способ аккумулирования тепловой энергии и получения из нее механической энергии

Формула изобретения

Способ аккумулирования тепловой энергии и получения из нее механической энергии, заключающийся в том, что располагаемую механическую (электрическую) энергию используют для привода компрессора, которым закачивают рабочее тело в теплоизолированный ресивер высокого давления, а из него по надобности подают на турбину для привода потребителя механической энергии, причем после турбины рабочее тело направляют в ресивер низкого давления, из которого распределяют его потребителям, отличающийся тем, что осуществляют циркуляцию рабочего тела по замкнутому контуру, теплоизолированные ресиверы высокого и низкого давления используют в режиме работы паровых аккумуляторов, поддерживая параметры рабочего тела вблизи состояния насыщения, соответствующего давлениям, заданным соответственно в ресиверах высокого и низкого давления, при этом в ресиверах смешивают пар с конденсатом, насыщенный пар, отводимый из ресивера низкого давления, увлажняют конденсатом из ресивера низкого давления, впрыскивая его на входе в компрессор, тепловую энергию аккумулируют в избыточном для работы компрессора и турбины количестве конденсата пара и (или) любых теплоемких рабочих телах, которыми наполняют ресиверы, причем имеющимся в наличии просто теплом, например теплом выхлопных газов ДВС, перегревают пар перед турбиной во время ее работы или нагревают рабочие тела в любом из ресиверов, а затем и охлаждают их прокачкой конденсата или пара через потребители тепла по мере надобности в тепле.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отбор тепла для технологических целей или для нужд теплофикации осуществляют путем пропускания пара или его конденсата через его потребители из ресивера низкого давления в период после работы компрессора или в начальный период работы турбины, в то время как отбор тепла из ресивера высокого давления осуществляют после окончания работы турбины или в начальный период работы компрессора, а подвод тепла от источников тепла до начала и в начальный период работы компрессора или турбины соответственно для случаев аккумулирования тепла в ресиверах низкого и высокого давлений.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве теплоемких рабочих тел, заполняюших ресиверы, используют герметичные ампулы с веществами, имеющими разные постоянные температуры теплоемких процессов плавления-затвердевания или синтеза-разложения, например литием, в ресивере высокого давления и глауберовой солью в ресивере низкого давления.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве конденсируемого рабочего тела используют воду, в частности, например, морскую, которую периодически подают в ресивер низкого давления со сливом из него отстоя соли, в то время как дефицитную пресную или очищенную от примесей воду после ее двойного испарения и конденсации отбирают в необходимом количестве, например, после потребителя тепла, пар в который частично подают из-за турбины.

5. Способ по пп. 1 4, отличающийся тем, что стенки ресиверов высокого и низкого давления используют в качестве конструктивных элементов силовых агрегатов потребителей и источников запасаемой механической и тепловой энергии, например в качестве плотин на малых гидравлических станциях, мачт ветроколес, силовых каркасов теплокаров или космических станций, силовая установка и энергорегенеративные узлы которых основаны на реализации предлагаемого способа аккумулирования энергии, а также стенок отапливаемых помещений, для чего ресиверы преимущественно в виде отрезков труб по необходимости располагают горизонтально или вертикально и конденсируют пар соответственно на поверхности всплывающих пузырьков, подаваемых под толщу конденсата и на поверхности струек воды, которые подают насосом на поверхность конденсата из донных слоев конденсата в ресиверах.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области энергетики и транспорта и может найти применение в любой отрасли народного хозяйства при реализации его в устройствах, одновременно или раздельно выступающих в качестве наиболее эффективных на сегодняшний день аккумуляторов механической энергии и тепла, теплового насоса, силовой установки бескомпрессорного ГТД преобразования низко и высокопотенциального тепла в работу, например тепла системы охлаждения и выхлопных газов ДВС и опреснительной или очистительной установки для соленой или загрязненной воды, что позволяет с высокой эффективностью использовать все виды располагаемых возобновляемых и невозобновляемых видов энергии применительно к энергетике и транспорту, в том числе и космическому.

Самыми ценными видами энергии являются легко заменяющие друг друга механическая и электрическая энергии. Действительно, если, например, в тепловую энергию могут быть преобразованы с высоким КПД любые виды энергии, то механическую энергию, например, из наиболее доступных человеку видов энергии-тепла сейчас в мире получают с КПД 30.50% причем используют для этого наиболее ценное высокопотенциальное тепло (600.2500^oC), которое даже аккумулировать невозможно.

Потребность в выработке механической и электрической энергии несравненно сократится, если будет найден достаточно дешевый с высоким КПД и простой способ их аккумулирования, т.к. в мире очень много механической и электрической энергии пропадает зря ввиду неравномерной их потребности по времени года и суток и траты на торможение транспорта.

В то же время, если единицу количества энергии в виде тепла чрезвычайно легко и дешево аккумулировать, например за счет подогрева воды в теплоизолированном баке, ввиду ее очень высоких теплоемкости и удельного веса, практически при отсутствии ее стоимости, то существующие способы аккумулирования механической и электрической энергии с достаточно высоким КПД их возврата (70.80%) чрезвычайно громоздки, требуют больших затрат дефицитных ресурсов, чрезвычайно дороги и технологически сложны.

К основным из них, нашедших практическое применение, относятся:

преобразование электрической энергии не в часы "пик" в потенциальную энергию воды, которое реализуется в гидроаккумулирующих станциях, требующих к тому же уникальных географических условий и больших удельных капитальных затрат, замораживаемых на долгое время;

преобразование электрической энергии в химическую, реализуемой в дорогих и высокотехнологичных электрических аккумуляторах, к тому же ограниченной мощности и емкости, которые требуют сравнительно дорогих и малораспространенных электрических машин постоянного тока, что резко ограничивает сферу их применения;

накопление механической энергии в виде кинетической энергии вращающегося с высокой угловой скоростью громоздкого маховика, который нашел пока практическое применение разве что для обеспечения плавности хода поршневых двигателей, ввиду высокой технологичности, малой прочности, дефицитности и дороговизны существующих материалов и больших потерь на трение для обеспечения приемлемой удельной плотности запасаемой механической энергии.

Из всех известных способов аккумулирования механической энергии, по интегральному показателю стоимость плотность запасания энергии для широкого использования в энергетике оказывается наиболее приемлемым взятый за прототип способ запасания механической энергии в виде сжатого воздуха (см. авт.св. N 1163029, МПК F 03 D 9/09, опубл. 1985) тем более, что возврате механической энергии сжатого воздуха на турбине представляется возможным реализовать и наиболее экономичный преобразователь тепла в работу бескомпрессорный ГТД, наиболее эффективный из всех двигателей, т.к. в нем отсутствует компрессор основной потребитель механической энергии для вспомогательных целей (до 2/3 от мощности турбины) и источник необратимых потерь энергии (15.20%) при реализации термодинамического цикла с наибольшим термическим КПД, зависящим только от выбранной степени сжатия-расширения. Это происходит потому, что компрессор относится к аккумулятору механической энергии, а преобразование тепла в механическую энергию происходит как бы попутно с возвратом накопленной механической энергии на турбине, т.е. без затрат энергии турбины на предварительное сжатие воздуха в компрессоре, в отличие от того, как это имеет место при прямом преобразовании тепла в работу.

В том же, наиболее интересном для нас случае, когда этот способ используется для долговременного хранения механической энергии в виде тепла, с особой силой начинают проявляться его недостатки, заключающиеся в том, что плотность газа-воздуха очень низка, а следовательно, низка плотность запасания тепла в ресивере, и значит относительно велика поверхность ресивера, которую необходимо теплоизолировать, в результате чего в одинаковых диапазонах температур реализации термодинамических циклов, стоимость хранения тепла возрастает примерно в 400 раз по сравнению, например, с хранением тепла в виде горячей воды, т.к. сжатый, например, до 10 ата воздух имеет плотность в 100 раз меньше, чем у воды, а удельная теплоемкость воды в 4 раза больше, чем воздуха.

В целях уменьшения стоимости хранения механической энергии разработчики, например, цеховых пневмосистем для привода пневмоинструмента, отказываются от теплоизоляции ресиверов для хранения сжатого воздуха, а рабочее давление в ресивере выбирают как можно больше. Но в этом случае имеют место необратимые потери механической энергии в тем большем количестве, чем большее рабочее давление выбрано в ресивере. Правда, эти потери механической энергии будут в какой-то мере оправданы, если одновременно с возвратом запасенной механической энергии мы будем полезно использовать холодильный эффект воздуха после турбины, которую воздух будет покидать холодным, но не всегда есть потребность в холоде и не всегда этот холод удается отобрать. Итак, налицо технические противоречия, которые не удается преодолеть с помощью газа-воздуха в прогрессивном по своей сути способе преобразования механической энергии в тепло и тепла обратно в механическую энергию.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, - преодоление указанных выше противоречий и усовершенствование известного способа таким образом, чтобы обеспечить возможность хранения полученного из механической энергии тепла в воде (или любой другой жидкости) и последующего возврата механической энергии с термическим КПД 100% а эффективным 70.80% при одновременном снижении стоимости и увеличении плотности запасания механической энергии в виде тепла примерно в 200 раз без какого-либо усложнения конструктивных средств, предназначенных для этого. Технический результат, который может быть получен при реализации изобретения обеспечение полученного из механической энергии тепла в воде (или иной жидкости) последующий возврат энергии потребителям.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе аккумулирования тепловой энергии и получения из нее механической энергии, заключающемся в том, что располагаемую механическую (электрическую) энергию используют для привода компрессора, которым закачивают рабочее тело в теплоизолированный ресивер высокого давления, из него по надобности подают на турбину для привода потребителя механической энергии, причем после турбины рабочее тело направляют в ресивер низкого давления, из которого распределяют его потребителям, осуществляют циркуляцию рабочего тела по замкнутому контуру, теплоизолированные ресиверы высокого и низкого давлений используют в режиме работы паровых аккумуляторов, поддерживая параметры рабочего тела вблизи состояния насыщения, соответствующего давлениям, заданным соответственно в ресиверах высокого и низкого давлений, при этом в ресиверах смешивают пар с конденсатом, насыщенный пар, отводимый из ресивера низкого давления, увлажняют конденсатом из ресивера низкого давления, впрыскивая его на входе в компрессор, тепловую энергию аккумулируют в избыточном количестве для работы компрессора и турбины количестве конденсата пара и/или любых теплоемких рабочих телах, которыми наполняют ресиверы, причем имеющимся в наличии просто теплом, например, теплом выхлопных газов ДВС, перегревают пар перед турбиной во время ее работы или нагревают рабочие тела в любом из ресиверов, а затем и охлаждают их прокачкой конденсата или пара через потребители тепла по мере надобности в тепле.

Указанный технический результат может быть усилен отбором тепла для технологических целей или для нужд теплофикации осуществлением пропускания пара или его конденсата через его потребителей из ресивера низкого давления в период после работы компрессора или начальный период работы турбины, в то время как отбор тепла из ресивера высокого давления осуществляют после окончания работы турбины или начальный период работы компрессора, а подвод тепла от источников тепла до начала и в начальный период работы компрессора или турбины, соответственно для случаев аккумулирования тепла в ресиверах высокого и низкого давлений.

Указанный технический результат еще больше усиливается, если в качестве теплоемких рабочих тел, заполняющих ресиверы, использовать герметичные ампулы с веществами, имеющими разные постоянные температуры теплоемких процессов плавления-затвердевания или синтеза-разложения, например лития в ресивере высокого давления и глауберовой соли в ресивере низкого давления, в качестве конденсируемого рабочего тела использовать воду, в частности, например, морскую, которую периодически подают в ресивер низкого давления со сливом из него отстоя соли, в то время как дефицитную пресную или очищенную от примесей воду после ее двойного испарения и конденсации отбирают в необходимом количестве, например после потребителя, пар в который частично подают из-за турбины.

Еще один технический результат может быть получен при использовании стенок ресиверов высокого и низкого давлений в качестве конструктивных элементов силовых агрегатов потребителей и источников запасаемой механической и тепловой энергии, например, в качестве плотин на малых гидравлических станциях, мачт ветроколес, силовых каркасов теплокаров и космических станций, соответственно, силовая установка и энергорегенеративные узлы которых основаны на реализации предлагаемого способа аккумулирования энергии, и также стенок отапливаемых помещений, для чего ресиверы преимущественно в виде отрезков труб по необходимости располагают горизонтально или вертикально и конденсируют пар соответственно на поверхности всплывающих пузырьков, подаваемых под толщу конденсата и на поверхности струек воды, которые подают насосом на поверхность конденсата из донных слоев конденсата в ресиверах. Нетрудно сообразить, что в модернизированном способе используются преимущества способов аккумулирования механической энергии в виде сжатого газа и тепловой энергии в виде горячей воды. Действительно, с одной стороны мокрый пар это практически чистый газ, удельная мощность потребления механической энергии для сжатия которого на несколько порядков выше, чем при перекачке жидкости (как в способе хранения механической энергии, реализованном на гидроаккумулирующих электростанциях) а с другой стороны, мокрый пар можно конденсировать в конденсате этого пара практически при нулевой разнице температур (т. е. практически без необратимых потерь энергии), обеспечивая этим колоссальную объемную плотность запасания тепловой энергии для самопроизвольной выработки пара на входе в компрессор и турбину без внешнего подвода тепла, для чего и обеспечивают сбор и хранение в конденсате скрытой теплоты конденсации пара, которая равна скрытой теплоте испарения жидкости, не только до турбины, но и после турбины, сохраняя адиабатичность системы, а следовательно и реализацию принципа теплового насоса, когда с помощью располагаемой механической энергии может быть получено высокопотенциального тепла в 5.10 раз большем количестве, что является гарантией практически полного возврата механической энергии при любых выбранных диапазонах температур и давлений термодинамического цикла, изменяющих только плотность запасания механической энергии.

Учитывая, что в лучших, например лопаточных компрессорах и турбинах адиабатический КПД составляет соответственно 0,86 и 0,92 (в объемных он выше), эффективный КПД возврата механической энергии может составить 0,860,92=0,8. Иначе говоря, 20.30% механической энергии будет превращаться просто в тепло за счет трения пара о стенки лопаток. Выработка этого тепла не сопровождается одновременным увеличением давления рабочего тела, как при выработке остальных 70.80% тепла, которое полностью преобразуется обратно в работу, и поэтому 20.30% тепла должно удаляться из системы, чтобы сохранить постоянными заданные диапазоны температур и давлений, реализуемые в термодинамическом цикле. Это может быть обеспечено просто за счет уменьшения мощности теплоизоляции аккумулятора низкого давления, что снизит стоимость его, но можно и полезно использовать его, например, для нужд теплофикации. В связи с тем, что термодинамические процессы в предлагаемом способе аккумулирования механической энергии осуществляются в разное время, поневоле возникает вопрос, а в какое время желательно отбирать это тепло, чтобы КПД возврата механической энергии был наибольшим. Естественно, что КПД будет больше в том случае, если будет обеспеченно наибольшее превышение среднеинтегральной ступени расширения на турбине по сравнению со среднеинтегральной степенью сжатия рабочего тела в компрессоре.

Для обеспечения этого способ аккумулирования механической энергии может быть дополнен новыми признаками, заключающимися в том, что тепловую энергию, вновь не преобразованную в механическую работу, в том числе от необратимых потерь механической энергии на компрессоре и турбине, используют для нужд теплофикации или технологических целей, для чего конденсат или мокрый пар после турбины пропускают через потребитель тепла, а охлажденный конденсат сливают в ресивер низкого давления в период после запасания механической энергии и (или) начальный период возврата механической энергии, и нижний предел диапазона температур реализации цикла выбирают приемлемым для потребителя тепла (см. а.с. N 1163029, МПК F 03 D 9/00, опубл. 1985г).

Взятый за прототип способ аккумулирования механической энергии с помощью сжатого воздуха обладает тем недостатком, что компрессор и турбина должны работать при переменных степенях сжатия и расширения воздуха, в связи с чем возникают большие сложности по стабилизации мощности и поддержанию КПД этих агрегатов на высоком уровне. В усовершенствованном нами способе представляется возможным избавиться от этого недостатка и обеспечить постоянство степеней сжатия и расширения пара в компрессоре и турбине с одновременным увеличением в 2.3 раза весовой и объемной плотностей запасания механической энергии при незначительном увеличение стоимости аккумулирования механической энергии.

Для обеспечения этого способ аккумулирования механической энергии может быть дополнен существенными признаками, заключающимися в том, что в конденсат ресиверов высокого и низкого давлений погружают герметичные ампулы с веществами, имеющими разные постоянные температуры теплоемких процессов плавления-затвердевания или синтеза-разложения, например, литием в ресивере высокого давления и глауберовой солью в ресивере низкого давления.

Литий, расплавляясь и застывая при постоянной температуре 180^oC, имеет скрытую теплоту, эквивалентную нагреву и остыванию того же веса воды на 158^oC, а глауберова соль, разлагаясь и синтезируясь при постоянной температуре 32^oC, имеет скрытую теплоту, эквивалентную нагреву и остыванию воды на 80^oC, что позволяет при использовании в качестве рабочего тела воды реализовать термодинамический цикл аккумулятора механической энергии в диапазоне температур всего 32.180^oC при располагаемом постоянном диапазоне давлений на компрессоре и турбине 0,05.10 ата (_т=_к=200), что позволяет достичь плотности запасания механической энергии 0,016.0,018 кВтч/кг, т.е. примерно такой, как у щелочных аккумуляторов (0,014.0,02 кВт /кг), используемых в настоящее время на цеховых электрокарах.

Нетрудно сообразить, что в случае, когда в качестве рабочего тела для компрессора и турбины используется воздух, накопление тепла в массе воды, а тем более в ампулах с литием и глауберовой солью было бы лишено смысла. Действительно, во-первых, передача и возврат тепла были бы затруднены ввиду необходимости теплообменников, во-вторых, объем ресиверов мог быть уменьшен не более чем вдвое (а не в 200 раз, как в нашем случае) при потребном заполнении ресивера водой и ампулами примерно на 1% его объема, а в третьих, постоянство температуры воздуха в ресивере не сопровождалось бы постоянством давления расходуемого из ресивера воздуха, как в нашем случае, когда, например, теплота затвердевания лития расходуется на испарение воды, т.е. на постоянное пополнение расходуемого пара при постоянных температуре и давлении.

Предлагаемый способ аккумулирования механической энергии абсолютно экологичен, т.к. при реализации его никакого обмена рабочими телами и теплом с окружающей средой не происходит, а стоимость его настолько низка, что есть настоятельная необходимость использовать его в наиболее экологичных транспортных средствах применительно к цехам, паркам, городам.

В таком варианте реализации предлагаемого способа появляется возможность использовать для нужд абсолютно экологичных транспорта и в том числе самопередвигающихся энергоузлов поставщиков тепла и механической энергии, даже только, в свою очередь абсолютно экологичных возобновляемых видов энергии:

тепловой энергии солнца, для преобразования которой в механическую энергию не требуется даже специальных силовых установок, т.к. для этого достаточно только освещать солнечными лучами часть уже нетеплоизолированных стенок ресивера высокого давления стационарной установки вышеоговоренной транспортной системы;

кинетической энергии ветра;

кинетической и потенциальной энергии малых рек;

кинетической энергии торможения и потенциальной энергии положения транспортных средств относительно наименьшего уровня дороги,

причем без промежуточного преобразования в электрическую энергию и с наивысшим на сегодняшний день КПД.

Предлагаемый способ аккумулирования механической энергии имеет в своем составе все термодинамические процессы, характерные для высокоэффективного способа преобразования располагаемого тепла любого типа в механическую энергию и поэтому логично использовать предлагаемый способ аккумулирования механической энергии и в качестве способа получения механической энергии из тепла, тем более, что именно при совместной реализации этих способов эффективный КПД преобразования тепла в работу резко возрастает за счет совмещения наиболее необратимых термодинамических процессов сжатия и расширения, причем в одних и тех же агрегатах, что равносильно реализации чисто на газе самой эффективной на сегодняшний день бескомпрессорной СУ (т.е. с адиабатическим КПД компрессора, равным 1). По той же причине КПД возврата аккумулированной механической энергия возрастает пропорционально возрастанию до 1 адиабатического КПД уже турбины, т.к. при одновременной реализации этих способов, в каждом из них по сути дела вообще не совершаются (хотя на самом деле совершаются) процессы сжатия и расширения. При этом вообще не надо делать по одному компрессору в турбине, а если при этом эти способы реализуются на транспортном средстве, на котором накапливается, например, кинетическая энергия его торможения и потенциальная энергия положения его относительно наименьшего уровня дороги, то появляется возможность резко уменьшить потребную мощность ДВС, особенно в условиях города (много светофоров и остановок общественного транспорта), а столь эффективный способ получения механической энергии из тепла реализовать за счет бросовой тепловой энергии выхлопных газов и системы охлаждения ДВС, что позволит уменьшить расход топлива в 2.3 раза на движение транспорта с той же скоростью и приемистостью.

Эти преимущества еще более возрастут, если на вынужденных остановках или при движении с малой потребной мощностью в аккумуляторе механической энергии будет накапливаться и располагаемая избыточная мощность ДВС, все время работающего в стационарном режиме, а следовательно более простого менее мощного, более экономичного, и что самое главное, более экологичного. В этом варианте комбинированной силовой установки-тормоза транспортного средства, уменьшение расхода топлива в 2.4 раза может быть достигнуто уже не только при движении в условиях города, но и практически любой дороги в СССР, когда расход топлива будет практически не зависеть от вынужденной динамики движения транспорта и профиля дороги.

Для обеспечения столь эффективного совместного использования располагаемых возобновляемых и невозобновляемых видов энергии предлагаемый способ аккумулирования механической энергии может быть дополнен существенными признаками, заключающимися в том, что располагаемое высокопотенциальное тепло, например тепло сгорания любых горючих веществ или выхлопных газов ДВС, в процессе возврата механической энергии направляют на перегрев насыщенных паров воды в дополнительном пароперегревателе на входе в турбину, а пар после турбины конденсируют в дополнительном конденсаторе любого типа, из которого конденсат направляют в ресивер низкого давления, конденсату которого передают любое располагаемое низкопотенциальное тепло, например в виде солнечного излучения, тепло водяной системы охлаждения или тепла выхлопных газов ДВС после пароперегревателя и этим по сути дела реализуют для превращения в механическую работу с одновременным ее накоплением в виде тепла соответственно высокоэффективные термодинамические циклы бескомпрессорного ГТД и Ренкина, которые совершают как вместе, так и раздельно в зависимости от наличия того или иного вида тепла.

В аккумуляторе механической энергии по предлагаемому способу наиболее материалоемкими элементами являются теплоаккумуляторы высокого и низкого давления, наиболее подходящая форма для которых отрезки тонкостенных цилиндрических труб разных диаметров и длины, отличительной особенностью которых является то, что материал их стенок работает с максимальной эффективностью, т. к. в них реализуется наибольшее допустимое по абсолютной величине напряжение растяжения, которому подвержена одновременно вся масса материала, без каких-либо концентраторов напряжения, при сравнительно малой величине отношения площади поверхности стенок к объему, который они ограничивают. Другой отличительной особенностью уже тонкостенных оболочек, к которым относятся и отрезки тонкостенных цилиндрических труб, является чрезвычайно высокая несущая их способность уже на внешнее сжатие и изгиб, которая растет в тем большей степени, чем под большим избыточным давлением находится сама оболочка. Это объясняется тем, что с одной стороны, момент инерции площади сечения материала оболочки максимален именно у тонкостенных оболочек, а устойчивость формы оболочки при внешнем сжатии обеспечивается уже силами давления рабочего тела внутри оболочки, а с другой стороны, силы внешнего сжатия даже уменьшают суммарное напряжение материала оболочки, компенсируя силы напряжения растяжения в одном из направлений плоского напряженного состояния материала. Поэтому одна и та же цилиндрическая тонкостенная труба, установленная вертикально или горизонтально (на две опоры по ее краям) выдержит несравненно большую нагрузку на сжатие и изгиб в случае, если она будет находиться под избыточным давлением рабочего тела в ней.

Поэтому логично дополнить предлагаемый способ аккумулирования механической энергии существенными признаками, заключающимися в том, что стенки ресиверов высокого и низкого давлений используют в качестве конструктивных элементов силовых агрегатов потребителей и источников запасаемой механической и тепловой энергии, например в качестве шасси транспортных средств, плотин на малых гидравлических станциях, мачт ветроколес или стенок отапливаемых помещений, для чего ресиверы преимущественно в виде отрезков труб по необходимости располагают горизонтально или вертикально и конденсируют пар соответственно на поверхности всплывающих паровых пузырьков, подаваемых под толщу конденсата, и на поверхности струек воды, которые подают насосом на поверхность конденсата из донных слоев конденсата в ресивере.

Действительно, в этом случае материал стенок ресиверов будет как бы выполнять две функции: воспринимать давление рабочего тела в ресиверах и внешнюю нагрузку на ресиверы, выполняющих уже роль силовых конструктивных элементов, причем затраты материала на стенки цилиндров будут даже меньше, чем для случая, когда от ресиверов требовалось выполнение только любой из двух функции.

Естественно, что два возможных способа смещения паров воды и их конденсата в ресиверах:

подача пара в донные слои конденсата, чтобы обеспечить интенсивную конвекцию конденсата;

подача струек воды в пар,

неоднозначны по своей эффективности соответственно в случаях, когда ресиверы приходится устанавливать горизонтально или вертикально и типа ресивера (высокого или низкого давления). Это объясняется в первом случае разной величиной давления гидростатического столба, которое необходимо преодолевать парам воды с разной степенью недорасширения на турбине (а значит, и отдачей работы), а во втором случае разным относительным влиянием одной и той же величины гидростатического противодавления на степени сжатия и расширения пара на турбине и компрессоре.

В связи с этим подача струек воды в пар может быть рекомендована для ресиверов, устанавливаемых вертикально, а подача пара в донные слои конденсата для ресиверов, устанавливаемых горизонтально, в особенности если пар в них подается из-за компрессора.

Конечно, и для подачи воды в пар требуется дополнительная энергия, но она несравненно меньше, чем дополнительная работа пара от уменьшения гидростатического противодавления, т.к. величина напора насоса, необходимого для этого, практически не зависит от величины гидростатического столба воды, а удельная энергия напора пара более чем на три порядка больше, чем у воды , в то время как одна часть пара конденсируется по весу примерно в 10 частях воды.

Тот факт, что в системе охлаждения ДВС и аккумуляторе механической энергии используется одно и то же рабочее тело вода, может быть полезно использован для выявления еще одного сверхэффекта использования предлагаемого аккумулятора механической энергии в комбинированном энергоузле на основе ДВС. Как известно, для передачи тепла в ресивер низкого давления и для отвода тепла из термодинамического парового цикла Ренкина, реализуемого в предлагаемом способе аккумулирования механической энергии по пункту 6, требуются теплообменники. Можно вообще обойтись без этих двух теплообменников (как правило, громоздких), если предлагаемый способ дополнить существенными признаками, заключающимися в том, что располагаемое низкопотенциальное тепло, например водяной системы охлаждения ДВС, передают в теплоаккумулятор низкого давления в виде горячей воды, направляемой в него непосредственно из системы охлаждения ДВС, в которую воду подают из конденсатора пара, функции которого, в частности, выполняет радиатор системы охлаждения ДВС.

На фиг. 1 показана простейшая схема ветроэнергетической установки, например применительно к механической мастерской или фермерскому хозяйству для выработки и запасания впрок механической (электрической) энергии и тепла с возможностью использования ее и в варианте высокоэффективной бескомпрессорной ГТД ТЭЦ для повышения суммарной механической и тепловой мощности уже комбинированного энергоузла при наличии высокопотенциального источника тепла.

Изображенный на фиг.1 высокоэффективный комбинированный энергоузел фермера с возможностью запасания механической и тепловой энергии состоит из двух емкостей с водой, представляющих собой соответственно теплоаккумуляторы высокого давления 1 и низкого давления 2, со слоями теплоизоляции 3, коллекторами 4 подачи в них пара или воды и герметичными ампулами 5 и 6, соответственно заполненными рабочими телами с разными постоянными температурами плавления-затвердевания или разложения-синтеза, например литием и глауберовой солью.

Механическая часть энергоузла включает в себя ветродвигатель 7 и механически связанные с ним паровой компрессор 8 и водяной насос 9, а также паровую турбину 10 и механически связанный с ней потребитель механической энергии, например электрогенератор 11.

Вход в паровой компрессор 8 связан магистралью с паровой подушкой теплоаккумулятора низкого давления 2 через форсунку 12, которая подключена к выходу водяного насоса 9 через кран регулирования расхода воды 13, а выход через обратный клапан 14 с коллектором 4 подачи пара в теплоаккумулятор высокого давления 1. Вход в паровую турбину 10 связан с паровой подушкой теплоаккумулятора высокого давления 1 через запорный кран 15 и пароперегреватель 16 по полости нагреваемой среды, полость охлаждаемой среды которого связана с атмосферой и источником горячего рабочего тела, например камерой сгорания 17 любых горючих.

Вход водяного насоса 9 связан с нижней частью полости теплоаккумулятора низкого давления 2, а выход его с форсункой 12 и входным патрубком высокого давления струйного насоса 18, входной патрубок низкого давления которого со входом в насос 9, нижней частью полости теплоаккумулятора низкого давления 2 и выходом нагревательных элементов 19 теплофикационной системы, вход в которую сообщается через запорный кран 20 с поверхностным слоем воды в теплоаккумуляторе низкого давления 2.

Комбинированный энергоузел фермера работает следующим образом. При работе парового компрессора 8 и насоса 9 за счет возобновляемой механической энергии ветроколеса 7 самопроизвольно кипит вода в теплоаккумуляторе низкого давления 2 при температуре 32^oC и давлении 0,05 ата за счет скрытой теплоты синтеза глауберовой соли в ампулах 6, и насыщенный пар ввиду работы форсунки 12 становится влажным, поступает в паровой компрессор и уже после компрессора 8 в состоянии насыщения при температуре 180^oC и давлении 10 ата поступает в теплоаккумулятор высокого давления 1, где за счет скрытой теплоты его конденсации запасается тепло уже в виде скрытой теплоты плавления лития в ампулах 5. При синтезе 1кг глауберовой соли выделяется 80 ккал, а при плавлении 1кг лития поглощается 158 ккал тепла.

В случае необходимости возврата механической энергии, запасенной в виде тепла, открывается запорный кран 15, вода в теплоаккумуляторе высокого давления 1 начинает кипеть и образующийся за счет скрытой теплоты затвердевания лития в ампулах 5 насыщенный пар при температуре 180^oC и давлении 10 ата поступает на паровую турбину 10, вырабатывая механическую энергию для привода электрогенератора 11. После паровой турбины 10 уже мокрый пар поступает в теплоаккумулятор низкого давления 2, отдавая там скрытую теплоту конденсации пара в виде уже скрытой теплоты разложения глауберовой соли в ампулах 6 при постоянных температуре 32^oC и давлении 0,05 ата, за счет подачи сравнительно холодной воды струйным насосом 18 из теплофикационной системы или придонных слоев воды теплоаккумулятора низкого давления 2 в коллектор 4, который орошает струйками воды паровое пространство теплоаккумулятора 2, обеспечивая этим реализацию самого эффективного и простого теплообменника смесительного типа, в то время как заполнение теплоаккумуляторов 1 и 2 ампулами с литием и глауберовой солью обеспечивает наибольшую эффективность теплообменников уже поверхностного типа, когда площади теплопередачи и коэффициенты теплоотдачи с обеих сторон стенок максимально возможные.

Вышеоговоренный термодинамический цикл может быть повторен сколь угодно большое количество раз, и если бы в агрегатах нашего энергоузла не было бы необратимых потерь энергии, то имел бы место 100% возврат механической энергии по той причине, что потери тепла из нашей системы отсутствовали, а при работе парового компрессора 8 реализуется принцип теплового насоса, который вырабатывает высокопотенциальное тепло во много раз большем количестве, чем затрачивает механической энергии на его привод.

Вот почему предлагаемый способ аккумулирования механической энергии не обладает КПД паровоза, паровая машина которого, реализующая термодинамический цикл в том же диапазоне температур, имеет КПД преобразования тепла в работу всего несколько процентов.

В связи же с тем, что в паровых компрессоре 8 и турбине 10 имеют место необратимое преобразование механической энергии в тепло, полная теплоизоляция нашего энергоузла от атмосферы чревата тем, что с течением времени наша система разогревалась бы. Конечно, 20.30% механическое энергии, превращаемой в тепло, проще всего удалять в атмосферу за счет сравнительно слабой теплоизоляции теплоаккумуляторов 1 и 2, но куда более логично использовать это тепло для нужд теплофикации. Причем этот отвод тепла за счет открытия крана 20 надо делать после запасания механической энергии и (или) в начальный период возврата механической энергии на паровой турбине 10, т.к. в этом случае будет иметь место максимальная относительная величина степени расширения на турбине 10 по сравнению со степенью сжатия на компрессоре 8, что повысит КПД возврата механической энергии.

Необходимость отвода тепла через теплофикационную систему особенно возрастает, если запасенной механической работы ветродвигателя не хватает на часы "пик" и приходится аккумулятор механической энергии использовать еще и в качестве высокоэффективной бескомпрессорной газотурбинной установки преобразования тепла любых горючих, продукты сгорания которых подают в пароперегреватель 16 со сбросом уже охлажденных продуктов сгорания в атмосферу. В частном случае можно пропустить их еще через теплообменник, расположенный в полости теплоаккумулятора низкого давления 2 (на фиг. 1 не показано).

Термодинамический цикл, реализуемый в комбинированном энергоузле по предлагаемому способу аккумулирования механической энергии, представлен в диаграммах TS и PV на фиг. 2. Термодинамический цикл аккумулятора механической энергии на диаграммах изображается ломаной 0-1-2-3-2-4-0, а фактически реализованный цикл беcкомпрессорного ГТД 2-5-6-4. В первом из этих циклов процесс 1-4 характеризует то количество энергии в виде тепла, которое должно быть отведено из цикла ввиду необратимых потерь механической энергии, и в то же время ту разницу тепла, на которую будет отведено меньше тепла из бескомпрессорного цикла ГТД по сравнению с компрессорным циклам ГТД 1-2-5-6-1, который пришлось бы осуществлять, если бы попутно не осуществлялся термодинамический цикл аккумулятора механической энергии, процесс расширения 2-4, в котором совмещается с процессом возврата механической энергии в процессе 5-6. Иначе говоря, термодинамический процесс комбинированного энергоузла 0-1-2-3-2-5-6-1-0 несравненно более эффективен, чем сумма термодинамических циклов запасания механической энергии и преобразования тепла в работу, если бы они осуществлялись раздельно, т.к. в первом случае не надо вообще выполнять по одному процессу 1-2 и 2-4 (меньшая металлоемкость и трудоемкость) со всеми их необратимыми потерями (а значит, с меньшим КПД суммы отдельных термодинамических циклов). Другими словами о комбинированном цикле энергоузла можно сказать, что в нем или КПД возврата механической энергии 100% или обычный цикл ГТД заменяется несравненно более эффективным бескомпрессорным ГТД.

Конечно, использование лития и глауберовой соли при необходимости изготовления герметичных ампул для них может существенно повысить стоимость аккумулятора механической энергии, но ничто не мешает ампулы с литием и глауберовой солью заменить просто дополнительной массой воды, когда только 5.10% массы воды будет испаряться и конденсироваться до и после процессов сжатия и расширения на паровых компрессоре и турбине, в то время как остальная масса воды будет выполнять роль просто аккумулятора тепла при переменных температуре и давлении, тем более что вода является наиболее теплоемким рабочим телом на земле. Естественно, что в этом случае сохранится и недостаток известного аккумулятора механической энергии, основанного на сжатии и расширении воздуха: сжатие и расширение рабочего тела при переменных степенях перепада давления.

Но как известно, все энергоустановки транспортных средств работают на переменных перепадах давления и обеспечение этого при малом снижении КПД может оказаться значительно дешевле, чем изготовление ампул с литием и глауберовой солью, тем более что перенастройка турбины и компрессора на новые перепады давления может быть растянута по времени во много раз по сравнению с силовыми установками транспортных средств.

И потом, есть большая разница в том, где используется аккумулятор механической энергии по предлагаемому способу. Одно дело, когда надо запасать механическую энергию ветроколеса в течение минимум 15 часов и другое дело, когда механическую энергию, например торможения легкового автомобиля, спуска его под уклон или располагаемую избыточную мощность его ДВС, работающего в режиме постоянной мощности, запасают, к примеру, на стоянке перед светофором. В первом случае потребный объем аккумулятора механической энергии может составить несколько кубометров, в то время как на легковом автомобиле необходим аккумулятор емкостью всего 20л (если запасать, а затем возвращать, например, мощность 50 л.с. в течение по 30с). Естественно, что применение ампул с литием и глауберовой солью в автомобильном аккумуляторе механической энергии может быть вполне оправдано в связи с малой потребной емкостью аккумулятора и большей в 2.3 раза плотностью запасания механической энергии, для запасания которой придется устанавливать аккумулятор механической энергии не менее чем в 2 раза меньшего веса, в то время как при запасании механической энергии ветроколеса важна прежде всего низкая стоимость аккумулирования единицы количества механическом энергии, а необходимые большие размеры аккумулятора механической энергии могут даже полезно использованы, если ресиверы аккумулятора будут одновременно использоваться в качестве и мачты ветроколеса, для чего, например, цилиндрические ресиверы высокого и низкого давления должны располагаться вертикально, а пар для его конденсации должен подаваться не со дна, как в ресивере высокого давления 1, а на струйки воды в виде душа, падающие на поверхность воды, как в ресивере высокого давления 2.

Предлагаемый способ аккумулирования механической энергии может быть использован при создании энергоузла долговременных космических станций, работающего только за счет солнечной энергии. Действительно, на космических станциях нужны системы:

аккумулирования и выработки энергии;

обеспечения экипажа регенерируемой пресной водой;

обеспечения реактивных двигателей рабочим телом и энергией;

обеспечения экипажа герметичным отапливаемым помещением;

охлаждения конструкции станции и носителя, в том числе на участках вывода на орбиту и спуска на землю и т.д.

И все эти системы вполне могут заменить предлагаемые аккумулятор механической энергии по предлагаемому способу при несравненно меньшем весе, а значит и стоимости вывода космической станции на орбиту.

Это становится возможным потому, что так или иначе присутствующая на борту космической станции вода является отличным рабочим телом для множества систем при колоссальной ее удельной энергоемкости просто как вещества при подводе к ней энергии солнца, соизмеримой даже с химической удельной энергоемкостью некоторых пар горючего и окислителя, применяемых в космической технике.