газов вторыми компрессором, теплообменником и эжектором, дополнительным теплообменником и двумя емкостями для хранения газов, одна из которых захоложена и выполняет роль конденсатора, причем второй теплообменник подсоединен ко второму входу первого эжектора, к теплообменникам раздельно подводится низкопотенциальное тепло, выход первого эжектора подсоединен к первому входу второго эжектора, ко второму входу которого подсоединена захоложенная емкость, первый выход второго эжектора соединен с турбиной, а второй через жидкостной насос и дополнительный теплообменник с другой емкостью для хранения газов, и обе емкости связаны с соответствующими компрессорами.

Поставленная задача решается также тем, что в качестве рабочих тел использованы гелий, аргон, азот, водород, метан, углекислый газ и их смеси.

Поставленная задача решается также тем, что эжекторы для смешения газов замкнутых контуров снабжены сверхзвуковыми диффузорами в конце камеры смешения.

Поставленная задача решается также тем, что она дополнительно снабжена подшипниками, выполненными в виде газостатических или газодинамических подшипников.

На чертеже приведена схема тепловой машины для использования низкопотенциального тепла, работающей на газах с различными температурами кипения.

Предлагаемая машина состоит из емкостей 1 и 1' для хранения рабочих газов при первоначальных параметрах Ро,То и Ро',То' для каждого газа, компрессоров 2 и 2' для сжатия газов до выбранной температуры и давления для каждого газа, теплообменников 3 и 3', где к газам раздельно подводится низкопотенциальное тепло, эжекторов 4 и 4' для смешения газов и повторного смешения смеси газов с одним из первоначальных компонентов, турбины 5 для адиабатического расширения смеси газов после второго смешения до первоначальных параметров Ро и То, жидкостного насоса 6 для подкачки жидкого компонента до первоначальных параметров Ро' и То', дополнительного теплообменника 7 для испарения жидкого компонента и подогрева его до необходимой начальной температуры То' за счет низкопотенциального тепла, приемника 8 механической работы (электрического генератора), которая вырабатывается за счет расширения газов в турбине 5, и системы 9 поддержания низких температур. Вышеуказанные элементы тепловой машины совместно образуют замкнутые контуры со смешением разнородных экологически чистых газов и использованием низкопотенциального тепла. Применяемые в тепловой машине подшипники могут быть выполнены в виде газостатических или газодинамических подшипников, что позволит повысить надежность работы машины особенно в области низких температур.

Работа тепловой машины осуществляется следующим образом. Разнородные рабочие тела в газовой фазе, например Не-СО₂; Не-N₂; Ar-CO₂; CH₄-CO₂; Н₂-Аг и др. или их смеси, первоначально находящиеся в емкостях 1 и 1' для хранения газов раздельно, сжимаются в компрессорах 2 и 2' и поступают к теплообменникам 3 и 3', где к газам раздельно подводится низкопотенциальное тепло (например, тепло окружающей среды, тепло солнца и др.). Нагретые газы смешиваются в первом эжекторе 4. Наиболее предпочтительным является смешение в эжекторе со сверхзвуковым диффузором в конце камеры смешения. Смесь газов поступает на первый вход второго эжектора 4', на второй вход которого поступает газ из емкости 1 для хранения, выполняющей роль конденсатора. Во втором эжекторе 4' происходит разделение смесей на жидкую и газовую составляющие. Жидкая составляющая жидкостным насосом 6 сжимается и после подогрева в дополнительном теплообменнике 7 в виде газа поступает в емкость l' для хранения газа. Газовая составляющая поступает на вход турбины 5, где расширяется с получением механической работы или электрической энергии. Часть полученной механической работы может быть использована на привод компрессоров 2 и 2' и жидкостного насоса 6.

В результате работы тепловой машины можно получить положительную работу за счет использования низкопотенциального тепла при использовании экологически чистых газов, что исключает загрязнение окружающей среды. Положительный эффект в описываемой тепловой машине получается за счет осуществления в ней многоконтурного термодинамического цикла со смешением разнородных чистых газов, в результате которого совершается прямой тепловой цикл. Параметры этого цикла определяются используемыми газами, их параметрами после смешения газов в эжекторах и теплофизическими свойствами газов и их смесей, получаемых в процессе смешения.

Для использования низкопотенциального тепла окружающей среды в тепловой машине начальные температуры газов То и То' должны быть ниже температуры окружающей среды, что требует предварительного охлаждения газов в емкостях 1 и l' и поддержания этих температур в течение всего времени работы.

Эффект от применения тепловой машины может быть использован в энергетике для получения механической (электрической) энергии за счет низкопотенциального тепла окружающей атмосферы без ее загрязнения выхлопными газами, так как в ней не используется сжигание химических топлив.

Данная тепловая машина может быть использована на транспорте для получения механической энергии для привода (механического или электрического) колес, а также в авиации и космонавтике для получения экологически чистой энергии на борту летательного аппарата.

Формула изобретения

1. Тепловая машина для преобразования тепловой энергии в механическую (электрическую), содержащая последовательно соединенные компрессор, теплообменник и эжектор, турбину адиабатического расширения, связанную с приемником механической энергии (электрическим генератором), выход которой соединен с конденсатором, и жидкостный насос, отличающаяся тем, что она снабжена совместно образующими замкнутые контуры со смешением разнородных экологически чистых газов вторыми компрессором, теплообменником и эжектором, дополнительным теплообменником и двумя емкостями для хранения газов, одна из которых захоложена и выполняет роль конденсатора, причем второй теплообменник подсоединен ко второму входу первого эжектора, к теплообменникам раздельно подводится низкопотенциальное тепло, выход первого эжектора подсоединен к первому входу второго эжектора, ко второму входу которого подсоединена захоложенная емкость, первый выход второго эжектора соединен с турбиной, а второй через жидкостный насос и дополнительный теплообменник - с другой емкостью для хранения газов, и обе емкости связаны с соответствующими компрессорами.

2. Тепловая машина по п.1, отличающаяся тем, что в качестве рабочих тел использованы гелий, аргон, водород, метан, углекислый газ и их смеси.

3. Тепловая машина по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что эжекторы для смешения газов замкнутых контуров снабжены сверхзвуковыми диффузорами в конце камеры смешения.

4. Тепловая машина по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена подшипниками, выполненными в виде газостатических или газодинамических подшипников.

РИСУНКИ

Рисунок 1