Pracovní kolo poháněné teplem s nepřímým ohřevem pracovní látky

Oblast techniky

Zařízení podle tohoto technického řešení spadá do oblasti tepelných strojů, které přeměňují část tepelné energie dodávané do nich z vnějšího zdroje na mechanickou práci.

Dosavadní stav techniky

Dosavadní konstrukce tepelných strojů se dělí zhruba na stroje pístové a turbínové. K pístovým tepelným strojům se řadí např. spalovací motory či pístové parní stroje, z turbínových strojů jsou známé především parní a plynové turbíny. Společným rysem tepelných strojů využívaných v současnosti je nutnost pracovní látku ohřívat na relativně vysokou teplotu resp. pracovat s velkým teplotním rozdílem a pracovat s relativně vysokým tlakem. To je dáno potřebou maximální účinnosti přeměny tepla na mechanickou práci, neboť tato účinnost se obecně zvyšuje se zvyšujícím se rozdílem maximální a minimální teploty pracovní látky (plynu). Konstrukce a provoz takovýchto tepelných strojů je technicky poměrně náročná a stroje většinou nejsou schopny účinně pracovat s nízkými teplotami resp. malými rozdíly teplot. Jelikož se jedná o soustavy tlakově otevřené (propojené s okolním prostředím), je nutno vzhledem k relativně vysokým pracovním přetlakům v tepelných strojích technicky řešit tlakové namáhání jejich součástí, těsnost - zejména pohyblivých částí, a též bezpečnost provozu.

Podstata technického řešení

Podstata pracovního kola poháněného teplem s nepřímým ohřevem pracovní látky (dále jen pra20 covní kolo) spočívá v tom, že na vodorovné hřídeli jsou pomocí nosných loukotí do kruhu upevněny tlakové pracovní nádoby, přičemž vnitřní prostory všech dvojic tlakových pracovních nádob, vždy vzájemně protilehlých vzhledem k vodorovné hřídeli, jsou propojeny propojovacími trubicemi, a všechny tlakové pracovní nádoby jsou naplněny vhodnou pracovní látkou, která je částečně v kapalném stavu.

Pro správnou, plynulou činnost pracovního kola je výhodné, jsou-li tlakové pracovní nádoby vzhledem k hřídeli vyváženy a symetricky uspořádány, takže těžiště pracovního kola se ve statickém stavu nachází v hřídeli. Toho lze dosáhnout např. tak, že tlakové pracovní nádoby jsou umístěny ve stejné vzdálenosti od hřídele a s pravidelnými vzájemnými rozestupy, tvar a hmotnost všech tlakových pracovních nádob jsou stejné a stejné jsou i dávky pracovní látky v každé z nich. Pro přesné vyvážení pracovního kola je vhodné upevnit na nosné loukotě posuvná vyvažovači závaží a jejich posuvem dosáhnout přesného vyvážení.

Činnost pracovního kola spočívá v tom, že tlakové pracovní nádoby na jedné polovině pracovního kola - z bočního pohledu, tj. z pohledu na rovinu kolmou k hřídeli - jsou zahřívány vhodným zdrojem tepla, zatímco na druhé polovině jsou vhodným způsobem chlazeny. Díky vzájemnému propojení dvojic protilehlých tlakových pracovních nádob dochází k přestupu pracovní látky z tlakových pracovních nádob na zahřívané straně pracovního kola, kde se část pracovní látky vypařuje, do tlakových pracovních nádob na jeho ochlazované straně, kde část pracovní látky kodenzuje. Tím je porušována rovnováha pracovního kola, neboť jeho těžiště se posouvá směrem k ochlazované polovině. Vzniklá nerovnováha uvádí pracovní kolo do otáčivého pohybu, tlakové pracovní nádoby na zahřívané polovině stoupají nahoru a na ochlazované polovině klesají dolů.

Pro činnost pracovního kola je výhodné, aby propojovací trubice každé z dvojic tlakových pracovních nádob byly vyvedeny až dovnitř nich a tvar jejich zakončení uvnitř tlakových pracovních nádob, popřípadě poloha a tvar tlakových pracovních nádob byly vytvořeny tak, že v ohřívaných tlakových pracovních nádobách bude zakončení propojovacích trubic ponořeno pod hladinu kapalné fáze pracovní látky.

- 1 CZ 17372 Ul

Tlakové pracovní nádoby, propojovací trubice ajejich vzájemné propojení je nutno provést jako těsné a odolné tlakové zařízení, které bude schopno pracovat s trvalým přetlakovým zatížením. Konstrukce pracovního kola musí odpovídat příslušným technickým normám a předpisům pro tlaková zařízení.

Pokud je to technicky možné, je vhodné použít pro výrobu všech částí pracovního kola lehkých materiálů s nízkou tepelnou kapacitou a kromě stěn tlakových pracovních nádob též s nízkou tepelnou vodivostí.

Pracovní kolo využívá expanze sytých par při odpařování kapalné fáze pracovní látky v tlakových pracovních nádobách na zahřívané polovině pracovního kola a jejich současné komprese ío a zkapalňování na ochlazované straně. Pracovní látku a pracovní teploty je vhodné zvolit tak, aby se teplotní režim během činnosti pracovního kola pohyboval v oblasti kolem kritické teploty pracovní látky. V této oblasti je poměr práce vykonané přeměnou - odpařením kapaliny na sytou páru k přijatému skupenskému teplu výpamému obecně vyšší. Zvolená pracovní látka by měla mít nízkou viskozitu kvůli omezení ztrát při pohybu látky uvnitř pracovního kola.

Pracovní kolo má trvale oddělen prostor s pracovní látkou od okolního prostředí a pracuje s konstantní dávkou pracovní látky; odpadá proto nutnost náročnějšího zabezpečení provozu, jak je tomu při použití velkých přetlaků v klasických tepelných strojích s otevřeným cyklem. Tlaková část pracovního kola je trvale oddělena od okolí, pracovní kolo nemá žádné vzájemně pohyblivé části, které by byly vystavovány tlakovému rozdílu a bylo by nutno zajistit jejich těsnost - jako např. píst pohyblivý vůči pracovnímu válci v pístovém stroji, ložiska turbíny, různé ventily apod.

Pracovní kolo může pracovat při nízkém rozdílu teplot na zahřívané a ochlazované straně s vyšší účinností, než jaká by byla dosažitelná při použití plynu jako pracovní látky (viz teoreticky dosažitelná účinnost cyklického tepelného stroje s pracovním plynem v příslušné literatuře). Podmínkou je dostatečný tok tepla pracovním kolem. Pracovní kolo může být poháněno nízkoteplotním zdrojem tepla či zdrojem s kolísavým a nerovnoměrným tepelným výkonem.

Použití pracovního kola je omezeno jeho pravděpodobně nízkými provozními otáčkami, jako výhodu lze naopak uvést možnost jeho proměnného zatížení a jisté samoregulační schopnosti, kdy při zvýšení mechanické zátěže na výstupu hřídele dojde ke zpomalení pohybu pracovního kola, což má za následek delší dobu vyhřívání tlakových pracovních nádob na zahřívané straně a zároveň chlazení na ochlazované straně, čímž se zvýší výkon pracovního kola, a naopak při mechanickém odlehčení dojde ke zrychlení pohybu pracovního kola, čímž se sníží doba vyhřívání a chlazení tlakových pracovních nádob a výkon pracovního kola se sníží.

Přehled obrázků na výkresech

Pracovní kolo je schematicky znázorněno na obrázku č. 1 z bočního pohledu (bokorys), kde jsou znázorněny tlakové pracovní nádoby kruhového průřezu, jejich vzájemné uspořádání a propojení, jejich upevnění k hřídeli, tok tepelné energie směrem do tlakových pracovních nádob pracovního kola na jeho levé straně a z tlakových pracovních nádob pracovního kola na jeho pravé straně a je vyznačen směr pohybu pracovního kola během jeho činnosti.

Na obrázku č. 2 je schematicky v bokorysu znázorněna poloha dvou protilehlých tlakových pra40 covních nádob, které svým tvarem odpovídají komerčně dostupným přenosným tlakovým nádobám. Je vyznačena hladina kapalné fáze pracovní látky uvnitř tlakových pracovních nádob, zakončení propojovacích trubic uvnitř tlakových pracovních nádob, jejich vzájemné propojení propojovací trubicí a upevnění k hřídeli. Tlaková pracovní nádoba vlevo je na vyhřívané straně pracovního kola, tlaková pracovní nádoba vpravo je na ochlazované straně pracovního kola.

Na obrázku č. 3 je schematicky znázorněna táž poloha dvou protilehlých tlakových pracovních nádob z čelního pohledu, kdy v popředí je znázorněna tlaková pracovní nádoba na vyhřívané straně pracovního kola a v pozadí je znázorněna tlaková pracovní nádoba na ochlazované straně pracovního kola.

-2CZ 17372 Ul

Příklady provedení technického řešení

Pracovní kolo podle obr. 1 sestává z vodorovné hřídele 2, na níž jsou kruhově symetricky upevněny uzavřené tlakové pracovní nádoby J kruhového průřezu. Dle obr. 2, 3 jsou použity tlakové pracovní nádoby J odpovídající komerčně dostupným přenosným tlakovým nádobám válcového tvaru, s otevřeným zakončením propojovací trubice 4 uvnitř každé tlakové pracovní nádoby i a uzavíracím kohoutem 14. Propojení vždy dvou protilehlých tlakových pracovních nádob 1 je provedeno pomocí propojovací trubice 3. Upevnění tlakových pracovních nádob 1 k hřídeli 2 je provedeno pomocí nosných loukotí 7 s držáky tlakových pracovních nádob 8. Jak je patrno z obr. 2 a 3, jsou tlakové pracovní nádoby J upevněny k hřídeli 2 s určitým sklonem jejich podélío ných os vůči ose hřídele 2, takže otevřené zakončení propojovací trubice 4 uvnitř nich je na vyhřívané straně pracovního kola ponořeno pod hladinu kapalné fáze pracovní látky JO, zatímco na ochlazované straně pracovního kola je vynořeno nad hladinu kapalné fáze pracovní látky J_0. Na nosných loukotích 7 jsou upevněna posuvná vyvažovači závaží 9, která je možno po loukotích 7 posouvat a fixovat v požadované poloze.

Tlakové pracovní nádoby I jsou při kompletaci pracovního kola naplněny vždy stejnou dávkou pracovní látky tak, že pracovní látka je částečně v kapalném stavu a kapalná fáze pracovní látky zaujímá více než polovinu vnitřního objemu tlakových pracovních nádob 1_. Před trvalým propojením vzájemně protilehlých tlakových pracovních nádob 1 propojovacími trubicemi 3 se tyto trubice 3 propláchnou malou dávkou pracovní látky pro vypuzení vzduchu. Jako pracovní látku lze zvolit např. oxid uhličitý, jehož kritická teplota je přibližně 31 °C.

Mezi tlakové pracovní nádoby J se připevní nosné výztužné přepážky 5, dle obr. 1. Tyto přepážky 5 kopírují podélný tvar tlakových pracovních nádob i a dosahují až na jeho konec, takže vyplňují mezery mezi tlakovými pracovními nádobami J po celé jejich délce.

Uvnitř pracovního kola, v prostoru kolem hřídele 2, se na stěny tlakových pracovních nádob J, nosných přepážek 5, propojovacích trubic 3 a případně též na nosné loukotě 7 připevní kontaktní tepelná izolace 6.

Pracovní kolo se po kompletaci vyváží pomocí vyvažovačích posuvných závaží 9. Pracovní kolo se uvádí a udržuje v chodu dle obr. 1 přiváděním tepla ve směru 12 ke stěnám tlakových pracovních nádob 1 pracovního kola na té polovině pracovního kola, kde jsou otevřená zakončení pro30 pojovacích trubic 4 uvnitř tlakových pracovních nádob 1 ponořena pod hladinu kapalné fáze pracovní látky 10, a současným odváděním tepla ve směru 13 ode stěn tlakových pracovních nádob i pracovního kola na té polovině pracovního kola, kde jsou otevřená zakončení propojovacích trubic 4 uvnitř tlakových pracovních nádob J vynořena nad hladinu kapalné fáze pracovní látky 10. Výstup mechanické energie pracovního kola je prováděn pomocí hřídele 2 jejím otáči35 vým pohybem.

Průmyslová využitelnost

Pracovní kolo podle tohoto technického řešení lze použít jako jednoduchý zdroj nízkootáčkové hnací síly, který je schopen využívat ke svému pohybu nízkoteplotní zdroj tepla, resp. malý rozdíl provozních teplot, např. odpadní teplo z vysokoteplotních technologických procesů. Použitím pracovního kola tak lze zvýšit celkovou účinnost využití tepelné energie.