Способ преобразования энергии и энергоузел для его реализации

 

Изобретение предназначено для использования в любых отраслях промышленности и сельком хозяйстве для одновременного производства тепла, холода и механической (электрической) энергии. Для привода теплового насоса используется теплосиловая установка, работающая по термодинамическому циклу Ренкина, неиспользованное тепло которого и вся механическая энергия потребляется тепловым насосом, а суммарная выработка тепловой (и холода) и механической энергии получается больше 1 за счет того, что выработка механической энергии начинается после отдачи подведенного тепла его потребителю, в связи с чем в термодинамический цикл вовлекается часть океана тепловой энергии окружающей среды. Это стало возможным в связи с тем, что при подводе тепла в паровой котел эксергия выработанного пара интенсивно растет без затраты на это механической энергии, но если в традиционной системе теплосиловой установки, работающей по циклу Ренкина, имеет место превращение располагаемого тепла пара в механическую энергию на паровой турбине за счет наличия этой бесплатной эксергии, то в предлагаемой схеме со сжатием воздуха в эжекторе с помощью водяного пара кинетическая энергия струи пара в сопле эжектора вновь превращается в тепловую, обеспечивая полную сохранность подведенного ранее тепла и части исходной эксергии пара. 2 с. и 17 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к энергетике и может найти широкое применение в любых отраслях промышленности и сельском хозяйстве для одновременного производства тепла, холода и механической (электрической) энергии при использовании в том числе и бросового среднепотенциального тепла: выхлопных газов ДВС, сфокусированных солнечных лучей, бытовой плиты и т.д. с одновременной полной регенерацией тепла и холода при вентиляции и кондиционировании жилых помещений, снабжением горячей водой систем отопления и для бытовых нужд и сжатым воздухом пневмоинструментов, а также попутной реализацией без затрат на это тепловой энергии, технологий по разделению растворов на их фракции методом возгонки, что равносильно увеличению исходного количества тепла до трех раз в сравнении с традиционными способами трансформации этого тепла при одновременном упрощении и удешевлении производства конструктивных средств для реализации предлагаемых технологий.

В настоящее время из располагаемого тепла механическую энергию получают, реализуя прямые термодинамические циклы в силовых установках тем большей сложности и дороговизны, чем больший эффективный КПД желают получить, в основном увеличивая температуру газов перед турбиной и степени повышения давления или (и) регенерации тепла. Одновременно с выработкой механической энергии практикуют и выработку тепла для теплофикационных целей в "так называемых" теплоэлектроцентралях (ТЭЦ); но суммарная выработка энергии там не может превысить располагаемую тепловую энергию используемых для этого топлив.

В то же время и холод или(и) большее количество тепла получают, реализуя обратные термодинамические циклы в так называемых холодильных машинах и тепловых насосах, которые могут быть объединены в одну установку - так называемый совмещенный термотрансформатор, что дает существенную экономию тепловой и механической энергии по сравнению с вариантом раздельного увеличения количества тепла и_получения холода (Кн. А.И.Андрющенко "Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок" Москва. Высшая школа, 1985г., рис. 7.3, с.237 и рис.7.19, с.261).

В известной установке, показанной на рис. 7.3, механическая энергия преобразуется в большее количество тепла и холода, а на рис. 7.19 высокопотенциальное тепло преобразуется в большее количество, но низкопотенциального тепла и холод, причем, в последнем случае получено существенное упрощение установки в связи с тем, что процессы преобразования тепла в механическую (кинетическая энергия пара из сопла) и механической энергии в тепловую при сжатии пара осуществляются в чрезвычайно простом агрегате-пароструйном эжекторе.

Логично думать, что при совместной выработке тепла, холода и механической энергии может быть достигнут положительный эффект, заключающийся в том, что будет получено суммарное количество энергии, большее, чем содержится в используемом для этого топливе, тем более, что в глухих районах без электросетей, куда может быть только завезено какое-то топливо, все равно станет вопрос о выработке механической энергии, например, для освоения производства электроэнергии для нужд освещения и производственных нужд и придется создавать отдельные, а следовательно, несовершенные установки для выработки механической (электрической) энергии, тепла и холода.

Способ преобразования энергии, реализованный в известной установке с пароструйным эжектором, представленной на рис.7.19 и указанной выше взят за прототип, как более простой в реализации, практически не требующий затрат механической энергии и термодинамически более эффективный, чем, например, лопаточный турбокомпрессор в том смысле, что сопло эжектора - турбина теплосиловой установки обладает КПД преобразования тепла в кинетическую энергию струи пара до 98%, а значительные необратимые потери энергии (в виде потери давления) в компрессоре-камере смещения эжектора компенсируются тем, что коэффициент эжекции - отношение масс сжимаемого и сжимающего рабочих тел - может быть выбрано таким, что в сочетании с используемым (в свою очередь, повышающим коэффициент эжекции), но при этом не расходуемым теплом в процессе сжатия рабочего тела, позволит затратить и меньшее удельное количество энергии на сжатие рабочего тела до заданного давления по сравнению с лопаточным компрессором, только после которого и можно подводить тепло, когда стоит цель - из тепла получить наибольшее количество механической энергии. В данном случае этот эффект перекликается с эффектом эжекторного увеличителя реактивной тяги, показанном на рис. 9.30, с. 548, кн. Абрамовича Г.Н. "Прикладная газовая динамика", Москва, 1976г.

Уникальность именно пароструйного эжектора состоит в том, что потери давления в камере смешения этого эжектора не будут иметь столь существенного значения, как в случае чисто газового эжектора, когда для сжатия части газа, предназначенного для запитки сопла эжектора, необходимо затрачивать кроме тепла и механическую энергию в высоконапорном компрессоре. Дело в том, что вода в паровой котел закачивается насосом, т.е. практически без затрат механической энергии, а потери давления в камере смешения пароструйного эжектора всегда можно компенсировать увеличением давления пара в паровом котле, а следовательно, и перед соплом эжектора, тем более, что тепла для обеспечения той же температуры пара перед соплом понадобится еще меньше (например, энтальпии пара при температуре 500^oC составляют 3434 и 3374 кДж/кг соответственно при давлениях 50 и 100 кгс/см²).

Поставленная цель будет выполнена, если способ преобразования энергии, заключающийся в том, что жидкость, например воду, испаряют в паровом котле, располагаемым высокопотенциальным теплом, например теплом выхлопных газов ДВС, концентрированных зеркалами солнечных лучей или кухонной плиты, подают пар в пароструйный эжектор, где паром повышают давление, хладагента при его смешении с паром, из смеси пара с хладагентом отбирают тепло конденсации пара на производственные и бытовые нужды, конденсат пара закачивают в паровой котел, а давление хладагента уменьшают и подают его в холодильник, где подводят к нему тепло охлаждаемых рабочих тел и, в частном случае, вновь подают на вход пароструйного эжектора, будет дополнен сушественными признаками, заключающимися в том, что в качестве хладагента выбирают неконденсируемый газ, например воздух, давление которого уменьшают при расширении на турбине, механическую работу которой отдают потребителю механической энергии.

В способе, взятом за прототип, в качестве хладагента холодильника испарительного типа и для запитки парового котла выбрано одно и то же рабочее тело - вода, а это вынуждает: - делать систему замкнутой и герметичной для обеспечения вакуума в испарителе, - конденсировать всю воду за эжектором и часть ее просто дросселировать в испаритель без получения какой-либо работы, - отказаться от использования установки в качестве теплового насоса, так как на вход в эжектор-компрессор поступает пар при температуре холодильника, если, конечно, его специально не подогревать в теплообменнике, - увеличивать степень расширения пара в сопле эжектора и размеры эжектора, а также снижать его КПД ввиду большого вакуума, - увеличивать температуру в холодильнике.

В предлагаемом способе этих недостатков, нет, так как: - воздух можно брать из атмосферы и до подачи в эжектор подогревать любым бросовым теплом, превращая его в полезное высокопотенциальное тепло, превращая этим холодильник еще и в тепловой насос, - за эжектором при отдаче тепла потребителю без ее потерь конденсируется только вода для запитки парового котла, а воздух, расширяясь на турбине, дает механическую энергию и холодильный эффект в количестве полученной механической энергии, которую при надобности всегда можно превратить в дополнительное тепло и холод.

Какие же преимущества имеет предложенный способ получения тепла и механической энергии по сравнению с существующим способом получения тепла и механической энергии на ТЭЦ? Основной закон термодинамики, если его перефразировать, гласит, что чем в большем диапазоне температур реализуется термодинамический цикл для получения из тепла механической энергии, тем больше ее получают.

При заданной температуре отдачи тепла потребителю 100^oC в паротурбинной установке современной ТЭЦ диапазон температур реализации прямого цикла Ренкина может составить максимум 100 - 600^oC. В связи с тем, что в предлагаемом способе отбор тепла потребителю осуществляется до начала получения механической энергии, диапазон температур реализации комбинации прямого и обратного циклов может составить примерно 100 - 600^oC. Причем, КПД прямого цикла (у которого насос - это компрессор, камера сгорания - это паровой котел, а сопло эжектора - это турбина) очень высок, так как работа насоса относительно работы сопла очень мала, КПД его около 90%, а сопло имеет КПД примерно 98%. Что касается обратного цикла, то КПД компрессора - камеры смешения эжектора вообще не имеет никакого значения, так как в эжекторе сумма внутренних энергий смешиваемых рабочих тел остается неизменной после камеры смешения эжектора и ее отбором тепла потребителю уменьшают на величину затраченного тепла ни получение пара в паровом котле и величину перекачанного тепла атмосферы тепловым насосом-эжектором без понижения давления воздуха перед турбиной, КПД которой достигает 92%.

Конечно, отсутствие потерь давления в камере смешения эжектора позволило бы получить большее количество механической энергии на турбине, но ведь тогда можно было бы меньше взять тепловой энергии по сравнению с подведенной в цикл.

Иначе говоря, в нашем случае механическая энергия и равное ей количество холода получены совершенно бесплатно, а если быть точным, то за счет снижения температурного потенциала располагаемого тепла, которое реализуется в нашем случае в виде большого давления упругости паров воды в паровом котле и который сейчас не берегут, подогревая, например воду, в основном, меньше 100^oC в примитивных котельных.

Если бы в камере смешения эжектора не было бы потери давления, речь шла бы о большей относительной доле механической энергии в суммарном одном и том же количестве механической и тепловой энергий по количеству больших, чем исходное количество тепла.

Может показаться, что вышесказанное похоже на опровержение закона сохранения энергии. Ничего подобного. Дело в том, что температура рабочего тела - атмосферного воздуха на входе в силовую установку, реализующую предлагаемый способ, будет примерно +20^oC, а на выходе из турбины примерно - 100^oC. Это значит, что просто вовлекается в термодинамический цикл часть бесплатного океана тепла окружающей среды в количестве, равном подогреву сжимаемого воздуха от -100 до 20^oC, причем то тепло введено не за компрессором, как в прямых циклах, а до компрессора, как в обратных циклах, по которым работают тепловые насосы и холодильные машины.

При этом, если получился вариант превращения тепла окружающей среды в механическую энергию и холод (эти два вида энергии имеют разные знаки и в сумме дают 0) с КПД 100%, то вариант 100% превращения высокопотенциального тепла в механическую энергию может быть достигнут еще проще. Действительно, при отсутствии надобности в холоде после конденсации воды для парового котла и передачи тепла потребителю, можно к воздуху подводить, например, тепло сгорания любого топлива и получать вариант бескомпрессорного ГТД с КПД преобразования тепла в работу, равным 100% и для этого совершенно необязательно иметь КПД турбины 100% и нагревать воздух до больших температур, и сжимать его до больших давлений в пароструйном эжекторе. Достаточно, чтобы температура газов за турбиной оказалась не выше температуры атмосферы. Учитывая, что эжектор куда проще высоконапорного компрессора, как и турбина с малыми степенью расширения и температурой воздуха на ее входе, такой способ получения механической энергии из тепла куда более предпочтительней чем тот, который применяется сейчас на современных ТЭЦ, в том числе и по причине экономии топлива при совместном производстве тепла, механической энергии и холода.

Необходимо отметить, что в установках большой мощности, реализующих предлагаемый способ, основные трудности будут связаны с тем, как полностью сбыть вырабатываемые тепло, холод и механическую энергию. Радиус экономически оправданного сбыта механической (электрической) энергии наибольший, тепловой много меньший, а холода совсем незначительный, в том числе и по причине малого количества крупных потребителей холода.

Применение предлагаемого способа будет экономически оправдано в том случае, если радиус сбыта всех трех видов энергии будет уменьшен практически до нуля, т.е., когда установка, реализующая предлагаемый способ, будет установлена на отдельных предприятиях, домах или даже квартирах с тем, чтобы сразу на месте потреблять все три вида энергии, одновременно преобразуя и имеющееся в наличии бросовое низкопотенциальное тепло в высокопотенциальное, так как предлагаемый способ позволяет это делать, тем более, что радиус экономически оправданного сбыта многих видов горючих очень большой (газопроводы Сибирь-Западная Европа).

В то же время принято, что: - чем мощнее энергетическая установка, тем больший КПД на ней и может быть получен, да и удельные затраты материалов меньше,
- чем больший диапазон величин параметров рабочих тел, используемых в энергетической установке, реализуется, тем больший КПД и может быть получен,
- производство тепла, холода и механической энергии относится к высоким, наукоемким технологиям, требует специализации и высококвалифицированных специалистов при производстве и обслуживании агрегатов и поэтому оправдано повышение мощности агрегатов.

Поэтому и производят разные заводы продукцию в виде газовых или электрических плит, водогрейных котлов (АОГВ), электрических холодильников, кондиционеров, тепловых насосов, вентиляционных систем с регенерацией тепла и дизельных электростанций, а в дома и на предприятия тянут под землей теплосети без конца, заменяя их ввиду быстрого износа, и заводы организуют сети ремонтных мастерских для своей продукции.

Функции всех этих и других изделий можно осуществлять в одном сравнительно простом, экологичном, маломатериалоемком комбайне - бытовом энергоузле, который можно установить даже в отдельно взятой квартире.

В связи с этим уместно вспомнить, что одной из закономерностей развития техники, установленных в рамках теории решения изобретательских задач (ТРИЗ, автор Г. С. Альтшуллер) является закон перехода технических систем (ТС) в надсистему, который в формулировке В.М.Герасимова и С.С.Литвина гласит, что развитие технических систем идет в направлении их объединения друг с другом с целью взаимного использования ресурсов для дальнейшего совершенствования на уровне надсистемы (статья "Зачем технике плюрализм". Журнал ТРИЗ N 1, 1990г.).

Появление предлагаемого способа яркое подтверждение вышеоговоренного закона. Действительно, в этом способе объединились несколько систем с разными функциями, работающих как по прямым, так и обратным термодинамическим циклам, но реализация которых требует одних и тех же агрегатов (камеры сгорания, компрессоры, турбины, теплообменнику) и рабочих тел (вода и воздух), в связи с чем и появляется возможность использовать располагаемые ресурсы одной системы для усовершенствования другой, и, наоборот, что в корне меняет требования к системам для достижения максимального КПД каждой из них.

Под использованием ресурсов одной системы для усовершенствования другой имеется в виду такое их использование, когда этот ресурс абсолютно не расходуется, но приводит к появлению другого полезного уже для другой системы. Система выработки тепла в комбайне от отдельной системы выработки тепла, реализованная, например, в АОГВ (водогрейный котел) отличается только тем, что вода нагревается не до 90^oC и подается в систему отопления, а до 140 - 150^oC, в результате чего мы получаем пар с давлением 4 - 5 кгс/см² (который, при возможности можно и перегреть до 600^oC, если надо увеличить относительную долю механической энергии и холода), с помощью которого без какого-либо расходования тепла в простейшем эжекторе получаем дополнительный ресурс - сжатый до 2 - 2,5 кгс/см² воздух примерно в таком количестве, как и использованный для этого пар, причем, одновременно с этим потенциал располагаемого тепла снижается до тех же 90^oC в виде парогаза, который можно непосредственно подавать в радиаторы отопления без снижения их тепловой мощности, так как коэффициент теплопередачи при конденсации пара на стенке не меньше, чем от жидкости к стенке. В данном случае используется и другой ресурс системы выработки тепла - большая упругость паров воды при 140 - 150^oC, благодаря которому и сработал в данном случае другой ресурс - тепло, которые в тандеме позволили получить кинетическую энергию струи пара в сопле эжектора, что в свою очередь позволяет задействовать и другой располагаемый ресурс - низкопотенциальное тепло окружающей среды, например, тепло, исходящее от плиты или тепло спертого воздуха помещения, который необходимо заменить на свежий. Действительно, в эжекторе внутренняя энергия смешиваемых рабочих тел не меняется и он превращается по сути дела в тепловой насос, увеличивающий суммарное количество годного к использованию тепла по сравнению с исходным, например, теплом сгорания любых топлив, причем, после отдачи, например, в систему отопления этого увеличенного количества тепла, в том числе и за счет конденсации воды, необходимой для запитки парового котла, у нас остается бесплатный побочный ресурс - сжатый до 2 - 2,5 кгс/см² воздух при температуре окружающей среды, при наличии которого термодинамика получения холода и(или) механической энергии в корне изменяются, так как отпадает необходимость совершения такого энергоемкого процесса, как сжатие воздуха со своими необратимыми потерями энергии.

Основной особенностью предлагаемого способа совместной выработки тепла, холода и механической энергии является то, что относительное количество вырабатываемых холода и механической энергии по отношению к количеству вырабатываемого тепла сравнительно невелико и составляет примерно 4-8%. Эта особенность определяется характеристиками эжектора, как такового. Действительно, КПД эжектора максимален в том случае, если коэффициент эжекции - отношение весовых расходов сжимаемого и сжимающего газов - будет равен n = 1 при отношении полных давлений этих газов π_o = 4 - 6. Учитывая, что для увеличения давления пара в паровом котле затраты механической энергии на привод насоса закачки воды в него увеличиваются очень мало, можно было бы не обращать внимания на КПД эжектора, но начиная с π_o = 6 рост отношения давления смеси газов за эжектором к давлению сжимаемого газа практически прекращается и теряется смысл повышения π_o = 6 при заданном n. Иначе говоря, предлагаемый способ обречен на малую относительную выработку механической энергии и холода по отношению к теплу, максимальную абсолютную выработку одновременно всех видов энергии и реализацию чрезвычайно низких термодинамических параметров: температура воды в паровом котле 140 - 150^oC при давлении 4 - 6 кгс/см², давление парогаза за эжектором 1,5 - 2,5 кгс/см² и температура 90 - 100^oC, температура воздуха перед турбиной 20 - 150^oC, а за турбиной - 50 - +20^oC при общем диапазоне температур реализации термодинамического цикла -50 - +150^oC на самых дешевых и экологичных видах рабочих тел - воде и воздухе, итак потребляемых человеком внутрь.

Все в мире относительно, говорил еще Энштейн, и поэтому разработчики теплосиловых установок для ТЭЦ, естественно, крупных по мощности и предназначенных для запитки электросетей и теплоцентралей городов, прежде всего обратят внимание на такой показатель предлагаемого способа, как малое относительное количество вырабатываемой механической энергии и, естественно, забракуют его, тем более, что их квалификация и профессионализм в реализации высоких термодинамических параметров становятся в этом случае невостребованными, в то время как изготовителя и покупателя энергоузла, выполненного по предлагаемому способу и предназначенного, например, для отдельной квартиры, совершенно не будет волновать этот параметр, так как это избавляет их от заботы одних сбывать куда-то, а других в сложных агрегатах превращать в другие виды энергии излишки механической энергии, ввиду того, что соотношение потребляемых отдельной семьей видов энергии примерно и будет соответствовать тому соотношению, которое и обеспечивает предлагаемый способ, тем более что все остальные характеристики предлагаемого способа должны всеми только приветствоваться.

Увеличение такого показателя ТЭЦ, как удельная выработка механической (электрической) энергии, диктуется необходимостью обеспечить и привод многочисленных станков предприятий (которых в квартирах нет) и такое варварское использование электроэнергии в больших количествах, как получение тепла в электроплитах и других электронагревательных приборах, которые вполне может заменить квартирный энергоузел, реализующий предлагаемый способ преобразования тепловой энергии, чем электроспиралями при затрате на это одного и того же количества энергии.

Кроме того, в сочетании с уже известными способами преобразования энергии предлагаемый способ уже в надсистеме может обеспечить и рекордное относительное количество механической энергии в сумме вырабатываемых видов энергии, но эта тема уже другой заявки на изобретение, а мы продолжим усовершенствование предлагаемого способа применительно к энергоузлу, предназначенному для отдельной квартиры или фермерского дома.

В этом случае у нас появляется возможность потенциальную энергию сжатого воздуха преобразовать в механическую энергию:
- в адиабатном процессе расширения без предварительного подвода тепла, когда одновременно с получением механической энергии мы одновременно в том же количестве получаем и тепловую энергию в виде холода,
- в изотермическом процессе расширения, когда часть располагаемого тепла окружающей среды дополнительно напрямую преобразуется в механическую энергию с КПД 100%,
- в адиабатном процессе расширения с предварительным подводом тепла (так, чтобы на выходе из турбины температура воздуха была не выше температуры окружающего воздуха), когда специально подведенное тепло сгорания топлив дополнительно напрямую преобразуется в механическую энергию с КПД 100%,
Второй из этих способов, труднореализуемый на практике, а вот первый и третий легко могут быть реализованы на практике, расширяя возможности регулирования соотношения вырабатываемых видов энергии энергоузла, в котором реализован предлагаемый способ.

Какие еще внутренние ресурсы можно полезно использовать в предлагаемом способе?
Располагаемое тепло в сочетании с большой упругостью паров воды были как ресурсы использованы для сжатия воздуха, как бы без затраты на это тепла. Зададимся теперь вопросом, а как может быть полезно использован такой ресурс, как новый, появившийся в предлагаемом способе, метод передачи располагаемого тепла потребителю? В отличие от обычного водогрейного котла (АОГВ) располагаемое тепло в предлагаемом способе передается потребителю тепла не непосредственно через стенку, а как бы с помощью промежуточного теплоносителя - водяного пара, который истекает из сопла эжектора. Для сопла эжектора неважно, как будет получен пар из пресной или морской воды, молока или фруктовых соков, а вот хозяйку дома вполне может заинтересовать предложение без каких-либо затрат тепла из морской воды получать рассол солей и пресную воду, из молока - сливки (более качественные и полезные, чем полученные обычным способом) и пресную воду, а также концентраты фруктовых соков и пресную воду или спирт и пресную воду уже из водки.

Для обеспечения этого предлагаемый способ может быть дополнен существенными признаками, заключающимися в том, что в паровой котел подают растворы, которые предварительно подогревают в теплообменниках методом противоток сконденсированной за счет передачи тепла потребителю фракцией раствора и удаляемой из парового котла фракцией, на которые разделяют раствор без расходования на это тепла.

Использование в предлагаемом способе в качестве дополнительного рабочего тела-воздуха позволяет нетрадиционно использовать такие внешние и внутренние ресурсы, как тепло и холод, и реализовать его попутно в качестве теплового насоса, регенератора тепла при замене свежим воздуха в помещении и кондиционера, для чего предлагаемый способ может быть дополнен существенными признаками, заключающимися в том, что забор воздуха для пароструйного эжектора осуществляют от источника некондиционного для дыхания, но теплоэнергоемкого воздуха, например, над кухонной плитой или просто из жилого помещения, а сброс воздуха из холодильника на улицу, тепло смеси пара с воздухом после пароструйного эжектора передают последовательно в систему отопления помещения и свежему воздуху, поступающему в вентилируемое помещение в отопительный сезон, в то время как в жаркий сезон воздух после холодильника подают уже в кондиционируемое помещение, а на вход в пароструйный эжектор уже с улицы, и тепло парогаза после пароструйного эжектора используют, например, на подогрев воды для бытовых и технических целей и подогрев воздуха, поступающего в кондиционируемое помещение уже из холодильника.

Такая комбинация используемых в предлагаемом способе рабочих тел, как вода и воздух, позволяет усовершенствовать и такую, характерную большими необратимыми потерями энергии, операцию, как передача тепла потребителю, рабочее тело которого, в частности, находится и под другим давлением, например, воды системы отопления или воздуха, поступающего в помещение с улицы.

В связи с этим, предлагаемый способ может быть дополнен существенными признаками, заключающимися в том, что вода, воздух или парогаз - частные потребители и поставщики тепла передают тепло и свою массу друг другу в массотеплообменном аппарате методом противоток при движении воды сверху вниз, а воздуха или парогаза снизу вверх.

Действительно, при непосредственном контакте парогаза и воздуха с водой, во-первых, происходит не только теплообмен, но и массообмен между ними и, во-вторых, большая площадь контакта между ними может быть обеспечена сколь угодно большой без увеличения веса теплообменника, что позволяет достичь минимально возможной разницы температур рабочих тел обменивающихся теплом, а следовательно, и минимально-возможных необратимых потери энергии, причем, воду, отдающую или воспринимающую тепло, легко передавать, например, насосом (из) в зону теплообмена с разными давлениями практически без затрат механической энергии.

Выше было сказано, что энергоузел, реализующий предлагаемый способ преобразования энергии, обладает и свойствами теплового насоса, когда располагаемое низкопотенциальное тепло может быть преобразовано в тепло, приемлемое для нужд потребителя, причем, для этого требуется тем меньшее количество механической энергии (меньшее потребное увеличение температуры рабочего тела, а следовательно, и степени повышения давления в компрессоре), чем большую температуру имеет рабочее тело-обладатель этого низкопотенциального тепла. Одним из источников низкопотенциального тепла может рассматриваться и регенеративное тепло - тепло, которое возвращается к рабочему телу с выхода на вход в компрессор, ввиду уже непригодности его для нужд потребителя тепла, вследствие понижения температуры рабочего тела за компрессором при отдаче тепла его потребителю. Регенерация тепла теоретически мыслима только в тепловых насосах, где теплообмен между рабочими телами осуществляется при переменных температурах и рекомендуется применение образцового для таких случаев регенеративного цикла Лоренца (см. рис.7.6, с.244, кн. А.И.Андрющенко "Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок", Москва, Высшая школа, 1985г).

Введение регенерации тепла не всегда бывает оправдано при использовании теплообменников поверхностного типа, но в нашем варианте использования теплообменников тепломассообменного типа с малыми необратимыми потерями энергии может быть вполне оправдано, тем более, что это резко повышает возможности по регулированию тепловой мощности радиаторов отопления и соотношения вырабатываемых видов энергии при постоянстве давлений по тракту теплового насоса, характерного для случая применения пароструйного эжектора в качестве компрессора и источника механической энергии его привода, особенно когда нет смысла менять давление в паровом котле и давление воздуха на входе в эжектор, как и на выходе из него ввиду неизбежности увеличения необратимых потерь энергии при введении каких-либо видов дросселирования рабочих тел в газо- или парообразном состояних из-за больших необратимых потерь потенциальной энергии давления.

Регенеративный подогрев воздуха на входе в эжектор и свежего воздуха, подаваемого в помещение с улицы, можно последовательно осуществить от воды, покидающей радиаторы отопления, но в этом случае мы наталкиваемся на техническое противоречие, заключающееся в том, что при передаче тепла от парогаза после эжектора к воде в тепломассообменном теплообменнике будут неизбежны большие необратимые потери энергии (в виде большого среднеинтегрального перепада температур) при передаче тепла уже по той причине, что удельная теплоемкость воды во всем диапазоне температур теплообмена остается практически постоянной, в то время, как удельная теплоемкость парогаза, например, при температуре 70^oC в 10 раз больше, чем при температуре 26^oC.

Для преодоления этого противоречия предлагаемый способ преобразования энергии может быть дополнен существенными признаками, заключающимися в том, что тепло парогаза после пароструйного эжектора передают последовательно нескольким замкнутым контурам промежуточного теплоносителя - воды для потребителей тепла разной температуры, например, водяной системе отопления, системе регенерации тепла на вход в компрессор и системе подогрева, подаваемого в отапливаемое или кондиционируемое помещение воздуха, которым замечают уже некондиционный воздух, подаваемый на вход в пароструйный эжектор.

В разных контурах мы можем задать и разные расходы воды, а следовательно, исключить необратимые потери энергии при тепломассообмене.

Несколько контуров промежуточного теплоносителя - воды предопределяют и дополнительные существенные признаки, которыми может быть дополнен предлагаемый способ преобразования энергии, заключающиеся в том, что тепловую мощность каждого из потребителей тепла и влажность поступающего в помещение воздуха регулируют изменением расхода воды в соответствующем контуре, в том числе, и за счет полного или частичного замыкания этого контура, например, регенеративного, через другой потребитель горячей воды, в частности, душ или ванну, при пользовании которыми мощность системы отопления, в частности, и не снижают, для чего на это время включают кухонную плиту и, в частности, совмещают приготовление пищи и заливку горячей водой, например, ванны.

Интересно отметить, что при совмещении приготовления пищи и горячей воды для ванны, горячая вода получается совершенно бесплатно, а если бы мы на плите специально грели только воду для ванны, то пришлось бы ее включить на время приготовления примерно в 10 раз большее, чем это потребуется энергоузлу, реализующему предлагаемый способ, так как плита имеет КПД отдачи тепла потребителю примерно 10%, а пароструйный эжектор может забрать весь горячий воздух, исходящий от плиты и выдать все это тепло в виде горячей воды, затрачивая на это примерно 10% электроэнергии от того его количества, которое потребовалось бы для нагрева этой воды электрокипятильником (с КПД 100%).

Предлагаемый способ преобразования энергии может быть реализован в бытовом энергоузле применительно даже к отдельному дому или квартире, прототипом которого является пароструйная эжекторная установка, взятая в качестве прототипа и для предлагаемого способа, которая состоит из парового котла, выход которого связан с соплом пароструйного эжектора, диффузор которого соединен с полостью по охлаждаемой среде конденсатора, выход из которой через конденсационный насос связан с потребителем конденсата, в частности, паровым котлом, и через уменьшитель давления с полостью по нагреваемой среде холодильника.

Цель изобретения - увеличение коэффициента термотрансформации теплоты при попутном (без затрат тепловой энергии) получении механической энергии, в основном, будет выполнена, если известная установка будет дополнена существенными признаками, заключающимися в том, что в качестве уменьшителя давления использована турбина, механически связанная с потребителем механической энергии, например, электрогенератором, а вход сжимаемого рабочего тела пароструйного эжектора сообщен с атмосферой.

Для обеспечения попутного (без всяких затрат тепловой энергии) разделения растворов на их фракции методом возгонки в процессе передачи тепла от парового котла к потребителю, в которых соответственно совершаются процессы испарения и конденсации жидкости, бытовой энергоузел может быть дополнен существенными признаками, заключающимися в том, что вход в паровой котел связан с источником разделяемого на фракции раствора через конденсационный насос и полости по нагреваемым средам теплообменников противоточного типа, полости, по охлаждаемым средам которых одна из них своим входом связана с полостью по охлаждаемой среде конденсатора, а выходом с потребителем испаряемой фракции раствора, а другая своим входом со сливом из парового котла, а выходом с потребителем неиспаряемой фракции раствора в паровом котле.

Применение в предлагаемом бытовом энергоузле в качестве второго рабочего тела воздуха без каких-либо дополнительных конструктивных средств, но с привлечением жилого помещения в качестве как бы одного из агрегатов энергоузла с соответствующей сезонной перенастройкой агрегатов, позволяет использовать его в качестве теплового насоса утилизации, располагаемого бросового низкопотенциального тепла жилого помещения, регенератора тепла при вентиляции помещения в отопительный сезон и кондиционера в жаркий сезон, если бытовой энергоузел будет дополнен существенными признаками, заключающимися в том, что в отопительный сезон вход сжимаемого рабочего тела пароструйного эжектора связан с источником уже некондиционного для дыхания, но теплоэнергоемкого воздуха, например, над кухонной плитой или просто с вентилируемым помещением, а выход из холодильника с улицей, в то время как в жаркий сезон вход сжимаемого рабочего тела пароструйного эжектора сообщен с улицей, а выход из холодильника с помещением, причем вход и выход по нагреваемой среде (средам) конденсатора связаны с входом и выходом водяной системы отопления (в жаркое время водоснабжения горячей водой) или(и) соответственно с улицей и помещением в отопительный сезон и с выходом по нагреваемой среде холодильника и помещением в жаркий сезон.

Если в качестве рабочего тела в потребителе тепла используется вода, например, в системах водяного отопления или бытового снабжения горячей водой, то вес теплообменника-конденсатора может быть значительно снижен с одновременным резким снижением необратимых потерь энергии за счет снижения перепада температур при тепломассообмене между парогазом за эжектором и нагреваемой водой, если энергоузел будет дополнен существенными признаками, заключающимися в том, что полость по охлаждаемой среде конденсатора-теплообменника имеет дополнительную полость, вход которой сообщен со сборником конденсата воды, а выход через регулировочный кран, водяной насос и разбрызгиватель воды, установленный в верхней части основной полости у ее выхода, в то время как сборник конденсата воды, дополнительно связанный через подпиточный поплавковый клапан с источником воды, - в нижней части у входа в нее.

Если в качестве рабочего тела в потребителе тепла используется воздух, например, в системах воздушного отопления или вентиляции, то снижение веса теплообменика-конденсатора и необратимых потерь энергии в нем и может быть обеспечено за счет применения воды в качестве промежуточного теплоносителя, позволяющей обеспечить тепломассообмен. между газами, находящимися и при разных давлениях, для обеспечения чего бытовой энергоузел может быть дополнен существенными признаками, заключающимися в том, что полость по нагреваемой среде теплообменника выполнена также, как и полость по охлаждаемой среде, и связана через общие для них дополнительные полости с полостью по нагреваемой среде теплообменника, причем разбрызгиватель полости по нагреваемой среде теплообменника у его выхода связан со сборником конденсата воды полости по нагреваемой среде, а разбрызгиватель воды полости по охлаждаемой среде теплообменника связан через насос и регулировочный кран со сборником конденсата воды у входа в полость по нагреваемой среде теплообменника.

Для преодоления технического противоречия, заключавшегося в том, что в широком диапазоне температур теплообмена между парогазом и водой возрастают необратимые потери энергии по причине постоянства удельной теплоемкости воды и резкого изменения ее по температуре для парогаза, бытовой энергоузел может быть дополнен существенными признаками, заключающимися в том, что он имеет несколько последовательно установленных теплообменников, в том числе в различных их вариантах исполнения для передачи тепла разным потребителям, например, водяной системе отопления, системе регенерирования тепла и увлажнения воздуха на входе в пароструйный эжектор и системе подогрева и увлажнения подаваемого в отапливаемое или кондиционируемое помещение воздуха.

В контуре промежуточного теплоносителя каждого из потребителей тепла в отдельности может быть задан свой расход воды, соответствующий средней удельной теплоемкости парогаза в более узком диапазоне теплообмена, что резко уменьшает необратимые потери энергии и увеличивает возможности по регулированию энергоустановки под новые погодные условия.

Для исключения потерь потенциальной энергии давления воздуха за счет прорыва парогаза после эжектора в потребители тепла через магистрали контуров промежуточного теплоносителя и стабилизации расхода воды в них бытовой энергоузел может быть дополнен существенными признаками, заключающимися в том, что сборники конденсата воды теплообменников на впуске магистралей без крана и насоса имеют выпускные поплавковые регуляторы уровня воды в сборниках конденсата.

В целях подачи в помещение наружного воздуха заданной относительной влажности, бытовой энергоузел может быть дополнен существенными признаками, заключающимися в том, что на выходе подогревателя воздуха смесительного типа установлен подогреватель воздуха поверхностного типа, например, радиатор водяного отопления или электроподогреватель.

Теплообменники тепломассообменного типа в своем выходе имеют насыщенный влагой воздух, и если мы после этого подогреем его хотя бы на 5^oC традиционным способом, относительная влажность его снижается до комфортного уровня 40 - 70%.

До сих пор мы выявленными существенными признаками пытались наиболее простыми конструктивными средствами решить основную цель - при минимальных затратах тепла получить максимальное количество тепла механической (электрической) энергии и холода, попутно находя очевидное их применение в быту, в частности, на кухне - наиболее подходящем месте установки бытового энергоагрегата, в частности, фермерского или дачного дома, а также квартиры.

ТРИЗ рекомендует не останавливаться после достижения поставленной цели и рассмотреть появившиеся в связи с этим внутренние ресурсы системы на предмет выявления тех сверхэффектов, которые могут быть с помощью их получены без расходования этих ресурсов, необходимых для достижения основной цели изобретения.

В предлагаемом бытовом энергоузле мы имеем дело с механической энергией и электричеством, теплом и холодом. Что полезного для членов семьи и, в частности, хозяйки на кухне мы можем получить с помощью этих видов энергии, в то же время не расходуя их, т.е. без ничего, применяя для достижения этого лишь дополнительные простые конструктивные изменения и дополнения.

Начнем с электричества, которое применяется в электроподогревательном приборе для уменьшения относительной влажности воздуха, подаваемого в помещение. Можно ведь нагреть воздух не электроспиралью, а вольтовой дугой, и получить при этом дополнительный положительный эффект, заключающийся в том, что появляется полезный для легких озон и яркий ультрафиолетовый свет, убивающий микробы, в связи с чем последний существенный признак (электроподогреватель) можно дополнить словами, например, - основанный на применении вольтовой дуги.

Возьмем теперь тепло, которое вырабатывается и в кухонной плите и в предлагаемом бытовом энергоагрегате. Где больше энергии тратится на подогрев воды на 1^oC? Конечно, в плите, примерно раз в 20. Так зачем тогда ставить, например, чайник с холодной водой на плиту, когда можно из бытового энергоагрегата взять воду при 50 - 70^oC и на плите подогревать ее до 100^oC, существенно экономя энергетические ресурсы. Конечно, для приготовления пищи нужна чистая вода и в связи с этим предлагаемый бытовой энергоузел может быть дополнен существенными признаками, заключающимися в том, что на входе в систему подпитки водой энергоузла установлен фильтр, например, типа "Росинка", соединенный, в том числе, и с баком для горячей воды, оборудованным сливным краном и выполненным в виде рубашки охлаждения стенок полости по охлаждаемой среде теплообменника тепломассообменного типа.

Среди членов семьи всегда найдется любитель попить холодной воды, особенно в жарко время года. Конечно, для этого можно держать банку с водой в холодильнике, но куда будет удобней, если мы наш энергоузел дополним существенными признаками, заключающимися в том, что фильтр соединен, том числе, и с баком для холодной воды, оборудованным сливным краном и выполненным в виде рубашки охлаждения стенок полости по нагреваемой среде теплообменника тепломассообменного типа, предназначенного для подогрева воздуха, подаваемого в помещение с улицы или из турбины.

Посмотрим, как может быть теперь полезно использовано в предлагаемом энергоузле такое располагаемое сочетание, как тепло и холод, но в то же время, без расходования их, так как они нужны совсем для других - основных целей энергоузла.

В частности, для жителей Крыма, по заказу которых и создается данный бытовой энергоузел, было бы необходимо, если бы он мог опреснять, например, морскую воду, так как в Крыму есть места, куда пресную воду завозят автомобилями, например, в район Батилимана, расположенного на берегу моря, да и в водопроводную сеть городов Крыма закачивают воду из Северо-Крымского канала, по которому течет вода, настолько загрязненная вредными веществами индустриальных районов Украины, что ее не может очистить никакой фильтр и она без дистилляции практически не может быть рекомендована медиками для питья.

Один из способов опреснения воды заключается в том, что морскую воду испаряют, т.е. используют тепло, а затем пары воды конденсируют, т.е. используют холод. Но ведь для получения тепла и холода необходимы затраты энергии. И до сих пор идут на это, используя для этого, в основном, солнечную и атомную энергии, создавая дорогостоящие опреснительные установки.

В соответствии с законами термодинамики, сколько тратится на испарение жидкости, столько и возвращается при конденсации паров жидкости, например воды. Весь вопрос заключается в том, чтобы полезно возвратить тепло. В каком случае подведенное к чему-то тепло полезно возвращается? В частности, тепло, подведенное к одной из сторон стенки любого теплообменника, полезно возвращается от другой стороны стенки уже другому рабочему телу. Процессы передачи тепла от одного рабочего тела к другому в нашем бытовом энергоузле есть, а следовательно, и есть возможность попутно без всяких затрат энергии опреснить, в частности, морскую или загрязненную воду, если вспомнить принцип работы так называемой "тепловой трубы", предназначенной для передачи тепла на какое-то расстояние от одного рабочего тела к другому с помощью промежуточного теплоносителя. Вся ценность тепловой трубы для нас заключается в том, что промежуточный теплоноситель в ней подвергается процессам испарения и конденсации, т.е. тем же процессам, что и при опреснении воды, которые к тому же обеспечивают и максимальные коэффициенты теплопередачи от стенки уже к другой стенке, обеспечивая коэффициент теплопередачи даже больший, чем через стенку, выполненную из меди или серебра.

Чтобы добиться поставленной цели, надо даже упростить тепловую трубу. Действительно, запаянная в тепловой трубе жидкость испаряется от тепла горячей стенки, пар сам поступает к холодной стенке, конденсируется там при той же температуре и уже в виде жидкости вновь возвращается по фитилю к горячей стенке. Если мы выбросим фитиль, к горячей стенке будем подавать морскую воду, а от холодной - будем откачивать пресную воду, то поставленная цель будет достигнута. Кроме того у нашего бытового энергоузла есть и конструктивные средства для обеспечения этого. Действительно, бак для горячей воды - это горячая стенка тепловой трубы, а бак для холодной воды - это холодная стенка тепловой трубы. Не хватает только самой трубы для движения пара из одного бака в другой, но этого не произойдет если в баках и трубе, их соединяющей, будет присутствовать воздух.

В этом случае в соответствии с законом Дальтона в обоих баках установится одно и то же давление (атмосферное), но парциальное давление воздуха в баке для холодной воды будет больше и пары воды при отсутствии перепада давления между баками будут переходить из бака в бак только за счет диффузии между молекулами воздуха.

Чтобы резко ускорить процесс самопроизвольного перехода паров воды из бака в бак, необходимо, чтобы вода в баке для горячей воды закипела, т.е. чтобы парциальное давление паров воды превысило суммарное давление паров воды и воздуха в баке с холодной водой. Для обеспечения этого надо или нагреть воду до 100^oC (на что надо затратить тепловую энергию) или баки сделать герметичными, создать в них вакуум через бак для холодной воды.

Но для создания вакуума необходимы затраты механической энергии для привода вакуумнасоса. Какое количество механической энергии потребуется для этого? Задача вакуумнасоса состоит только в том, чтобы откачать воздух из баков и создать там давление, равное давлению насыщенных паров воды при температуре воды в баке для горячей воды, и после этого вакуум будет поддерживаться автоматически за счет того, что сколько воды испарится, столько же и конденсируется при попутной передаче тепла через стенки баков с горячей и холодной водой.

Чтобы не усложнять систему вакуумнасоса, выберем, последний струйного типа, как наиболее надежный и технологичный, тем более что в нашем бытовом энергоузле есть несколько замкнутых контуров жидкого промежуточного теплоносителя - воды. Вопрос состоит только в том, где то место для установки струйного вакуумнасоса, чтобы затраты механической энергии при этом абсолютно не изменились. Эти места - на входе в разбрызгиватели воды в полости по нагреваемой среде теплообменников тепломассообменного типа по регенеративному подогреву воздуха на входе в компрессор и воздуха, подаваемого в помещение, так как в эти разбрызгиватели осуществляется простое дросселирование воды при располагаемом перепаде давления, равном перепаду давления воздуха на компрессоре.

В связи с вышеизложенным, бытовой энергоузел может быть дополнен существенными признаками, заключающимися в том, что бак с холодной водой сообщен с выходом фильтра через бак для горячей воды и дополнительно через кран с входом низкого давления струйного насоса, установленного в магистрали, соединяющей сборник воды и разбрызгиватель, расположенные соответственно в полостях по охлаждаемой и нагреваемой средам тепломассообменных теплообменников.

В бак для горячей воды можно заливать не только морскую воду, периодически сливая из него рассол морской воды (на продажу, для любителей морских ванн), а из бака для холодной воды смывать пресную воду. Таким образом, можно разделять молоко на сливки и воду, водку на воду и спирт, любые соки на их концентрат и воду, мокрое белье на воду и сухое белье, и вообще сушить и выпаривать любые продукты и вещества. Если выпариваемая влага не нужна, можно воспользоваться только струйным вакуумнасосом (их можно установить в количестве до трех) и любой герметичной емкостью, в которую закладывается выпариваемый продукт.

Кроме того, на все эти нужные в хозяйстве технологии может быть направлена и вся тепловая мощность бытового энергоузла, если мы дополним его существенными признаками, заключающимися в том, что радиаторы отопления имеют сливные краны для конденсата и подключены к верхней части бака для горячей воды и своей верхней частью к входу низкого давления струйного вакуумнасоса.

Действительно, в этом случае водяная система отопления просто превращается в не менее эффективную известную вакуумно-паровую систему отопления, но периодического действия, когда, например, после испарения морской воды из бака для горячей воды надо слить из него рассол морской соли, а из радиаторов отопления уже пресную воду и примерно 1 - 2 раза в сутки повторять этот цикл, который легко может быть преобразован и в непрерывный при небольшом усложнении системы.

Очевидно, что такие нужные всем, но энергоемкие технологии, могут быть подобным образом осуществлены везде, где есть системы отопления, и вообще передача тепла от одного рабочего тела к другому, например, в более экономичных самих по себе регенеративных теплосиловых установках, и все это - без каких-либо затрат тепловой энергии на осуществление этих технологий.

Учитывая, что при сжатии атмосферного воздуха максимальный КПД эжектора достигается уже при давлении пара в паровом котле 4 - 6 кгс/см² нет смысла увеличивать давление пара в паровом котле > 6 кгс/см² (лучше перегревать пар, если надо регулировать соотношение вырабатываемых тепловой и механической энергией), тем более, что это позволит повысить безопасность парового котла при эксплуатации в условиях квартиры. Тем не менее, давление 4 - 6 кгс/см² в паровом котле достигается при температуре воды в нем 140 - 150^oC, вполне достаточной, для того чтобы обеспечить приготовление пищи в посуде, устанавливаемой на внешней поверхности парового котла. Вспомним в связи с этим хотя бы кастрюли с двойными стенками, между которыми наливается вода, чтобы не пригорали молоко или каша, приготавливаемые в них.

Для выполнения паровым котлом функций бытовой плиты для приготовления пищи, предлагаемый энергоузел может быть дополнен существенными признаками, заключающимися в том, что на верхней горизонтальной поверхности парового котла в теле парового котла или(и) его теплоизоляции выполнены углубления по размерам посуды для приготовления пищи, после снятия которой они закрыты крышками с теплоизоляцией.

На фиг. 1 представлена схема бытового энергоузла, применительно, например, к отдельной квартире.

Предлагаемый бытовой энергоузел состоит из компрессора в виде пароструйного эжектора 1, парового котла-плиты 2 и воздушной турбины 3, механически связанной с потребителем механической энергии, например электрогенератором 4. Выход эжектора 1 магистралями 5 и 6 связан с входом в турбину 3 через вертикально установленную колонку 7, состоящую из последовательно соединенных между собой полостей 8 по охлаждаемой среде трех теплообменников 9 тепломассообменного типа, состоящих из разбрызгивателей душевого типа 10 и сборников конденсата воды 11 с установленными в них поплавковыми регуляторами 12 уровня воды в них. В первом теплообменнике 9 сборник конденсата 11 соединен через кран 13 с душем и через конденсационный насос 14 с паровым котлом 2 и с разбрызгивателем воды 10 через радиатор водяного отопления 15, кран 16 и водяной насос 17, а через кран 18, фильтр 19 и поплавковый клапан 12 - с системой подпитки бытового энергоузла водой.

Два других теплообменника 9 попарно и перекрестно гидравлически связаны с аналогичными по конструкции теплообменниками 20, но с полостями 21 уже по нагреваемой среде, причем, через краны 16 и водяные насосы 17 связаны между собой сборники конденсата воды 11 теплообменников 20 с разбрызгивателями с 10 теплообменников 9, в то время как сборники конденсата 11 теплообменников 9 связаны с разбрызгивателями воды 10 теплообменников 20 магистралями 22 через поплавковые клапаны 12 и, в частном случае, через входной высокого давления и выходной патрубки струйного вакуумнасоса 23.

Выход полости по нагреваемой среде 21 одного из теплообменников 20 магистралью 24 связан с входом в эжектор 1, а другого - с вентилируемым помещением, в то время как в холодное время года вход первого из них связан вентилируемым помещением, а второго - с улицей, а в жаркое время года соответственно магистралями 25 с улицей и выходом холодильника 26, вход которого магистралью 27 связан с выходом турбины 3. Водяные насосы 17 и 14 собраны в единый блок и механически связаны между собой и электромотором 28.

Для реализации технологий по разделению растворов на их компоненты без специальной затраты на это энергии бытовой энергоузел имеет испаритель-подогреватель растворов 29, выполненный в виде рубашки охлаждения полости по охлаждаемой среде первого теплообменника 9, конденсатор-охладитель 30 жидких компонентов растворов с меньшей упругостью паров и радиатор парового отопления 31, оборудованные кранами 32 для слива разделенных компонентов растворов, последние из которых в верхних своих точках связаны с испарителем-подогревателем 29 и входным патрубком низкого давления струйного эжектора 23 через кран 33. Магистраль 34 подачи кондиционированного воздуха в помещение имеет подогреватель воздуха 35, а паровой котел 2 оборудован предохранительным клапаном 36 и теплоизолированными крышками 37 под кастрюли. Эжектор 1 оборудован краном 38.

Бытовой энергоузел работает следующим образом.

При включении духовки, например, газовой плиты - парового котла 2, температура воды в нем повышается до 140 - 150^oC, а давление пара до 4 - 6 кгс/см². После открытия крана 38 эжектора 1 пар поступает к соплу эжектора и обеспечивает преобразование тепловой и потенциальной энергии давления пара в тепловую и потенциальную энергии давления уже значительно большего количества парогаза, так как на вход в эжектор 1 по магистрали 24 поступает воздух из отапливаемого помещения в отопительный сезон или в жаркое время с улицы. При этом в соответствии с законом сохранения энергии, парогаз за эжектором будет обладать тепловой энергией как самого пара, так и тепловой энергией сжимаемого эжектором 1 воздуха, которая стала приемлемой для потребления ввиду повышения ее температурного потенциала за счет превращения части потенциальной (механической) энергии давления пара в тепловую, т.е. за счет уменьшения в эжекторе эксергии пара, в связи с чем и существует такое понятие, как КПД эжектора, в то время как повышение эксергии пара при нагреве воды в замкнутом объеме можно рассматривать, как источник бесплатной энергии, так как удельная теплоемкость воды даже падает при повышении давления в паровом котле, а механической энергии на закачку воды в паровой котел тратится очень мало. Другими словами, паровой котел 2 и эжектор 1 представляют собой тепловой насос, вырабатывающий тепла больше, чем тратится тепла на его привод в действие. Иначе говоря, в данном случае малый КПД эжектора не должен рассматриваться, как отрицательное качество эжектора, да и в противном случае имело бы место нарушение закона сохранения энергии, ввиду отсутствия в эжекторе деталей, позволяющих отобрать механическую энергию, которая поневоле превращается в тепловую.

Из эжектора 1 парогаз поступает в тепломассообменную колонку 7, где последовательно отдает свое тепло в трех теплообменниках 9 тепломассообменного типа трем контурам воды за счет непосредственного контакта парогаза, поднимающегося снизу вверх и струи воды, падающие сверху вниз из разбрызгивателей 10. Охлажденный таким образом воздух уже с содержанием влаги, в десятки раз меньшим подается по магистрали 6 к турбине 3, где, расширяясь, преобразует свою внутреннюю энергию в механическую работу, которая используется для привода, например, генератора 4 для выработки электричества. Из турбины 3 еще более охлажденный воздух поступает по магистрали 27 в холодильник 26, где частично отдает холод продуктам питания, хранящимся в нем, и далее или выбрасывается на улицу в отопительный сезон или в жаркое время года подается в кондиционируемое помещение, предварительно подогревшись и насытившись влагой в теплообменнике 20 и одновременно отдав холод воде, которая уже в теплообменнике 9 за счет подачи ее к разбрызгивателю 10 насосом 17 окончательно охлаждает воздух перед подачей ее на турбину 3. Аналогично подогревается в другом теплообменнике 20 за счет тепла, приобретенного водой уже во втором теплообменнике 9, воздух, подаваемый на вход в эжектор 1 с тем, чтобы при неизменной степени повышения давления получить большую потребную температуру парогаза после эжектора 1, а следовательно, и воды, подаваемой в радиатор водяного отопления 15, увеличивая этим его тепловую мощность.

Регулирование тепловой мощности энергоузла и степени регенерации тепла на вход в эжектор 1, и холода на вход в кондиционируемое помещение осуществляется с помощью кранов 16, изменяющих расход воды в замкнутых контурах промежуточного теплоносителя, а также ручкой управления краном 38.

В отопительный сезон при дефиците тепловой энергии, когда поступающий на вход в эжектор 1 воздух все равно потом сбрасывается из холодильника 26 на улицу, можно подавать на вход в эжектор 1 еще горячие газы из трубы топки парового котла, увеличивая этим до 1 коэффициент использования тепла сгорания топлива, в частности, при заполнении водой ванны или пользовании душем, тем более, что в этом случае качество поступающего в помещение воздуха не будет ухудшено по той причине, что перед тем как этот газ начнет подогревать воду, от которой будет нагреваться воздух, поступающий в вентилируемое помещение, он будет очищен от вредных примесей 3-мя потоками воды, в других теплообменниках, да и потом ничего не будет страшного, если на время заполнения ванны или принятия душа каким-либо членом семьи, вентиляция помещения будет отключена, тем более, что в этом случае выработка электрической энергии несколько увеличится, а выработка холода несколько уменьшится на турбине 3, ввиду повышения температуры воздуха на входе в нее.

В связи с тем что сколько тепла затрачено на испарение воды, столько же можно получить обратно, для передачи вырабатываемого энергоагрегатом тепла основному его потребителю-воздуху в помещении, можно воспользоваться принципом "тепловой трубы" и реализовать не водяную, а не менее эффективную вакуумно-паровую систему отопления, когда за счет работы струйного эжектора 23 при открытом кране 33 в радиаторе парового отопления 31, а следовательно, и в баке 29 создается вакуум, вода в баке 29 закипает и пар, поступая в радиатор 31, конденсируется в нем, отдавая тепло конденсации воды воздуху в помещении. Вакуумно-паровая система отопления ценна тем, что в качестве рабочего тела в ней (для заливки бака 29) может быть выбрана морская вода, молоко или водка, в результате чего как бы попутно без всяких затрат энергии на это мы можем поручить пресную воду и такие продукты, как рассол морской соли, сливки и спирт, сливая их через краны 32 после окончания процесса разделения этих компонентов вышеуказанных растворов морской воды, молока и водки (браги).

Для любителей чистой охлажденной дистиллированной воды предусмотрен бак 30, а из бака 29 можно сливать подогретую воду перед тем, как устанавливать ее на плиту, что способствует экономии тепловой энергии при приготовлении пиши.

Расчеты показывают, что на 1 кВт располагаемой тепловой энергии сгорания любых топлив бытовой энергоузел может обеспечить одновременно:
- выработку механической или электрической энергии в количестве до 0,04 кВт,
- выработку тепловой энергии для отопления помещения или нагрева воды для бытовых нужд в количестве до 1,12 кВт при полной утилизации неиспользуемого ранее выбрасываемого через систему вытяжки тепла выхлопных газов плиты-парового котла и полной регенерации тепла при замене свежим очищенным от пыли воздухом некондиционного воздуха в проветриваемом помещении,
- выработку холода для холодильника и кондиционирования помещения в жаркое время года в количестве до 0,04 кВт,
- использование тепловой мощности до 1,8 кВт при двух теплопередачах для попутной без какого-либо расходования этой тепловой энергии (предназначенной для отопления помещения), реализации таких ранее энергоемких технологий, как сушка различных продуктовый разделения различных растворов на их компоненты путем возгонки, например, опреснения морской воды, что равносильно получению в сумме до 3,0 кВт различных видов энергии,
- регулирование в широких пределах потребной тепловой мощности в зависимости от изменения погодных условий по времени года с сохранением максимально-возможного коэффициента термотрансформации.

Приведенные выше расчетные характеристики и относительная простота изготовления энергоузла при отсутствии в нем дефицитных и дорогих материалов, а также привлекательность его для завода- изготовителя в том смысле, что не надо обеспечивать сеть ремонтных мастерских, а для покупателя тем, что он сам всегда может починить его при том, что этот энергоузел заменяет множество нужных любой семье существующих энергоагрегатов, дорогих и неэкономичных самих по себе, все это позволяет сделать вывод, что предлагаемый бытовой энергоузел будет высококонкурентноспособным на мировом рынке в наше время - высокой стоимости всех видов энергии, которые он вырабатывает по рекордно низкой себестоимости.

Формула изобретения

1. Способ преобразования энергии, заключающийся в том, что жидкость, например, воду, в паровом котле испаряют располагаемым высокопотенциальным теплом, например, теплом выхлопных газов ДВС, концентрированных зеркалами солнечных лучей или кухонной плиты, подают пар в пароструйный эжектор, где паром повышают давление хладагента при его смешении с паром, из смеси пара с хладагентом отбирают тепло конденсации пара на производственные и бытовые нужды, конденсат пара закачивают в паровой котел, а давление хладагента уменьшают и подают его в холодильник, где подводят к нему тепло охлаждаемых рабочих тел и, в частном случае, вновь подают на вход пароструйного эжектора, отличающийся тем, что в качестве хладагента выбирают неконденсируемый газ, например, воздух, давление которого уменьшают при расширении на турбине, механическую работу которой отдают потребителю механической энергии.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в паровой котел подают растворы, которые предварительно подогревают в теплообменниках методом противоток сконденсированной за счет передачи тепла потребителю, фракцией раствора и удаляемой из парового котла фракцией, на которые и разделяют раствор без расходования на это тепла.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что забор воздуха для пароструйного эжектора осуществляют от источника некондиционного для дыхания, но теплоэнергоемкого воздуха, например, над кухонной плитой или просто из жилого помещения, в сброс воздуха из холодильника на улицу, тепло смеси пара с воздухом после пароструйного эжектора передают последовательно в систему отопления помещения и свежему воздуху, поступающему в вентилируемое помещение в отопительный сезон, в то время, как в жаркий сезон воздух после холодильника подают уже в кондиционируемое помещение, а на вход в пароструйный эжектор уже с улицы, и тепло парогаза после пароструйного эжектора используют, например, на подогрев воды для бытовых и технических целей и подогрев воздуха, поступающего в кондиционируемое помещение уже из холодильника.

4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что вода, воздух или парогаз - частные потребители и поставщики тепла передают тепло и свою массу друг другу в массотеплообменном аппарате методом противоток при движении воды сверху вниз, а воздуха или парогаза снизу вверх.

5. Способ по пп.1 - 4, отличающийся тем, что тепло парогаза после пароструйного эжектора последовательно передают нескольким замкнутым контурам промежуточного теплоносителя - воды для потребителей тепла разной температуры, например, водяной системе отопления, системе регенерации тепла на вход в пароструйный эжектор и системе подогрева подаваемого в отапливаемое или кондиционируемое помещение воздуха, которым замещают уже некондиционный воздух, подаваемый на вход в пароструйный эжектор.

6. Способ по пп.1 - 5, отличающийся тем, что тепловую мощность каждого из потребителей тепла и влажность поступающего в помещение воздуха регулируют изменением расхода воды в соответствующем контуре, в том числе и за счет полного или частичного замыкания этого контура, например, регенеративного через другой потребитель горячей воды, в частности, душ или ванную, при пользовании которыми мощность системы отопления, в частности, не снижают, для чего на это время включают кухонную плиту и, в частности, совмещают приготовление пищи и заливку горячей водой, например, ванны.

7. Бытовой энергоузел, состоящий из парового котла, выход которого связан с соплом пароструйного эжектора, диффузор, которого соединен с полостью по охлаждаемой среде конденсатора, выход из которого через конденсационный насос связан с потребителем конденсата, в частности, паровым котлом и через уменьшитель давления с полостью по нагреваемой среде холодильника, отличающийся тем, что в качестве уменьшителя давления использована турбина, механически связанная с потребителем механической энергии, например, электрогенератором, а вход сжимаемого рабочего тела пароструйного эжектора сообщен с атмосферой.

8. Энергоузел по п.7, отличающийся тем, что вход в паровой котел связан с источником разделяемого на фракции раствора через конденсационный насос и в полости по нагреваемым средам теплообменников противоточного типа, полости по охлаждаемым средам которых одного из них своим входом связана с полостью по охлаждаемой среде конденсатора, а выходом - с потребителем испаряемой фракции раствора, а другого своим входом - со сливом из парового котла, а выходом - с потребителем неиспаряемой фракции раствора в паровом котле.

9. Энергоузел по пп.7 и 8, отличающийся тем, что в отопительный сезон вход сжимаемого рабочего тела пароструйного эжектора связан с источником уже некондиционного для дыхания, но теплоэнергоемкого воздуха, например, над кухонной плитой или просто с вентилируемым помещением, а выход из холодильника - с улицей, в то время, как в жаркий сезон вход сжимаемого рабочего тела пароструйного эжектора сообщен с улицей, а выход из холодильника - с помещением, причем, вход и выход по нагреваемой среде (средам) конденсатора связаны с входом и выходом водяной системы отопления (в жаркое время водоснабжения горячей водой) или(и) соответственно с улицей и помещением в отопительный сезон и с выходом по нагреваемой среде холодильника и помещением в жаркий сезон.

10. Энергоузел по пп.7 - 9, отличающийся тем, что полость по охлаждаемой среде конденсатора-теплообменника имеет дополнительную полость, вход которой сообщен со сборником конденсата воды, а выход через регулировочный кран, водяной насос и разбрызгиватель воды, установленный в верхней части основной полости у ее выхода, в то время, как сборник конденсата воды, дополнительно связан через подпиточный поплавковый клапан с источником воды, в нижней части у входа в нее.

11. Энергоузел по пп.7 - 10, отличающийся тем, что полость по нагреваемой среде теплообменника связана через общие для них дополнительные полости с полостью по охлаждаемой среде теплообменника, причем, разбрызгиватель полости по нагреваемой среде теплообменника у его выхода связан со сборником конденсата воды полости по охлаждаемой среде, а разбрызгиватель воды полости по охлаждаемой среде теплообменника связан через насос и регулировочный кран со сборником конденсата воды у входа в полость по нагреваемой среде теплообменника.

12. Энергоузел по пп.7 - 11, отличающийся тем, что он имеет несколько последовательно установленных теплообменников для передачи тепла разным потребителям, например, водяной системе отопления, системе регенерации тепла и увлажнения воздуха на входе в пароструйный эжектор и системе подогрева и увлаждения подаваемого в отапливаемое или кондиционируемое помещение воздуха.

13. Энергоузел по пп.7 - 12, отличающийся тем, что сборники конденсата воды теплообменников на впуске магистралей без крана и насоса имеют выпускные поплавковые регуляторы уровня воды в сборниках конденсата.

14. Энергоузел по пп.7 - 13, отличающийся тем, что на выходе подогревателя наружного воздуха смесительного типа установлен подогреватель воздуха поверхностного типа, например, радиатор водяного отопления или электроподогреватель, в частности, основанный на применении вольтовой дуги.

15. Энергоузел по пп.7 - 14, отличающийся тем, что на входе в систему подпитки водой энергоузла установлен фильтр, например, типа "Росинка", соединенный, в том числе, и с баком для горячей воды, оборудованным сливным краном и выполненным в виде рубашки охлаждения стенок полости по охлаждаемой среде теплообменника тепломассообменного типа.

16. Энергоузел по пп.7 - 15, отличающийся тем, что фильтр соединен, в том числе, и с баком для холодной воды, оборудованным сливным краном и выполненным в виде рубашки охлаждения стенок полости по нагреваемой среде теплообменника тепломассообменного типа, предназначенного для подогрева воздуха, подаваемого в помещение с улицы или из турбины.

17. Энергоузел по пп.7 - 16, отличающийся тем, что бак с холодной водой сообщен с выходом фильтра через бак для горячей воды и дополнительно через кран с входом низкого давления струйного насоса, установленного в магистрали, соединяющей сборник воды и разбрызгиватель, расположенные соответственно в полостях по охлаждаемой и нагреваемой средам тепломассообменного теплообменника.

18. Энергоузел по пп.7 - 17, отличающийся тем, что радиаторы отопления имеют сливные краны для конденсата и подключены к верхней части бака для горячей воды и своей верхней частью к входу низкого давления струйного насоса-вакуумнасоса.

19. Энергоузел по пп.7 - 18, отличающийся тем, что на верхней горизонтальной поверхности парового котла в теле парового котла или (и) его теплоизоляции выполнены углубления по размерам посуды для приготовления пищи, после снятия которой они закрыты крышками с теплоизоляцией.

РИСУНКИ

Рисунок 1