устройство для преобразования тепловой энергии

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ, содержащее преобразователь тепловой энергии в механическую с зонами расширения и сжатия рабочего тела в рабочих камерах, теплоизоляционную стенку, отличающееся тем, что преобразователь тепловой энергии выполнен из блоков, каждый из которых состоит из пары секций, установленных на одном валу, герметично изолированного от окружающей среды, при этом одна из них выполнена приводной, а другая - приводимой, причем каждый блок снабжен теплообменником приводимой секции общим с теплообменником приводной секции последующего блока, кроме того один из общих теплообменников имеет общую теплопроводную стенку со статором в зоне расширения рабочего тела, а другой - в зоне сжатия приводимых секций пары блоков.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, а именно к обратимым устройствам для преобразования низкопотенциальной тепловой энергии.

Известно устройство для преобразования тепловой энергии в механическую, которое включает ряд герметичных камер переменного объема, образованных упругоэластичной пленкой, последовательно расположенных по периметру цилиндрического колеса, установленного на оси вращения. Камеры частично заполнены рабочим телом. Часть камер погружена в жидкость, остальные находятся в контакте с окружающей средой, имеющей температуру, отличающуюся от температуры жидкости [1] .

Недостатком указанного устройства является ограниченная область применения, так как его можно использовать только в случае с частичным погружением в жидкость.

Известен также пластинчатый насос, в котором вытеснители выполнены в виде вдвигающихся пластин, а вытесняемые объемы замыкаются между двумя соседними вытеснителями ротора и статора. Ось вращения ротора насоса смещена относительно оси статора (Башта Т. М. Машиностроительная гидравлика. Справочное пособие. М. : Машгиз, 1963, с. 251-253, фиг. 134).

Недостатком насоса является то, что он не позволяет преобразовывать тепло перепадов температур между двумя средами в механическую энергию.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для преобразования тепловой энергии в механическую, которое содержит преобразователь тепловой энергии в механическую с зонами расширения и сжатия рабочего тела в рабочих камерах, теплоизоляционную стенку, разделяющую статор на две термоизолированные друг от друга части, одна из которых контактирует со средой повышенной температуры, а другая соприкасается со средой с пониженной температурой, которые отделены и термоизолированы друг от друга той же термоизолированной стенкой [2] .

Недостатком устройства являются ограниченные функциональные возможности устройства. Так, оно не позволяет подогревать или охлаждать теплоноситель за счет тепловой энергии перепада температур между двумя средами до температур соответственно более высоких или более низких, чем температуры нагревающей или охлаждающей среды, использовать устройство в качестве теплового насоса, для охлаждения теплоносителя за счет механической энергии вращения, для одновременного преобразования механической энергии вращения и тепловой энергии перепада температур в тепловую энергию повышенного или пониженного потенциала, перераспределять тепловую энергию во времени. Кроме того, известное устройство требует частой подзарядки из-за утечек рабочего газа из рабочих камер через прорези вала в статоре в атмосферу. Это приводит также к загрязнению окружающей среды.

Цель изобретения заключается в расширении функциональных возможностей устройства.

Цель достигается тем, что устройство для преобразования тепловой энергии выполнено из блоков, каждый из которых состоит из пары секций, установленных на одном валу, при этом одна из секций выполнена приводной, а другая - приводимой, устройство герметично изолировано от окружающей среды. Каждый блок снабжен теплообменником приводимой секции, общим с теплообменником приводной секции последующего блока, причем один из общих теплообменников имеет общую теплопроводную стенку со статором в зоне расширения рабочего тела, а другой - в зоне сжатия приводимых секций пары блоков.

Выполнение блока из пары секций, установленных на одном валу, причем когда одна из секций выполнена приводной, а другая - приводимой, позволяет низкопотенциальное тепло преобразовывать в механическую энергию с помощью приводной секции, а с помощью приводимой одновременно преобразовывать последнюю в энергию тепла теплоносителя общих теплообменников повышенной или пониженной температуры относительно температуры сред, тепло которых преобразуют.

То, что устройство для преобразования тепловой энергии выполнено из блоков, дает возможность получить перепад температур повышенного потенциала между теплоносителями двух или более блоков. Этот повышенный потенциал может быть использован в последующих блоках для повышения рассматриваемого потенциала. Кроме того, это расширяет возможности использования блоков по выполняемым ими функциям без их конструктивных изменений.

Снабжение каждого блока теплообменником приводимой секции, общим с теплообменником приводной секции последующего блока, обеспечивает снижение тепловых потерь при теплообмене между названными теплообменниками.

То, что один из общих теплообменников имеет общую теплопроводную стенку со статором в зоне расширения рабочего тела, а другой - в зоне сжатия приводимой секции пары блоков, дает возможность один из общих теплообменников использовать как нагреватель, а другой - как охладитель, или наоборот.

Герметичная изоляция устройства от окружающей среды позволяет исключить загрязнение окружающей среды и уменьшить потери рабочих тел.

Таким образом, каждый в отдельности из названных признаков является существенным, а в совокупности они обеспечивают достижение поставленной цели.

На фиг. 1 показана принципиальная схема устройства; на фиг. 2 - поперечный разрез части секции блока; на фиг. 3 - общая схема устройства для подогревания и/или охлаждения теплоносителя (или холодоносителя) за счет тепла перепада температур между двумя средами.

Устройство содержит секции 1 с зонами расширения 2 и сжатия 3 рабочих камер преобразователя тепловой энергии в механическую, теплоизоляционную стенку 4 с выступами 5, разделяющую нагревающую 6 и охлаждающую 7 среды, ротор с валом 8, статор 9. Две секции 1, одна из которых выполнена приводной 10, а другая - приводимой 11, соединены валом 8 в блок. Зоны расширения 2 и сжатия 3 контактируют соответственно через теплопроводные стенки 12 со средами, находящимися в теплообменниках 13 и 14 секции 10 и в теплообменниках 15 и 16 секции 11. Вал 8 размещен в герметичном патрубке 17, соединенном со статорами секций 10 и 11, а торцы вала герметично закрыты колпаками 18 (фиг. 1). Один из колпаков 18 выполнен с возможностью подсоединения к валу 8 обратимого насоса 19, который может иметь переключатель направления вращения (не показан). Соединение осуществляют, например, через магнитную муфту (не показана). Заборный патрубок 20 обратимого насоса 19 соединен с источником жидкости 21, а напорный патрубок 22 - с резервуаром 23.

При использовании блока (с отключенным обратным насосом 19) в качестве подогревателя, работающего за счет тепловой энергии перепада температур между двумя средами, зоны расширения 2 и сжатия 3 приводной секции 10 расположены соответственно в теплообменнике 13, заполненном нагревающей средой, и в теплообменнике 14, содержащем охлаждающую среду. Зона расширения 2 приводимой секции 11 контактирует с нагревающей средой, находящейся в теплообменнике 15. Теплообменник 16 содержит подогреваемый теплоноситель, переносящий тепло повышенного потенциала потребителю.

При использовании блока в качестве охладителя теплообменник 16 содержит охлаждающую среду, а теплообменник 15 заполнен охлаждаемым теплоносителем (холодоносителем), отводящим тепло от потребителя.

Для функционирования устройства в качестве теплового насоса, приводимого в действие обратимым насосом 19, теплообменники 13 и 15 заполнены нагревающей средой, а теплообменники 14 и 16 - нагреваемым теплоносителем.

Причем зоны расширения 2 контактируют с нагревающей средой, а зоны сжатия 3 - с нагреваемым теплоносителем через стенки 12. При охлаждении теплоносителя зоны расширения 2 контактируют через стенки 12 с охлаждаемым теплоносителем, а охлаждающие среды содержатся в теплообменниках 14 и 16, где они через стенки 12 контактируют с зонами сжатия 3 как секции 10, так и секции 11.

В случае одновременного преобразования механической энергии вращения обратимого насоса 19 и энергии тепла перепада температур в тепловую энергию повышенного потенциала нагреваемый теплоноситель, например, контактирует с теплопроводными стенками 12 зоны сжатия 3 в теплообменнике 16 приводимой секции 1, а ее зона расширения 2 контактирует с нагревающей средой, находящейся в теплообменнике 15, в то время как зона расширения 2 приводной секции 10 контактирует с нагревающей средой, находящейся в теплообменнике 13, а ее зона сжатия 3 - с охлаждающей средой, находящейся в теплообменнике 14. При преобразовании этих же видов энергии для охлаждения теплоносителя расположение зон расширения 2 и сжатия 3 рабочих камер и сред в теплообменниках 13 и 14 аналогично предыдущему случаю, но охлаждаемый теплоноситель контактирует через стенки 12 с зоной расширения в теплообменнике 15, а охлаждающая среда находится в теплообменнике 16, где они находятся в контакте с зоной сжатия.

При перекачке жидкости из ее источника 21 в резервуар 23 к валу 8 подсоединен обратимый насос 19, нагревающая среда контактирует через стенки 12 с зонами расширения, а охлаждающая среда - с зонами сжатия обеих секций.

Для ступенчатого подогревания и/или охлаждения теплоносителя за счет низкопотенциальной тепловой энергии перепада температур между двумя средами два блока "а" и "б" секций (фиг. 3) имеют по одному общему теплообменнику с блоком "в". Так, например, теплообменник 16а выполнен общим с теплообменником 13в, а теплообменник 14б - с теплообменником 14в. Теплообменники блока "в" выполнены заполненными соответственно блокам, используемым в качестве подогревателя или охладителя, а теплообменника блока "а", например, как подогревателя с теплообменником 16а, заполненным подогреваемым теплоносителем, и блока "б" - охладителя с теплообменником 14б, заполненным охлажденным теплоносителем, как приведено выше.

Устройство работает следующим образом. При подогревании зоны расширения 2 в теплообменнике 13 приводной секции газ выделяют из рабочего тела, например из водного раствора аммиака, давление газа возрастает на рабочие лопасти, чем создают момент сил давления, направленный по направлению расширения рабочих камер. В зоне сжатия 3, контактирующей с охлаждающей средой, находящейся в теплообменнике 14, через стенки 12 рабочее тело охлаждают, чем увеличивают его способность поглотить газ, жидкий раствор частично его поглощает, давление в рабочих камерах падает, в результате образуется момент сил вращения ротора, направленный в сторону сужения камер (фиг. 1). Созданные моменты сил давления приводят во вращение вал 8. В зоне расширения 2 камер, контактирующих через стенку 12 с нагревающей средой, находящейся в теплообменнике 15, при расширении рабочих камер давление в них падает, из раствора дополнительно выделяется газ, при этом температура рабочего тела уменьшается, но за счет контакта с нагревающей средой происходит его нагревание. Подогретое рабочее тело по мере поворота ротора преобразователя секции 11 поступает в зону сжатия 3, где газ сжимается, давление в рабочих камерах увеличивают, в результате температура рабочего тела увеличивается. Выделяемое при сжатии тепло повышенного потенциала отводят на нагревание теплоносителя в теплообменнике 16.

При охлаждении теплоносителя в приводимой секции 11 в зоне сжатия 3 рабочее тело в камерах охлаждают средой, находящейся в теплообменнике 16, а "холод", получаемый в зоне расширения 2 камер, отдают через стенку 12 теплоносителю, находящемуся в теплообменнике 15.

Для привода блоком насоса 19 обе его секции работают как приводные, вращая вал 8 с насосом 19 в одном направлении.

При работе устройства в качестве теплового насоса, преобразующего механическую энергию вращения в тепловую энергию, жидкость из резервуара 23 сбрасывают в источник 21 через обратимый насос 19, который превращает потенциальную энергию жидкости в механическую энергию вращения. Момент сил вращения насоса 19 подают на вал 8. Под действием этого момента сил вращают роторы преобразователей секций 10 и 11, теплообменники которых заполнены соответственно нагревающей средой и теплоносителем и работают так же как в приводимой секции нагревателя.

В том случае, если теплообменники секций 10 и 11 заполнены по схеме приводимой секции охладителя, устройство работает как холодильник.

При работе обратимого насоса 19 в режиме гидромотора, секции 10 - в режиме приводной, а секции 11 - приводимой аналогично работе соответствующей секции нагревателя устройство работает как тепловой насос с приводом одновременно от механической и низкопотенциальной тепловой энергии. В том же случае, если секция 11 работает как приводная секция охладителя, то устройство преобразует механическую энергию и низкопотенциальное тепло в "холод".

Блок "а", работающий в режиме подогревания теплоносителя за счет тепловой энергии перепада температур между двумя средами, подогревает теплоноситель, например, в теплообменнике 16а (фиг. 3). Блок "б", работающий в режиме охлаждения (как это описано выше), охлаждает теплоноситель, например, в теплообменнике 14б. Причем в теплообменнике 16а температура теплоносителя выше температуры нагревающей среды, а в теплообменнике 14б ниже, чем температура используемой охлаждающей среды. Теплоносители, находящиеся в теплообменниках 16а и 14б, соответственно нагревают и охлаждают среды теплообменников 13в и 14в блока "в". Перепад температур теплоносителей в теплообменниках 16а и 14б больше перепада температур между исходными нагревающей и охлаждающей средами. Секцию блока "в" с теплообменниками 13в и 14в используют в качестве приводной, для чего соответственно нагревают и охлаждают их теплоносителями теплообменников 16а и 14б. Если одновременно к теплообменнику 15в подводят тепло, например, из теплообменника 16а, то блок "в" работает как нагреватель и теплоноситель в теплообменнике 16в подогревают до температуры выше температуры теплоносителя теплообменника 16а.

Если к теплообменнику 15в подводят теплоноситель из теплообменника 14б, то блок "в" работает в режиме охладителя. В этом случае теплоноситель в теплообменнике 15в имеет температуру ниже температуры теплоносителя теплообменника 14б.

В первом случае блок "в" работает в режиме нагревания, а во втором - в режиме охлаждения, полностью аналогично соответственно блокам "а" и "б", работа которых описана ранее, и может быть использован аналогично последним.

Таким образом, устройство позволяет без конструктивных изменений подогревать до более высокой температуры теплоноситель и/или охлаждать его до более низкой температуры, чем соответственно температуры нагнетающей и охлаждающей сред, тепловую энергию которых используют для привода устройства.

Герметизация устройства исключает утечки рабочего тела в окружающую среду.

Все это дает возможность существенно расширить использование низкопотенциального тепла с помощью этого устройства, прежде всего для нужд тепломелиорации и водного хозяйства.

Предлагаемое устройство не загрязняет окружающей среды, является экологически чистым. Это существенно расширяет возможности использования устройства прежде всего там, где загрязнение окружающей среды недопустимо или жестко регламентировано и/или отсутствуют другие источники энергии. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 931945, кл. F 03 G 7/06, 1980.

2. Авторское свидетельство СССР N 1290009, кл. F 03 G 7/06, 1984.