close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY2876

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(19)
BY (11) 2876
(13)
C1
6
(51) F 01K 3/02
(12)
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ
КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
(54)
СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В
МЕХАНИЧЕСКУЮ РАБОТУ И УСТАНОВКА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
СПОСОБА
(21) Номер заявки: 2036
(22) 1994.07.06
(46) 1999.06.30
(71) Заявитель: Украинко М.М. (BY)
(72) Автор: Украинко М.М. (BY)
(73) Патентообладатель: Украинко
Михаил
хайлович (BY)
Ми-
(57)
1. Способ преобразования тепловой энергии в механическую работу, заключающийся в нагреве поверхностей парогенератора, периодической и синхронной с движением преобразующего механизма подаче заданной дозы жидкости в полость парогенератора, сообщенной с рабочей камерой изменяемого с помощью
преобразующего механизма объема, в испарении дозы жидкости и преобразовании энергии получаемого
пара с его последующей конденсацией, отличающийся тем, что с помощью преобразующего механизма
создают разряжение в рабочей камере и подключают ее к полости парогенератора после подачи в него дозы
жидкости, при этом давление конденсации пара поддерживают меньшим, чем атмосферное.
Фиг. 1
2. Установка для преобразования тепловой энергии в механическую работу, содержащая конденсатор,
1
BY 2876 C1
насос и парогенератор, полость которого соединена рабочей камерой паровой машины, объем которой выполнен изменяемым при движении преобразующего механизма, подключенного к потребителю механической работы, образующих герметичный контур рабочего тела, систему дозирования объема жидкости и синхронизации подачи этого объема в полость парогенератора в соответствии с циклом движения
преобразующего механизма, а также клапаны на линиях подачи жидкости в парогенератор, отвода отработанного пара и клапан между парогенератором и рабочей камерой, отличающаяся тем, что клапан между
парогенератором и рабочей камерой снабжен механизмом его открытия при достижении максимального
объема рабочей камеры.
3. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что объем рабочей камеры не менее чем объем дозы жидкости,
умноженный на отношение плотностей пара и жидкости при параметрах, реализуемых в полости генератора.
4. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что поверхности парогенератора выполнены с оребрением
внутренней полости.
(56)
1. Польгаузен А. Поршневые паровые машины. - М.-Л.: Энергоиздат, 1932. - С. 331-332, фиг. 329, 330.
2. SU 1564372 А1, МПК5 F01K 21/00, 1990 (прототип).
Изобретение относится к паросиловым установкам, к двигателям с внешним подводом тепла, преобразуемого в механическую энергию.
Преобразование тепловой энергии в механическую работу служит основным средством удовлетворения
потребности человека в различных машинах, облегчающих его труд. Из рассмотрения различных термодинамических циклов преобразования тепла следует, что механическая работа может быть получена только
при наличии разницы температур рабочего тела в цикле. Паросиловые установки имеют длительную историю развития, причем это развитие шло по пути совершенствования высокотемпературного цикла преобразования [1, стр. 68...75, рис. 4.1], для создания двигателя с максимально достижимым термодинамическим
коэффициентом преобразования.
Известны технические решения, позволяющие оптимизировать рабочий цикл такого двигателя, наиболее
известным из которых является двигатель Стирлинга, например [2, стр. 23-28, рис. 13]. Из известных наиболее совершенна конструкция двигателя фирмы Филлипс этого типа, представленная в этой же книге на стр.
277-279, рис. 191.
Однако это техническое решение не получило пока широкого распространения из-за своего существенного недостатка, связанного со сложностью конструкции, закрытой фирменной технологией. Кроме того,
этот двигатель имеет сложную систему рекуперации тепла, требует создания в рабочей камере высокого
давления.
Известны также технические решения, позволяющие использовать энергию водяного пара при простой и
надежной в эксплуатации конструкции, например [3, стр. 331-332, фиг. 329, 330].
Описанные в этом источнике паровые поршневые машины работали от внешнего парогенератора, который мог потреблять любой вид топлива, были оборудованы золотниковым распределительным механизмом
с осевым регулятором, могли устанавливаться без монтажа, практически без фундамента и при малой мощности работали без конденсатора со сбросом отработанного пара в атмосферу. Все это делало такую машину
доступной широкому кругу потребителей, в том числе и мелким хозяйствам.
Однако эти машины не могли использовать источники тепла с уровнем температуры ниже точки кипения
воды при атмосферном давлении, удельная их мощность была очень мала, а эффективность использования
энергии очень низка, что послужило причиной вытеснения этих машин с рынка более совершенной техникой.
Прогресс в области теплопередачи, освоение различных рабочих тел, в том числе легкокипящих, создают
благоприятные возможности для использования низкотемпературных циклов с получением механической
энергии. При этом появляется возможность получать энергию без существенных изменений температуры
источника тепла, т.е. превращать в работу тепло одного источника (см. [4], рис. 1). В предложенном автором
этой публикации техническом решении механическую работу получают за счет разницы работ расширения и
сжатия легкокипящего рабочего тела, например двуокиси углерода.
Однако известная установка требует для реализации большой разницы барометрических высот, что делает проблематичным ее широкое использование.
Из известных технических решений наиболее близким объектом к заявляемому по совокупности существенных признаков является «Способ преобразования энергии пара в механическую работу и паросиловая установка для его осуществления» по [5], принятый автором за прототип заявляемых способа и устройства.
Принятый за прототип объект в части способа представляет собой способ преобразования тепловой энергии в механическую работу, заключающийся в нагреве поверхностей парогенератора, периодической и син2
BY 2876 C1
хронной с движением преобразующего механизма подачей заданной дозы жидкости в полость парогенератора, сообщенной с рабочей камерой изменяемого с помощью преобразующего механизма объема, в испарении дозы жидкости и преобразовании энергии получаемого пара с его последующей конденсацией.
Принятый за прототип способ обеспечивает сравнительно высокую эффективность преобразования подводимой энергии.
Однако высокая эффективность цикла в прототипе достигается за счет применения топлива, создающего
высокую температуру парогенератора (1200 град. С), а система подачи жидкости из-за ее повышенного давления требует увеличенных энергозатрат и сложна по конструкции.
Принятый за прототип объект в части устройства представляет собой установку, содержащую конденсатор, насос и парогенератор, полость которого соединена с рабочей камерой паровой машины, объем которой
выполнен изменяемым при движении преобразующего механизма, подключенного к потребителю механической работы, образующие герметичный контур рабочего тела, систему дозирования объема жидкости и синхронизации подачи этого объема в полость парогенератора в соответствии с циклом движения преобразующего механизма, а также клапаны на линиях подачи жидкости в парогенератор, отвода отработанного пара и
клапан между парогенератором и рабочей камерой.
Установка, принятая за прототип, имеет высокую удельную мощность и регулируется в широком диапазоне нагрузок.
Однако эти ее преимущества достигаются за счет использования топлива с повышенной теплотворной
способностью, что ограничивает ее технологические возможности.
Задачей предлагаемого изобретения является создание энергопреобразующей установки более конкурентоспособной в условиях развития рыночной структуры и появления спроса на машины в широком диапазоне
мощностей, простые, надежные в эксплуатации и потребляющие любой вид тепловой энергии, в том числе и
вырабатываемой со сравнительно низкой температурой источника тепла, для чего необходимо расширить
технологические возможности прототипа, обеспечить преобразование в механическую работу тепловой
энергии от низкопотенциальных источников.
В результате решения этой задачи достигнут новый технический результат, заключающийся в расширении технологических возможностей принятых за прототип способа и установки, упрощении эксплуатации,
получении возможности использовать установку практически в любом из существующих, в том числе и
сельскохозяйственных предприятий. Кроме того, задачей изобретения является повышение полноты использования преобразуемой энергии в механическую работу.
Данный технический результат достигнут тем, что при осуществлении способа преобразования тепловой
энергии в механическую работу, заключающегося в нагреве поверхностей парогенератора, периодической и
синхронной с движением преобразующего механизма подачей заданной дозы жидкости в полость парогенератора, сообщенной с рабочей камерой изменяемого с помощью преобразующего механизма объема, в испарении дозы жидкости и преобразовании энергии получаемого пара с его последующей конденсацией, согласно изобретению, с помощью преобразующего механизма создают разрежение в рабочей камере и
подключают ее к полости парогенератора после подачи в него дозы жидкости, при этом давление конденсации пара поддерживают меньшим, чем атмосферное.
Для осуществления такого способа преобразования тепловой энергии в механическую работу в установке, содержащей конденсатор, насос и парогенератор, полость которого соединена с рабочей камерой паровой машины, объем которой выполнен изменяемым при движении преобразующего механизма, подключенного к потребителю механической работы, образующие герметичный контур рабочего тела, систему
дозирования объема жидкости и синхронизации подачи этого объема в полость парогенератора в соответствии с циклом движения преобразующего механизма, а также клапаны на линиях подачи жидкости в парогенератор, отвода отработанного пара и клапан между парогенератором и рабочей камерой, согласно изобретению, клапан между парогенератором и рабочей камерой снабжен механизмом его открытия при
достижении максимального объема рабочей камеры, при этом объем рабочей камеры не менее чем объем
дозы жидкости, умноженный на отношение плотностей пара и жидкости при параметрах, реализуемых в полости парогенератора, кроме того, поверхности парогенератора выполнены с оребрением внутренней полости.
Отличительной особенностью заявляемого способа является то, что с помощью преобразующего механизма создают разрежение в рабочей камере и подключают ее к полости парогенератора после подачи в него
дозы жидкости, при этом давление конденсации пара поддерживают меньшим, чем атмосферное.
Такой способ осуществления цикла паровой машины позволяет использовать низкопотенциальное тепло
для получения работы.
По законам термодинамики величина работы определяется работой цикла рабочего тела, каковым является доза легкокипящей жидкости, подаваемая в парогенератор, т.е. количеством тепла, поступающего в
цикл от его источника. Цикл, осуществляемый в заявляемом способе, приближается к циклу Карно, т.к. расширение рабочего тела осуществляют сначала по изотерме (см. фиг. 2), а затем по адиабате, а сжатие - по
3
BY 2876 C1
изотерме, а затем по близкой к адиабате кривой сжатия жидкости. Это обеспечивает высокую термодинамическую эффективность процесса превращения энергии.
Так как максимальное давление в цикле оказывается меньше атмосферного, индикаторная диаграмма в
рабочей камере изменяемого объема описывается при отрицательных значениях давления и на преобразующий механизм передаются силы за счет превышения атмосферного давления над величиной давления в рабочей камере. По существу работу, передаваемую с помощью преобразующего механизма потребителю, совершает окружающая среда, силы атмосферного давления.
Таким образом, особенности в порядке соединения рабочей камеры с парогенератором (в известных паровых двигателях рабочую камеру соединяют с парогенератором при ее минимальном объеме, а в заявляемом - при ее максимальном объеме) и в уровнях давления, которые при этом реализуются в рабочей камере,
позволяют получать работу при сравнительно низких температурах источника тепла. При соответствующем
выборе рабочего тела в работу может быть преобразовано даже тепло окружающего воздуха при наличии
охлаждающей среды с более низкой температурой, например, в южных морях всегда существует разница
температуры воды и воздуха, а в тундре летом - разница между воздухом и подпочвенным слоем мерзлоты.
Отличительной особенностью заявляемой установки является то, что клапан между парогенератором и
рабочей камерой снабжен механизмом его открытия при достижении максимального объема рабочей камеры, что обеспечивает осуществление заявляемого способа, при этом объем рабочей камеры не менее чем
объем дозы жидкости, умноженный на отношение плотностей пара и жидкости при параметрах, реализуемых в полости парогенератора.
Такое решение позволяет при подключении рабочей камеры к парогенератору обеспечить получение сухого и даже перегретого пара, что обеспечивает надежную работу клапанов и отсутствие проблем, появляющихся при наличии капель жидкости в рабочем теле при его повышенных скоростях. В то же время полное
выкипание жидкости обеспечивает контакт пара с греющей поверхностью при высоких числах Рейнольдса,
отсутствие на теплопередающих поверхностях препятствующей теплосъему пленки.
Еще одной отличительной особенностью заявляемой установки является то, что поверхности парогенератора выполнены с оребрением внутренней полости. Такое решение оказывает существенное влияние на количество тепловой энергии, поступающей в реализуемый в контуре рабочего тела цикл. Так как тепло поступает от низкотемпературного источника через стенку парогенератора, то определяющими количество тепла
параметрами являются не только разность температур, но и характеристики теплопередачи. Внутреннее
оребрение поверхности парогенератора позволяет использовать эффект испарительного охлаждения его
стенки, при этом на порядок увеличивается коэффициент теплопередачи со стороны рабочего тела.
Таким образом, приведенные отличительные особенности заявляемого изобретения в сравнении с прототипом расширяют технологические возможности установки, при этом заявляемая установка проще в эксплуатации и в ней может быть использованы имеющиеся в хозяйствах низкопотенциальные источники тепла, начиная от сжигаемых отходов производства и кончая солнечным и биологическим теплом.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема установки, поясняющая осуществление заявляемого способа.
На фиг. 2 изображена T-S диаграмма цикла, осуществляемого в заявляемой установке. При этом за рабочее тело принят хладон R-12B1 (см. Мартынов А.В. Установки для трансформации тепла и охлаждения. - М.:
Энергоатомиздат, 1989. - С. 154-155).
Установка содержит герметичный контур рабочего тела, включающий конденсатор 1, циркулятор, например, насос 2 и парогенератор 3, полость которого соединена с рабочей камерой 4 паровой машины, выполненной, например, в виде цилиндра 5, объем которого выполнен изменяемым при движении преобразующего механизма, включающего поршень 6, кривошипно-шатунный механизм 7 и коленчатый вал 8, к
которому подключен потребитель механической работы, например, маховик 9.
Установка содержит также устройство 10 подачи жидкости в полость парогенератора 3, включающее
систему дозирования объема жидкости и синхронизации подачи этого объема в соответствии с циклом движения преобразующего механизма, выполненные, например, в виде клапана 11, установленного на линии
подачи жидкости в парогенератор и управляемого от вала 8. При этом поверхности парогенератора 3 выполнены с оребрением 12 внутренней полости.
Клапан 13 установлен на линии отвода отработанного пара в конденсатор 1, он может быть, например,
выполнен пластинчатого типа, таким как это делается в компрессорах. Клапан между парогенератором 3 и
рабочей камерой 4 выполнен золотникового типа, с механизмом его открытия при достижении максимального объема рабочей камеры. Это достигается тем, что функцию золотника выполняет юбка поршня 6, а золотниковое отверстие 14 выполнено в том месте цилиндра 5, которое достигает поршень в нижней мертвой
точке, при максимальном объеме рабочей камеры 4. Канал 15 выполнен для соединения полости парогенератора 3 с отверстием 14. При этом величина объема рабочей камеры 4 выбрана не менее чем величина объема дозы жидкости, подаваемого через устройство 10 за один цикл, умноженного на отношение плотностей
пара и жидкости при параметрах в полости парогенератора 3.
Установка содержит также систему 16 нагрева поверхностей парогенератора, которая может быть, например, выполнена в виде любого топочного устройства, нагревающего наружную поверхность 17 пароге4
BY 2876 C1
нератора 3. Поверхность 17 парогенератора может, например, быть погруженной в биологический реактор, в
котором осуществляют процессы с выделением тепла, либо обогреваться от любого источника, при этом в
любом случае поверхности парогенератора выполнены с оребрением 12 внутренней полости, как это показано на фиг. 1.
Система, обеспечивающая работу устройства 10 подачи жидкости в полость парогенератора 3, включающая клапан 11 дозирования объема жидкости и синхронизации подачи этого объема в соответствии с
циклом движения преобразующего механизма, может быть выполнена такой же как и в прототипе с подачей
жидкости насосом 2. Однако давление жидкости в заявляемой установке значительно ниже, чем в прототипе
и эта система может быть выполнена просто в виде размещенного на заданной высоте над парогенератором
3 сосуда с жидкостью и дозирующего механизма.
Для отвода тепла из конденсатора 1 может быть использована любая среда 18, имеющая более низкую
температуру, чем температура системы 16, например окружающий воздух при сжигании отходов, родниковая вода, при использовании тепла биологического реактора или другие охлаждающие средства, упомянутые
выше.
Реализуемый в установке цикл представлен на Т-I диаграмме фиг. 2. Линия а-б отображает испарение рабочего тела в парогенераторе 3 после подачи в него дозы жидкости. Линия б-в соответствует подключению к
парогенератору отвакуумированной рабочей камеры 4.
Процесс в-г осуществляют в конденсаторе 1. Процесс повышения давления и температуры жидкости г-а
осуществляют с помощью насоса 2 или накопления столба жидкости при верхнем размещении конденсатора
и подогревом жидкости в парогенераторе 3 (при достаточной температуре системы 16 жидкость может быть
подогрета предварительно, как это выполнено в прототипе, с помощью теплообменника).
Заявляемый способ преобразования тепловой энергии в механическую работу осуществляют следующим
образом.
Для приведения установки в исходное состояние ее заполняют рабочим телом. При этом жидкость накапливается в конденсатосборнике конденсатора 1, а остальные агрегаты контура заполняются паром рабочего
тела. От постороннего источника энергии (можно вручную) раскручивают маховик 9. Затем подают в парогенератор 3 дозу жидкого рабочего тела, например, также как это делается в прототипе, с помощью насоса 2
и управляемого от коленчатого вала 8 клапана 11.
Первичную энергию системы 16, например тепло от сжигаемых отходов производства, подводят к поверхности 17 парогенератора 3.
Доза жидкости через устройство 10 разбрызгивается в парогенераторе 3, смачивая его внутреннюю поверхность, выполненную в виде оребрения 12. На диаграмме (фиг. 2) это соответствует точке «а» (при температуре жидкости, равной температуре в системе 16, при предварительном ее подогреве, как это выполнено
в прототипе).
За счет подвода тепла от системы 16 через стенку парогенератора жидкость испаряется (линия а-б на фиг.
2). При этом маховик 9 прокручивает вал 8 и поршень 6 с помощью кривошипно-шатунного механизма 7
движется от верхней к нижней мертвой точке. В полости цилиндра 5 создается разрежение и при достижении максимального объема рабочей камеры 4 (поршень 6 приближается к нижней мертвой точке на фиг. 1)
открывается отверстие 14 золотникового клапана между парогенератором 3 и рабочей камерой 4. Так как
при этом объем рабочей камеры 4 отвакуумирован и ее объем больше, чем величина объема дозы жидкости,
умноженного на отношение плотностей пара и жидкости при параметрах в полости парогенератора 3 происходит адиабатическое расширение рабочего тела (линия б-в на фиг. 2) и жидкость вскипает, превращаясь в
перегретый пар из-за резкого снижения давления.
Так как кипение жидкости происходит практически мгновенно, а жидкость при этом смачивает ребра 12
внутренней поверхности парогенератора, число Рейнольдса у внутренней поверхности достигает большой
величины, что соответственно резко увеличивает коэффициент теплоотдачи. В сочетании с падением температуры в результате адиабатического расширения (дросселирования рабочего тела), увеличение коэффициента теплоотдачи значительно увеличивает количество тепла, поступающего от системы 16 через стенку парогенератора.
В полости рабочей камеры 4 давление при этом соответствует параметрам рабочего тела в точке «в», (т.е.
параметрам перегретого пара, полученного из дозы жидкости в объеме парогенератора 3 и рабочей камеры
4), что по величине ниже атмосферного давления.
Поршень 6 движется от нижней мертвой точки к верхней под действием атмосферного давления и вытесняет пар рабочего тела через клапан 13 в конденсатор 1. Так как в точке «в» пар рабочего тела перегрет, вытеснение пара через клапан 13 происходит так же как и в компрессорных машинах, с минимальными потерями, без залипания лепестков клапана и без явлений эррозии, что обеспечивает надежность работы
установки.
На вал 8 при этом передается полезная механическая энергия, которая поступает к потребителю и компенсирует затраты энергии маховика 9 на предшествующие стадии цикла.
5
BY 2876 C1
В конденсаторе 1 происходит охлаждение и конденсация рабочего тела (линия в-г на фиг. 2), которое в
виде жидкости накапливается в конденсатосборнике и цикл замыкается с помощью насоса 2 или другими известными и упомянутыми выше средствами.
Таким образом, заявляемое изобретение расширяет технологические возможности установки, принятой
за прототип. При этом заявляемая установка проще в эксплуатации и в ней могут быть использованы имеющиеся в хозяйствах низкопотенциальные источники тепла, начиная от сжигаемых отходов производства и
кончая солнечным и биологическим теплом. Установка становится более конкурентоспособной в условиях
развития рыночной структуры и появления спроса на машины в широком диапазоне мощностей, простые,
надежные в эксплуатации и потребляющие любой вид тепловой энергии, в том числе и вырабатываемой с
сравнительно низкой температурой источника тепла.
Фиг. 2
Государственный патентный комитет Республики Беларусь.
220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.
6
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
163 Кб
Теги
by2876, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа