Способ преобразования тепла в газовых циклах и устройство для осуществления изотермических частей цикла по способу преобразования тепла в газовых циклах

 

Использование: трансформаторы тепла, тепловые насосы и тепловые двигатели. Сущность изобретения: термодинамический цикл с подводом и отводом тепла начинают с процессов сжатия и расширения двух разных порций газообразного рабочего тепла в роторной машине, поочередно приводя их в контакт с одними и теми же регенеративными поверхностями. Затем каждую порцию рабочего тепла расширяют или снижают адиабатно до первоначального давления. Роторная машина содержит цилиндрический корпус с впускными и выпускными окнами. Корпус машины разделен ротором на детандерную и компрессорную части, сообщенные с впускными и выпускными окнами. Приводится соотношение, связывающее величину давления конца сжатия в компрессорной части и величину давления конца расширения в детандерной части. 2 и.з. ф-лы, 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в трансформаторах тепла и низкотемпературных тепловых двигателях.

Из литературы известно много термодинамических циклов преобразования тепла, ставших основной современной энергетики. Но загрязнение окружающей среды и повышение стойкости ископаемых видов топлива делают актуальными поисками новых способов получения энергии, как в сторону повышения эффективности преобразования, так и использования низкотемпературных источников тепла и естественных перепадов температур. Теоретически, максимальным по эффективности преобразования признается цикл Карно, описанный, например, в книге В. А.Кирилин и др. "Техническая термодинамика" М. Энергия, 1968 стр.327-329. Но из-за ограничений, налагаемых применение в цикле влажного пара, цикл практического применения не нашел. Известны высокоэффективные газовые циклы, описанные, например, в книге Е.Г.Фастовский и др. "Криогенная техника" М.Энергия. 1974. стр. 222-228. В этих циклах изотермы замыкаются изохорами (цикл Стирлинга) или изобарами (регенеративный цикл Карно). Ближе всего к предлагаемому способу классические теплонасосные газовые циклы описанные, например, в книге: Е.И.Янтовский, Л.А.Левин "Промышленные тепловые насосы" М.Энергоиздат. 1989. стр. 107-108 и стр. 62. Теплоносный цикл Томсона (Кельвина) заключается в том, что воздух первоначально расширяет адиабатно в детандере с понижением температуры, затем разряженный газ нагревают до температуры окружающей среды и снижают в компрессоре до первоначального давления с повышением температуры выше температуры окружающей среды. Этот отработанный воздух, непосредственно, используют для отопления. Наибольшие трудности и потери возникают в процессе теплопередачи к разряженному газу. Теплонасосный газовый цикл Брайтона заключается в том, что воздух, наоборот, вначале сжимают с повышением его температуры, после чего охлаждают при этом же давлении с использованием тепла для отопления. Заканчивают процесс расширением в детандере до первоначального давления.

Недостатком цикла является то, что подъем температуры сжатого воздуха должен значительно превышать температуру отапливаемого помещения с тем, чтобы обеспечить достаточную теплопередачу, а это значительно снижает эффективность цикла.

Основной задачей изобретения является снижение потерь температурного напора при температуре в теплонасосном газовом цикле до минимума и тем самым резко повысить эффективность преобразования тепла.

Эта задача решается тем, что оба цикла начинают одновременно в одной и той же двухроторной объемной машине с расширения и сжатия двух разных порций газа поочередно приводят их в контакт с одними и теми же регенеративными поверхностями тел, размещенных в рабочих камерах машины так, что количество тепла выделенное и поглощенное теплоемкостью регенеративных тел при сжатии одной порции равно количеству тепла поглощаемому при расширении другой. После чего, каждую порцию, соответственно расширяют или сжимают адиабатно до первоначального давления. Работа расширения газа в детандерах частично возмещает работу сжатия в компрессорах.

Для того, чтобы работа расширения превышала работу сжатия, то есть для того, чтобы устройство, реализующее способ, работало в режиме теплового двигателя, газ после изотермического сжатия нагревают до постороннего источника тепла теплее окружающей среды, либо охлаждают расширенный, если имеющийся источник холоднее окружающей среды, например грунтовая вода в летнее время.

Предлагаемый способ поясняется тремя рисунками: фиг.1 фиг.4 и фиг.5.

На фиг.1 показана диаграмма воздуха с нанесенной сеткой изотерм: T_x; T_o; T_т; T_p; T₂ и термодинамическими циклами по предлагаемому способу. На фиг.4 изображена принципиальная схема теплового насоса по предлагаемому способу (циклы 0-1-2-0 и 0-1-2-0, фиг.1). На фиг.5, изображена принципиальная схема теплового двигателя по предлагаемому способу. Вариант, когда посторонний источник теплее окружающей среды. (На фиг.1 циклы 0-1-3-3-4-0 и 0-1-2-0).

Реализация изотермических частей термодинамических циклов по предлагаемому способу возможна с изобретением двухроторных объемных машин с коаксиальным расположением роторов известной, например, из описания к а.с.СССР 1244356. Основу подобного типа машин составляют 2 коаксиально расположенных ротора с одним или несколькими лопастями, размещенных концентрично в цилиндрическом корпусе, совместно образующие круговую цепочку рабочих камер и смещенные по фазе привода неравномерного вращения роторов. Чаще всего, этот тип машин предлагают в качестве двигателей внутреннего сгорания и для осуществления изотермических или близких к ним процессов сжатия, расширения, эти машины не пригодны.

Основной задачей усовершенствования этого типа машин, используемых в предлагаемом способе, является максимально полный регенеративный теплообмен между т. д. процессами сжатия и расширения двух разных порций газа, объединенных в общий процесс в одной машине.

Эта задача разрешается тем, что каждый ротор выполнен с двумя радиально противоположными лопастями-поршнями, образующими совместно 4 рабочие камеры, оснащенные внутри телами с развитой регенеративной поверхностью, например, в форме пластин, подвижных в окружном направлении относительно роторов, а наружная коммутация подводящих и отводящих каналов с выпускными и впускными окнами корпуса разделяет ее на две автономные части, одна из которых подключена к внешней цепи как компрессор, а другая как детандер, причем давление в конце сжатия компрессорной половины и давление конца расширения в детанденой заданы соотношением: ; Устройство для осуществления способа проиллюстрировано фиг.2 и 3. На фиг. 2 изображен радиальный разрез устройства. На фиг. 3 изображено устройство в осевом разрезе. Устройство состоит (см. фиг.2) из цилиндрического корпуса 1, двух роторов с парами поршней 2 и 3. Во внутренних проточках роторов подвижно закреплены теплообменные пластины 4, расположенные во всех 4 камерах. Плоскость А-А разделяет полость устройства на две части. Верхняя часть с впускным окном 5 и выпускным 6 на фланцах корпуса настроена как компрессор. Нижняя часть с впускным окном 7 и выпускным 8 встроена как детандер. Настройка на функцию и выходные параметры автономных частей осуществлена размерами и расположением окон 5; 6; 7 и 8 в зависимости от направления вращения роторов. Каждый ротор соединен с отдельным приводом в коробке приводов неравномерного вращения 9 (см. фиг.3). Устройство изображено в момент вращения, когда оба ротора имеют одинаковую скорость, но ротор с поршнями 2 ускоряется, а ротор с поршнями 3 замедляет свое вращение, две камеры в плоскости А-А полностью "захлопнуты", а две перпендикулярные им максимально раскрыты, при чем, верхняя заполнена газом с параметрами: P_a; ν_a T_o; а нижняя: P'₁; T_o (см. диаграмму фиг.1).

Работает устройство следующим образом. Привода в коробке проводов 9 формируют вращение роторов таким образом, что когда один ротор имеет максимальную скорость, его спутник минимальную и наоборот, что обеспечивает непрерывное изменение объемов всех четырех камер, так поршни 2 при повороте с ускорением своей фронтальной поверхностью в верхней части сжимают газ от P_a до P₁. Одновременно в нижней части уже разреженных газ вытесняется через окно 8 к адиабатному компрессору, а тыльные кромки поршней 2 открывают окна заполнения нижней 7 и верхней 5 частей. Начинается заполнение камер в сечении А-А. Через некоторое время поршень 3, продолжая замедляться, откроет окно 6 и закроет окно 7. Тем самым, компрессорная часть начинает выпуск сжатого газа к адиабатному детандеру, а в нижней детандерной части прекращается заполнение и начинается расширение газа (процесс 0-1 на диаграмме). Этот процесс прекратится, когда поршни 2, пройдя через максимум своей скорости и начав замедляться, займут место поршней 3, а поршни 3 место поршней 2. С этого момента все процессы повторяются в той же последовательности, но с новыми порциями газа. Теплота сжатия в верхней части устройства воспринимается пластинами 4, общая теплоемкость которых значительно превышает теплоемкость порции газа за один цикл, и механически переносится в детандерную часть, где в обратном направлении через те же поверхности передается расширяемому газу. Но поскольку теплоемкость пластин значительно превышает теплоемкость порции газа за один цикл, то повышение средней температуры при сжатии и понижении при расширении только незначительно отличается от температуры окружающей среды, т.е. процессы сжатия и расширения можно считать, практически, изотермическими.

Способ с помощью описанной машины осуществляют следующим способом: газ, например воздух, всасывают одновременно в две автономные части одной машины. В одной части порцию газа сжимают до давления P (участок 0-1 на диаграмме фиг. 1) изотермически, причем выделяющаяся при этом теплота механически переносится в детандерную часть, где она передается расширяющемуся газу другой порции до давления P'₁ (0-1 на диаграмме), причем оба процесса проводят при условии, что количество тепла выделенного при сжатии одной порции равно количеству тепла поглощенного при расширении другой, а поскольку в изотермическом процессе количество подводимого тепла равно производимой работе, то и работа, затраченная на привод компрессорной части, равна работе, производимой детандерной частью. Таким образом, устройство для осуществления изотермической частей "расщепленного" цикла, в идеальном случае не получая извне ни работы, ни теплоты, расщепляет газовый поток на два, отличающихся только давлением и энтропией. Дальнейшие действия над этими потоками зависят от назначения цикла в целом. Так, в способе, предназначенном для использования в качестве теплонасосного цикла, изображенного на диаграмме фиг.1 отрезками 0-1-2-0 и 0-1'-2'-0, а принципиальная схема которого изображена на фиг.4, сжатый поток от устройства 10 для осуществления изотермических частей цикла по предлагаемому способу (в дальнейшем расширитель) направляют в адиабатный детандер 11, где поток, расширяясь, совершает работу и покидает детандер 11 холодным с температурой T_x (1-2 на диаграмме), а поток с детандерной части расщепителя 10 направляют непосредственно в компрессор 12, приводимого во вращение эл. двигателем 13 и детандером 11, где его снижают до атмосферного давления с повышением температуры до T_т (участок 1'-2').

В способе, предназначенном для использования в качестве Т.Д. цикла теплового двигателя, изображенного на диаграмме 0-1-3'-3-4-0 и 0-1'-2'-0; а, принципиальная схема которого изображена на фиг.5, сжатый поток от расщепителя 10 нагревают в рекуператоре 15 при давлении P₁ до температуры T_p (1-3' на диаграмме), после чего при этом же давлении нагревают от постороннего источника, например в солнечном коллекторе 16, до температуры Т (участок 3-3) и подают на вход адиабатного детандера 11, где газ, расширяясь, совершает работу (3-4 на диаграмме) и с температурой T_p его направляют в рекуператор 15, где он при атмосферном давлении передает избыток тепла сжатому потоку (участок 4-0). Газ от детандерной части расщепителя 10 подают непосредственно в адиабатный компрессор 12, где он с затратой работы от детандера 11 повышает давление от атмосферного и температуру до Т (участок 1'-2'). Избыток работы детандера 11 используют для выработки электроэнергии в генераторе 14. При наличии источника холоднее окружающей среды, охлаждают поток после детандерной части расщепителя 10.

Предлагаемые т.д. циклы характеризуются показателями: где ε_x холодильный коэффициент.

ε_т отопительный коэффициент.

η_д коэффициент полезного действия теплового двигателя.

Q количество теплоты на соответствующем участке диаграммы фиг.1 L количество работы на соответствующем участке диаграммы.

калорический коэффициент расщепления.

τ = ΔT_x/ΔT_т термический коэффициент расщепления.

∂ степень изотермического расширения. Основной т.д. параметр.

На диаграмме и в описании приняты обозначения: P_a давление атмосферное.

P₁ давление в конце сжатия компрессорной части расщепителя P'₁ давление в конце расширения его детандерной части.

T_o температура окружающей среды.

T_x температура в конце адиабатного расширения.

ΔT_x= (T₀-T_x) холодный перепад температур.

T_т температура в конце адиабатного сжатия.

ΔT_т= (T_т-T₀) теплый перепад температур.

T₂ температура горячего источника.

T_р верхняя температура рекуператора.

ΔT_г= (T_г-T_p) горячий перепад температур.

C_p удельная теплоемкость газа.

ν удельный объем.

K показатель адиабаты.

Теоретическая эффективность циклов по заданному способу зависит от показателей адиабаты К и ∂ степени расширения. Если в качестве рабочего тепла принять воздух с К 1,35, то коэффициент τ_q изменяется от 1,044 при ∂ 1,2 до 1,26 при d 4, а холодный коэффициент ε_x к примеру, изменится от 22,7 до 3,8; соответственно холодный перепад температур ΔT_x при T 273 K (0^oC) изменится от 10,5 K до 23,45 K, теплый ΔT_т от 13,2 K до 118 K.

Для сравнения, холодный и отопительный коэффициенты по циклу Карно для тех же перепадов температур ΔT_x и ΔT_т имеют значения: ε^R_x^fhyj от 25 до 10,64; ε^К_т^арно от 21,6 до 3,3.

Из сравнения видно, что эффективно применение предлагаемого цикла в устройствах типа тепловой насос. Анализ КПД теплового двигателя с предложенным циклом η_д показывает, что он стремится к КПД цикла Карно, при ∂ стремящейся к 1. Практически выбор значения d будет зависеть от отношения T_o/T₂, но при любом его значении, даже очень близком к единице, можно подобрать такое значение d что работа теплового двигателя будет возможна, то есть возможно получить энергию, используя даже незначительные естественные перепады температур.

Формула изобретения

1. Способ преобразования тепла в газовых циклах путем расширения газа, с последующим подводом к нему тепла при постоянном давлении, либо сжатия его с последующим отводом тепла в тех же условиях и адиабатного сжатия, расширения соответственно до первоначального давления, отличающийся тем, что оба цикла начинают одновременно в одной и той же двухроторной объемной машине с расширения и сжатия двух разных порций газа, поочередно проводя их в контакт с одними и теми же регенеративными поверхностями так, что количество тепла, выделенное при сжатии одной порции, равно количеству тепла, поглощаемому при расширении другой, после чего каждую порцию соответственно расширяют или сжимают адиабатно до первоначального давления.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что газ после изотермического сжатия нагревают от источника теплее окружающей среды, либо охлаждают расширенный, если источник ее холоднее.

3. Устройство для осуществления изотермических частей цикла по способу преобразования в газовых циклах, содержащее цилиндрический корпус с впускными и выпускными окнами, два коаксиально и концентрично расположенных в нем ротора с лопастями, разделяющими цилиндрическую полость корпуса на круговую цепочку рабочих камер, отличающееся тем, что каждый ротор выполнен с двумя радиально противоположными лопастями-поршнями, образуя совместно четыре рабочие камеры с размещенными в них подвижно в окружном направлении относительно роторов телами с развитой регенеративной поверхностью, например, в форме пластин, а наружная коммутация подводящих и отводящих каналов с впускными и выпускными окнами корпуса разделяет ее на две автономные части, одна из которых подключена к внешней цепи как компрессор, а другая как детандер, причем давление в конце сжатия компрессорной половины и давление конца расширения в детандерной заданы соотношением:

где P₁ давление в конце сжатия компрессорной части;
давление в конце расширения детандерной части;
P_а давление атмосферное.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5