Устройство для выработки электроэнергии и тепла (варианты)
Изобретение предназначено для выработки электроэнергии и тепла, может использоваться, например, на гидроэлектростанциях и в мобильных энергоустановках с двигателями внутреннего сгорания. Устройство содержит установленную в герметичной емкости турбину, связанную с электрогенератором, два насоса, два теплообменника, во внутренней полости которых установлены змеевики, и, по меньшей мере, четыре емкости, сообщенные последовательно между собой посредством трубок с внутренним диаметром от 5 до 10 мм. Змеевик одного теплообменника подключен к одной из крайних емкостей и к насосу, сообщенному с другой крайней емкостью. Внутренняя полость этого теплообменника подключена к турбине. Герметичная емкость турбины сообщена с внутренней полостью второго теплообменника и подключена ко второму насосу, соединенному с внутренней полостью первого теплообменника. Вход змеевика второго теплообменника подключен к источнику подогреваемой воды, а его выход - к потребителю. Изобретение позволяет, используя кавитационные процессы, обеспечить выработку электрической энергии и тепла для потребителей. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для выработки электроэнергии и тепла, например, при гидроэлектростанциях или в мобильных энергоустановках с любыми двигателями внутреннего сгорания, а также с двигателями, использующими возобновляемые источники энергии.
Известна автономная система отопления для здания индивидуального пользования, содержащая замкнутый гидравлический контур с газовой подушкой, насосом, соединенным с теплогенератором гидродинамического кавитационного типа через напорный патрубок с регулятором расхода жидкости, и теплообменники (см. патент Российской Федерации №2162990 С1, Кл. F24J 3/00, 10.02.2001).
Данная энергоустановка использует в основном энергию ветра и позволяет вырабатывать тепловую и электроэнергию, но последняя используется лишь в самой энергоустановке для получения тепловой энергии в особых условиях, например при отсутствии ветра.
Задачей изобретения является выработка помимо тепловой энергии еще и электроэнергии, которая может быть использована как в самом устройстве, так и для подачи любым другим внешним потребителям, а также в централизованную электросеть, например гидроэлектростанции.
Указанный технический результат достигается двумя вариантами выполнения устройства.
Согласно первому варианту устройство для выработки электроэнергии и тепла содержит установленную в герметичной емкости паровую турбину, связанную с электрогенератором, два насоса, теплообменник и конденсатор, во внутренней полости которых установлены змеевики, по меньшей мере, четыре емкости, сообщенные последовательно между собой посредством трубок с внутренним диаметром от 5 до 10 мм, причем змеевик теплообменника подключен к одной из крайних емкостей и к одному из насосов, сообщенному посредством трубопровода с регулировочным краном с другой крайней емкостью, а внутренняя полость теплообменника подключена посредством трубопровода с регулировочным краном к паровой турбине, герметичная емкость которой сообщена с внутренней полостью конденсатора, подключенной ко второму насосу, сообщенному посредством трубопровода с регулировочным краном с внутренней полостью теплообменника, при этом вход змеевика конденсатора подключен к источнику подогреваемой воды, а его выход - к потребителю.
Согласно второму варианту устройство для выработки электроэнергии и тепла содержит установленную в герметичной емкости газовую турбину, связанную с электрогенератором, насос, компрессор, два теплообменника, во внутренней полости которых установлены змеевики, по меньшей мере, четыре емкости, сообщенные последовательно между собой посредством трубок с внутренним диаметром от 5 до 10 мм, причем змеевик первого теплообменника подключен к одной из крайних емкостей и к насосу, сообщенному посредством трубопровода с регулировочным краном с другой крайней емкостью, а внутренняя полость первого теплообменника подключена посредством трубопровода с регулировочным краном к газовой турбине, герметичная емкость которой сообщена с внутренней полостью второго теплообменника, подключенной к компрессору, сообщенному посредством трубопровода с регулировочным краном с внутренней полостью первого теплообменника, при этом вход змеевика второго теплообменника подключен к источнику подогреваемой воды, а его выход - к потребителю.
Изобретение поясняется графическим материалом, где схематично представлены оба варианта устройства.
Устройство для выработки электроэнергии и тепла содержит насос 1, кран 2 для регулировки потока воды, по меньшей мере, четыре емкости 3, переходные соединительные трубки 4 с внутренним диаметром от 5 до 10 мм, теплообменник 5, во внутренней полости корпуса которого расположен змеевик 6, паровую или газовую турбину 7, электрогенератор 8, конденсатор или теплообменник 9, насос или компрессор 10 для прокачки воды или компрессор для адиабатического сжатия воздуха, регулировочный кран 11, теплоизолированные трубопроводы 12, 13, 14 и 15, краны 16 для заливки воды перед пуском в работу, кран 17 для заливки воды или для впуска сжатого воздуха из баллона или внешнего компрессора (на чертеже не показаны) перед пуском в работу, датчики температуры воды 18 в емкостях 3, датчики давления 19 в емкостях 3, датчик температуры 20 в теплообменнике 5, датчик давления 21 в теплообменнике 5, кран 22 на теплоизолированном трубопроводе для регулировки потока пара или сжатого воздуха, поступающих через сопло в турбину 7, датчик температуры 23 в конденсаторе или теплообменнике 9, датчик давления 24 в конденсаторе или теплообменнике 9, датчик температуры 25 и давления 26 воды, подаваемой потребителю.
Работа устройства по первому варианту осуществляется следующим образом.
Первоначально водой заполняют насос 1, емкости 3, трубки 4, змеевик 6 в теплообменнике 5 и трубопроводы 12 и 15. Эти конструктивные элементы образуют первый контур циркуляции теплоносителя - воды. Первый контур является одинаковым для обоих вариантов устройства.
Затем через кран 17 наполняют водой теплообменник 5, кран 11 при этом закрыт. Теплообменник 5, трубопровод с краном 22, паровая турбина 7, трубопроводы 13 и 14, конденсатор 9 и насос 10 образуют второй контур циркуляции теплоносителя - воды и образующегося из нее водяного пара первого варианта устройства.
Далее закрывают краны 16 и 17 и подключают насос 1, который может быть подключен к гидротурбине (на чертеже не показана) гидроэлектростанции или к любому двигателю внутреннего сгорания, или к любому двигателю, использующему возобновляемый источник энергии, например ветер. Вода начинает циркулировать по первому контуру устройства. В воде, проходящей с большой скоростью по тонким трубкам 4, имеющим внутренний диаметр от 5 до 10 мм, происходит массовое образование кавитационных пузырьков, которые, попадая вместе с водой в очередную емкость 3, захлопываются с большим выделением тепла. Количество емкостей 3 подбирается опытным путем, но предыдущие эксперименты показали, что их должно быть не меньше четырех. Температура воды возрастает от одной крайней емкости 3, подключенной к насосу 1, до другой крайней емкости 3, подключенной к змеевику 6 теплообменника 5. Горячая вода, поступившая в змеевик 6 с температурой порядка 550-600К, испаряет воду, находящуюся во внутренней полости теплообменника 5. Образовавшийся пар по трубопроводу и через регулировочный кран 22 и сопло подается на паровую турбину 7, приводящую в действие электрогенератор 8, вырабатывающий электроэнергию для подачи любым внешним потребителям, а также в централизованную электросеть, например, гидроэлектростанции.
Отдавшая большую часть тепла вода из змеевика 9 по трубопроводу 15 поступает в насос 1, и таким образом рабочий цикл в первом контуре завершается и может далее повторяться неограниченное количество раз.
Во втором контуре пар, отработанный в турбине 7, по трубопроводу 13 поступает в конденсатор 9, где он преобразуется из газообразного состояния в воду, а выделяющееся при этом тепло используется для нагрева воды, подаваемой потребителю, например, для систем отопления зданий. Далее охлажденная вода из внутренней полости конденсатора 9 посредством насоса 10 через кран 11 подается во внутреннюю полость теплообменника 5, и рабочий цикл во втором контуре замыкается и может повторяться в соответствии с рабочим циклом первого контура.
Регулировка работы устройства осуществляется варьированием мощности насосов 1 и 10, кранами 2, 11 и 22. Контроль за работой устройства может быть обеспечен по показаниям датчиков температуры и давления 18, 19, 20, 21, 23, 24, 25 и 26.
Во втором варианте устройства в качестве теплоносителя во втором контуре используется сжатый воздух, при этом работа первого контура осуществляется аналогично первому варианту устройства. Воздух компрессором 10 адиабатически сжимают в 2-3 раза и повышают его температуру от 300К до 350-600К и по трубопроводу 14 через кран 11 подают во внутреннюю полость теплообменники 5, где воздух от змеевика 6 нагревается до 550-600К и по трубопроводу через кран 22 подается в турбину 7, приводящую электрогенератор 8, вырабатывающий электроэнергию. При адиабатическом расширении в турбине 7 совершается механическая работа и температура воздуха понижается до 300К. Для дальнейшего охлаждения воздух поступает во внутреннюю полость теплообменника 9, где происходит нагрев воды для потребителя. Далее воздух поступает в компрессор 10, и рабочий цикл второго контура замыкается.
1. Устройство для выработки электроэнергии и тепла, содержащее установленную в герметичной емкости паровую турбину, связанную с электрогенератором, два насоса, теплообменник и конденсатор, во внутренней полости которых установлены змеевики, по меньшей мере, четыре емкости, сообщенные последовательно между собой посредством трубок с внутренним диаметром от 5 до 10 мм, причем змеевик теплообменника подключен к одной из крайних емкостей и к одному из насосов, сообщенному посредством трубопровода с регулировочным краном с другой крайней емкостью, а внутренняя полость теплообменника подключена посредством трубопровода с регулировочным краном к паровой турбине, герметичная емкость которой сообщена с внутренней полостью конденсатора, подключенной ко второму насосу, сообщенному посредством трубопровода с регулировочным краном с внутренней полостью теплообменника, при этом вход змеевика конденсатора подключен к источнику подогреваемой воды, а его выход к потребителю.
2. Устройство для выработки электроэнергии и тепла, содержащее установленную в герметичной емкости газовую турбину, связанную с электрогенератором, насос, компрессор, два теплообменника, во внутренней полости которых установлены змеевики, по меньшей мере, четыре емкости, сообщенные последовательно между собой посредством трубок с внутренним диаметром от 5 до 10 мм, причем змеевик первого теплообменника подключен к одной из крайних емкостей и к насосу, сообщенному посредством трубопровода с регулировочным краном с другой крайней емкостью, а внутренняя полость первого теплообменника подключена посредством трубопровода с регулировочным краном к газовой турбине, герметичная емкость которой сообщена с внутренней полостью второго теплообменника, подключенной к компрессору, сообщенному посредством трубопровода с регулировочным краном с внутренней полостью первого теплообменника, при этом вход змеевика второго теплообменника подключен к источнику подогреваемой воды, а его выход к потребителю.
