Способ и устройство для преобразования термической энергии в механическую работу

Настоящее изобретение касается способа и устройства для преобразования термической энергии в механическую работу. Изобретение характеризуется следующими этапами, которые выполняются в качестве кругового процесса: подводят жидкую рабочую среду от сборного аккумулятора в рабочий резервуар; нагревают рабочую среду в рабочем резервуаре с помощью первого теплообменника; перепускают частичное количество рабочей среды из рабочего резервуара в пневматико-гидравлический преобразователь, в результате чего гидравлическая среда выжимается из пневматико-гидравлического преобразователя в рабочую машину для преобразования гидравлической работы гидравлической среды в механическую работу; возвращают рабочую среду из пневматико-гидравлического преобразователя в сборный аккумулятор, причем гидравлическую среду возвращают в пневматико-гидравлический преобразователь. Изобретение позволяет повысить кпд и оптимально использовать с применением несложных аппаратных средств отходящее тепло от других процессов. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Настоящее изобретение касается способа и устройства для преобразования термической энергии в механическую работу.

Известные различные типы круговых процессов и устройств, которые служат для преобразования термической энергии в механическую работу и при необходимости впоследствии в электрический ток. При этом речь идет, например, о паросиловых циклах, стерлинговых процессах или т.п. Возможность использования таких способов заключается в том, чтобы повысить коэффициент полезного действия двигателей внутреннего сгорания за счет использования отводимого тепла. При этом проблематичным является, однако, то, что имеющаяся в распоряжении область температур является относительно неблагоприятной, так как охлаждающий контур двигателя внутреннего сгорания работает обычно при температурах, которые составляют около 100°С. Та же проблема возникает, если тепло из солнечных установок должно быть преобразовано в механическую работу.

Специальное решение для такого рода теплосилового процесса показано в заявке WО 03/081011 A. В этой публикации описывается способ, при котором за счет нагрева рабочей среды в нескольких гидроккумуляторах гидравлическая среда находится под давлением и обрабатывается в рабочей машине. Несмотря на то, что такой способ в принципе является работоспособным, было установлено, что коэффициент полезного действия является достаточно низким, а затраты на аппаратуру - относительно высокими по отношению к количеству энергии, которое может быть выработано.

Далее, из заявки US 3803847 A известен дискретно действующий способ, который при невысоком коэффициенте полезного действия работы может вырабатывать тепло путем преобразования.

Задачей настоящего изобретения является такое создание способа описанного выше типа, что даже при термически неблагоприятных предпосылках может быть достигнут высокий коэффициент полезного действия, причем затраты на аппаратурную структуру являются предельно незначительными.

В соответствии с изобретением такой способ состоит из следующих этапов, которые выполняются в качестве кругового процесса:

подвод жидкой рабочей среды от сборного аккумулятора в один рабочий резервуар;

нагрев рабочей среды в рабочем резервуаре с помощью первого теплообменника;

обеспечение перетекания частичного количества рабочей среды из рабочего резервуара в пневматико-гидравлический преобразователь, в результате чего гидравлическая среда из пневматико-гидравлического преобразователя поступает под давлением в рабочую машину, чтобы преобразовать гидравлическую работу гидравлической среды в механическую работу;

отвод рабочей среды из пневматико-гидравлического преобразователя в сборный аккумулятор, в то время как гидравлическая среда отводится назад в пневматико-гидравлический преобразователь.

На первом этапе рабочая среда, которая имеет подходящую кривую давления пара, например, R134a, это 1,1,1,2-тетрафторэтан, забирается из сборного аккумулятора. В этом сборном резервуаре рабочая среда находится в равновесном состоянии между жидкой фазой и газообразной фазой. Давление выбрано при этом таким образом, что это равновесие сохраняется. В случае R134a и при температуре окружающего воздуха около 20°С это первое давление составляет около 6 бар. Рабочая среда переводится в рабочий резервуар, в котором предпочтительно действует второе, более высокое давление. Величина второго давления составляет, например, 40 бар. Затраты энергии на перевод можно минимизировать, если предпочтительным образом производить перекачку в рабочий резервуар только жидкой рабочей среды.

На втором этапе рабочая среда в рабочем резервуаре нагревается. Нагрев может производиться изохронно. За счет нагревания происходит дальнейшее повышение давления, и рабочая среда частично испаряется. Нагревание осуществляется посредством отходящего тепла, например, от двигателя внутреннего сгорания. При нагреве до 100°С отходящее тепло может использоваться оптимально.

На третьем этапе производится перепускание рабочей среды в пневматико-гидравлический преобразователь. Во времени это может осуществляться после второго этапа, что означает, что сначала производится полный подвод тепла, а затем устанавливается соединение между сборным аккумулятором и пневматико-гидравлическим преобразователем. Возможна, однако, частичная или полная одновременность этих этапов, то есть среда в рабочем резервуаре нагревается в процессе перетекания в пневматико-гидравлический преобразователь. Таким образом, можно добиться оптимального коэффициента полезного действия, поскольку за счет расширения рабочей среды незамедлительно компенсируется возникающее охлаждение. Кроме того, сокращается время цикла. В пневматико-гидравлическом преобразователе, который выполнен, например, как гидроаккумулятор, входящая рабочая среда вытесняет присутствующую в гидравлическом пространстве гидравлическую среду, которая обрабатывается в соответствующей рабочей машине, например в гидравлическом двигателе, с целью выработки механической работы, которая, в свою очередь, может использоваться, например, для выработки электрический энергии.

На четвертом этапе пневматико-гидравлический преобразователь с помощью небольшого насоса вновь заполняется гидравлической средой, причем рабочая среда вытесняется и отводится назад в сборный аккумулятор. По мере надобности рабочая среда при этом проводится через второй теплообменник с целью обеспечения возможности согласования температуры с температурой окружающего воздуха.

После четвертого этапа круговой процесс продолжается, начиная с первого этапа.

Коэффициент полезного действия и производительность установки можно оптимизировать за счет соответствующего использования возможных фазовых переходов. В частности, на первом этапе рабочая среда должна перемещаться исключительно в жидком виде, в то время как на третьем этапе в пневматико-гидравлический преобразователь передается только газообразная фаза.

В предпочтительном случае следует предусмотреть, что во время отвода рабочей среды из пневматико-гидравлического преобразователя в сборный аккумулятор соединение между рабочим резервуаром и пневматико-гидравлическим преобразователем прерывается. Таким образом могут быть сведены к минимуму потери при переливании.

Оптимизация коэффициента полезного действия возможна в том случае, если рабочая среда охлаждается при подводе от сборного аккумулятора в рабочий резервуар. Охлаждение может производиться с помощью теплообменника температуры окружающей среды, то есть с помощью обычного радиатора, однако, возможно также использование холодильной производительности из второго теплообменника, поскольку холод не используется иным образом и необходим, например, для установки кондиционирования воздуха или для охлаждающего агрегата.

Особенно благоприятным является случай, когда гидравлическая среда поддерживается на температуре, которая соответствует средней температуре рабочей среды в пневматико-гидравлическом преобразователе. Таким образом, можно избежать нежелательных эффектов компенсации температуры.

Как уже упоминалось выше, возможно, что рабочая среда из пневматико-гидравлического преобразователя проводится через второй теплообменник. В зависимости от проведения способа при этом во втором теплообменнике могут возникать низкие температуры, которые обусловлены расширением рабочей среды. Эти низкие температуры могут использоваться для охлаждения с целью экономии необходимой там энергии.

Дальнейшая оптимизация, в частности, холодопроизводительности, может осуществляться за счет того, что рабочая среда из пневматико-гидравлического цилиндра может разряжаться до давления разряжения, величина которого лежит ниже величины первого давления в сборном аккумуляторе, и в последствии сжимается до первого давления.

Кроме того, настоящее изобретение касается устройства для преобразования термической энергии в механическую работу, со сборным аккумулятором, одним рабочим резервуаром и одной рабочей машиной для преобразования гидравлической работы в механическую работу.

В соответствии с изобретением предусмотрено, что рабочий резервуар соединен с первым теплообменником для нагревания рабочей среды, что рабочий резервуар соединен, кроме того, с пневматико-гидравлическим преобразователем, который переносит давление рабочей среды на гидравлическую среду, и что предусмотрена отводящая линия для рабочей среды из пневматико-гидравлического преобразователя в сборный аккумулятор.

Особо предпочтительный вариант выполнения изобретения предусматривает параллельное включение нескольких рабочих резервуаров и пневматико-гидравлических преобразователей.

При практическом использовании, например, пять показанных на фиг.1 устройств расположены параллельно друг другу и работают со взаимным разнесением относительно друг друга по времени, как это происходит, например, в случае пятицилиндрового двигателя внутреннего сгорания. Тем самым может достигаться непрерывный режим работы без заметных циклических колебаний.

В последующем соответствующий изобретению способ и соответствующее изобретению устройство поясняются более подробно на основании коммутационной диаграммы по фиг.1, которая показывает существенные компоненты установки. Фиг.2 показывает типичную кривую температуры пара рабочей среды.

В сборном аккумуляторе 1 находится рабочая среда, причем в данном случае может использоваться, например, холодильный агент, например, R 134а. Рабочая среда в сборном аккумуляторе 1 находится при этом в фазовом равновесии при температуре окружающего воздуха и давлении около 6 бар. Сборный аккумулятор 1 через питающий насос 2 соединен с рабочим резервуаром 3, причем это соединение может включаться и выключаться с помощью вентиля 4. В рабочем резервуаре 3 расположен первый теплообменник 5, который служит для нагрева рабочей среды в рабочем резервуаре 3. Рабочий резервуар 3 может быть выполнен в виде испарителя. Теплообменник 5 обеспечивается с помощью транспортировочного насоса 6 отходящим теплом не изображенного в данном случае двигателя внутреннего сгорания, причем, например, вода проходит через первый теплообменник 5, температурой 100°С. Рабочий резервуар 3 соединен с помощью перепускной линии 7 с первым рабочим пространством 8а пневматико-гидравлического преобразователя 8, который выполнен в форме гидроаккумулятора. Первое рабочее пространство 8а отделено от второго рабочего пространства 8b с помощью гибкой мембраны 8с, которая разделяет между собой оба рабочих пространства 8а, 8b, однако, обеспечивает возможность выравнивания давления. Второе рабочее пространство 8b пневматико-гидравлического преобразователя 8 соединено с гидравлическим контуром, который состоит из одной рабочей машины 9 с закрепленным на ней с помощью фланцев генератором 10, масляного резервуара 20, отводящего насоса 17 и третьего теплообменника 11. Третий теплообменник 11 обеспечивается насосом 12. Следующая рабочая линия 19 соединяет первое рабочее пространство 8а пневматико-гидравлического преобразователя 8 со вторым теплообменником 16, который через подающий насос 14 соединен со сборным аккумулятором 1. В остальном линии 7, 19 могут выборочно запираться вентилями 7а, 19а.

В последующем эксплуатация соответствующего изобретению устройства поясняется более подробно:

На первом этапе жидкая рабочая среда переводится из сборного аккумулятора с помощью питающего насоса 2 в рабочий резервуар, причем давление повышается с 6 бар до 40 бар.

После того как рабочий резервуар 3 будет полностью заполнен жидкой рабочей средой, производится запирание вентиля 4 и осуществляется нагрев через первый теплообменник 5. Этот нагрев представляет собой второй этап. При этом может использоваться отходящее тепло из другого процесса.

За счет нагрева до 100°С часть рабочей среды в рабочем резервуаре 3 испаряется, и этот пар в течение третьего этапа через линию 7 при открытом вентиле 7а переводится в первое рабочее пространство 8а пневматико-гидравлического преобразователя 8. Падение давления при этом компенсируется посредством дальнейшего нагревания через первый теплообменник 5. Одновременно мембрана 8с пневматико-гидравлического преобразователя 8 смещается в направлении второго рабочего пространства 8b, так что гидравлическая жидкость продавливается через рабочую машину 9, которая приводит в действие генератор 10. Третий этап завершается сразу после того, как второе рабочее пространство 8 пневматико-гидравлического преобразователя 8 в значительной степени опорожняется.

На четвертом этапе с помощью насоса 17 гидравлическая среда отводится из резервуара 20 во второе рабочее пространство 8b пневматико-гидравлического преобразователя 8 и рабочая среда из первого рабочего пространства 8а через открытый между тем вентиль 19а в линии 19 проходит через второй теплообменник 16 и расширяется. Транспортировочный насос 14 отводит рабочую среду назад в сборный аккумулятор 1. Как показано стрелкой 21, извлеченное из рабочей среды во втором теплообменнике 16 тепло может отводиться в качестве холодопроизводительности, чтобы, например, обеспечить эксплуатацию холодильной установки или установки кондиционирования. Теплообменник 16 может быть выполнен в виде конденсатора. Для охлаждения рабочей среды при сжатии может использоваться, однако, также один частичный поток через теплообменник 15.

Фиг.2 показывает типичную кривую давления пара используемой в описанном выше круговом процессе рабочей среды. Речь идет при этом о холодильной среде, которая известна под наименованием R 134a, то есть 1,1,1,2-третрафторэтане. Как видно, жидкая фаза находится в равновесии с газообразной фазой при температуре окружающего воздуха при давлении около 6 бар. При температуре 100°С это давление равновесия составляет около 40 бар.

Настоящее изобретение позволяет оптимально использовать с применением несложных аппаратных средств отходящее тепло от других процессов, например, при эксплуатации двигателя внутреннего сгорания.

1. Способ для преобразования термической энергии в механическую работу со следующими этапами, которые выполняются в качестве кругового процесса:
подводят жидкую рабочую среду от сборного аккумулятора (1) в рабочий резервуар (3);
нагревают рабочую среду в рабочем резервуаре (3) с помощью первого теплообменника (5);
перепускают частичное количество рабочей среды из рабочего резервуара (3) в пневматико-гидравлический преобразователь (8), в результате чего гидравлическая среда выжимается из пневматико-гидравлического преобразователя (8) в рабочую машину (9) для преобразования гидравлической работы гидравлической среды в механическую работу;
возвращают рабочую среду из пневматико-гидравлического преобразователя (8) в сборный аккумулятор (1), причем гидравлическую среду возвращают в пневматико-гидравлический преобразователь (8).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что рабочую среду сжимают с первого, более низкого давления в сборном аккумуляторе (1) до второго, более высокого давления в рабочем резервуаре (3).

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что рабочую среду переводят из сборного аккумулятора (1) в рабочий резервуар (3) в жидкой форме.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что рабочую среду при нагревании в рабочем резервуаре (3) частично испаряют и в газообразном состоянии направляют из рабочего резервуара (3) в пневматико-гидравлический преобразователь (8).

5. Способ по п.1 или 4, отличающийся тем, что рабочую среду в рабочем резервуаре (3) нагревают изохорно.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что во время возврата рабочей среды из пневматико-гидравлического преобразователя (8) в сборный аккумулятор (1) соединение между рабочим резервуаром (3) и пневматико-гидравлическим преобразователем (8) прерывают с помощью вентиля (7а) или подобного устройства.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что рабочую среду при подводе от сборного аккумулятора (1) в рабочий резервуар (3) охлаждают с помощью теплообменника (15).

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что гидравлическую среду с помощью теплообменника поддерживают при температуре, которая соответствует средней температуре рабочей среды в пневматико-гидравлическом преобразователе (8).

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что рабочую среду проводят из пневматико-гидравлического преобразователя (8) через второй теплообменник (16).

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что рабочая среда из пневматико-гидравлического преобразователя (8) расширяется до давления разряжения, которое лежит ниже первого давления в сборном аккумуляторе (1), и затем сжимается до первого давления.

11. Устройство для преобразования термической энергии в механическую работу, со сборным аккумулятором (1), рабочим резервуаром (3) и рабочей машиной для преобразования гидравлической работы в механическую работу, отличающееся тем, что рабочий резервуар (3) соединен с первым теплообменником (5) для нагревания рабочей среды, рабочий резервуар (3), кроме того, соединен с пневматико-гидравлическим преобразователем (8) для переноса давления рабочей среды на гидравлическую среду, и предусмотрена линия возврата рабочей среды из пневматико-гидравлического преобразователя (8) в сборный аккумулятор (1).

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что предусмотрен питающий насос (2) для перекачивания рабочей среды из сборного аккумулятора (1) в рабочий резервуар (3).

13. Устройство по п.11 или 12, отличающееся тем, что первый теплообменник (5) встроен в рабочий резервуар (3).

14. Устройство по п.11, отличающееся тем, что рабочая машина (9) выполнена в виде гидравлического двигателя.

15. Устройство по п.11, отличающееся тем, что пневматико-гидравлический преобразователь (8) выполнен в виде гидроаккумулятора.

16. Устройство по п.11, отличающееся тем, что между пневматико-гидравлическим преобразователем (8) и сборным аккумулятором (1) расположен второй теплообменник (16).

17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что второй теплообменник (16) выполнен в виде конденсатора.

18. Устройство по п.16 или 17, отличающееся тем, что вниз по потоку от второго теплообменника (16) предусмотрен транспортирующий насос.

19. Устройство по п.11, отличающееся тем, что рабочий резервуар (3) выполнен в виде испарителя.

20. Устройство по п.11, отличающееся тем, что в контуре гидравлической среды расположен третий теплообменник (11).

21. Устройство по п.11, отличающееся тем, что предусмотрен двигатель внутреннего сгорания, который содержит охлаждающее устройство, которое соединено с рабочим резервуаром (3).

22. Устройство по п.11, отличающееся тем, что несколько рабочих резервуаров (3) и пневматико-гидравлический преобразователь (8) включены параллельно.