Устройство преобразования тепловой энергии в полезную работу

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ПОЛЕЗНУЮ РАБОТУ(71) Заявители Заборонок Андрей Павлович Демьянец Владислав Николаевич(72) Авторы Заборонок Андрей Павлович Демьянец Владислав Николаевич(73) Патентообладатели Заборонок Андрей Павлович Демьянец Владислав Николаевич(57) 1. Устройство преобразования тепловой энергии в полезную работу, состоящее из накопителя-испарителя легкоиспаряющегося рабочего тела, теплового насоса, конденсатора, связанного с теплообменным аппаратом поршневого механизма с клапанами и механизмом выполнения полезной работы, отличающееся тем, что поршневой механизм выполнен, по меньшей мере, из трех двухпоршневых ступенчатых гидроцилиндров, причем ступени с меньшим поршнем размещены в теплообменных трубках, сообщающихся через обратные клапаны с теплоизолированными ступенями гидроцилиндров с большими поршнями, которые связаны между собой через сообщающиеся каналы трансмиссионной жидкостью, кроме того, внутри теплообменных трубок размещены змеевики-конденсаторы теплового насоса, причем попеременно за один цикл работы только один из гидроцилиндров имеет возможность подачи нагретого жидкого рабочего тела через клапан-распределитель 73412011.06.30 на ротор механизма выполнения полезной работы - реактивной турбины, а остальные гидроцилиндры поршневой группы выполнены с возможностью передачи движения этому одному подающему гидроцилиндру. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что ротор реактивной турбины выполнен-образным с соплами Лаваля, расположенными на выходе из него. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что на теплообменных трубках размещены устройства, производящие работу за счет перепада температур. 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что на теплообменных трубках размещены термоэлектрические элементы. 5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что на теплообменных трубках размещен охладитель двигателя внешнего сгорания, типа двигателя Стирлинга.(56) 1. Патент РФ 2132470, 1999. 2. Патент РФ 2338893, 2008 (прототип). Полезная модель относится к области энергетического машиностроения и позволяет преобразовывать тепловую энергию, в том числе окружающей среды, в полезную работу. Из уровня техники известно устройство 1 для преобразования тепловой энергии окружающей среды в полезную работу, состоящее из теплоизолированного баллона со сжиженным газом, теплообменника испарителя, распылителя рабочего тела, силовой установки первого контура и конденсатора второго контура, а также запорных вентилей. Недостатком данного устройства является низкая эффективность, так как отсутствует система конденсации, а отсутствие теплового насоса для впрыска рабочего тела в баллон со сжиженным хладагентом делает эту установку неработоспособной. Из уровня техники известно также устройство преобразования тепловой энергии в полезную работу 2, состоящее из накопителя-испарителя легкоиспаряющегося, низкокипящего рабочего тела, насоса, конденсатора, связанного с теплообменным аппаратом поршневого механизма с клапанами и механизмом выполнения полезной работы. Недостатком этого устройства является низкий КПД. Техническая задача, на которую направлена данная полезная модель, - повышение эффективности работы и КПД устройства для преобразования тепловой энергии в полезную работу. Данная техническая задача решается тем, что устройство преобразования тепловой энергии окружающей среды в полезную работу состоит из накопителя-испарителя легкоиспаряющегося рабочего тела, теплового насоса, конденсатора, связанного с теплообменным аппаратом поршневого механизма с клапанами и механизма выполнения полезной работы. Отличием является то, что поршневой механизм выполнен, по меньшей мере, из трех двухпоршневых ступенчатых гидроцилиндров, причем гидроцилиндры с меньшим поршнем размещены в теплообменных трубках, сообщающихся через обратные клапаны с теплоизолированными гидроцилиндрами с большими поршнями и связанных между собой через сообщающиеся каналы промежуточной трансмиссионной жидкостью, кроме того,внутри теплообменных трубок размещены змеевики-конденсаторы теплового насоса, причем попеременно за один цикл работы только один из гидроцилиндров имеет возможность подачи жидкого рабочего тела через клапан-распределитель на ротор механизма выполнения полезной работы - реактивной турбины, а остальные гидроцилиндры поршневой группы выполнены с возможностью передачи движения этому одному подающему гидроцилиндру. Дополнительными отличиями являются ротор реактивной турбины выполнен -образным с соплами Лаваля, расположенными на выходе из него. На теплообмен 2 73412011.06.30 ных трубках размещены устройства, производящие работу за счет перепада температур,такие как термоэлектрические элементы или охладитель двигателя внешнего сгорания,типа двигателя Стирлинга. Предложенная полезная модель позволяет повысить эффективность работы и КПД устройства за счет того, что в течение всего рабочего цикла легкоиспаряющееся низкокипящее рабочее тело на 65-90 находится в жидком агрегатном состоянии и при его конденсации скрытая теплота конденсации передается подогреваемому теплотой окружающей среды рабочему телу, находящемуся в теплообменных трубках. Тем самым повышается КПД теплового насоса, так как он работает с меньшей разницей температур и давлений. Кроме того, генерирование полезной работы возможно в два этапа. За счет реактивной турбины и устройств, производящих работу за счет перепада температур, таких как термоэлектрические элементы или охладитель двигателя внешнего сгорания, типа двигателя Стирлинга. Использование -образного ротора позволяет снизить тормозящее действие сил Кориолиса. Сопла Лаваля обеспечивают наиболее эффективное использование рабочего тела за счет достижения рабочим телом в расширяющейся части сопла высоких,вплоть до сверхзвуковых, скоростей. Данная полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид установки на фиг. 2 представлен цилиндр поршневой группы на фиг. 3 представлен вид ротора реактивной турбины. Данное устройство состоит из теплоизолированного накопителя-испарителя 1, заполненного легкоиспаряющимся, низкокипящим рабочим телом. В качестве рабочего тела берется низкокипящий хладагент, например 125, или его смесь с легкоиспаряющимися веществами, например 32. Рабочее тело находится в накопителе-испарителе 1 с температурой -55 С. В накопитель-испаритель 1 вмонтирована реактивная турбина 2, связанная с клапаном-распределителем 3, обеспечивающим равномерную подачу рабочего тела от подающего цилиндра поршневой группы 4 на ее -образный ротор 5 с соплами 6 Лаваля на выходе. Накопитель-испаритель 1 связан с тепловым насосом 7, змеевики-конденсаторы 8 которого размещены в теплообменных трубках 9. Поршневая группа 4 выполнена из,например, четырех двухступенчатых гидроцилиндров 10. Их ступени 11, с меньшими поршнями 12, размещены в теплообменных трубках 9, сообщающихся с через обратные клапаны 13 с теплоизолированными ступенями 14, в которых расположены большие поршни 15. Поршни 12 и 15 связаны штоками 16. Кроме того, ступени 14 гидроцилиндров 10 связаны между собой каналами 17, по которым движется трансмиссионная жидкость,например трансмиссионное масло, расположенное над поршнями 15. Попеременно за один цикл работы только один из гидроцилиндров 10, большой поршень 15 которого находится в верхней мертвой точке, имеет возможность подачи жидкого рабочего тела через клапан-распределитель 3 на рабочий орган 5 реактивной турбины 2. Остальные гидроцилиндры 10 - трансмиссионные, т.е. выполнены с возможностью передачи трансмиссионной жидкости через каналы 17 для передачи движения этому одному подающему гидроцилиндру 10. Переключение на работу гидроцилиндра 10, как подающего или трансмиссионного, происходит клапаном-распределителем 3. Кроме того, подпоршневые полости ступеней 14 гидроцилиндров 10 связаны через обратные клапаны 18 теплоизолированным трубопроводом 19 с накопителем-испарителем 1. На теплообменных трубках 9 размещены устройства, производящие работу за счет перепада температур, такие как,например, термоэлектрические элементы 20, работающие по принципу Зеебека или охладитель двигателя внешнего сгорания типа двигателя Стирлинга 21. Устройство работает по замкнутому рабочему циклу. Испарившееся из накопителяиспарителя 1 рабочее тело, находящееся при температуре -55 С, конденсируют за счет перекачки его тепловым насосом 7 в змеевики-конденсаторы 8, связанные с клапаном 22. Он включает в работу только те змеевики-конденсаторы 8, находящиеся в теплообменных 3 73412011.06.30 трубках 9 гидроцилиндров 10 трансмиссионных, температура рабочего тела в которых не достигла рабочей температуры подачи на ротор на 5-10 С. В них путем повышения давления газообразное рабочее тело конденсируется, передавая скрытую теплоту конденсации рабочему телу, находящемуся в жидком агрегатном состоянии в стадии нагрева теплотой окружающей среды. Это повышает эффективность теплового насоса, так как он работает на меньшей разнице температур. При нагреве жидкое рабочее тело расширяется и перемещает на один шагмалые поршни 12 гидроцилиндров 10, при этом в подпоршневых полостях ступеней 14 гидроцилиндров 10 создается разрежение. Открываются обратные клапаны 18, и по трубопроводу 19 подается холодное рабочее тело (с температурой -55 С) в полости под поршнями 15 ступеней 14 гидроцилиндров 10 трансмиссионных. Их поршни 12 и 15 расположены с разницей на шаги не находятся в крайней верхней точке. Шаг , на который передвигаются поршни за один рабочий цикл, рассчитывается по формуле,1 где- длина рабочего хода поршня цилиндра,- число цилиндров В нашем примере он равен 13 . Они создают давление трансмиссионной жидкости, которая перемещает большой поршень 15 гидроцилиндра 10 подающего и перемещает его за один рабочий цикл на всю длину его рабочего хода , т.е. из верхней мертвой точки в нижнюю. При этом подогретое рабочее тело через клапан-распределитель 3 поступает на ротор 5 реактивной турбины 2, совершая полезную работу. Сконденсированное рабочее тело в змеевиках-конденсаторах 8 также подается на ротор 5 реактивной турбины 2. На теплообменных трубках 9 размещены устройства, производящие работу за счет перепада температур,такие как, например, термоэлектрические элементы 20, работающие по принципу Зеебека или охладитель двигателя внешнего сгорания, типа двигателя Стирлинга. Далее цикл повторяется, но гидроцилиндр 10, осуществивший подачу рабочего тела становится трансмиссионным, а следующий гидроцилиндр 10, поршень которого пришел в верхнюю мертвую точку, становится подающим в новом рабочем цикле. Так периодически все гидроцилиндры поочередно, в течение цикла, становятся подающими. Данное изобретение позволяет увеличить КПД устройства и повысить эффективность преобразования тепловой энергии в полезную работу. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4