CZ20011121A3

CZ20011121A3 - Kompaundní pohonná jednotka

Info

Publication number: CZ20011121A3
Application number: CZ20011121A
Authority: CZ
Inventors: Jiří Ing. Frolík
Original assignee: Jiří Ing. Frolík
Priority date: 2001-03-27
Filing date: 2001-03-27
Publication date: 2002-11-13

Abstract

Řešení se týká kompaudní pohonné jednotky, sestávající z vertikálně a/nebo horizontálně uspořádané expansní části (A), tvořené alespoň jedním expansním stupněm (9) a z vertikálně a/nebo z horizontálně uspořádané kompresorové části (B), tvořené alespoň jedním kompresorovým stupněm (10). Expansní stupeň (9) i kompresorový stupeň (10) jsou tvořeny objemově pracujícími rotačními stroji s oběžnými křídly. Každý sestává ze statorové skříně (11) expansní části statorové skříně (12) kompresorové části, přičemž v každé z nich je vytvořen alespoň jeden válcový pracovní prostor, obsahující rotační pracovní část, sestávající ze dvou na sobě nezávislých rotačních systémů, z nichž každý je otočný kolem své pevné osy a jejich pohyb je vytvářen excentricky uloženým unášečem, napojeným na vstupní hřídel u kompresorového stupně (10) a na výstupní hřídel u expansního stupně. Rotační systémy jsou tvořeny radiálně, uspořádanými oběžnými křídly volně uloženými na centrální hřídeli rovnoběžně s osou válcového pracovního prostoru, každou dvojicí sousedních oběžných křídel je při otáčení vytvářena objemově se měnící pracovní komora. Hlavní výstup (4) kompresorové části (B) a hlavní vstup (5) expansní části (A) jsou vzájemně propojeny hlavním spojovacím kanálem (13), procházejícím externí ohřívací zónou (14), přičemž výstupní kanál (8) expansní části (A) a vstupní kanál (1) kompresorové části (B) jsou vzájemně propojeny zásobníkem (15) expandovaného média, který je opatřen chladicí jednotkou (16) s externím oběhem chladivá.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká kompaundní pohonné jednotky pracující na výtlačném principu s uzavřeným oběhem plynného pracovního média bez fázové přeměny podle Braytonova termodynamického cyklu a která slouží ke konverzi tepelné energie na energii mechanickou, zpracovávající tepelný potenciál z libovolného tepelného zdroje.

Dosavadní stav techniky

Dosud známé tepelné stroje sloužící ke konverzi tepelné energie na energii mechanickou vyifg?iijt niytrnii účinnost této konverze. Existují pouze dva druhy tepelných strojů, které umožňují přeměnu tepelné energie z primárních energetických zdrojů na energii mechanickou o požadovaném množství a to pístové spalovací motory a parní nebo plynové turbiny. Měřítkem úspěšností konverze tepelné energie libovolného tepelného motoru na energii mechanickou je jeho tepelná účinnost vyjádřená obecným vztahem η=Ωι_ιΧ>2

Qi kde η je tepelná účinnost motoru, Qi je teplo do tepelného motoru přivedené a Q2 je teplo z tepelného motoru odvedené. Vztah 1 - η je teplo z tepelného motoru odcházející ve formě tepelných ztrát.

Tepelné účinnosti dosavadních tepelných strojů jsou všeobecně známé a v nejlepších případech se přibližují čtyřicetiprocentní hranici, ale je třeba zohlednit, že i padesátiprocentní hranice účinnosti konverze tepelné energie na energii mechanickou znamená ztrátu padesáti procent tepelné energie získané z paliva, která zvyšuje ekologickou zátěž okolí. Ktéto skutečnosti přistupuje při provozu těchto tepelných motorů celá řada dalších technických problémů, protože jak spalovací motory tak ί spalovací turbiny pracují s otevřeným termodynamickým procesem, při kterém vznikají zplodiny hoření obsahující značné množství škodlivých exhalací, které prokazatelně negativně ovlivňují klimatické podmínky v atmosféře.

Ke snížení dodatečné tepelné zátěže atmosféry vyvolané lidskou činností by v podstatné míře přispělo zvýšeni tepelné účinnosti tepelných strojů používaných k velkovýrobě elektrické energie z fosilních a jaderných paliv. Tyto tepelné stroje využívají k výrobě elektrické energie okolo jedné třetiny tepla získaného z paliva, zbylé dvě třetiny vyrobeného tepla jsou odváděny

do okolí ve formě dále nevyužitelného nízkoenergetického odpadového tepla. Dodatečným zpracováním alespoň části tohoto nízkoenergetického ztrátového tepla na energii elektrickou by se snížila spotřeba paliva s následkem snížení ekologické zátěže okolí odpadovým teplem. Dosavadní tepelné stroje však využití energie nízkoenergetického odpadového tepla neumožňují.

K výrobě elektrické energie ze slunečního zářeni se používá většinou solárních fotovoltaických článků na bázi křemíku. Fotovoltaické články vykazují relativně nízkou účinnost přeměny slunečního záření na energii elektrickou a vzhledem k obtížné, velmi nákladné a technologicky a technicky náročné výrobě křemíkových článků vykazují velmi dlouhou časovou návratnost vložených prostředků.

Mnohem vyšší účinností se vyznačují sluneční tepelná zařízení, např. ve formě sluneční farmy, sloužící přímo k výrobě elektrické energie tím způsobem, že sluneční tepelná energie je využívána k ohřevu termického oleje ve fokusaČních korytech a následně je přes výměník tepla tato energie využita k výrobě páry, která pak příkladně prostřednictvím parní turbiny produkuje energii elektrickou.

Tato termická zařízení i přes vícenásobnou konverzi sluneční tepelné energie dosahují tepelné účinnosti okolo třiceti procent - viz S. Karamanolis: Sluneční energie, str. 76, vyd. 1996 ISBN 80-86015-02-5. Snížením počtu stupňů konverze u těchto termických slunečních elektráren by vedlo k jejich konstrukčnímu zjednodušení a k podstatnému zvýšení účinnosti tohoto způsobu získávání energie ze slunečního záření.

Podstata vynálezu

Shora uvedené nevýhody dosavadních tepelných strojů ke konverzi tepelné energie na energii mechanickou případně elektrickou ve velké míře odstraňuje a podstatné zvýšení tepelné účinnosti vykazuje kompáundni pohonná jednotka, sestávající z vertikálně a/ňebo horizontálně uspořádané expansní části, tvořené alespoň jedním expansním stupněm a z vertikálně a/nebo z horizontálně uspořádané kompresorové části tvořené alespoň jedním kompresorovým stupněm, přičemž expansní stupeň i kompresorový stupeň je tvořen objemově pracujícím rotačním strojem s oběžnými křídly, který sestává ze statorové skříně expansní části a statorové skříně kompresorové části a přičemž v každé z nich je vytvořen alespoň jeden válcový pracovní prostor obsahující rotační pracovní část sestávající ze dvou na sobě • «·· • · · 9 · · ··· ···· : ·· .....

nezávislých rotačních systémů, z nichž každý je otočný kolem své pevné osy a jejichž pohyb je vytvářen excentricky uloženým imášečem napojeným na vstupní hřídel u kompresorového stupně a na výstupní hřídel u expansního stupně a druhý rotační systém je tvořen radiálně uspořádanými oběžnými křídly volně uloženými na centrální hřídeli rovnoběžné sosou válcového pracovního prostoru a přičemž každou dvojicí sousedních oběžných křídel je při otáčení vytvářena objemově se měnící pracovní komora podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že hlavní výstup kompresorové části a hlavní vstup expansní části je vzájemně propojen hlavním spojovacím kanálem procházejícím externí ohřívací zónou, přičemž výstupní kanál expansní části a vstupní kanál kompresorové části jsou vzájemně propojeny zásobníkem expandovaného média, který je opatřen chladící jednotkou s externím oběhem chladivá. Externí ohřívací zóna je alternativně opatřena soustavou hořáků s odlučovačem zplodin, nebo soustavou fokusančních koncentrátorů slunečního záření a nebo případně ultrazvukovým zdrojem tepla. Externí ohřívací zóna je alternativně tvořena soustavou velkoplošných teplosměnných ploch opatřených tepelnými trubicemi, nebo geotermickou soustavou teplosměnných trubek, a nebo soustavou teplosměnných trubic uložených v kapalině. Kompresorový stupeň je napojen na nezávislý pohon a alternativně je kompresorová část tvořena zásobníkem stlačeného vzduchu.

Výhody kompaundní pohonné jednotky podle vynálezu spočívají především v oddělené a na sobě nezávislé expansní a kompresorové části, což umožňuje optimální přizpůsobení jak expansního, tak i kompresního procesu požadovaným podmínkám funkce pohonné jednotky. Další významnou výhodou této pohonné jednotky je jednosměrný a kontinuální průtok pracovního média s využitím jeho plné expanse v expansní částí pohonné jednotky, což vede k podstatnému zvýšení účinnosti konverse energie tepelné na energii mechanickou.

Rotační křídlové stroje se obecně vyznačují nejvyšším poměrným výkonem na jednotku hmotnosti a objemu, což vede spolu s ideálním odběrem točivého momentu tohoto stroje, minimálními třecími ztrátami a možností dosažení vysokých otáček ke stavbě velmi výkonného tepelného motoru s minimální hmotností využitelného i pro trakční účely.

V důsledku externího spalování paliva za přebytku vzduchu dosahuje koncentrace škodlivých exhalací této tepelné pohonné jednotky daleko příznivějších hodnot.

····

Přehled obrázků na výkresech

Na připojených výkresech jsou na obr. 1 až obr. 16 znázorněna příkladná provedení kompauridní pohonné jednotky podle vynálezu, kde jsou v řezech patrny její konstrukční prvky a její příkladné aplikace, a přičemž k obr. 1 až obr. 3 jsou připojeny na obr. 2, obr. 4 a obr. 6 PV diagramy znázorňující teoretický průběh termodynamického cyklu příslušné pohonné kompaundní jednotky.

Příklad provedení vynálezu

Z obr. 1 je patrna kompresorová část B tvořená třemi kompresorovými stupni 10 integrovanými do společné statorové skříně 12 kompresorové části B , které jsou vzájemně propojeny vnitřními spojovacími kompresorovými kanály 2. 3 . Hlavní výstup 4 kompresorové části B je spojen pomocí hlavního spojovacího kanálu 13 s hlavním vstupem 5 expansní části A tvořené třemi expansními stupni 9 integrovanými do společné statorové skříně H. expansní části A a vzájemně propojenými vnitřními spojovacími expansními kanály 6. 7 . Výstupní kanál 8 expansní části A a vstupní kanál 1 kompresorové části B je propojen zásobníkem 15 expandovaného média, který je opatřen chladící jednotkou 16 s externím oběhem chladivá. Hlavní spojovací kanál 13 je opatřen externí ohřívací zónou 14 .

Na obr. 2 je znázorněn PV diagram, jehož body odpovídají jednotlivým stěžejním měrným uzlům kompaundní pohonné jednotky, á znázorňující teoretický průběh termodynamického cyklu příslušné pohonné kompaundní jednotky.

Na obr. 3 je znázorněno provedení kompaundní pohonné jednotky sestávající z kompresorové části B tvořené dvěma kompresorovými stupni 10 a expansní části A tvořené třemi kompresorovými stupni 10.

Na obr. 4 je znázorněn PV diagram znázorňující teoretický průběh termodynamického cyklu příslušné pohonné kompaundní jednotky.

Z obr. 5 je patrno alternativní provedení kompaundní pohonné jednotky sestávající z kompresorové části B , tvořené jedním kompresorovým stupněm 10 a z expansní části A tvořené třemi expansními stupni 9 . Ostatní konstrukční prvky jsou identické s konstrukčními prvky podle obr. 1.

Na obr. 6 je znázorněn PV diagram znázorňující teoretický průběh termodynamického cyklu příslušné pohonné kompaundní jednotky.

Obr. 7 znázorňuje provedení ohřívací zóny 14 . kterou prochází hlavní spojovací kanál 13 a kde jako zdroje teplaje využívána soustava 17 hořáků opatřená odlučovačem 20 zplodin.

Obr. 8 představuje provedení ohřívací zóny 14 , kterou prochází hlavní spojovací kanál 13 a kde jako zdroje teplaje využito soustavy 18 fokusačních koncentrátorů slunečního záření.

Obr. 9 znázorňuje provedení ohřívací zóny 14 , kterou prochází hlavní spojovací kanál 13 a kde jako zdroje teplaje využito ultrazvukových zdrojů ]9 tepla.

Obr. 10 představuje alternativní provedení kompaundní pohonné jednotky, kde kompresorová část B tvořená třemi kompresorovými stupni JO a expansní část A tvořená třemi expansními stupni 9 jsou v horizontálním uspořádání a jejích externí ohřívací zóna 14 je tvořena soustavou 18 fokusačních koncentrátorů slunečního záření a zásobník 15 expandovaného média je opatřen dělící přepážkou 30 a chladící jednotkou 16 s externím oběhem chladivá.

Obr. 11 znázorňuje alternativní provedení kompaundní pohonné jednotky, u které je kompresorová část B tvořena jedním kompresorovým stupněm 10 a expansní část A je tvořena třemi expansními stupni 9 v horizontálním uspořádání a kde hlavní spojovací kanál 13 propojující hlavní výstup 4 kompresorové části B a hlavní vstup expansní části A procházející externí ohřívací zónou J4 je ohříván pomůcí soustavy 18 fokusačních koncentrátorů slunečního záření. Výstupní kanál 8 expansní části A a vstupní kanál 1 kompresorové části B je propojen zásobníkem JL5 expandovaného média.

Obr. 12 znázorňuje v axonometrickém průmětu provedení kompaundní pohonné jednotky podle obr. 11, kde soustava 18 fokusačních koncentrátorů slunečriího záření je tvořena velkoplošným panelem 26 a kde je ve výřezu 27 velkoplošného panelu 26 patrno uspořádání hlavních spojovacích kanálů 13 a ve spodní části kompaundní pohonné jednotky je patrný společný zásobník 15 expandovaného média.

Obr. 13 představuje modulární seskupení velkoplošných panelů 26 tvořených soustavou J_8 fokusačních koncentrátorů slunečního záření ohřívajících hlavní spojovací kanály 13 a kde jsou též patrny společné zásobníky 15 expandovaného média.

Obr. 14 znázorňuje provedení kompaundní pohonné jednotky podle vynálezu určené k využití nízkoenergetického tepla z přívodu 28 , kde kompresorová část B a expansní část A je spojena hlavním spojovacím kanálem 13 a který je ohříván pomocí soustavy 21 velkoplošných teplosměnných ploch tvořících externí ohřívací zónu 14 a které jsou opatřeny tepelnými trubicemi 22 . Zásobník 15 expandovaného média jé opatřen vytokovym systémem 29 .

Obr. 15 představuje provedeni kompaundní pohonné jednotky sestávající z kompresorové části B tvořené jedním kompresorovým stupněm 10 a expansní části A tvořené třemi expansními stupni 9 kde jejich hlavní spojovací kanál 13 je spojen s geotermickou soustavou 23 teplosměnných trubek využívajících pro externí ohřívací zónu 14 geotermického tepla země.

Obr 16 znázorňuje provedení kompaundní pohonné jednotky sestávající z kompresorové části B tvořené jedním kompresorovým stupněm JO a expansní části A tvořené třemi expansními stupni 9 , kde jejich hlavní spojovací kanál 13 je napojen na soustavu 24 ponorných teplosměnných trubic umístěných v kapalině 25 a kde externí ohřívací zóna J4 využívá jako zdroje tepla tepelný obsah kapaliny 25 o značné hloubce.

• · • »· 1 • · * • 4

4

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Kompaundní pohonná jednotka, sestávající z vertikálně a/nebo horizontálně uspořádané expansní části (A), tvořené alespoň jedním expansním stupněm (9) a z vertikálně a/nebo z horizontálně uspořádané kompresorové části (B) tvořené alespoň jedním kompresorovým stupněm (10), přičemž expansní stupeň (9) i kompresorový stupeň (10) je tvořen objemově pracujícím rotačním strojem s oběžnými křídly, který sestává ze statorové skříně (11) expansní částí a statorové skříně (12) kompresorové části a přičemž v každé žních je vytvořen alespoň jeden válcový pracovní prostor obsahující rotační pracovní část sestávající ze dvou na sobě nezávislých rotačních systémů, z nichž každý je otočný kolem své pevné osy a jejichž pohyb je vytvářen excentricky uloženým unášečem napojeným na vstupní hřídel ______________ ______________L.XiJ— 1 . ~ — ~ u Kómpresoruvenu siupne vysiupm uuuci u cApaiicsiunv a uiuuj ivwwm systém je tvořen radiálně uspořádanými oběžnými křídly volně uloženými na centrální hřídeli rovnoběžné s osou válcového pracovního prostoru a přičemž každou dvojicí sousedních oběžných křídel je při otáčení vytvářena objemově se měnící pracovní komora, vyznačující se tím, že hlavní výstup (4) kompresorové části (B) a hlavní vstup (5) expansní části (A) je vzájemně propojen hlavním spojovacím kanálem (13) procházejícím externí ohřívací zónou (14), přičemž výstupní kanál (8) expansní části (A) a vstupní kanál (1) kompresorové části (B) jsou vzájemně propojeny zásobníkem (15) expandovaného média, který je opatřen chladící jednotkou (16) s externím oběhem chladivá.

2. Kompaundní pohonná jednotka podle bodu 1, vyznačující se tím, že externí ohřívací zóna (14) je tvořena soustavou (17) hořáků s odlučovačem (20) zplodin.

3. Kompaundní pohonná jednotka podle bodu 1, vyznačující se tím, že externí ohřívací zóna (14) je tvořena soustavou (18) fokusančních koncentrátorů slunečního záření.

4 44· se t í m, že externí £ »··· ·

4 ·

4 ·»

4

9 9

4 4

4. Kompaundní pohonná jednotka podle bódu 1, vyznačující se tím, že externí ohřívací zóna (14) je tvořena ultrazvukovým zdrojem (19) tepla.

5. Kompaundní pohonná jednotka podle bodu 1, vyznačující se tím, že externí ohřívací zóna (14) je tvořena soustavou (21) velkoplošných teplosměnných ploch opatřených tepelnými trubicemi (22).

* · * • · 9

9

6. Kompaundní pohonná jednotka podle bodu 1, vyznačující ohřívací zóna (14) je tvořena geotermickou soustavou (23) teplosměnných trubek. :

7. Kompaundní pohonná jednotka podle bodu 1, vyznačující se tím, že externí ohřívací zóna (14) je tvořena soustavou (24) ponorných teplosměnných trubic uložených v kapalině (25).

8. Kompaundní pohonná jednotka podle bodu 1, vyznačující se tím , že kompresorový stupeň (10) je napojen na nezávislý pohon.

9. Kompaundní pohonná jednotka podle bodu 1, vyznačující se tím ,že kompresorová část (B) je alternativně tvořena zásobníkem stlačeného vzduchu.

Obr. 1

Obr. 2

Obr. 4

Obr. 6 • Φ • φ φ φ · -φ φ · φφφφ « · ♦ ·

Φ 9 9

Φ Φ Φ · • · ·

ΦΦ ΦΦΦ

C.

Obr. 10 • 4

9444 • 4

Obr. 11

Obr. 12 «···

Obe. ty

9· ··*· «· ···· ♦ < ·

Obr·- 45~

Obh