способ организации работы многокомпонентного энергогенерирующего цикла при помощи селективных мембран

Формула изобретения

Способ работы термодинамических циклов генерации энергии, функционирующих за счет изменения термодинамического состояния рабочего тела, отличающийся тем, что для отъема тепла от холодной части контура генерации и передачи его горячей части контура генерации используют теплоту растворения и выделения из раствора двух или более веществ или двух или более групп растворимых или абсорбируемых веществ с различными термодинамическими свойствами на линиях их насыщения и за пределами этих линий, для чего в холодной части цикла через селективную мембрану или мембраны перемещают растворитель от одного раствора к другому так, что одно из веществ или одна из групп веществ выделяется из раствора либо абсорбируется с выделением тепла или поглощением тепла или нулевым тепловым эффектом, а второе вещество или группа веществ растворяется либо выделяется абсорбером с поглощением большего по количеству тепла, в результате в холодной части цикла отнимают тепло от холодной части контура генерации, после чего полученный раствор и выделенное вещество или вещества передают в горячую часть цикла, подогревая их встречным теплообменом, в горячей части цикла производят обратное по направлению перемещение растворителя через селективную мембрану или мембраны, в результате чего получают обратный тепловой эффект и передают тепло горячей части контура генерации, полученный раствор и выделенное вещество возвращают в холодную часть цикла, охлаждая их встречным теплообменом, замыкая цикл движения рабочих веществ и растворителя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, а именно к способам организации энергогенерирующих термодинамических циклов.

Наиболее близкими к изобретению аналогами являются:

1 Термодинамический цикл Ренкина. "Космические двигатели: состояние и перспективы". Москва, "Мир", 1988 г., стр.307.

2. Термодинамический цикл Брайтона. "Космические двигатели: состояние и перспективы". Москва, "Мир", 1988 г., стр.305.

Недостатком обоих способов является низкий КПД для случаев, когда разница температур между холодильником и нагревателем низка.

Задачей, на решение которой направленно изобретение, является повышение КПД термодинамических циклов, генерирующих энергию.

Указанная задача решается путем использования селективных мембран для перемещения растворителя между двумя или более замкнутыми контурами с веществами или группами веществ, растворяющихся с различным тепловым эффектом, либо одним веществом на разных по температуре участках растворимости.

Сущность изобретения состоит в том, что для отъема тепла от холодной части энергогенерирующего контура, (для цикла Ренкина это - конденсатор рабочего тела), и передачи его горячей части энергогенерирующего контура (для цикла Ренкина это - паровой котел, где кипит рабочее тело), используют теплоту растворения и выделения и/или абсорбции и десорбции из раствора двух или более веществ или двух, или более групп веществ, растворяющихся или абсорбирующихся с различным тепловым эффектом. Для чего в холодной части цикла через селективную мембрану перемещают растворитель от одного раствора к другому так, что одно из веществ или одна из групп веществ выделяется из раствора с выделением тепла или с поглощением тепла, либо абсорбируется с теми же эффектами, а второе вещество или группа веществ растворяется с поглощением большего по количеству тепла, либо выделяется абсорбером. В результате в холодной части цикла отнимают тепло от охлаждаемой среды - рабочего тела энергогенерирующего контура. После чего полученный раствор и выделенное вещество или вещества передают в горячую часть цикла через теплообменник, где их подогревают. В горячей части цикла производят обратное по направлению перемещение растворителя через селективную мембрану, в результате чего получают обратный тепловой эффект и передают тепло горячему рабочему телу энергогенерирующего контура. Полученный раствор и выделенное вещество подают в холодную часть цикла через теплообменник, где их охлаждают, замыкая цикл движения рабочих веществ и растворителя. Поскольку осмотическое давление растворов по обе стороны от мембраны может мало отличаться по величине, как на холодной, так и на горячей стороне цикла, или даже способствовать перемещению растворителя через мембраны, рассматриваемый способ позволяет повысить КПД работы тепловой машины генерации энергии.

В дальнейшем для ясности изложения будем рассматривать только двухконтурные схемы реализации способа в сочетании с контуром генерации энергии и для краткости будем использовать для обозначения растворимого вещества или группы растворимых веществ просто вещество А, вещество В и раствор (А), раствор (В). На Фиг.1 представлены поясняющие графики изменения величины осмотического давления для двух растворов: веществ (А) и (Б). На верхнем графике представлен случай, когда растворы имеют малую разницу осмотического давления. На нижнем графике представлен произвольный случай. Причем разница осмотических давлений может как способствовать работе цикла по данному способу, так и препятствовать ей.

На Фиг.2 схематично показан один из возможных вариантов реализации данного способа.

Тут будем считать, что вещество (А) растворяется с поглощением большего количества тепла, чем это требуется при растворении вещества (В), данная схема остается работоспособной и при применении вещества (В), растворяющегося с выделением тепла или нулевым тепловым эффектом.

В полость (2) мембранного блока (1)-(2) поступает раствор вещества (А) при высокой температуре. Через селективную мембрану блока (1)-(2), как это показано стрелкой, происходит перемещение растворителя в полость (1). В результате нарушения равновесия раствора (А) в полости (2) происходит выделение из раствора вещества (А), при этом тепло выделяется. Из полости (1) по каналу (3) растворитель поступает в полость (5) мембранного блока (5)-(6). В случае, если осмотическое давление раствора (А) полости (2) превышает осмотическое давление раствора (В) в полости (6), то для повышения давления растворителя применяют насос (4). Из полости (5) растворитель через мембрану подается в полость (6), как это показано стрелкой. В полости (6) происходит растворение вещества (В). Поскольку количество тепла, поглощенного при растворении вещества (В) меньше, чем количество тепла, выделившегося при отделении из раствора вещества (А), образуется избыток тепла, который передают паровому котлу (21) энергогенерирующего контура цикла Ренкина, передача тепла иллюстрирована большой полой стрелкой. Вещество (А) из полости (2) при помощи насоса (18), через теплообменник (16), где оно охлаждается, подается в полость (14) мембранного блока (13)-(14). В полости (14) происходит растворение вещества (А) с поглощением большого количества тепла, причем растворение всей массы вещества (А) не обязательно, после чего раствор (А) подается по магистрали (15), через теплообменник (16), где он нагревается и возможно продолжается его растворение, в полость (2) мембранного блока (1)-(2). Таким образом, замыкается циркуляция вещества (А). Полученный в полости (6) раствор вещества (В) по магистрали (7) через теплообменник (16), где он охлаждается и возможно частичное выделение вещества (В), подается в полость (8) мембранного блока (8)-(9). Через мембрану блока (8)-(9), как это показано стрелкой, происходит перемещение растворителя в полость (9). В результате нарушения равновесия раствора (В) в полости (8) происходит выделение из раствора вещества (В), при этом тепло выделяется. Поскольку количество тепла, поглощенного при растворении вещества (А) больше, чем количество тепла, выделившееся при выделении из раствора вещества (В), образуется недостаток тепла, который восполняют, отбирая тепло у конденсатора (25) энергогенерирующего контура, это проиллюстрировано большой полой стрелкой. Растворитель из полости (9) мембранного блока (8)-(9) по каналу (11) подают в полость (13) мембранного блока (13)-(14), где растворитель через мембрану перемещается в полость (14), как это показано стрелкой. В случае если осмотическое давление раствора (В) в полости (8) превышает осмотическое давление раствора (А) в полости (14), давление растворителя повышают при помощи насоса (12). Выделившееся в полости (8) вещество (В) при помощи насоса (10) по каналу (17) через теплообменник (16), где оно нагревается, подается в полость (6) мембранного блока (5)-(6). Таким образом, замыкается циркуляция вещества (В). Растворитель циркулирует последовательно через элементы (1), (3), (4), (5), (6), (7), (8), (9), (11), (12), (13), (14), (15), (2). Насосы (4)-(12), приведенные в данной схеме, могут отсутствовать. Энергогенерирующий контур на данной схеме представлен стандартным циклом Ренкина, хотя возможно применение и цикла Брайтона и цикла Стирлинга в зависимости от конкретных обстоятельств. Однако для удобства пояснения, на всех схемах в дальнейшем энергогенерирующий контур будет представлен термодинамическим циклом Ренкина, состоящим из котла (21), паровой магистрали (22), паровой турбины (23), приводящей генератор (24), конденсатор (25), насос (26), магистраль подачи рабочего тела (27) в котел (21), и рекуперирующего теплообменника (28). На всех чертежах передача тепловой энергии к котлу (21) и от конденсатора (25) будет обозначена крупными полыми стрелками.

На Фиг.3 схематично показан еще один из возможных вариантов реализации данного способа с совмещенной мембраной. В полость (2) мембранного блока (2)-(6) при высокой температуре подается раствор вещества (А). Из полости (2) через мембрану, как показано стрелкой, растворитель переводят в полость (6), где происходит растворение вещества (В). Из-за нарушения равновесия раствора (А) в полости (2) происходит выделение вещества (А) из раствора, причем выделяется количество тепла большее, чем поглощается растворяющимся веществом (В) в полости (6). Излишнее тепло передают котлу (21). В случае, если осмотическое давление раствора (А) в полости (2) превышает осмотическое давление раствора (В) в полости (6), необходимый перепад может быть создан путем введения в схему насоса на магистрали (15). Выделенное из раствора (А) в полости (2) вещество (А) проталкивается в полость (14) насосом (18) по каналу, через теплообменник (16), где оно охлаждается. В полости (14) мембранного блока (8)-(14) вещество (А) растворяется при низкой температуре с поглощением тепла, причем полное растворение всей массы вещества (А) не обязательно, необходимый для этого растворитель подают через мембрану блока (8)-(14) со стороны полости (8), в которой происходит выделение из раствора вещества (В), как показано стрелкой. В случае, если осмотическое давление раствора (В) превышает осмотическое давление раствора (А), необходимый напор создается введением дополнительного насоса на магистрали (7). Поскольку тепло растворения вещества (А) превышает тепло выделения из раствора вещества (В), недостаток тепла возмещают, отнимая тепло у конденсатора (25). Полученный в полости (14) холодный раствор (А) по магистрали (15) через теплообменник (16), где он подогревается и возможно продолжение растворения вещества (А), подают в полость (2) мембранного блока (2)-(6). Таким образом, замыкают циркуляцию вещества (А). Горячий раствор (В) из полости (6) мембранного блока (2)-(6) по магистрали (7), через теплообменник (16), где он охлаждается и возможно частичное выделение вещества (В), подается в полость (8). В полости (8) по причине откачки растворителя через мембрану, происходит нарушение равновесия раствора (В) и выделение вещества (В) из раствора. Выделившееся вещество (В) по магистрали (17), через теплообменник (16), где оно нагревается, подается в полость (6) для растворения, причем может быть использован насос (10). Таким образом, замыкают цикл вещества (В).

Схемы, представленные на Фиг.2 и Фиг.3, в какой-то степени аналогичны тепловым насосам, работающим при помощи механических приводов. Однако рассматриваемый способ реализуем и для случаев, аналогичных тепловым насосам, работающим за счет подвода высокопотенциального тепла, например водоаммиачных. На схеме Фиг.4 представлены графики осмотического давления веществ (А) и (В), причем вещество (А) растворяется при повышенной температуре tmax, тем самым может быть увеличена его концентрация и/или осмотическое давление, что и обеспечивает работу цикла теплового насоса по предлагаемому способу.

На Фиг.5 схематично показан один из таких вариантов реализации данного способа. Тут будем полагать, что количество поглощенного тепла при растворении вещества (А) меньше, чем количество тепла, необходимого для растворения вещества (В), причем схема остается работоспособной и при нулевом тепловом эффекте при растворении вещества (А), а также и в случае, если тепло будет выделяться.

В полость (2) мембранного блока (1)-(2) подают вещество (А) при температуре tmax. Растворяясь, вещество (А) создает максимальное в пределах данной схемы осмотическое давление. В результате из полости (1) в полость (2) через мембрану поступает растворитель, как это показано стрелкой. Полученный в полости (2) раствор вещества (А) по магистрали (15) прогоняют через теплообменник (19), где его температура падает от tmax до t2, после чего его прогоняют через теплообменник (16), где его температура падает от t2 до t1. При этом некоторая часть вещества (А) может выделиться из раствора, образовав механический раствор. Затем раствор вещества (А) подают в полость (14) мембранного блока (13)-(14). Растворитель из полости (14) через мембрану блока (13)-(14) откачивается в полость (13). В результате нарушения равновесия раствора (А) в полости (14) происходит выделение вещества (А) из раствора. Тепловой эффект выделения из раствора вещества (А) может быть как положительным, так и отрицательным. Выделившееся в полости (14) вещество (А) при помощи насоса (18) через теплообменники (16) и (19), где его температура доводится до tmax, подают в полость (2) мембранного блока (1)-(2). Таким образом, замыкают движение вещества (А).

Из полости (13) мембранного блока (13)-(14) растворитель подают в полость (9) мембранного блока (8)-(9). В полости (8), при низкой температуре t1 происходит растворение вещества (В) растворителем, прошедшим мембрану, как это показано стрелкой. Причем полное растворение всего вещества (В) не обязательно. Вещество (В) растворяется с поглощением тепла большего, чем было выделено при выделении из раствора вещества (А). В результате суммирования тепловых эффектов выделения вещества (А) и растворения вещества (В) происходит отъем тепла от конденсатора (25) цикла Ренкина при температуре t1. Полученный в полости (8) раствор вещества (В) при помощи насоса (20) по магистрали (7), через теплообменник (16), где его температуру повышают до t2, подают в полость (6) мембранного блока (6)-(5), причем возможно дальнейшее растворение вещества (В) непосредственно в магистрали (7). Через мембрану блока (6)-(5), как это показано стрелкой, растворитель переходит в полость (5). В результате нарушения равновесия раствора в полости (6) происходит выделение из раствора вещества (В) при температуре t2. Выделившееся при этом тепло, передают котлу (21) цикла Ренкина. Полученное в полости (6) вещество (В) по каналу (17), через теплообменник (16), где его охлаждают до температуры t1, подают в полость (9) мембранного блока (8)-(9). Таким образом, замыкают циркуляцию вещества (В).

Полученный в полости (5) растворитель, по каналу (3), через теплообменник (19), где его температуру повышают до tmax, подают в полость (1) мембранного блока (1)-(2).

Под действием высокого осмотического давления растворитель через мембрану попадает в полость (1), как это показано стрелкой, где происходит растворение вещества (А). Таким образом, растворитель последовательно проходит через все теплообменники и мембранные блоки.

На Фиг.6 схематично показан схожий вариант реализации данного способа, отличающийся только тем, что мембранные блоки (8)-(9) и (13)-(14) заменены одним мембранным блоком (8)-(14), а растворитель проходит через одну мембрану. Данное отличие не является существенным. Все прочие элементы соответствуют элементам на схеме Фиг.5.

Заявленный способ остается применимым и для случаев, указанных на Фиг.7. Случай, представленный верхним графиком на Фиг.7, описывает поведение линий растворимости для двух веществ (А) и (В). Причем растворимость вещества (А) очень быстро растет с ростом температуры, что ведет к быстрому росту осмотического давления, а теплота растворения остается малой. Растворимость вещества (В) растет относительно медленно, осмотическое давление возрастает относительно медленно, а теплота растворения относительно велика. В этом случае может быть применена схема, показанная на Фиг.8. Все элементы этой схемы функционируют аналогично элементам схемы Фиг.6. Однако температуру tmax тут имеет мембранный блок (6)-(5), а температуру t2 - мембранный блок (1)-(2).

Случай, представленный нижним графиком на Фиг.7, описывает поведение линий растворимости для двух веществ (А) и (В). Причем растворимость вещества (А) очень быстро растет с ростом температуры, что ведет к быстрому росту осмотического давления, а теплота растворения остается малой, при этом нижняя температурная граница использования вещества (А) может быть повышена до tn, которая выше температуры t2, при которой будет растворяться вещество (В). Растворимость вещества (В) растет относительно медленно, осмотическое давление возрастает относительно медленно, а теплота растворения относительно велика. В этом случае может быть применена схема, показанная на Фиг.9. Все элементы этой схемы функционируют аналогично элементам, схемы Фиг.5. Однако в схему добавлен теплообменник (30), с помощью которого происходит охлаждение растворителя, поступающего из полости (13) мембранного блока (13)-(14) до температуры t1.

Для всех схем, реализующих заявленный способ в вариантах нескольких растворимых веществ, очевидным улучшением, не меняющим сути заявленного способа, станет последовательное введение и изъятие растворимых веществ из контуров по мере их выделения из раствора и растворения в нем с изменением температуры растворов. Это позволит снизить затраты на охлаждение растворимых веществ, подводимых к самой холодной точке цикла, и приводит тем самым к увеличению его эффективности, путем использования большей массы хладообразующего агента для поглощения тепла.

В случае, если растворимое вещество выпадает в кристаллический осадок и/или склонно к образованию относительно устойчивых переохлажденных растворов, то в схемы целесообразно ввести дополнительные турбулизирующие устройства, обеспечивающие выделение растворимого вещества из раствора.

Таким образом, для реализации способа применяют как минимум два вещества или две группы веществ, одно из которых обеспечивает перекачку растворителя между растворами, его можно назвать ведущим, другое обеспечивает необходимые тепловые эффекты, его можно назвать ведомым. Ведущее вещество или группу веществ следует подбирать таким образом, чтобы теплота его растворимости была минимальна, а осмотическое давление его раствора - относительно высоким. Ведомое вещество следует подбирать таким образом, чтобы теплота, необходимая для его растворения, была максимальной, а осмотическое давление его раствора относительно мало. Причем для веществ не обязательна одинаковая температура на холодной и горячей стороне цикла.