ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ

Изобретение относится к энергомашиностроению, и, в частности, к энергетическим машинам, преобразующим низкопотенциальную тепловую энергию техногенного и естественного происхождения, за счет использования фазовых переходов и/или предельных состояний низкокипящей жидкости (на пример, фреона) либо природных газов, спиртов, эфиров или воды - рабочего тела, теплообмен ного устройства с переменным объемом являющегося поочередно в цикле испарителем и конденсатором рабочего тела , устройства задающего и регулирующего внешнее давление заполненное азотом , воздухом иным газом с жидкостью - водой или иной жидкостью или без жидкости, устройства обеспечивающего перекачивание токопроводящей жидкости (генераторное устройство) металл, растворы металлов, электролиты в одном направлении по замкнутому контуру включающему в себя две герметичные приводящие мембраны (диафрагмы) или два сильфона(поршня) имеющих или не имеющих устройство задержки срабатывания, один или два обратных клапана, ускоряющий поток жидкости рабочий канал представляющий собой магнитно гидродинамический генератор конфузорного типа с блоком постоянных магнитов или электромагнитов и пары или нескольких последовательных пар электродов снимающих возникающий в жидком проводнике ток, возвратный канал и связывающее между собой с одной стороны теплообменное устройство и с другой стороны устройство задающее внешнее давление.

Всё три устройства представляют собой блок вращающийся вокруг оси с регулируемой (необходимой) скоростью с тем, что бы испаритель-конденсатор попеременно находился в более теплой и более холодной среде например: вода й воздух. Таких блоков может быть сколь угодно много в этом случае устройство задающее и регулирующее внешнее давление может быть общим.

Рабочий цикл представляет из себя передачу теплоты от более нагретой среды рабочему телу (веществу) в испарителе/конденсаторе по достижению заданной температуры и давления равного давлению в задающем внешнее давление устройстве, происходит переход рабочего вещества из жидкого в газообразное состояние с увеличением занимаемого объема и через диафрагму/сильфон в устройстве с токопроводящей жидкостью жидкость перемещается через возвратный канал в объем связанный диафрагмой/сильфоном с устройством задающим внешнее давление без совершения полезной работы.

Далее теплообменное устройство становится конденсатором попав в более холодную среду объем занимаемый рабочим телом уменьшается давление снижается и под действием давления в задающем устройстве через диафрагму/сильфон токопроводящая жидкость приходит в движение и проходя через рабочий канал индуцирует в магнитном поле электрический ток, совершив полезную работу. Далее цикл повторяется.

Известен способ получения механической энергии вращения за счет использования разности температур морской воды на разных ее уровнях и гравитационного взаимодействия без расходования топливно-энергетических ресурсов.

Сущностью данного изобретения является: равномерно по окружности частично погруженного в воду ротора, установлены теплочувствительные элементы (ТЭ), связанные с грузом, выполненным в виде массивного обода, с возможностью его радиального перемещения при изменении температуры окружающей среды, что обеспечивается созданием в верхней и нижней частях ротора соответственно зон нагрева и охлаждения, первой из которых является окружающий воздух, а вторая образована емкостью в виде лотка, который сообщается с верхнёй частью трубопровода, поднимающему вверх, как по сообщающемуся сосуду, холодную воду из глубинных ее слоев. Ротор снабжен лопатками для перемешивания воды по лотку от верхней части трубопровода. Вращение ротора осуществляется за счет момента сил тяжести F, создаваемых грузами при разных расстояниях Р2 и Р1 боковых частей обода от оси в зависимости от нагрева и охлаждения ТЭ. (См. «Способ получения экологически чистой механической энергии вращения и устройство для его осуществления ^' Б.Ф.Кочеткова», патент RU2076949, МПК 6 F03G7/05, F03G7/06). ^'

Однако, этот способ позволяет использовать тепловую энергию только в узком диапазоне температур, также он обладает значительной инерционностью и не может обеспечивать высокий КПД преобразования низкопотенциальной энергии окружающей среды (воды и воздуха) в механическую энергию.

Известно устройство для преобразования энергии источника сжатого воздуха, низкопотенциальной тепловой энергии водной среды, гравитационной/ инерционной и подъемной силы Архимеда в механическую и электрическую энергию (См. полезная модель «Пневмогидравлическое устройство», патент RU 88398 МПК F03B17/02).

Однако недостатками этого устройства является его невысокая эффективность, обусловленная неизотерм ичностью процесса сжатия газа в компрессоре и недостаточной регенерацией выделяющегося при этом сжатии тепла, а также то, что не предусмотрено преобразование в полезную работу энергии давления газа.

Известен также парокомпрессионные способы термотрансформации, включающие испарение рабочей среды при пониженном давлении, сопровождаемое поглощением тепловой энергии низкотемпературного источника, сжатие рабочей среды в парообразном состоянии с помощью компрессора, охлаждение и конденсацию рабочей среды с передачей, выделяющейся при этом тепловой энергии более высокотемпературному приемнику, и понижение давления рабочей среды (как правило, дросселированием) перед испарением. (См. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. - М . Энергия, 1968, с. 185 - 212., а также изобретение «Способ и устройство для трансформации тепловой энергии», патент RU 2161759 , МПК 7 F25B9/08, F25B30/02).

Однако, энергетическая эффективность такого рода устройств сравнительно мала и уступает по эффективности способам на основе низкотемпературных ^' кипящих жидкостей, поскольку требует применения устройства для трансформации тепловой энергии (холодильник или тепловой насос), включающее ^" циркуляционный контур с установленными в нем последовательно испарителем, струйным аппаратом, охладителем (конденсатором), дросселем или детандером, и дополнительный циркуляционный контур (коммуникации), содержащий насос и испаритель высокого давления и подключенный к основному контуру со стороны насоса между охладителем и дросселем, а со стороны испарителя высокого давления - к струйному аппарату. Известна теплосиловая установка, содержащая высокопотенциальный источник тепла, замкнутый контур с промежуточным теплоносителем, силовую турбину, теплообменники для нагрева и охлаждения рабочего тела. (См. изобретение «Теплотурбинный двигатель», патент RU2287709, МПК F01 K25/00).

Основные недостатки такой установки:

- сложность конструкции, потребность в источниках высоких температур, невозможность использования низкопотенциального тепла в широком диапазоне температур от -50 градусов по Цельсию до +150 градусов по Цельсию, например, от естественных и/или техногенных источников;

- невысокий КПД из-за непроизводительных потерь тепла на образование и конденсацию пара легкокипящей жидкости, который используется для вытеснения вспомогательной жидкости из камеры, а также невозможность использования в цикле низкопотенциального тепла для производства, например, электроэнергии и образования экологически чистой системы преобразования тепла.

Известным устройством преобразования тепловой энергии в механическую и электрическую энергию является теплосиловая установка, содержащая блок высокопотенциального источника тепла, замкнутый контур с промежуточным теплоносителем, силовую турбину, теплообменники для нагрева и охлаждения рабочего тела для преобразования энергии жидкой и газовой фаз в механическую и электрическую энергию. (См. изобретение «Энергетическая установка и способ приготовления ее рабочего тела», патент RU 2013572, МПК 5 F01K25/00).

Основные недостатки такой установки - необходимость и сложность технологии приготовления ее рабочего тела и, как результат, сложность конструкции, потребность в источниках высоких температур, невозможность использования низкопотенциального тепла, например, от естественных или техногенных источников, невысокий КПД.

Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности и достигаемому результату является способ преобразования тепловой энергии в механическую и электрическую энергию является устройство преобразования нйзкопотенцйальной тепловой энергии окружающей среды и/или тепловой энергии техногенных процессов в нефтехимическом производстве за счет использования разности их температур, при воздействии разности температур (градиента) на низкотемпературную кипящую жидкость (например, фреон), и использование ее фазовых переходов в агрегатные состояния из жидкой в газообразную фазы для экологически чистого преобразования энергии расширения газообразной фазы низкотемпературной кипящей жидкости в механическую энергию мембраны воздушного компрессора, и механическую энергию вращения воздушной турбины в электрическую. (См. заявка на изобретение «Способ утилизации низкопотенциальной техногенной тепловой энергии в нефтехимических производствах» RU N2 2010134612 от 20.08.2010 г.).

Однако, данный способ утилизации низкопотенциальной тепловой энергии требует затрат на охлаждение и нагрев рабочей жидкости в широком диапазоне температур, что снижает КПД устройства и требует применение нагревателей и охладителей большой емкости, а также не обеспечивает снижения противодавления газовой среды в турбине за счет утилизации энергии конденсации газовой фазы рабочего тела за газовой турбиной.

Цель изобретения.

Целью изобретения является создание надежной и эффективной энергетической установки для преобразования низкопотенциальной тепловой энергии техногенного и естественного происхождения с любой разностью температур, вплоть до 1-5К за счет использования разности температур, при воздействии разности температур (градиента) сред на рабочую жидкость (например, фреон), и использование ее фазовых переходов в агрегатные состояния из жидкой в газообразную фазы для экологически чистого преобразования энергии внешнего заданного или атмосферного давления при переходе рабочего вещества из газообразной фазы в жидкую и приведение в движение токопроводящей жидкости в магнитном поле для прямого преобразования в электрический ток.

Реализация изобретения.

Указанная Цель и технический результат достигается за счет того, что энергетическая установка для утилизации низкопотенциальной техногенной или природной - тепловой энергии, характеризующееся использованием процесса воздействия разности температур на рабочую жидкость (например, фреон), и использование ее переходов в агрегатные состояния из жидкой в газообразную фазы и наоборот для преобразования энергии внешнего давления в кинетическую энергию потока токопроводящей жидкости в магнитном поле и прямое преобразование в электрическую энергию.

Устройство содержит: теплообменное устройство с развитыми внутренними и внешними поверхностями теплообмена и отличающееся тем, что является' поочередно в цикле испарителем и конденсатором рабочего тела (вещества) и имеет переменный объем за счет рабочего хода диафрагмы (сильфона или поршня) .смеет неизменное количество (массу) рабочего вещества и является замкнутым (герметичным) объемом , отличающееся так же, наличием устройства задающего и регулирующего внешнее давление заполненное азотом , воздухом иным газом с жидкостью - водой или иной жидкостью или без жидкости, устройство отличающееся тем, что обеспечивает перекачивание токопроводящей жидкости: металл, растворы металлов, электролиты в одном направлении по замкнутому контуру включающему в себя две герметичные приводящие мембраны (диафрагмы) или два сильфона (поршня) имеющих или не имеющих устройство задержки срабатывания, один или два обратных клапана, ускоряющее поток жидкости рабочий канал представляющий собой магнитный гидродинамический генератор конфузорного типа с блоком постоянных магнитов или электромагнитов и пары или нескольких последовательных пар электродов снимающих индуцированный в проводнике ток подаваемый к нагрузке потребителей, возвратный канал и связывающее между собой через мембраны или сильфоны (поршни) с одной стороны теплообменное устройство и с другой стороны устройство задающее внешнее давление.

Всё три устройства представляют собой блок энергетической установки отличающийся тем, что вращаясь вокруг оси с регулируемой (необходимой) периодичностью (скоростью) и высотой по отношению к границе сред с тем, что бы испаритель-конденсатор попеременно находился в более теплой и более холодной ^е среде например: вода и воздух и был полностью и оптимально реализован цикл испарения и конденсации рабочего тела. Таких однотипных блоков на одной оси энергетической установки может быть сколь угодно много, в этом случае устройство задающее и регулирующее внешнее давление может быть общим и отличается тем, что полезную работу производит внешнее заданное или атмосферное давление.

Краткое описание чертежей.

На Фиг.1 показана принципиальная схема блока устройств импульсной энергетической установки для преобразования низкопотенциальной тепловой энергии техногенного и естественного происхождения, где 1 - испаритель/конденсатор, 2 - мембранный узел, 3 - генераторное устройство, 4 - мембранный узел, 5 - устройство задающее внешнее давление , 6 - регулятор давления, 7 - ось вращения, 8 - опоры, 9 - привод вращения, 14 - граница раздела сред.

На Фиг.2 показана конструктивная схема импульсной энергетической установки состоящей из нескольких блоков устройств.

На Фиг.З показана схема генераторного устройства, где 2 - мембранный узел, 10 - устье жидкостного рабочего канала, 11 - жидкостной рабочий канал, 12 - электроды, 13 - магниты, 15 - нагрузка потребителя (электрический выход), 16 - возвратный канал, 17 - обратный клапан.

Осуществление изобретения

Импульсная энергетическая установка реализуется за счет использования фазовых переходов рабочей жидкости в газ и обратно в жидкость (например, фреона), испарителя/конденсатора с переменным объемом, устройства регулирующего и задающего внешнее давление или внешнее давление среды, замкнутого контура односторонней (один или два обратных клапана) циркуляции жидкого проводника (например электролита) с рабочим каналом ускорения потока , имеющего внешние магниты задающие магнитное поле в области рабочего канала и электроды для снятия электрического тока с движущегося в магнитном поле проводника, мембраны (диафрагмы) или сильфоны(поршни) для герметичной передачи энергии разности давлений от задающего давление ^" внешнего устройства к испарителю - конденсатору в момент перехода рабочего тела из газовой фазы в жидкость. Объединенных в единый/ блок вращающийся на оси и обеспечивающий поочередное прохождение с регулируемой периодичностью и высотой по отношению к границе сред испарителя-конденсатора из более нагретой среды в менее нагретую одного или нескольких блоков устройств.

Принцип работы импульсной энергетической установки основан на следующем.

Низкопотенциальная тепловая энергия техногенного или естественного происхождения более теплой среды передается через устройство испаритель/конденсатор 1 рабочему телу (веществу) за время совершения части оборота энергетической установки вокруг оси вращения 7 , испаряет его и увеличивает в объеме, через мембранный узел 2, рабочее тело перемещает электропроводящую жидкость в генераторном устройстве Фиг.З (обратный клапан 17 открыт), по возвратному каналу 16 в мембранный узел 4, при этом в задающем внешнее давление устройстве 5 давление не меняется в связи с одновременной работой в разных фазах нескольких блоков устройств. Энергетическая установка продолжая вращение (привод вращения 9) переводит испаритель/конденсатор 1 в более холодную среду через границу раздела сред 14, после чего рабочее тело (вещество) в испарителе/конденсаторе 1 начинает конденсироваться за счет отвода тепла в более холодной среде с уменьшением объема. Стремясь компенсировать возникающую разность давлений в задающем устройстве 5 и испарителе/конденсаторе 1 через мембранный узел 4 к мембранному узлу 2, электропроводящая жидкость при закрытом обратном клапане 17 с высокой скоростью перетекает по жидкостному рабочему каналу 11 пересекая магнитное поле созданное магнитами 13, что ведет к возникновению электрического тока на электродах 12 при появлении нагрузки потребителя 15. Таким образом рабочий цикл блока устройств завершен и повторяется вновь.

Аналогичных блоков (Фиг.1) в составе энергетической установки (Фиг.2) может быть много, при этом, устройство задающее внешнее давление 5 может быть одно . Опоры 8, служат в том числе, для изменения расстояния между осью вращения 7 и границей сред 14 и регулирования времени нахождения Испарителя/конденсатора 1 в той или иной среде для достижения оптимального- цикла, скорость вращения энергетической установки задается приводом 8 и служит той же цели - достижение оптимального цикла работы. Регулятор давления 6 изменяет давление в задающем устройстве 5 в соответствии с изменениями температурных характеристик нагревающей среды и является управляющей системой.

Достигнутый технический результат обеспечивает использование минимального температурного градиента двух сред для осуществления управляемого термодинамического цикла фазового перехода рабочего тела в испарителе-конденсаторе и используя устройство задающее внешнее давление позволяет преобразовать возникший в процессе конденсации рабочего тела градиент давления в кинетическую энергию потока токопроводящей жидкости в магнитном поле и далее напрямую в электрическую энергию, а так же, практическое отсутствие изнашиваемых узлов и механизмов, высоких скоростей, высокие показатели удельной энергоемкости, простоту, низкую стоимость, экологическую чистоту и долговечность импульсного преобразователя низкопотенциальной тепловой энергии в электрическую энергию.