устройство для создания напорного движения рабочей жидкости

Формула изобретения

1. Устройство для создания напорного движения рабочей жидкости, содержащее, по меньшей мере, две группы сосудов высокого давления с теплообменной системой, каждый из которых разделен подвижной герметичной преградой на две части, одна из которых заполнена рабочим телом, обладающим свойством изменения объема при фазовом переходе, другая часть заполнена рабочей жидкостью, при этом каждая группа сосудов выполнена с возможностью независимой работы в режиме нагрева или охлаждения, отличающееся тем, что часть каждого сосуда высокого давления, содержащая рабочее тело, выполнена в виде трубчатой капсулы с развитой теплообменной поверхностью, а подвижная герметичная преграда выполнена в виде комбинации плунжера, контактирующего с рабочим телом, и поршня большего, чем плунжер, диаметра, контактирующего с рабочей жидкостью, или в виде эластичной термостойкой трубки, размещенной внутри трубчатой капсулы по ее продольной оси.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждая группа сосудов высокого давления размещена в резервуаре, выполненном с возможностью заполнения теплоносителем.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что в качестве рабочего тела выбрано вещество из следующего ряда: парафин с числом атомов углерода в молекуле 20-24, спирты с числом атомов углерода в молекуле 8-12, кислоты с числом атомов углерода в молекуле 1-18, производные бензола, церезин.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутри эластичной термостойкой трубки установлена соосно твердая трубка с перфорированной стенкой.

5. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что развитая теплообменная поверхность трубчатых капсул выполнена в виде вертикальных и горизонтальных металлических пластин на внешней и внутренней поверхностях трубчатой конструкции.

6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в каждом резервуаре установлен генератор упругих волн с регулированием частоты их колебаний.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области энергетики и машиностроения и может быть использовано для получения высоконапорной рабочей жидкости для гидравлического привода энергетических установок, машин и механизмов.

В качестве прототипа выбрано устройство для создания напорного движения рабочей жидкости [заявка РФ на изобретение № 93005910, МПК F01K 25/04, заявка 01.02.1993, опубликована 27.11.1995], содержащее минимум два сосуда высокого давления с размещенной внутри многотрубной теплообменной системой и разделенных там же каждый подвижной и герметичной разделительной преградой на две части, одна из которых заполнена рабочим телом, другая, имеющая вместимость увеличенного объема жидкой фазы, заполнена рабочей гидравлической жидкостью. Сосуды высокого давления разделены на две одинаковые группы, в одной из которых идет плавление рабочего тела, одновременно в другой - кристаллизация, с последующим попеременным чередованием каждого вида фазового перехода. При плавлении рабочего тела образовавшийся увеличенный объем жидкой фазы, перемещая подвижную разделительную преграду, вытесняет рабочую жидкость в гидросистему, откуда отработанная рабочая жидкость под действием собственного и атмосферного давлений перемещается в другую группу сосудов, в которых идет кристаллизация рабочего тела с уменьшением объема на ту же величину, в увеличивающуюся при этом вторую часть сосуда высокого давления. Для создания рабочего давления скорость образования жидкой фазы рабочего тела должна быть больше скорости поступления рабочей жидкости в гидросистему. Процесс фазовых переходов идет в состоянии «твердая фаза - мягкий кристалл - жидкая фаза - расплав», что дает возможность вести процесс с минимальным перепадом температур между ними и достигнуть максимальной экономичности топливно-энергетических ресурсов.

Известное устройство характеризуется несовершенством теплообменной системы, громоздкостью, трудоемкостью изготовления, ограниченной сферой применения.

Задачей изобретения является создание устройства, в котором используется известное свойство некоторых веществ увеличиваться в объеме при переходе из твердой фазы в жидкую и уменьшаться в объеме при переходе из жидкого состояния в твердое, которое характеризовалось бы простотой изготовления и эксплуатации, а также универсальностью применения.

Указанная задача решается устройством для создания напорного движения рабочей жидкости, содержащим две группы сосудов высокого давления с теплообменной системой, каждый из которых разделен подвижной герметичной преградой на две части, одна из которых заполнена рабочим телом, обладающим свойством изменения объема при фазовом переходе, другая часть заполнена рабочей жидкостью, при этом каждая группа сосудов выполнена с возможностью независимой работы в режиме нагрева или охлаждения, в которой согласно предложению часть каждого сосуда высокого давления, содержащая рабочее тело, выполнена в виде трубчатой капсулы с развитой теплообменной поверхностью, с возможностью контакта с теплоносителем только ее внешней частью, а подвижная герметичная преграда выполнена в виде комбинации плунжера, контактирующего с рабочим телом, и поршня большего, чем плунжер, диаметра, контактирующего с рабочей жидкостью, или в виде эластичной термостойкой трубки, размещенной внутри трубчатой капсулы по ее продольной оси.

Каждая группа сосудов высокого давления размещена в резервуаре, выполненном с возможностью попеременного заполнения жидкостью-нагревателем и жидкостью-охладителем.

В качестве рабочего тела могут служить вещества из следующего ряда: парафин с числом атомов углерода в молекуле 20-24 (C_20-24), спирты с C_8-12, кислоты с C_1-18, производные бензола, церезин, характеризующиеся температурой фазового перехода не более 100°C и изменением объема при фазовом переходе не менее 5 процентов [см. Уббелоде А.Р. Расплавленное состояние вещества. Пер. с англ., «Металлургия», 1982, стр.18-19].

В случае выполнения герметичной подвижной преграды в виде эластичной термостойкой трубки внутри такой трубки целесообразно установить соосно твердую трубку с перфорированной стенкой.

Для увеличения теплопередачи развитая теплообменная поверхность трубчатых капсул может быть выполнена в виде вертикальных и горизонтальных металлических пластин на внешней и внутренней поверхностях трубчатой конструкции.

В некоторых случаях целесообразно установить в каждом резервуаре генератор упругих волн с регулированием частоты их колебаний.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1, 2 изображены разрезы трубчатой капсулы с подвижной герметичной преградой в виде комбинации плунжер-поршень, соответственно в начале и конце рабочего цикла.

На фиг.3, 4, 5 изображены разрезы трубчатой капсулы с эластичной подвижной преградой.

На фиг.6 изображено устройство для создания напорного движения рабочей жидкости в составе энергоустановки с приводом от гидромотора с напорным и безнапорным движением теплоносителя.

На фиг.7 изображена схема компоновки трубчатых капсул с эластичным разделителем фаз в резервуаре.

На фиг.8 изображена схема размещения резервуаров по фиг.7 в энергетической установке.

Основным рабочим элементом устройства для создания напорного движения рабочей жидкости является трубчатая капсула 1, которая может быть выполнена с жесткой разделительной преградой в виде комбинации плунжер-поршень и состоять из двух соединенных между собой корпусов - цилиндров - малого диаметра 2 с нижней разъемной заглушкой 5 и большого 3 с крышкой 4. В малый цилиндр 2 помещается плунжер 7, а в большой - поршень 8. Для более плотного прилегания плунжера 7 предусмотрен вкладыш 6. Возвращению комбинации поршень-плунжер 7-8 в исходное положение служит возвратная пружина 10. Для впуска и выпуска воздуха из подпоршневого пространства 15 служит трубопроводная система 16. В цилиндр 3 вмонтирован патрубок 9 с выпускным клапаном высокого давления 11 и впускным низкого давления 12.

Объем малого цилиндра 2 между плунжером 8 и заглушкой 5 является первым контуром капсулы 1, который заполнен рабочим телом 13, при минимальном объеме в твердом состоянии, а при максимальном в жидком. Объем большого цилиндра 3, являющегося вторым контуром капсулы 1, заполнен рабочей гидравлической жидкостью 14. В целях увеличения скорости фазовых переходов предусматриваются дополнительные теплообменные наружные 18 и внутренние 17 элементы.

Капсула 1 с альтернативным исполнением герметичной подвижной преграды (фиг.3, 4, 5), в отличие от ранее рассмотренного (фиг.1, 2), вместо комбинации плунжер - поршень имеет эластичную и термостойкую трубку 21 и вставленную внутрь перфорированную трубку 22. Такая система 21-22 размещена внутри цилиндрического высокопрочного цилиндра (корпуса) 2 с заглушками 19, 20. Имеются патрубки 9 для выхода и входа рабочей жидкости с выходным клапаном высокого давления 11 и входным низкого давления 12. Клапаны 11 и 12 могут размещаться как с одной стороны (фиг.3, 4), так и с обеих сторон цилиндра 2 (фиг.5).

В энергоустановке (фиг.6) капсулы 1 размещаются, по меньшей мере, в двух резервуарах (разделены, по меньшей мере, на две группы) 24, в которых их количество должно быть одна и более единиц. В рассматриваемом варианте два резервуара, и в каждом по 28 капсул 1. Каждый резервуар 24 имеет входные патрубки 25 и выходные 26, через которые поочередно поступает нагреватель (например, вода с температурой 40°C и выше), охладитель (например, вода с температурой 20°C и ниже) - в зависимости от температуры плавления рабочего тела. Капсулы 1 первого резервуара до обратного клапана 30 объединены трубопроводами 27, а второго до обратного клапана 31 трубопроводами 28. В данном энергоустройстве монтируется генерирующая часть в составе известных пневмогидравлического аккумулятора 29, обратных клапанов 30, 31, 32, 33, гидромотора 34 с электрогенератором 35, системы подающих гидропроводов высокого давления 37 и отводящих низкого давления 38 с приемником отработанной рабочей жидкости 36. Для обеспечения работоспособности устройства предусматриваются емкости нагревателя (вода с температурой 40°C и выше) - 39, и охладителя (вода с температурой 20°C и ниже) - 40. Из емкости 39 выходят два патрубка 41 с поворотными затворами 43 и 46, работающими поочередно. Из емкости 40 также выходят два патрубка 42 с поворотными затворами 44 и 45, работающими поочередно. По мере расходования нагревателя в емкость 39 через патрубок 47 поступает нагреватель, например горячая вода из природных источников или нагретая вода после конденсатора парогенераторных установок и других вторичных источников.

Также по мере расходования охладителя через патрубок 48 поступает холодная вода из природных источников или охлажденная после отработки в этой энергоустановке.

Капсулы 1 с эластичной термостойкой трубкой 21 могут быть размещены (фиг.7) в резервуарах (теплообменниках) 49 с направляющими потока нагревателя и охладителя 50. Резервуар 49 имеет входные и выходные патрубки нагревателя 51 и 52, а также входные и выходные патрубки охладителя 53 и 54. Все патрубки на входе и выходе оборудованы регуляторами потоков нагревателя 55, 56, подключенными к подводящему трубопроводу 63 и отводящему 64, а также охладителя 57, 58, подключенными к подводящему 66 и отводящему 65 трубопроводам охладителя. Высоконапорная рабочая жидкость из капсул 1 группируется в трубопроводы 59, 60 и через клапаны высокого давления 11 направляется в гидросистему, аналогичную ранее описанной (фиг 6). Отработанная низконапорная рабочая жидкость из той же гидросистемы через трубопроводы 61 и 62 поступает в капсулы 1 через клапаны низкого давления 12.

В соответствии фиг.8 нагреватель, вода с температурой, более высокой, чем температура плавления твердой фазы рабочего тела, по трубопроводу 63 поступает из источника 67, а охладитель, после отдачи тепла для плавления рабочего тела, по трубопроводу 64 поступает в емкость 70, где доохлаждается. Из емкости 70 вода в качестве охладителя по трубопроводу 66 поступает в резервуары 49 для охлаждения и кристаллизации жидкой фазы рабочего тела, после чего нагретый охладитель по трубопроводу 65 сбрасывается в резервуар 70. Излишки воды из резервуара 70 через спускное устройство 71 поступают на разные хозяйственные цели.

Позиции 55, 56 - распределители потока нагревателя, а 57, 58 - распределители потока охладителя.

Устройство для создания напорного движения рабочей жидкости, капсулы 1 которого содержат герметичные подвижные перегородки в виде комбинации плунжер-поршень (фиг.1, 2, 6), работает следующим образом.

Нагреватель из емкости 39 через патрубок 41, открытый затвор 43 и через входной патрубок 25 поступает в первый резервуар 24, где нагревает капсулы 1 до расплавления в них рабочего тела 13. Нагревателем может быть вода с температурой выше температуры плавления рабочего тела при рабочем давлении. При плавлении увеличенный объем рабочего тела 13 в каждой капсуле 1, находящейся в первом резервуаре 24, воздействует на плунжер 7, а через него на поршень 8, который выталкивает через клапан рабочего давления 11 рабочую жидкость 14 в гидротрубопроводы 27 гидросистемы. Поскольку комбинация плунжер-поршень 7-8 работает по принципу мультипликатора, количество рабочей жидкости 14, поступающей в гидросистему, будет превышать объем увеличенного рабочего тела 13, которое определится формулой:

где

V_РЖ - объем рабочей жидкости, поступающей в гидросистему;

V_УРТ - увеличенный объем рабочего тела при плавлении;

F_П - площадь поршня, соприкасающаяся с рабочей жидкостью;

F_ПЛ - площадь плунжера, соприкасающаяся с рабочим телом.

Давление в первом контуре капсулы 1 может значительно превышать рабочее давление в гидросистеме, поэтому мультипликатор сбалансирует их, создавая напорное движение с рабочим давлением. Из гидропровода 27 системы с рабочим давлением рабочая жидкость через клапан 30, пневмогидравлический аккумулятор 29, систему гидропроводов 37, управляющую и регулирующую арматуру (для упрощения в схеме условно не показана) поступает в известный гидродвигатель 34, который обеспечивает работу электрогенератора 35. Отработанная рабочая жидкость из гидродвигателя поступает в приемное устройство 36 с накопителем.

После полного расплавления рабочего тела 13 в капсулах 1 первого резервуара 24 затвор 43 нагревателя закрывается, и открывается затвор 45 охладителя.

В самом начале работы капсулы 1 во втором резервуаре находятся в исходном состоянии.

После полного расплавления рабочего тела 13 и расходования рабочей жидкости 14 из капсул 1 первого резервуара 24 вступают в работу капсулы 1 второго резервуара 24. При этом затвор 46 открывается и горячая вода через патрубки 41 и 25 поступает во второй резервуар устройства, где процесс происходит точно так же, как только что происходил в первом резервуаре.

Одновременно из емкости 40 через открытый затвор 35, по патрубкам 25, 42 в первый резервуар поступает охладитель с температурой, более низкой температуры кристаллизации рабочего тела 13, например вода с температурой 20°C и ниже. Рабочее тело в капсулах 1 кристаллизуется с уменьшением объема. Атмосферным давлением и возвратной пружиной 10 плунжер 7 и поршень 8 постепенно возвращаются в первоначальное исходное положение. Одновременно рабочая жидкость из приемного устройства с накопителем 36 через трубопроводную систему 38, 27 и открытый клапан 32 поступает в капсулы 1 первого резервуара 24.

Процессы в группах капсул 1 идут попеременно. Если в один из резервуаров 24 поступает нагреватель, осуществляющий процесс плавления рабочего тела с увеличением объема, то в другой поступает охладитель, который осуществляет процесс кристаллизации рабочего тела с уменьшением объема.

Устройство с капсулами 1, содержащими эластичные и термостойкие трубки 21, работает аналогичным образом. Отличием является то, что в первой группе капсул 1 увеличенный объем рабочего тела 13 первого контура каждой капсулы 1 при плавлении воздействует на стенки эластичной и термостойкой трубки 21, которые выжимают рабочую жидкость 14, второго контура, через перфорированную трубку 22, предохраняющую эластичную трубку 21 от недопустимого сплющивания (слипания), через клапан высокого давления 11 в трубопроводы 59, 60 (фиг.7) и далее в гидросистему 29, 30, 31, 34, 35, 36, 37, 38 (фиг.8). После окончания цикла плавления рабочего тела 13 поток нагревателя прекращается и включается поток охладителя, с помощью которого происходит процесс кристаллизации расплавленного рабочего тела 13, с уменьшением его объема. Рабочая жидкость через клапан низкого давления 12 трубопроводов 61, 62 поступает во внутреннюю часть эластичной трубки 21, воздействуя остаточным давлением гидросистемы, восстанавливает стенки в первоначальное положение. Одновременно во второй группе капсул 1 с помощью нагревателя происходит процесс, в точности повторяющий начальный период работы первой группы капсул 1.

Возможен вариант объединения капсул 1 в группы (фиг.7), смонтированные в сосуде 49, с направляющими потоков теплоносителя 50, под некоторым давлением.

Дополнительные теплообменные элементы 17, 18 увеличивают площадь и соответственно скорость теплообмена между теплоносителем и рабочим телом, что значительно сокращает время плавления и кристаллизации рабочего тела. Это связано с тем, что теплопроводность металлических теплообменных элементов значительно превышает этот показатель рабочего тела.

Генератор упругих волн (не показан) необходим в отдельных случаях для получения эффекта «встряхивания» капсул 1 для активизации процессов фазового перехода (преодоление метастабильного состояния вещества - см., например, статью «Метастабильное состояние» в БСЭ - http://slovari.yandex.ru/dict/bse/article/00047/56000.htm).

Применение заявленного устройства позволяет:

1. Достигнуть непосредственного превращения тепловой энергии первичных и вторичных источников в энергию напорного движения рабочей жидкости, которая в объемных гидравлических двигателях преобразуется в механическую.

2. Использовать для выработки энергии везде, где имеются нагреватель и охладитель с разницей температур 5 и более градусов Цельсия. Причем чем разница больше, тем эффективнее.

3. Значительно экономить топливные и энергетические ресурсы, т.к. в качестве нагревателя используется как первичный, так и вторичный теплоноситель любых источников. Их можно использовать вместо градирен и других аналогичных устройств для охлаждения воды и при этом одновременно вырабатывать дополнительную электроэнергию.

4. Использовать для выработки электроэнергии производственные и отопительные котельные.

5. Использовать для выработки энергии природные источники, в том числе геотермальные воды с температурой от 30°C и выше, прогретые солнцем поверхностные слои воды, морей и океанов и т.д.

6. Получать давления в гидравлических системах значительно более высокие, чем при работе с помощью гидронасосов.

7. В связи с их простотой и высокой технологичностью позволяет быстро осуществить монтаж.

8. Принцип создания заявленного устройства из единичных элементов - капсул 1 - позволяет «набирать» устройство, рассчитанное на определенную мощность и максимальное использование тепла вторичных источников.

9. Позволяют получать экологически чистую энергию.