Справа Серогодського живе і перемагає

 

Замкнутий енергетичний цикл
RU 2747894   МПК F01K25/06
опубл. 24.11.2020 автор Сізов В. П. 

Реферат

Винахід належить до галузі перетворення теплової енергії в механічну з використанням як робочого тіла суміші суміші нерозчинних або малорозчинних одна в одній речовин, що перебувають у рівновазі в рідкій і газовій фазах. Технічним завданням є підвищення термічного ККД енергетичного циклу. Замкнутий енергетичний цикл, у якому як робоче тіло використовується суміш інертного газу та рідини, що перебуває на початку циклу в рідкій фазі. Робоче тіло подають на фазу стиснення у співвідношенні, за якого відбувається випаровування рідини за рахунок розігріву стискуваного інертного газу. Потім робоче тіло, що перебуває в газовій фазі, нагрівають і спрямовують у розширювач для здійснення роботи, після чого робоче тіло за допомогою теплообміну доводять до початкової температури і повертають на початок циклу. Вимірюють температуру робочого тіла наприкінці фази стиснення і залежно від температури регулюють співвідношення інертного газу та рідини під час їхньої подачі на фазу стиснення. Як інертний газ використовують аргон, як рідину використовують бутан. Як рідину можуть використовувати фреон або граничний вуглеводень. 3 з.п. ф-ли, 2 іл., 1 табл.

Формула винаходу

1. Замкнутий енергетичний цикл, у якому як робоче тіло використовують суміш інертного газу та рідини, що перебуває на початку циклу в рідкій фазі, робоче тіло подають на фазу стиснення у співвідношенні, за якого відбувається випаровування рідини за рахунок розігріву стискуваного інертного газу, потім робоче тіло, яке перебуває у газовій фазі, нагрівають і спрямовують у розширювач для виконання роботи, після чого робоче тіло за допомогою теплообміну доводять до первинної температури, після чого робоче тіло за допомогою теплообміну доводять до первісної температури, і його повертають на початок циклу.

2) Енергетичний цикл за п.1, що характеризується тим, що вимірюють температуру робочого тіла наприкінці фази стиснення та залежно від температури регулюють співвідношення інертного газу та рідини під час їх подачі на фазу стиснення.

3) Енергетичний цикл за п.1, що характеризується тим, що як інертний газ використовують аргон, як рідину використовують бутан.

4 Енергетичний цикл за п.1, що характеризується тим, що як рідину використовують фреон або граничний вуглеводень.

Опис

[1]Винахід належить до галузі перетворення теплової енергії в механічну з використанням як робочого тіла суміші нерозчинних або малорозчинних одна в одній речовин, що перебувають у рівновазі в рідкій і газовій фазах.

[2]Відомий замкнутий енергетичний цикл (за патентом RU2304722), у якому як робоче тіло використовують суміш речовин, що складається з декількох компонентів, які перебувають у рівновазі в рідкій і газовій фазах. У першій робочій фазі за початкової температури і початкового тиску робоче тіло розширюється зі здійсненням роботи і подальшим відведенням тепла. Розширення робочого тіла і подальше відведення тепла проводять до температури, за якої робоче тіло розділяється на газову фазу і рідку фазу. Рідку фазу робочого тіла відокремлюють від газової фази і окремо стискають. Після стиснення рідку фазу нагрівають шляхом підведення тепла і змішують із газовою фазою з утворенням робочого тіла за початкової температури.

[3]Відомий замкнутий енергетичний цикл (за патентом RU2114999), в якому, в робочу рідину, вміщену в резервуар, додають газ, молекулярна маса якого не перевищує молекулярну масу робочої рідини, та передають цій рідині теплову енергію від пристрою для нагріву робочої рідини до приведення її в пару. Потім подають робочу рідину в пароподібній фазі в пристрій для перетворення енергії на механічну роботу, з розширенням робочої рідини та зниженням температури. Виділяють із розширеної та охолодженої робочої рідини газ. Циклічно повертають розширену й охолоджену рідину в рідкій фазі та виділений газ у резервуар. Як робочу рідину використовують воду, яку в резервуарі нагрівають до одержання пари і додають до неї в кількості від 0,1 до 9 мас.% водень або гелій для утворення суміші газу з парою, що має підвищені значення ентальпії та коефіцієнта стисливості.

[4]Загальним недоліком відомих рішення є низький термічний ККД, пов'язаний з тим, що стиснення двох робочих тіл відбувається окремо і не використовується теплота, що виділяється під час стиснення газу.

[5]Відомий незамкнутий енергетичний цикл (за заявкою US2005172623), у якому використовують нагрітий газ-носій, який адіабатично стискають, тепло, що виділяється від стиснення, поглинають рідиною, що впорскують із резервуара і закипає, яка витрачається в процесі роботи. Нагнітають рідину в постійний об'єм газу-носія, при цьому частина рідини переходить у газову фазу. Потім, вирівнюють температуру суміші газів перед етапом швидкого розширення за постійного об'єму. Відбувається передача теплової енергії від газу-носія до рідини, що нагнітається. Якщо існує достатня різниця температур для передачі тепла, відбудеться подальше випаровування рідини. Потім, відбувається адіабатичне розширення суміші в розширювачі. Відбувається виснаження суміші, яка збирається в конденсатор для розділення суміші на компоненти. Потім, газ-носій повертається на початок циклу. Рідина в процесі циклу витрачається і не може бути повернута на його початок.

[6]Відомий замкнутий енергетичний цикл (за патентом RU2148722), обраний як прототип, у якому як робоча речовина використовується газорідинний розчин бутану й азоту, що має зворотну розчинність за температурою. У першій робочій фазі об'єм камери розширюється, тиск падає, під час розширення виконується механічна робота, під час збільшення об'єму і падіння тиску відбувається виділення газової фази, яке супроводжується виділенням тепла. Під час стиснення відбувається розчинення газу в рідині, яке супроводжується поглинанням тепла, тому робота стиснення зменшується. Через обмежену розчинність азоту в бутані, потрібно нагрівати розчин на етапі стиснення, крім того, бутан не змінює фазовий стан у циклі. Обидва ці фактори також знижують термічний ККД циклу.

[7]Технічним завданням винаходу є підвищення термічного ККД енергетичного циклу.

[8]Технічний результат досягається в замкнутому енергетичному циклі, в якому як робоче тіло використовується суміш інертного газу та рідини, що перебуває на початку циклу в рідкій фазі. Під замкнутим енергетичному циклом ми розуміємо термодинамічний цикл, у якому термодинамічні стани робочого тіла, у нашому випадку газо-рідинної суміші, на початку і в кінці збігаються. У тому числі, в це поняття включаються ті процеси, в яких допускається додавання або вилучення компонент робочого тіла, внаслідок, наприклад, втрат, витоків, або, за необхідності змінити стан або режим роботи теплової машини, що використовує цей цикл. Робоче тіло подають на фазу стиснення у співвідношенні, за якого відбувається випаровування рідини за рахунок розігріву стискуваного інертного газу, потім робоче тіло, яке перебуває в газовій фазі, нагрівають і спрямовують у розширювач для виконання роботи, після чого, робоче тіло за допомогою теплообміну доводять до первісної температури, і його повертають на початок циклу. Вимірюють температуру робочого тіла наприкінці фази стиснення і, залежно від температури, регулюють співвідношення інертного газу і рідини під час їхньої подачі на фазу стиснення. Як інертний газ використовують аргон, як рідину використовують бутан. Як рідину можуть використовувати фреон або граничний вуглеводень.

[9]Винахід пояснюється малюнками:

[10]фіг.1 - схема енергетичного циклу;

[11]фіг.2 - фазова діаграма T - P для пари аргон - бутан.

[12]У замкнутому енергетичному циклі як робоче тіло використовується суміш інертного газу і рідини, що перебуває на початку циклу в рідкій фазі. Початком циклу ми називаємо стан суміші перед подачею на фазу стиснення A-B - у компресор 1. Тобто ми обираємо таку пару інертного газу і рідини, і такі параметри енергетичного циклу, за яких інертний газ і рідина перебувають у конденсаторі 4, на фазі охолодження суміші D-A, або, що те саме, перед подачею у компресор 1, у газоподібній і рідкій фазах відповідно.

[13]Використання хімічно інертного газу і швидкість перебігу процесів визначають те, що інертний газ і рідина значуще для перебігу процесу не розчиняються один в одному, і усталена термодинамічна рівновага на фазах циклу не зміщується через розчинення - у різних фазах циклу інертний газ і рідина перебувають або у вигляді суміші газів, або у вигляді суміші (а не розчину) газу і рідини.

[14]Робоче тіло подають на фазу стиснення A-B, у компресор 1, у співвідношенні, за якого відбувається розігрів стискуваного інертного газу. За рахунок тепла, що виділяється при цьому, відбувається закипання і повне випаровування рідини. Процес характеризується малими механічними витратами на стиснення, оскільки температура і ентальпія змінюються незначно, відбувається мала робота. Можуть використовуватися циклічні компресори об'ємного стиснення (наприклад, поршневі, гвинтові), що мають замкнений об'єм для стиснення. У цей об'єм для стиснення одночасно подаються інертний газ і рідина. У кожен цикл роботи компресора подається певна кількість інертного газу та рідини для того, щоб тепло від стиснення інертного газу дорівнювало теплу, необхідному рідині для повного випаровування.

[15]Для підвищення теплового ККД і для підвищення стабільності теплових характеристик енергетичного циклу вимірюють температуру робочого тіла наприкінці фази стиснення A-B, на виході з компресора 1. Залежно від виміряної температури, регулюють співвідношення інертного газу і рідини під час їхньої подачі на фазу стиснення так, щоб забезпечити максимальну ефективність фази стиснення за сталого робочого режиму теплової машини: надлишок рідини може призвести до неповного випаровування, надлишок інертного газу призведе до втрат механічної енергії на стиснення робочого тіла. В автоматичному режимі такий контроль і регулювання можуть здійснюватися з використанням контролера, з'єднаного з термометром і з пристроями дозованого впорскування.

[16]Потім, робоче тіло, що перебуває на виході з компресора 1 у газовій фазі, за постійного тиску нагрівають у нагрівачі 2 (фаза енергетичного циклу B-C) до розрахункової температури, як який може використовуватися ємність, що підігрівається.

[17]Розрахункову температуру обирають таким чином, щоб забезпечити максимальний тепловий ККД циклу: необхідно нагрівати до такої температури, щоб під час подальшого розширення в розширювачі 3 суміш газів охолола практично до точки роси для рідини. Якщо краплі рідини з'являться в порожнині розширювача 3, вони перестають здійснювати корисну роботу (недогрів). Якщо перегріти, то потрібно віднімати зайве тепло в конденсаторі 4.

[18]Після фази нагріву, робоче тіло направляють у розширювач 3 для здійснення механічної роботи (фаза розширення C-D), теплова машина перетворює теплову енергію на механічну (і далі, наприклад, на електричну). При цьому, може використовуватися будь-який з відомих механізмів, наприклад, турбіна.

[19]Після розширювача, робоче тіло подається на фазу охолодження D-A, в конденсатор 4 (теплообмінник), де, за допомогою теплообміну доводиться до початкової температури і повертається на початок циклу.

[20]Як приклад, розглянемо роботу енергетичного циклу на парі аргон - бутан.

[21]У циклі бере участь 1 кг аргону і 0,1356 кг рідкого бутану. Початковий тиск для такої суміші становить 3 бар за температури ^300С. У компресорі 1 відбувається стиснення суміші (робочого тіла) до 8 бар з повним випаровуванням бутану. На виході з компресора температура газоподібного робочого тіла становитиме 69 °С. Далі, за постійного тиску нагрівають суміш до 100 °С і вона здійснює роботу в розширювачі 3, при цьому тиск знижується до 3 бар, температура до 31 °С. У конденсаторі 4, за незначного зниження температури до 30 °С, бутан переходить у рідку фазу, а аргон із рідким бутаном повертаються на початок циклу. Розрахунковий тепловий ККД такого процесу становить близько 90%.

[22]Як інертний газ, вочевидь, можуть використовуватися й інші гази: криптон, ксенон, гелій, неон, що мають подібні фізичні та фізичні властивості. Так, нижче наводиться таблиця параметрів енергетичного циклу з використанням таких газів.

[23]Як рідину можна використовувати будь-яку рідину, яка може перебувати з інертним газом у вигляді суміші (є нелеткою, яка перебуває в рідкій фазі) в умовах конденсатора, яка випаровується в компресорі. Найбільш підходящими рідинами є легкокиплячі речовини (речовини з малою питомою теплотою пароутворення), до них, наприклад, можна віднести, але не обмежуючись тільки ними, всі фреони і граничні вуглеводні. Очевидно, що таких речовин дуже багато і неможливо описати особливості енергетичного циклу для всіх пар інертний газ - рідина. Як приклади, в таблиці наведено параметри енергетичного циклу для різних пар:

[24]

Епоха двофазних робочих середовищ стоїть на порозі. Студенти - вперед!