способ преобразования тепла в газовых циклах и устройство для осуществления изотермических частей цикла по способу преобразования тепла в газовых циклах
Классы МПК: | F25B30/02 компрессионного типа F01K25/00 Установки или двигатели, работающие на особых рабочих телах, не отнесенные к другим группам; установки, работающие по замкнутым циклам, не отнесенные к другим группам |
Патентообладатель(и): | Чепкасов Юрий Петрович |
Приоритеты: |
подача заявки:
1992-12-25 публикация патента:
20.06.1996 |
Использование: трансформаторы тепла, тепловые насосы и тепловые двигатели. Сущность изобретения: термодинамический цикл с подводом и отводом тепла начинают с процессов сжатия и расширения двух разных порций газообразного рабочего тепла в роторной машине, поочередно приводя их в контакт с одними и теми же регенеративными поверхностями. Затем каждую порцию рабочего тепла расширяют или снижают адиабатно до первоначального давления. Роторная машина содержит цилиндрический корпус с впускными и выпускными окнами. Корпус машины разделен ротором на детандерную и компрессорную части, сообщенные с впускными и выпускными окнами. Приводится соотношение, связывающее величину давления конца сжатия в компрессорной части и величину давления конца расширения в детандерной части. 2 и.з. ф-лы, 1 з.п. ф-лы, 5 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5
Формула изобретения
1. Способ преобразования тепла в газовых циклах путем расширения газа, с последующим подводом к нему тепла при постоянном давлении, либо сжатия его с последующим отводом тепла в тех же условиях и адиабатного сжатия, расширения соответственно до первоначального давления, отличающийся тем, что оба цикла начинают одновременно в одной и той же двухроторной объемной машине с расширения и сжатия двух разных порций газа, поочередно проводя их в контакт с одними и теми же регенеративными поверхностями так, что количество тепла, выделенное при сжатии одной порции, равно количеству тепла, поглощаемому при расширении другой, после чего каждую порцию соответственно расширяют или сжимают адиабатно до первоначального давления. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что газ после изотермического сжатия нагревают от источника теплее окружающей среды, либо охлаждают расширенный, если источник ее холоднее. 3. Устройство для осуществления изотермических частей цикла по способу преобразования в газовых циклах, содержащее цилиндрический корпус с впускными и выпускными окнами, два коаксиально и концентрично расположенных в нем ротора с лопастями, разделяющими цилиндрическую полость корпуса на круговую цепочку рабочих камер, отличающееся тем, что каждый ротор выполнен с двумя радиально противоположными лопастями-поршнями, образуя совместно четыре рабочие камеры с размещенными в них подвижно в окружном направлении относительно роторов телами с развитой регенеративной поверхностью, например, в форме пластин, а наружная коммутация подводящих и отводящих каналов с впускными и выпускными окнами корпуса разделяет ее на две автономные части, одна из которых подключена к внешней цепи как компрессор, а другая как детандер, причем давление в конце сжатия компрессорной половины и давление конца расширения в детандерной заданы соотношением:![способ преобразования тепла в газовых циклах и устройство для осуществления изотермических частей цикла по способу преобразования тепла в газовых циклах, патент № 2062413](/images/patents/410/2062413/2062413-8t.gif)
где P1 давление в конце сжатия компрессорной части;
![способ преобразования тепла в газовых циклах и устройство для осуществления изотермических частей цикла по способу преобразования тепла в газовых циклах, патент № 2062413](/images/patents/410/2062413/2062413-9t.gif)
Pа давление атмосферное.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в трансформаторах тепла и низкотемпературных тепловых двигателях. Из литературы известно много термодинамических циклов преобразования тепла, ставших основной современной энергетики. Но загрязнение окружающей среды и повышение стойкости ископаемых видов топлива делают актуальными поисками новых способов получения энергии, как в сторону повышения эффективности преобразования, так и использования низкотемпературных источников тепла и естественных перепадов температур. Теоретически, максимальным по эффективности преобразования признается цикл Карно, описанный, например, в книге В. А.Кирилин и др. "Техническая термодинамика" М. Энергия, 1968 стр.327-329. Но из-за ограничений, налагаемых применение в цикле влажного пара, цикл практического применения не нашел. Известны высокоэффективные газовые циклы, описанные, например, в книге Е.Г.Фастовский и др. "Криогенная техника" М.Энергия. 1974. стр. 222-228. В этих циклах изотермы замыкаются изохорами (цикл Стирлинга) или изобарами (регенеративный цикл Карно). Ближе всего к предлагаемому способу классические теплонасосные газовые циклы описанные, например, в книге: Е.И.Янтовский, Л.А.Левин "Промышленные тепловые насосы" М.Энергоиздат. 1989. стр. 107-108 и стр. 62. Теплоносный цикл Томсона (Кельвина) заключается в том, что воздух первоначально расширяет адиабатно в детандере с понижением температуры, затем разряженный газ нагревают до температуры окружающей среды и снижают в компрессоре до первоначального давления с повышением температуры выше температуры окружающей среды. Этот отработанный воздух, непосредственно, используют для отопления. Наибольшие трудности и потери возникают в процессе теплопередачи к разряженному газу. Теплонасосный газовый цикл Брайтона заключается в том, что воздух, наоборот, вначале сжимают с повышением его температуры, после чего охлаждают при этом же давлении с использованием тепла для отопления. Заканчивают процесс расширением в детандере до первоначального давления. Недостатком цикла является то, что подъем температуры сжатого воздуха должен значительно превышать температуру отапливаемого помещения с тем, чтобы обеспечить достаточную теплопередачу, а это значительно снижает эффективность цикла. Основной задачей изобретения является снижение потерь температурного напора при температуре в теплонасосном газовом цикле до минимума и тем самым резко повысить эффективность преобразования тепла. Эта задача решается тем, что оба цикла начинают одновременно в одной и той же двухроторной объемной машине с расширения и сжатия двух разных порций газа поочередно приводят их в контакт с одними и теми же регенеративными поверхностями тел, размещенных в рабочих камерах машины так, что количество тепла выделенное и поглощенное теплоемкостью регенеративных тел при сжатии одной порции равно количеству тепла поглощаемому при расширении другой. После чего, каждую порцию, соответственно расширяют или сжимают адиабатно до первоначального давления. Работа расширения газа в детандерах частично возмещает работу сжатия в компрессорах. Для того, чтобы работа расширения превышала работу сжатия, то есть для того, чтобы устройство, реализующее способ, работало в режиме теплового двигателя, газ после изотермического сжатия нагревают до постороннего источника тепла теплее окружающей среды, либо охлаждают расширенный, если имеющийся источник холоднее окружающей среды, например грунтовая вода в летнее время. Предлагаемый способ поясняется тремя рисунками: фиг.1 фиг.4 и фиг.5. На фиг.1 показана диаграмма воздуха с нанесенной сеткой изотерм: Tx; To; Tт; Tp; T2 и термодинамическими циклами по предлагаемому способу. На фиг.4 изображена принципиальная схема теплового насоса по предлагаемому способу (циклы 0-1-2-0 и 0-1-2-0, фиг.1). На фиг.5, изображена принципиальная схема теплового двигателя по предлагаемому способу. Вариант, когда посторонний источник теплее окружающей среды. (На фиг.1 циклы 0-1-3-3-4-0 и 0-1-2-0). Реализация изотермических частей термодинамических циклов по предлагаемому способу возможна с изобретением двухроторных объемных машин с коаксиальным расположением роторов известной, например, из описания к а.с.СССР 1244356. Основу подобного типа машин составляют 2 коаксиально расположенных ротора с одним или несколькими лопастями, размещенных концентрично в цилиндрическом корпусе, совместно образующие круговую цепочку рабочих камер и смещенные по фазе привода неравномерного вращения роторов. Чаще всего, этот тип машин предлагают в качестве двигателей внутреннего сгорания и для осуществления изотермических или близких к ним процессов сжатия, расширения, эти машины не пригодны. Основной задачей усовершенствования этого типа машин, используемых в предлагаемом способе, является максимально полный регенеративный теплообмен между т. д. процессами сжатия и расширения двух разных порций газа, объединенных в общий процесс в одной машине. Эта задача разрешается тем, что каждый ротор выполнен с двумя радиально противоположными лопастями-поршнями, образующими совместно 4 рабочие камеры, оснащенные внутри телами с развитой регенеративной поверхностью, например, в форме пластин, подвижных в окружном направлении относительно роторов, а наружная коммутация подводящих и отводящих каналов с выпускными и впускными окнами корпуса разделяет ее на две автономные части, одна из которых подключена к внешней цепи как компрессор, а другая как детандер, причем давление в конце сжатия компрессорной половины и давление конца расширения в детанденой заданы соотношением:![способ преобразования тепла в газовых циклах и устройство для осуществления изотермических частей цикла по способу преобразования тепла в газовых циклах, патент № 2062413](/images/patents/410/2062413/2062413-2t.gif)
Устройство для осуществления способа проиллюстрировано фиг.2 и 3. На фиг. 2 изображен радиальный разрез устройства. На фиг. 3 изображено устройство в осевом разрезе. Устройство состоит (см. фиг.2) из цилиндрического корпуса 1, двух роторов с парами поршней 2 и 3. Во внутренних проточках роторов подвижно закреплены теплообменные пластины 4, расположенные во всех 4 камерах. Плоскость А-А разделяет полость устройства на две части. Верхняя часть с впускным окном 5 и выпускным 6 на фланцах корпуса настроена как компрессор. Нижняя часть с впускным окном 7 и выпускным 8 встроена как детандер. Настройка на функцию и выходные параметры автономных частей осуществлена размерами и расположением окон 5; 6; 7 и 8 в зависимости от направления вращения роторов. Каждый ротор соединен с отдельным приводом в коробке приводов неравномерного вращения 9 (см. фиг.3). Устройство изображено в момент вращения, когда оба ротора имеют одинаковую скорость, но ротор с поршнями 2 ускоряется, а ротор с поршнями 3 замедляет свое вращение, две камеры в плоскости А-А полностью "захлопнуты", а две перпендикулярные им максимально раскрыты, при чем, верхняя заполнена газом с параметрами: Pa;
![способ преобразования тепла в газовых циклах и устройство для осуществления изотермических частей цикла по способу преобразования тепла в газовых циклах, патент № 2062413](/images/patents/410/2062192/957.gif)
![способ преобразования тепла в газовых циклах и устройство для осуществления изотермических частей цикла по способу преобразования тепла в газовых циклах, патент № 2062413](/images/patents/410/2062413/2062413-3t.gif)
![способ преобразования тепла в газовых циклах и устройство для осуществления изотермических частей цикла по способу преобразования тепла в газовых циклах, патент № 2062413](/images/patents/410/2062413/2062413-4t.gif)
![способ преобразования тепла в газовых циклах и устройство для осуществления изотермических частей цикла по способу преобразования тепла в газовых циклах, патент № 2062413](/images/patents/410/2062413/2062413-5t.gif)
![способ преобразования тепла в газовых циклах и устройство для осуществления изотермических частей цикла по способу преобразования тепла в газовых циклах, патент № 2062413](/images/patents/410/2062413/2062413-6t.gif)
где
![способ преобразования тепла в газовых циклах и устройство для осуществления изотермических частей цикла по способу преобразования тепла в газовых циклах, патент № 2062413](/images/patents/410/2062156/949.gif)
![способ преобразования тепла в газовых циклах и устройство для осуществления изотермических частей цикла по способу преобразования тепла в газовых циклах, патент № 2062413](/images/patents/410/2062156/949.gif)
![способ преобразования тепла в газовых циклах и устройство для осуществления изотермических частей цикла по способу преобразования тепла в газовых циклах, патент № 2062413](/images/patents/410/2062266/951.gif)
L количество работы на соответствующем участке диаграммы.
![способ преобразования тепла в газовых циклах и устройство для осуществления изотермических частей цикла по способу преобразования тепла в газовых циклах, патент № 2062413](/images/patents/410/2062413/2062413-7t.gif)
![способ преобразования тепла в газовых циклах и устройство для осуществления изотермических частей цикла по способу преобразования тепла в газовых циклах, патент № 2062413](/images/patents/410/2062159/964.gif)
![способ преобразования тепла в газовых циклах и устройство для осуществления изотермических частей цикла по способу преобразования тепла в газовых циклах, патент № 2062413](/images/patents/410/2062030/916.gif)
![способ преобразования тепла в газовых циклах и устройство для осуществления изотермических частей цикла по способу преобразования тепла в газовых циклах, патент № 2062413](/images/patents/410/2062030/916.gif)
![способ преобразования тепла в газовых циклах и устройство для осуществления изотермических частей цикла по способу преобразования тепла в газовых циклах, патент № 2062413](/images/patents/410/2062413/8706.gif)
Pa давление атмосферное. P1 давление в конце сжатия компрессорной части расщепителя
P"1 давление в конце расширения его детандерной части. To температура окружающей среды. Tx температура в конце адиабатного расширения.
![способ преобразования тепла в газовых циклах и устройство для осуществления изотермических частей цикла по способу преобразования тепла в газовых циклах, патент № 2062413](/images/patents/410/2062030/916.gif)
![способ преобразования тепла в газовых циклах и устройство для осуществления изотермических частей цикла по способу преобразования тепла в газовых циклах, патент № 2062413](/images/patents/410/2062030/916.gif)
![способ преобразования тепла в газовых циклах и устройство для осуществления изотермических частей цикла по способу преобразования тепла в газовых циклах, патент № 2062413](/images/patents/410/2062030/916.gif)
![способ преобразования тепла в газовых циклах и устройство для осуществления изотермических частей цикла по способу преобразования тепла в газовых циклах, патент № 2062413](/images/patents/410/2062192/957.gif)
![способ преобразования тепла в газовых циклах и устройство для осуществления изотермических частей цикла по способу преобразования тепла в газовых циклах, патент № 2062413](/images/patents/410/2062413/8706.gif)
![способ преобразования тепла в газовых циклах и устройство для осуществления изотермических частей цикла по способу преобразования тепла в газовых циклах, патент № 2062413](/images/patents/410/2062159/964.gif)
![способ преобразования тепла в газовых циклах и устройство для осуществления изотермических частей цикла по способу преобразования тепла в газовых циклах, патент № 2062413](/images/patents/410/2062413/8706.gif)
![способ преобразования тепла в газовых циклах и устройство для осуществления изотермических частей цикла по способу преобразования тепла в газовых циклах, патент № 2062413](/images/patents/410/2062156/949.gif)
![способ преобразования тепла в газовых циклах и устройство для осуществления изотермических частей цикла по способу преобразования тепла в газовых циклах, патент № 2062413](/images/patents/410/2062030/916.gif)
![способ преобразования тепла в газовых циклах и устройство для осуществления изотермических частей цикла по способу преобразования тепла в газовых циклах, патент № 2062413](/images/patents/410/2062030/916.gif)
![способ преобразования тепла в газовых циклах и устройство для осуществления изотермических частей цикла по способу преобразования тепла в газовых циклах, патент № 2062413](/images/patents/410/2062030/916.gif)
![способ преобразования тепла в газовых циклах и устройство для осуществления изотермических частей цикла по способу преобразования тепла в газовых циклах, патент № 2062413](/images/patents/410/2062030/916.gif)
![способ преобразования тепла в газовых циклах и устройство для осуществления изотермических частей цикла по способу преобразования тепла в газовых циклах, патент № 2062413](/images/patents/410/2062156/949.gif)
![способ преобразования тепла в газовых циклах и устройство для осуществления изотермических частей цикла по способу преобразования тепла в газовых циклах, патент № 2062413](/images/patents/410/2062156/949.gif)
![способ преобразования тепла в газовых циклах и устройство для осуществления изотермических частей цикла по способу преобразования тепла в газовых циклах, патент № 2062413](/images/patents/410/2062266/951.gif)
![способ преобразования тепла в газовых циклах и устройство для осуществления изотермических частей цикла по способу преобразования тепла в газовых циклах, патент № 2062413](/images/patents/410/2062413/8706.gif)
Класс F25B30/02 компрессионного типа
Класс F01K25/00 Установки или двигатели, работающие на особых рабочих телах, не отнесенные к другим группам; установки, работающие по замкнутым циклам, не отнесенные к другим группам