Устройство для получения механической энергии за счет энергии солнца

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)я F 03 G 7/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4782667/06 (22) 27.11;89 (46) 15.02.93. Бюл. ¹ 6 (71) Владимирский политехнический институт и Специальное кочструкторско-технологическое бюро "Импульс" при

Нижегородском политехническом институте (72) Д.Е.Сухин, В.И.Бурлаков, В.И.Кучеренко и Л,Н.Варначев (56) Двигатели внутреннего сгорания, Устройство и работа поршневых и комбинированйых двигателей, под. ред. А.С.Орлина, M,: Машиностроение, 1980, с. 267, рис. 166.

Изобретение относится к энергетике, преимущественно: получение механической энергии и опреснение воды за счет энергии Солнца.

Оно может быть использовано при получении механической энергии и опреснении воды, в основном, в районах с жарким климатОм, где дефицитом является пресная вода и имеется наличие минерализованной воды.

Оно может быть использовано и в средних Гширотах Земного шара при получении только механической энергии, если в получении пресной воды нет необходимости.

Оно может быть использовано для получения дополнительной механической энергии на тепловых электростанциях. работая за счет воды для охлаждения конденсаторов, особенно в зимнее время.

С максимальным коэффициентом полезного действия это изобретение может

„„5U„„1795145 А1 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ЗА СЧЕТ ЭНЕРГИИ СОЛНЦА (57) Использование: в энергетике. Сущность изобретения: механическая энергия получается за счет разности работ сжимаемого объема воздуха при впрыскивании в него воды с нижним температурным параметром и расширяющегося объема воздуха при впрыскивании в него воды с верхним температурн ы M параметром. Устройство содержит дополнительную водяную емкость с впускным клапаном. Цилиндры компрессора и двигателя выполнены в виде тороидов с форсунками для впрыска воды, 2 ил. работать в тех местах, где есть возможность создания солнечного соляного пруда.

Устройство для получения механиче.ской энергии включает в себя специальный испаритель, вакуумные насосы, паровую турбину и другие дополнительные устройства, работающие с помощью солнечного соляного пруда.

Недостатком этого устройства является наличие специального испарителя для получения пара из минерализованной воды, который поступает в паровую турбину и вакуумные насосы, после чего он, конденсируясь, превращается в пресную воду. Наличие специального испарителя делает всю установку взаимозависимой и способствует ее удорожанию.

Цель изобретения — повышение эффективности получения механической энергии, Поставленная цель достигается тем, что механическую энергию получают за счет

1795115 разности работ сжимаемого воздуха при впрыскивании в него воды с нижним температурным параметром, т.е. вода, взятая с верхних слоев солнечного соляного пруда, и расширяющегося объема воздуха при впрыскивании в него воды с верхним температурным параметром, т.е. вода, взятая из нижних слоев солнечного соляного пруда.

Конденсация водяных паров производится после расширения объема с верхним температурным параметром, Устройство для получения механической энергии, включающее двигатель, состоящий из "тороидальных цилиндров", поршней с форсунками, коромысла с центральным рычагом, вала, соединительных фланцев, кривошипно-шатунного механиз. ма, водяных емкостей, соединительных водяных труб, соединительных воздушных труб, водяного насоса, водяных и воздушных заслонок, циклона и теплообменникэ; и компрессор, состоящий из "тороидальных цилиндров", поршней с форсунками, коромысла с центральным рычагом, вала, соединительных фланцев, соединительных труб, водяных. заслонок, воздушйых всасывающих и нагнетательных клапанов, циклона, регулятора уровня жидкости,"детандера, водяного насоса.

Каждый цилиндр двигателя снабжен дополнительной водяной емкостью с впускным краном, расположенной выше уровня цилиндра (например, на 2 метра) и соединяющейся с рабочим объемом цилиндра воздушной трубой и водяным каналом через форсунки с заслонкой.

Авторами не выявлены устройства, в которых каждый цилиндр двигателя соединен

-с дополнительной водяной емкостью с впускным краном, располо>кенной выше уровня цилиндра (например, на 2 метра) воздушной трубой и водяным каналом через форсунки с заслонкой.

В настоящее время для получения механической энергии за счет энергии Солнца при наличии солнечного соляного пруда из- вестна установка, основными узлами и агрегатами которой являются: специальный испаритель, паровая турбина и другое вспомогательноее оборудование.

Недостатком этого устройства является наличие отдельного испарителя и отдельного двигателя (турбины), что делает устройство взаимозависимым и способствует его удорожанию.

Известны также двигатели-компрессоры (СПДК), работающие на опливе (нефтепродукты, газ и т.д.), что и является существенным отличием от предлагаемого устройства.

В настоящей заявке предлагается устройство получения механической энергии и опреснения воды за счет энергии Солнца.

Это осуществлено в одном агрегате, т.к. протекающие процессы между собой взаимосвязаны. Такой агрегат может являться компактным модулем, которым может пополниться энергетическая станция в дейст- вии по мере выпуска их промышленностью.

На фиг.1 представлены термодинамические характеристики компрессора и двигателя; на фиг.2 — предлагаемое устройство.

Для реализации этого предложения примем термодинамический цикл, который

15 состоит из двух изотерм и двух изобар (см; фигЛ). Возможно также применить и цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабэт (цикл Карно), но он усложнит конструкцию, хотя и КПД выше. Остановимся на первом

20 цикле.

Исключая некоторое переменное температурное воздействие на узлы и детали устройства, которое может понижать КПД, примем для изотермического сжатия (прибли>кение к изотерме) компрессор, а для изотермического расширения — двигатель.

Температура изотермы сжатия меньше температуры изотермы расширения. Таким образом, полезная работа будет равна

30 разности работ двигателя и компрессора.

Устройство состоит из двигателя и компрессора (см, фиг.2), Двигатель состоит из

"тороидальных цилиндров 1 (на фиг,2 у двигателя показано два "тороидальных цилин35 дра", которые в дальнейшем будем называть правым и левым) поршней 2 с форсунками, коромысла 3 с центральным рычагом 4, вала 5, соединительных фланцев

6, кривошипно-шатунного механизма 7, дополнительных водяных емкостей 8, кранов

9, соединительных водяных труб 10, соединительных воздушных труб 11, водяного насоса 12, водяных заслонок 13, впускных воздушных заслонок 14, выпускных засло45 нок 15, циклона 16, теплообменника 17.

Компрессор состоит из "тороидэльных цилиндров" 18, поршней 19 с форсунками, коромысла 20 с центральным рычагом 21, вала 22, соединительных фланцев 23, соеди50 нительных водяных труб 24, водяных заслонок 25, всасывающих клапанов 26, нагнетательных клапанов 27, циклона 28, регулятора уровня выходящей жидкости 29, детандера 30, ресивера 31, насоса 32.

55 Работа устройства.

На фиг.1 представлен теоретический цикл компрессора е-а-Ь-f-e и двигателя f-cd-e-f. Полезная работа будетсоставлять разность площадей этих циклов, т.е. Ь-с-d-а-Ь.

Если взять солнечный соляной пруд с теМпературой нижнего слоя воды пруда

90 C и верхнего слоя с температурой 30 С, то при изотермическом сжатии воздуха в компрессоре вода для охлаждения будет использоваться с температурой 30 С, а при расширении воздуха в двигателе, сначала пб изобаре, а затем по изотерме, вода для нагревания будет использоваться с темпе.. ратурой 90 С. Перепад температуры воды ка при нагревании, так и при охлаждении примем A t=10, тогда изотермическое сжатие будет происходить при температуре из.сжатия=30+1 0=40 С. а иэоте рм ичес кое расширение тра.рд щ=90 1 0=80 С.

Разумеется, необходимо для этого соотвегственное количество впрыскиваемой водь! в "тороидальные цилиндры" как при сжатии, так и при расширении. Давление в на4але сжатия и в конце расширения примем Р2=1 бар; давление в конце сжатия (давление в ресивере) Р1=3 бара, Рассмогрим работудвигателя, При вращении шатунно-кривошип ного механизма 7 кцЬомысло 3 с поршнем 2 будет совершать колебательное движение относительно "торо)1дальных цилиндров", На фиг .2 показачы крайние положения поршней и,соответст. венное расположение деталей,и механиз-. ма в.

В левом "тороидальном цилиндре поршень 2 находится в крайнем верхнем поло. жении. При этом дополнительная водяная ем ость 8, которая находится выше уровня поршня, например на 2 метра, пустая; маги-. страль водяного насоса 12 перекрыта краном 9 дополнительной водяной емкости; воЛяная магистраль в корсмысле, которая соединяется с форсунками, расположенными в днище поршня, перекрыта водяной заслонкой 13; всасывающий воздушный канал перекрыт впускной воздушной заслонкой

14 впускная заслонка 15 открыта.

B правом "тороидальном цилиндре" по шень находится в крайнем верхнем по ло <ении. При этом дополнительная водяна емкость 8, которая находится выше уровня поршня, например на 2 метра, пустая; магистраль водяного насоса 12 перекрыта краном 9 дополнительной водяной емкости; водяная магистраль в коромысле, которая соединяется с форсунками, расположенными в днище поршня, перекрыта водяной заслонкой 13; всасывающий воздушный канал перекрыт впускной воздушной заслонкой 14; впускная заслонка 15 открыта.

В правом "тороидальном цилиндре" поршень находится в крайнем нижнем положении. При этом дополнительная водя10

40 ная емкость заполнена водой с темперагурой 90 С из солнечного соляного пруда с помощью водяного насоса 12. разовая порция воды которого равна объему дополнительной водяной емкости; кран дополнительной водяной емкости закрыт; впускная воздушная заслонка открыта; водяная магистраль в коромысле перекрыта водяной заслонкой, впускная заслонка закрыта.

Сначала рассмотрим работу правой части двигателя. Как только открылась впускная воздушная заслонка, воздух из ресивера 31, куда ан нагнетается компрессором под давлением 3 бара с температурой

40 С, поступает в "тороидальйый цилиндр" и поршень начинает двигаться под постоянным давлением (на диаграмме фиг.1 движение изобра кено от точки f до точки b). В точке Ь воздушная заслонка закрывается и постепенно открывается водяная заслонка в коромысле, после чего вода, при температуре 90 С, из дополнител ьной водяной емкости через форсунки в поршне под давлением высоты водяного столба мелкими брызгами поступает в сжатый воздух, Наличие соединительной воздушной трубы

11 способствует воде под давлением высоты водяного столба поступать в сжатый объем воздуха

При контакте сжатого воздуха с горячей водой происходит увеличение объема за счет нагревания воздуха и испарения воды и движение поршня продолжается под постоянным давлением (на диаграмме фиг.1 прямая b-c).

В зависимости от количества воды, подаваемой в разбрызганном состоянии в сжатый воздух, а также скорости движения псрш ня; давление в "тороидал ьном цилиндре" может быть постоянным и прямая b-c фиг,1 может быть изобарой.

Достигнув точки с и температуры 80 С, паровоздушная смесь продолжает расши45 ряться bio изотерме при дальнейшем движении поршня и дальнейшей подаче воды с температурой 90 С, которая, охлаждаясь до температуры 80 С, поддерживает постоянную температуру при изотермическом расширении (объем дополнительной водяной емкости должен быть таким, чтобы воды в ней хватало до конца изотермического расшйрения). Конец изотермического расширения в точке, где правый поршень займет верхнее положение.

Если в точке b при закрытой воздушной заслонке мгновенно открыть водяную заслонку, то давление в полости "тороидального цилиндра, может стать выше давления, в ресивере и прямая Ь-с может

1795145

20

40 ным по сравнению с тем двигателем, в котором они бы отсутствовали, Если бы в сжатый объем воздуха пода- 55 занять положение политропы b -с фиг.1.

1 1

Это еще зависит и от скорости поршня.

Что же происходит в левой части двигателя в момент перемещения правого поршня из нижнего положения в верхнее, т.е. на фиг,1 движение соответствует точкам f-b-с-д.

Левый поршень из верхнего положения перемещается в нижнее и при этом зависимые операции в левой части двигателя проходят такие, какие должны проходить в правой части двигателя при перемещении правого поршня из верхнего положения в нижнее. Это движение явля тся выхлопом (на диаграмме фиг.1 прямая d-а-е).

При этом; при открытой выпускной заслонке 15 содержимое рабочего объема "то. роидального цилиндра" (паровоздушная смесь и вода) при температуре 80 С поступает в циклон 16, где отсепарированная вода направляется в нижний слой солнечного соляного пруда для подогрева, Вопрос извлечения из пруда кристаллизуемой соли, которая может постепенно накапливаться, здесь не рассматривается. Паровоздушная смесь поступает в теплообменник 17, работающий в противотоке, в котором водяные пары конденсируются и пресная вода поступает к.потребителю. Вода, которая идет в теплообменнйк для охлаждения паровоздушной смеси (минерализованная или пресная), нагревается за счет тепла, выделяемого при конденсации паров, и может быть использована как. горячая вода, При открытой выпускной заслонке 15 и закрытой водяной заслонке 13 давление в

"тороидальном цилиндре" немного выше атмосферного, В этот момент открывается кран 9 дополнительной водяной емкости 8 и водяным насосом 12 порция горячей воды при температуре 90 подается в дополнительную водяную емкость 8, заполняя ее, после чего кран 9 закрывается, Достигнув нижнего. положения, поршень начинает возвращаться в верхнее положбние, выпускная заслонка. 15 закрывается и открывается впускная воздушная заслонка 14. В левой части двигателя начинает происходить тот процесс, который происходил ранее в правой части двигателя. Циклы повторяются

Наличие дополнительных водяных емкостей 8 делает двигатель более экономичвалась горячая вода непосредственно сразу же водяным насосом, то надо было бы преодолеть противодавление сжатого воздуха.

А поскольку объем сжатого воздуха и объем подаваемой воды могут быть соизмеримы, особенно при увеличении отношения давления Р1/Р, что полезно при увеличении мощности двигателя, то на это может затрачиваться значительная работа. И эту работу нельзя возвратить за счет детандера, т,к. вода начинает подаваться в "тороидаль-. ный цилиндр" при максимальном в нем давлении и заканчивается к концу движения поршня в верхнее положение, когда давление в "тороидальном цилиндре" почти отсутствует.

Дополнительные водяные емкости водяной насос заполняет водой в момент открытой выпускной заслонки 15, Поэтому

5 работа водяного насоса будет затрачена только на преодоление высоты водяного столба от нижнего уровня (забор воды) до верхней части дополнительной водяной емкости, а также на гидравлическое сопротивление. Таким образом, увеличение отношения давления Р1/Pz на работу водяного насоса почти не влияет.

Детали двигателя и относящиеся к нему механизмы, соприкасающиеся с горячей во5 дой и окружающей средой, снабжены теплоизоляцией (не показано), Рассмотрим работу компрессора. При вращении шатунно-кривошип ного механизма 7 центральный рычаг 21, коромысло 20, поршня 19 с форсунками совершают колебательное движение и при наличии всасыва ющих и нагнетательных клапанов 26, 27 компрессор может работать.

Как известно, работа компрессора бу5 дет минимальной при изотермическом сжатии. С этой целью используем для охлаждения при изотермическом сжатии холодную воду (ЗООС) верхней части солнечного соляного пруда, которая подается в диспергированном состоянии (грубодисперсный аэрозоль) за счет водяного насоса и форсунок, расположенных в днище поршня, в сжимаемый объем "тороидального цилиндра".

5 . Вода, соприкасаясь со сжимаемым воздухом, нагревается до температуры 40 С;

Таким образом, разность температур

Ь|=10, умно>кенная на количество (массу) и на ее теплоемкость, составит то тепло.

0 которое надо отнять от изотермически сжимаемого воздуха (паровоздушной смеси) при температуре 40 С (разумеется, часть тепла идет на испарение воды при температуре 40 С), Рассмотрим работу правой и левой части компрессора.

Работа правой части компрессора. При перемещении поршня из нижнего положения в верхнее всасывающий клапан 26 открывается и окружающий воздух

1795145

10 полезная работа

55 заСасывается в полость "тороидального цилиндра". Водяная заслонка в канале коромь}сла при этом закрыта. После того, как поршень достиг верхнего положения, всасывающий клапан 26 закрывается и поршень идет вниз. Водяная заслонка в канале ко}>омысла открывается и в. испергированном состоянии вода при температуре 30 С поступает при закрытых клапанах 26 и 27 в сжимаемый объем воздуха, принимая на себя тепло изотермического сжатия, Как только давление достигнет немногим больше давления в ресивере, открывается нагнетате}льный клапан 27 и содержимое (паровоздушная смесь и вода при температуре 40 С) направляется в циклон 28, где происходит от еление воды от паровоздушной смеси.

Выделенная вода поступает в регулятор уровня выходящей жидкости 29 (регулятор уровня выходящей жидкости дает возмо>кнОсть выходить только накапливающейся воде при сохранении давления в циклоне, равного давлению в ресивере), затем в детандер 30 (детандер возвращает, в основн м ту энергию, которая была затрачена водяным насосом при впрыскивании воды в противодавление) и затем наружу. Паровоздушная смесь при 40 С направляется в ресивер.

Работа левой части компрессора аналогична правой.

Двигатель и компрессор связаны между сс}бою шатунно-кривошипным механизмом.

Ка к дв и гател ь, так и коми рессор, имеют

"тороидальные цилиндры" одного и того же диаметра и один и тот же диаметр у средних окружностей "тороидальных цилиндров".

Но расстояния R} у двигателя (расстояние от оси вала 5 до шарнира шатуна двигателя) и R2 (расстояние от оси вала 22 до шарнира шатуна компрессора) разные. Причем, R2 бОл.ьше-.й}, Таким образом, при вращении кривошипа радиусом г, который меньше R2 и меньше R}, угол Р будет меньше угла а.

Следовательно, рабочий объем "тороидальнь}х цилиндров" двигателя будет больше рабочего объема "тороидальных цилиндров" компрессора. Если давление в ресивере (Р1=2 бара) выше давления окружающей среды (Р2=1 бар) и температура рабочего вещества в двигателе (11=80 С) выше температуры в ресивере (t2=40 С), то устройство будет работать.

Ранее нами установлено, что изотермическое сжатие происходит при т2=40 С, а изотермическое расширение при tt=80 С.

Сделаем ориентировочный расчет работы устройства, 5

Допустим, что в процессе принимает участие только чистый воздух (первоначальное давление Р2=1 бар; давление в ресивере, температура изотермического сжатия

t2=40 С (Т2=313К); температура иэотермического расширения t}=80 С (Т}=353К); газовая постоянная воздуха Ба=287 Дж/(кг. К)), Из формулы для одного кг идеального газа работа изотермического сжатия

}сж=йв Т2 IA — =0,287 3131r} —

Р1 3

Р2 1

=98,68944 кДж/кг; работа изотермического расширения

}рас=Вв Т) In — =0,287 353 In

I 1 . 3

Р2 1

=111,3015 кДж/кг;! лолн=1расш !си=111,3015-98,68944=

=12,61206 кДж/кг.

Таким образом, при участии в процессе одного кг чистого воздуха получено полезной работы 12,61206 кДж/кг, В действительности же в изотермическом процессе принимает влажный воздух, т.е, паровоздушная смесь, которая состоит из воздуха и водяного пара.

Если газовая постоянная воздуха

Ба=287 Дж/(кг К), а газовая постоянная водяного пара R<-461 Дж/(кг К), то газовая постоянная смеси воздуха и пара RcM будет больше газовой постоянной воздуха, Поскольку степень насыщения воздуха зависит от температуры при одном и том же давлении, то RcM при 80 С будет больше RcM при 40 С.

В расчетной формуле определения работы одного кг воздуха при иэотермичеР1 ском процессе I=R> Т 1п — как при

Р2 сжатии, так и при расширении при постоянном отношении Р1/Р2 на величину работы влияет только температура, т.к, газовая постоянная воздуха RB как при сжатии, так и при расширении одна и та же.

Если же в процессеучаствует паровоздушная смесь при том же отношении давлений, что и для воздуха и тех же температурах изотермиЧЕСКОГО СжатИЯ И РаСШИРЕНИЯ ТО }сж,сц.=

Р1 г Р}

=псж40 С Т2 In —, а }расш.cM"Rcx80, Й In —, Р2 1 Р2 можно видеть, что разность работ одного кг смеси (полезная работа) будет больше по12

1795145

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я:.: а также шатунно-шарнирный синхронизирующий механизм,.о т л и ч а ю щ е е с.я тем, Устройство для получейия механиче- что, с целью повышения эффективности, циской энергии за счет энергии Солнца, вклк>- линдры компрессора и двигателя выполнечающее цилиндры компрессора и двигателя ны тороидальной формы с форсунками для с всасывающими и выхлопными клапанами,, впрыска воды.

)йэобара

1 лезной работы одного кг чистого воздуха. т к Йсм во с,больше RcM 40 с.

Паровоздушная смесь, вышедшая из

"тороидального цилиндра" двигателя при температуре 80 С, конденсируется, максимальная температура конденсации равна

400С.

Количество воды, получаемой из одного кг паровоэдушной смеси, равно разности влагосодержания при температурах 80 С и

400С, Если же засасываемый компрессором воздух имеет температуру ниже 30 С, что может быть в ночное время работы устройства, то охлаждающая вода. подаваемая в компрессор при сжатйи, подается не сразу (начало сжатия), а по достижении температуры сжимаемого воздуха. равной темпераI туре охлаждающей воды, т.е. 30 С (температура верхнего слоя солнечного соляного пруда). Работа устройства в этом случае экономичнее..

5 В.компрессоре может изменяться рабочий объем за счет изменения расстояния и длины коромысла (не показано). Это может быть вызва. о заметным изменением температур солнечного соляного йруда в раэлич10 ное время годл.

Получение пресной воды при использованйи устройства для получения механической энергии носит характер побочного явления (самопроизвольного). тем более, 15 что такое устройство является более приемлемйм в,тех местах с жарким климатом, где имеется мийерализованная вода и наличие дефицита пресной воды.

17Ж t i5

Составитель Д.Сухин

Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор П.Гереши

Редактор А БеР

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 416 Тираж Подписное

BHMYiRI Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.,4/5