Устройство преобразования тепловой энергии в энергию изменения давления

 

Изобретение относится к машиностроению и используется для теплообмена между средами с одновременным приводом автономно действующих механизмов. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей последнего. При полностью закрытом запорном вентиле устройство ра/ /J ботает аналогично известному, преобразуя тепловую энергию в энергию изменения давления, при открытом запорном вентиле и закрытом вентиле сопла 15 рабочее тело 4 испаряется в нагревателе 1 и конденсируется в охладителе, после чего сливается по трубопроводу 7 через турбину 9, преобразуя гравитационную энергию рабочего тела 4 в полезную механическую энергию турбины 9, совместное открытие запорного вентиля и вентиля сопла 15 позволяет осуществить одновременное преобразование тепловой энергии в энергию изменения давления и энергию турбины 9 за счет подсоса газовым потоком из сопла 15 жидкого рабочего тела 4. 1 з. п., 1 ил. г/9 /7 I У

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (s1)s F 03 G 7/06

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

Ю 8 и

17 12

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4748585/06 (22) 16.10.89 (46) 23.11.92. Бюл. М 43 (75) Э. П. Коваленко (56) Авторское свидетельство СССР

N1 1315647, кл. F 03 G 7/06, 1987, (54) УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭНЕРГИЮ ИЗМЕНЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к машиностроению и используется для теплообмена между средами с одновременным приводом автономно действующих механизмов. Цель изобретения — расширение функциональных возможностей последнего, При полностью закрытом запорном вентиле устройство работает аналогично известному, преобразуя тепловую энергию в энергию изменения давления, при открытом запорном вентиле и закрытом вентиле сопла 15 рабочее тело 4 испаряется в нагревателе 1 и конденсируется в охладителе, после чего сливается по трубопроводу 7 через турбину 9, преобразуя гравитационную энергию рабочего тела 4 в полезную механическую энергию турбины

9, совместное открытие запорного вентиля и вентиля сопла 15 позволяет осуществить одновременное преобразование тепловой энергии в энергию изменения давления и энергию турбины Q за счет подсоса газовым потоком из сопла 15 жидкого рабочего тела

4. 1 з. п., 1 ил.

1776875

50

Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано для теп1ообмена между средами при одновременном приводе в действие объемных насосов и/или гидравлических турбин.

Известно устройство преобразования тепловой энергии в энергию изменения давления, содержащее нагреватель и охладитель, заполненные рабочим телом и соединенные между собой трубопроводом подачи рабочего тела из нагревателя в охладитель и трубопроводом возврата рабочего тела в нагреватель. В трубопроводе возврата установлен открытый в сторону нагревателя обратный клапан, а звено отбора мощности подсоединено к нагревателю, Охладитель устройства расположен над нагревателем, вход трубопровода подачи размещен в приямке с зазором между его торцом и дном приямка, выход расположен в охладителе выше максимально возможного уровня жидкости, Недостатком этого устройства является узость его функциональных возможностей. Так, оно не позволяет осуществлять непрерывный равномерный теплообмен между нагревающей и охлаждающей средами, расположенными на большом расстоянии между собой по высоте, при одновременном использовании гидравлической энергии слива рабочего тела.

Цель изобретения — совершенствоваwe устройства преобразования тепловой энергии в энергию изменения давления.

Для этого устройство дополнительно снабжено трубопроводом подсоса, содержащим вентиль и сопло на одном из его концов; запорным вентилем и гидротурбиной, Часть трубопровода подачи рабочего тела, размещенная в нагревателе, выполнена перфорированной, трубопровод подсоса закреплен внутри трубопровода подачи соосно с ним, так, что сопловый конец трубопровода подсоса расположен выше перфорированного участка трубопровода подачи, а второй конец трубопровода подсоса на одном уровне со входным концом трубопровода подачи. запорный вентиль размещен на трубопроводе подачи между перфорированным участком и уровнем соплового конца трубопровода подсоса с возможностью перекрытия проходного сечения трубопровода подачи, гидротурбина размещена на трубопроводе возврата рабочего тела. Трубопроводы подачи и возврата рабочего тела выполнены составными. Наличие в устройстве дополнительно трубопровода подсоса, запорного вентиля и турбины является необходимым условием для подъема жидкого рабочего тела из нагревателя в охладитель за счет избыточной энергии обтекающего сопло трубопровода подсоса газа, и увеличения расхода жидкого рабочего тела, сбрасываемого из охладителя в нагреватель через турбину, а, следовательно, для достижения поставленной цели. Выполнение части трубопровода подачи рабочего тела, размещенного в нагревателе, перфорированной обеспечивает возможность поступления газообразного рабочего тела в этот трубопровод, обтекание им сопла трубопровода подсоса, а в результате работу последнего как жидкостеподъемника, Выполнение трубопроводов подачи и возврата рабочего тела составными позволяет расширить диапазон возможностей поддержания режимов подачи и сброса рабочего тела соответственно из нагревателя в охладитель и из охладителя в нагреватель через турбину.

Ка чертеже представлен поперечный разрез устройства, Устройство содержит нагреватель 1 и расположенный над ним охладитель 2, заполненные в качестве рабочего тела газом

3 и его жидкостью 4, например фреоном или аммиаком; нагреватель 1 и охладитель

2 соединены между собой трубопроводом

5 подачи рабочего тела, имеющим теплоизолированные стенки, и который в пределах части 6, расположенной в нагревателе 1, выполнен перфорированным, Нагреватель

1 и охладитель 2 соединены также трубопроводом 7 возврата жидкого рабочего тела из охладителя 2 в нагреватель 1 с обратным клапаном 8, открывающимся в сторону нагревателя 1. На трубопроводе 7 расположена гидравлическая турбина 9 или двигатель, Основание 10 нагревателя 1 выполнено с приямком 11 для сбора жидкости, причем начало 12 трубопровода 5 размещено в приямке 11 с зазором между его торцом и дном.

Выход 13 трубопровода 5 расположен выше максимально возможного уровня жидкости

4 в охладителе 2, а вход 14 трубопровода 7 сообщен с нижней частью охладителя 2. В трубопроводе 5 в нижней его части коаксиально установлен трубопровод подсоса, имеющий сопло 15 с вентилем, вход в которое расположен на той же отметке, что и начало 12 трубопровода 5, с которым сопло

15 жестко связано ниже перфорации, а выход — выше перфорированной части 6 трубопровода 5, Внутренний диаметр трубопровода 5 больше, чем внешний диаметр сопла 15 в пределах последнего, выше сопла площадь поперечного сечения трубопровода 5 уменьшается на площадь поперечного сечения сопла 15 трубопровода подсоса. Трубопроводы 16 и 17 в качестве звеньев отбора мощности соответственно подключены к нагревателю 1 и охладителю

1776875

20 цр Н ЛР+gph (2) 25

35 (3) 40

ЛР > ср Н, 45

2 через вентили 18 и 19, Объем жидкого рабочего тела в устройстве больше, чем его объем в полностью заполненном трубопроводе 7. К турбине 9 подсоединен генератор электрического тока или насос (на фиг. не показан). Трубопроводы 16 и 17 подсоединены к дополнительному потребителю энергии перепада давления (на фиг. не показано). На трубопроводе 7 может быть установлено несколько последовательно установленных турбин с расположенными между ними буферными камерами (на фиг. не показаны). В части трубопровода 5 на уровне ниже выхода сопла 15, но выше перфорированной части 6 трубопровода 5 установлен вентиль, регулирующий поступление газа, обтекающего сопло (на фиг. не показан). Трубопровод 5 и трубопровод 7 выполнены имеющими вставные части одинаковой длины по высоте (на фиг. не показаны).

Устройство работает следующим образом.

При закрытых вентилях трубопроводов 16 и 17 жидкость 4 (например, фреон или жидкий аммиак) подогревают в нагревателе 1. В результате этого давление газообразного фреона или аммиака увеличивается (см., например, с. 393 и с.

464, табл, Термодинамические свойства аммиака, Н. Б. Варгафтик. Справочник по тепло-физическим свойствам газов и жидкостей. М„изд. Наука, 1972). Газ 3 через отверстия перфорированной части 6 поступает в трубопровод 5 (при открытом его вентиле) и по нему в охладитель 2, Поступление газа в охладитель 2 происходит при условии (с точностью до потерь и инерционной составляющей), что где ЛР— перепад давления газа в нагревателе 1 и охладителе 2;

Pz — средняя плотность газа в трубопроводе 5:

Н вЂ” высота столба газа в трубопроводе 5; . g — ускорение силы тяжести, В охладителе 2 газ охлаждается и конденсируется, выделяемое при этом тепло отводят через стенки охладителя 2 в среду, охлаждающую его. При отводе газа 3 из нагревателя 1 в нем давление несколько понижается, и из жидкого рабочего тела 4 выделяется газ, который непрерывно и pasномерно начинает поступать по трубопроводу 5 в охладитель 2. При этом в нагревателе 1 при испарении жидкости поглощается тепло, которое непрерывно подводится через стенки нагревателя 1 от подогревающей среды к рабочему телу. Так кэк давление в нагревателе 1 выше, чем. давление в охладителе 2, клапан 8 закрыт и блокирует поступление газа из нагревателя 1 по трубопроводу 7 возврата в охладитель 2.

Конденсированная в охладителе 2 жидкость

4 стекает в трубопровод 7. По мере увеличения столба жидкости 4 в трубопроводе 7 давление его на лопасти турбины 9 и клапан

8 увеличивается, Когда перепад дэвления жидкости на клапан 8, действующей на него со стороны охладителя 2, и давления газа 3 со стороны нагревателя 1 станет больше, чем перепад давления газа 3 между нагревателем 1 и охладителем 2, клапан 8 открывается и жидкость 4 поступает в нагреватель 1. При этом должно соблюдаться неравенство (с точностью до потерь) где p — средняя плотность жидкости 4 в трубопроводе 7;

Нж — высота столба жидкости 4 в трубопроводе 7;

h — высота жидкости 4. необходимая для привода турбины 9 (высота напора на турбину или турбины);

g h — напор, утилизированный турбиной или турбинами, При условии, что где Ок — расход жидкости, получаемой конденсацией газа в охладителе?.

Q — расход жидкости, сбрасываемой через турбину 9; происходит равномерное перемещение рабочего тела-теплоносителя из нагревателя 1

Ilo трубопроводу 5 в виде газа в охлэдитель

2 и сброса с него через турбину 9 жидкости обратно в нагреватель 1 по трубопроводу 7, и т.д, в непрерывном процессе, В этом случае осуществляют непрерывный равномерный теплообмен между нагревающей и охлаждающей средами при одновременном использовании гидравлической гравитационной энергии слива жидкого рабочего тела.

Когда перепад температуры между нагревающей и охлаждающей средами увеличивается, и при этом возрастает разница температур рабочего тела в нагревателе и охладителе, перепад давления газа в нагревателе и охладителе увеличивается, соответственно возрастают скорости газа в трубопроводе 5. При обтекании газом сопла

15 давление на выходе из него меньше, чем

1776875

50

55 на входе. При определенной скорости газа, обтекающего выход из сопла 15, с не о срываются капли жидкости, которые подхватываются потоком газа и выносятся им в охладитель 2 (см. с, 47-54. М, П. Калинушкин. Гидравлические машины и холодильные установки. М., Высшая школа, 1973).

Таким образом, часть избыточной энергии движущегося газа используется в рассматриваемом случае для подъема жидкого рабочего тела в охладитель 2. Это также интенсифицирует испарение рабочей жидкости из-за интенсификации теплообмена.

В результате увеличивается масса жидкости, сбрасываемой по трубопроводу 7. Количества жидкости, проходящей через сопла

15 трубопровода подсоса, регулируют вентилем, установленным на нем. В рассматриваемом случае избыточная энергия перепада давления газа в нагревателе 1 и охладителе 2 может также отводиться потребителю по трубопроводам 16 и 17 пои открытых вентилях 18 и 19, величиной открытия которых регулируют количество энергии, отводимой от устройства потребителю, например. для привода объемных насосов, Регулирование жидкости, проходящей через сопла 15 с помощью вентиля, установленного на нем, а также отвода части энергии перепада давления газа по трубопроводам 16 и 17 через их вентили внешнему потребителю позволяет расширить возможности поддержания равномерного теплообмена между нагревающей и охлаждающей средами при одновременном использовании энергии слива жидкости с обеспечением более широких возможностей регулирования работы турбины без потерь энергии и уменьшения КПД устройства, Высоту расположения охладителя 2 над нагревателем 1 регулируют изменением количества вставных частей в трубопроводах 5 и 7, добавляя или демонтируя которые, соответственно увеличивают и уменьшают расстояние по высоте между нагревателем 1 и охладителем 2. При этом вентиль на трубопроводе 5, вентиль сопла

15 и турбина 9 закрыты. При открытом вентиле сопла 15 трубопровода подсоса и эакрытом вентиле трубопровода 5 предлагаемое устройство работает полностью аналогично известному устройству по авт, свид. СССР N 1315647.

Устройство целесообразно прежде всего использовать для утилизации тепла сб росных вод, поступающих в естественные водоемы или охладители, в том числе пруды-охладители в районах, имеющих подходящие перепады отметок земной поверхности, например. в горных районах. В этом случае, по сравнению с известным по авт. саид. СССР

¹ 1315647 устройством, заявляемое устрои ство позволяет равномерно отводить тепло от сбросных вод или других источников вторичных энергоресурсов, а, следовательно, избежать негативных экологических последствий, связанных с неравномерным во времени отводом сбрасываемого тепла, причем беэ интенсификации испарения сбрасываемых вод, что особенно важно с технологической и экологической точек зрения. Кроме того, оно дает возможность повысить КПД устройства при преобразовании тепловой низкопотенциальной энергии в механическую путем увеличения до максимально возможного предела гравитационной энергии сбрасываемой из охладителя 2 в нагреватель 21 жидкости и сведения к минимуму энергетических потерь на подачу газа из нагревателя

1 в охладитель 2;а также отвода избыточной энергии перепада давления газа внешнему потребителю. При этом гидравлическая турбина работает при возможно высоком напоре, а, следовательно, ее стоимость является минимальной по сравнению с другими вариантами использования гравитационной энергии сбрасываемого жидкого рабочего тела.

Формула изобретения

1, Устройство преобразования тепловой энергии в энергию изменения давления, содержащее частично заполненные рабочим телом нагреватель и охладитель, соединенные между собой трубопроводами подачи и возврата рабочего тела, причем охладитель расположен над нагревателем, о т л и ч à ющ е е с я тем, что, с целью расширения его функциональных возможностей, устройство дополнительно снабжено трубопроводом подсоса, запорным вентилем и гидротурбиной, часть трубопровода подачи рабочего тела, размещенная в нагревателе, выполнена перфорированной, трубопровод подсоса содержит вентиль и сопло, расположенное на одном из концов, трубопровод подсоса закреплен внутри трубопровода подачи соосно с последним, так что сопловой конец трубопровода подсоса раСположен выше перфорированного участка трубопровода подачи, а второй конец трубопровода подсоса на одном уровне с входн ым концом трубопровода подачи, запорный вентиль размещен на трубопроводе подачи между перфорированным участком и уровнем соплового конца трубопровода подсоса с возможностью перекрытия проходного сечения трубопровода подачи, гидротурбина размещена на трубопроводе возврата рабочего тела.

2. Устройство по и. 1, о тл и ч а ю ще ес я тем, что трубопроводы подачи и возврата рабочего тела выполнены составными.