LV13878B - Ārējā avota siltuma enerģijas pārveidošanas paņēmiens citos enerģijas veidos - Google Patents

Description

Tehnikas nozare

Izgudrojums attiecas uz paņēmieniem un iekārtām ārējā avota siltumenerģijas pārveidošanai citos enerģijas veidos.

Tehnikas līmenis

Ir zināmi mašinizēti un nemašinizēti (tiešā pārveidošana) paņēmieni siltumenerģijas pārveidošanai citos enerģijas veidos, tajā skaitā mehāniskajā darbā un/vai kinētiskajā enerģijā. Piemēram, paņēmiens, izmantojot Kārno ciklu, principi, kurus pielieto Stirlinga dzinējā, un citi paņēmieni. Galvenie mašinizētās pārveidošanas paņēmieni balstās uz idejas par siltuma iedarbību uz darba ķermeni un tai sekojošu darba ķermeņa mainīto parametru pārveidošanu mehāniskajā darbā. Klasisko siltuma mašīnu darba procesā rodas lieli siltuma pārpalikumi. Ir zināmas iekārtas (dzinēji ar siltuma reģenerāciju), kuros izmantoti reģeneratīvi siltumapmaiņas paņēmieni, piemēram, Stirlinga dzinējs, kas pārveidošanas ciklā ļauj ievadīt atpakaļ daļu netransformētās siltumenerģijas. Klasiskajās siltuma mašīnās tiek izmantota tikai viena temperatūras diapazona daļa, kas ir augstāka par apkārtējās vides temperatūras diapazonu. Apkārtējā vide tiek uzskatīta vienīgi kā rezervuārs nepārveidotās siltumenerģijas uzņemšanai siltuma mašīnā.

Zināmo pārveidošanas paņēmienu galvenie trūkumi ir lieli nepārveidotās siltumenerģijas zudumi un atkarība no apkārtējās vides temperatūras līmeņa.

Ir zināms zema potenciāla siltumenerģijas pārveidošanas paņēmiens mehāniskajā darbā (patents RU 2162161 C2). Tas ir šāds: darba ķermenim no ārējā avota pievada siltumenerģiju, veic darba ķermeņa plūsmas izplešanu ar mehāniskā darba noņemšanu. Pēc tam darba ķermeni saspiež, plūsmas ātrumu pārveidojot pārspiedienā vai izmanto kompresoru. Uz darba vides plūsmu iedarbojas ar papildu enerģijas avotu, turklāt plūsmai pievada papildu enerģiju un/vai vielu. Izplešanas brīdī darba vide atrodas gāzveida fāzē, bet ciklā var tikt izmantoti daudzfazu maisījumi. Saskaņā ar patenta aprakstu siltumenerģijas reģenerācija notiek, iekšējo enerģiju pārveidojot plūsmas kustības kinētiskajā enerģijā, bet pēc tam otrādi, kinētisko enerģiju pārveido citos enerģijas veidos. Šim nolūkam tiek izmantota Lavala sprausla un difuzori. Cikla pabeigšanai uz darba vides plūsmu iedarbojas arī mehāniskā veidā (ar kompresoru vai spārnu ratu), izmantojot daļu no ciklā pārveidotās enerģijas. Paņēmiens saskaņā ar patentu RU 2162161 C2 var tikt izmantots, kad darba ķermenis ir tvaika-gāzes vai gāzes fāzē. Zināmā paņēmiena raksturīga iezīme ir tāda, ka tam ir noslēgts pārveidošanas cikls. Zināmā paņēmiena trūkums ir ierobežotā pielietošanas iespēja noslēgtā pārveidošanas cikla dēļ.

Izgudrojuma izklāstījums

Šī izgudrojuma mērķis ir piedāvāt mašinizētu paņēmienu ārējā avota siltumenerģijas 15 pārveidošanai citos enerģijas veidos, kurā pilnīgāk tiek izmantota (pārveidota) ārējā avota siltumenerģija.

Piedāvātā paņēmiena tehniskais rezultāts ir būtisks iekārtas lietderības koeficienta paaugstinājums, pateicoties darba vides plūsmas siltumenerģijas reģeneratīvai izmantošanai, tās novadīšanai atpakaļ turpmākās pārveidošanas cikla fāzēs, kā ari pateicoties uzkrātā izspiešanas darba izmantošanai. Reģeneratīvas siltuma pievadīšanas un/vai novadīšanas darba ķermenim procesā (uzsildīšana, dzesēšana) veidojas reģeneratīvas siltuma plūsmas. Turklāt pārveidotā enerģija daļēji atgriežas pārveidošanas ciklā kompensācijas ierīču darbībai, kas dzesē darba ķermeni un noņemto siltumu novada uz nākošā cikla sākuma fāzi. Darba ķermenis, to sildot ar ārējā avota enerģijas un visu reģeneratīvo plūsmu palīdzību, tiek novests dažādu potenciālu stāvoklī līdz pārveidošanas procesam un pēc tā. Pārveidošanas procesā darba ķermeņa saspiešanai tiek izmantots arī iepriekš darba ķermeņa izplešanas procesā iegūtais izspiešanas darbs. Tādējādi cikliski tiek uzturēts ārējā avota siltumenerģijas pārveidošanas process.

īss zīmējumu apraksts

Fig.l attēlota iekārtas modeļa ārējā avota siltumenerģijas pārveidošanai mehāniskajā darbā darbības principiālā shēma.

Fig.2 attēlota citas iekārtas modeļa darbības principiālā shēma, kas īsteno termodinamisko ciklu ar siltuma novadīšanu darba ķermenim pie P=const.

Fig.3 attēlota iekārtas darbības termodinamiskā cikla diagramma P, V un T, S koordinātēs, kur uzsildīšana un dzesēšana tiek veikta pie V=const.

Fig.4 attēlota iekārtas darbības termodinamiskā cikla diagramma P, V un T, S koordinātēs ar siltuma nodošanu darba ķermenim pie P=const.

Fig.5 attēlota bezkompresora pulsējošas iekārtas (turboreaktīvā dzinēja) modeļa darbības principiālā shēma ar dzesēšanu, kur P=const vai V=const ar siltuma novadīšanu darba ķermenim pie V=const.

Fig. 6 attēlota iekārtas darbības termodinamiskā cikla diagramma P, V un T, S koordinātēs ar darba ķermeņa papildu saspiešanas un dzesēšanas operāciju un ar turpmāku siltuma novadīšanu darba ķermenim.

Piedāvātais ārējā avota siltumenerģijas pārveidošanas paņēmiens citos enerģijas veidos, konkrēti - mehāniskajā un/vai kinētiskajā enerģijā, ietver darba ķermeņa sasildīšanu ar ārējā avota un reģeneratīvo plūsmu siltumenerģiju, darba ķermeņa izplešanu, dzesēšanu un saspiešanu tā novešanai līdz sākotnējiem parametriem un ir raksturīgs ar to, ka darba ķermeņa izplešanu veic ar mehāniskā darba noņemšanu, turklāt daļa izplešanas darba un/vai daļa enerģijas, kas iegūta pēc mehāniskā darba noņemšanas, tiek novadīta darba ķermeņa saspiešanai tā novešanai līdz sākotnējiem parametriem, pie kam darba ķermeņa dzesēšanu veic reģeneratīvā veidā ar iepriekšējā cikla fāzē uzkrātās enerģijas palīdzību un/vai enerģijas daļas palīdzību, kas iegūta pēc mehāniskā darba noņemšanas, pie tam dzesēšanu veic, siltumu novadot uz darba ķermeni nākošā cikla sākuma fāzē, saspiešanu veic ar mehāniskā darba noņemšanu ar iepriekš uzkrātā darba ķermeņa izplešanas darba palīdzību, to uzsildot, un darba ķermeņa daļēju dzesēšanu veic daļēji ar šī mehāniskā darba palīdzību, siltumu novadot uz darba ķermeni nākošā cikla sākuma fāzē.

Piedāvātā paņēmiena īstenošanas varianti aprakstīti no 2. līdz 5. pretenzijai.

Piedāvātā paņēmiena īstenošanai nepieciešams ārējais enerģijas avots, piemēram, ūdens vai atmosfēras plūsmu siltumenerģija. Piedāvātajā paņēmienā paredzēta iespēja izmantot praktiski jebkura temperatūras potenciāla siltuma avotu. Atkarībā no siltuma mašīnas izpildes tehnoloģiskajām iespējām iespējamais izmantojamais temperatūras potenciāls sākas no 100 K. Atšķirībā no zināmajiem paņēmieniem piedāvātajā paņēmienā tiek izmantotas visas reģeneratīvās siltuma plūsmas un izspiešanas darbs, kas ļauj izvairīties no lieliem siltuma zudumiem un panākt augstu siltuma pārveidošanas darbā vai kinētiskajā enerģijā efektu. Siltumenerģija no ārējā avota ieplūst iekārtā ar siltumnesēja plūsmu vai darba vidi, bet izplūst pārveidota enerģija un atdzesēta siltumnesēja plūsma. Darba ķermeni var izmantot kā noslēgtā ciklā, tā arī atvērtā ciklā. Atvērtās sistēmas gadījumā siltums no ārējā avota ieplūst ar jaunu darba vides porciju, bet pie darba vides plūsmas izejas no aparāta darba zonas tiek izsviesta atdzesēta plūsma.

Visām vielām piemīt noteikta saspiežamība un spēja izplesties, tās sildot. Tāpēc piedāvātais paņēmiens ir pielietojams, par darba ķermeni izmantojot vielas jebkuros agregātstāvokļos un to kombinācijās. Gāzu labās saspiežamības un izplešanas spējas dēļ parādītajos principiālo shēmu piemēros darba ķermeņi ir gāzveida vides.

Piedāvātā paņēmiena īstenošana tālāk tiek paskaidrota iekārtu ārējā avota siltumenerģijas pārveidošanai citos enerģijas veidos darbības piemērā. Tomēr, ievērojot to, ka izgudrojumā tiek piedāvāts jauns mašīnu attīstības virziens, attēlotās iekārtu principiālās shēmas ir tikai atsevišķi paņēmiena pielietošanas gadījumi.

Izgudrojuma īstenošanas piemēri.

1. Piemērs.

Iekārtas modelis ārējā avota siltumenerģijas pārveidošanai mehāniskajā darbā (fig.l) satur ģeneratoru 1, mehānismu turpatpakaļkustības pārvēršanai rotācijas kustībā 2, cilindru ar virzuli 3 (pneimocilindrs, hidrocilindrs), balonu 4 ar darba ķenneni (gāze, šķidrums), siltummaini 5 balona 4 iekšpusē darba ķermeņa sildīšanai un dzesēšanai, cirkulācijas sūkni 6, kas tiek barots no ģeneratora 1, reģenerācijas siltummaiņus 7 un 8 ar pildvielu (metāla lodītes), uzkrājēju 9 ar aukstu siltumnesēju, uzkrājēju 10 ar karstu siltumnesēju. Aukstais un karstais siltumnesējs ir nesasalstošs šķidrums, kam dažādās iekārtas daļās (dažādās pārveidošanas cikla fāzēs) ir dažādi temperatūras potenciāli. Iekārta satur arī augsta spiediena savienojuma caurulītes 11 darba ķermenim un zema spiediena caurulītes 21 siltumnesēja cirkulācijai, dzesēšanas iekārtu (dzesinātāju) 12, kas tiek barota no ģeneratora 1, dzesinātajā 12 iztvaicētāju 13 (dzesēšanai), dzesinātajā 12 kondensatoru 14 (sildīšanai), siltummaini 15 siltuma noņemšanai no ārējā avota (piemēram, atmosfēras gaisa), siltummaini 16 enerģijas novadīšanai no ārējā avota siltumnesējam 19, ventilatoru 17 siltuma apmaiņas uzlabošanai, cirkulācijas sūkni 18 (tiek barots no ģeneratora 1), siltumnesēju 19, darba ķermeni 20, automātiskās regulēšanas ierīci (ARI) 22 sūkņa 6 darbības vadīšanai.

Iekārtai ārējā avota siltumenerģijas pārveidošanai pievada ārējā avota - atmosfēras siltumu, siltummaini 15, sasilda ar ārējā avota siltumenerģiju. Sākotnējā brīdī siltumnesēja 19 un reģenerācijas siltummainis 8 tiek sasildīti līdz Tj. Ārējā avota temperatūra ir T_ārējā- Temperatūras Tj līmenis tiek noteikts par dažiem grādiem mazāks nekā ir temperatūras Tārējā līmenis, resp., T]< Τ^. Sūknis 6, kuru vada ARI automātiskās regulēšanas ierīce 22, vajadzīgajās cikla fāzēs maina siltumnesēja 19 cirkulācijas virzienu un ātrumu, kas vajadzīgajās cikla fāzēs noved pie darba ķermeņa 20 sasilšanas vai atdzišanas. Sūknis 6 savai darbībai patērē daļu darba ķermeņa izplešanas (saspiešanas) rezultātā iegūtās enerģijas. Enerģijas patēriņš sūkņa darbībai tiek uzskatīts par nelielu. Kompensācijas ierīce - dzesinātājs 12 darbojas arī no enerģijas, kas iegūta darba ķermeņa izplešanas (saspiešanas) procesā. Reģenerācijas siltummaini 7 un 8 ir nepieciešami siltumenerģijas uzkrāšanai un nepieciešamā siltumapmaiņas režīma uzdošanai starp siltumnesēju 19 un darba ķermeni 20 ar minimālu temperatūras līmeņu zudumu. Darba ķermeņa 20 izplešanas un mehāniskā darba noņemšanas procesā tiek patērēta darba ķermenī 20 un reģenerācijas siltummaini 8 sākotnēji iegūtā siltumenerģija. Darba ķermeņa siltummainim 7 un siltumnesējam 19. Mehāniskā darba noņemšana tiek veikta ar spiediena pārveidošanas palīdzību, ar kādu darba ķermenis 20 spiež uz virzuli tā kustības virzienā. Šim nolūkam iedarbina cilindru ar virzuli 3, kurš savukārt iedarbina mehānismu turpatpakaļkustības pārvēršanai rotācijas kustībā 2. Pēc vairākiem izplešanas/saspiešanas un mehāniskā darba noņemšanas cikliem reģenerācijas siltummaiņos 7 un 8 sākotnēji noteiktā temperatūru dT= Tj-To starpība samazinās. Attiecīgi mainās arī siltumnesēja 19 temperatūra uzkrājējos 9 un 10. Iekārtas darbība bez enerģijas papildus pievadīšanas no ārējā avota norit līdz brīdim, kamēr siltumnesēja 19, reģenerācijas siltummaiņu 7 un 8 un darba ķermeņa 20 temperatūra neizlīdzinās. Darba ķermeņa 20 dzesēšanas/sasildīšanas procesa virzošie spēki pakāpeniski izzūd. Turpmākai iekārtas darbībai siltumnesējam 19 uzkrājējā 10 siltumenerģija no ārējā avota tiek nodota ar siltummaiņu 15 un 16 palīdzību, bet siltumnesējs uzkrājējā 9 tiek atdzesēts ar iekārtas palīdzību. Tādējādi tiek uzturēts arēja avota siltumenerģijas pārveidošanas iekārtas darbības cikliskums.

Termodinamiskais cikls P, V un T, S koordinātēs, uzsildīšana un dzesēšana pie V=const 5 parādīts fig.3. Process 1-2 ir izohoriska siltuma nodošana darba ķermenim (notiek reģeneratīvā veidā), attiecīgi spiediens pieaug no Po līdz Pi, entalpija, temperatūra, entropija punktā 2 ir lielāka nekā punktā 1. Process 2-3 ir darba ķermeņa adiabātiska izplešana līdz spiedienam Po, tā temperatūra krīt līdz Ti”. Izplešanas pārveidošanas iekārtā ir uzkrāts arī izspiešanas darbs tās novadīšanai atpakaļ turpmākajos ciklos (pretspiediens). Punktā 3 entalpija ir mazāka nekā punktā 2, bet entropija paliek tāda kā iepriekš, resp., kā punktā 2. Cikla pabeigšanai nepieciešams saspiest darba ķermeni un no sistēmas izvadīt siltumenerģiju. Iespējami vairāki procesa īstenošanas varianti. Process 31 ir izobāriska dzesēšana ar apjoma samazināšanu ar iepriekš iegūta izspiešanas darba palīdzību. Process 3-3”-l ir izohoriska siltuma novadīšana ar reģenerācijas plūsmas 1-1” palīdzību un turpmāka izotermiska saspiešana 3”-l ar mehāniskā darba daļas palīdzību. Vērtējot, cik daudz siltuma no sistēmas tiek izvadīts, visekonomiskākais ir process 3-4-1. Process 3-3” ir izohoriska dzesēšana no Tf’ līdz temperatūrai To ar reģenerācijas plūsmas 1-1” palīdzību. Punktā 3” siltuma līdzsvars pilnībā ir ievērots - daļa siltuma ir pārveidota mehāniskajā enerģgijā, pārējā daļa reģeneratīvi saglabāta un var tikt izmantota turpmākajos ciklos. Punktā 3” darba ķermeņa spiediens ir mazāks par spiedienu Po, tātad ir darba potenciāls attiecībā pret sistēmas parametriem punktā 3. Arī darba ķermeni izmantojot noslēgtā ciklā, to ir nepieciešams saspiest no Vj līdz Vo- Process 3”-4 ir papildu dzesēšana līdz temperatūrai To”. Punktā 4 darba ķermeņa temperatūra ir To” un spiediens Po” ir būtiski zemāks nekā Po. Turklāt pilnībā var izmantot iepriekš uzkrāto izspiešanas darbu un ar tā palīdzību darba ķermeni saspiest līdz apjomam Vo (spiediens Po). Ciklā ir divi reģenerācijas avoti - siltuma reģenerācijas plūsma un akumulētais izspiešanas darbs. Tajos iegūto enerģiju vispilnīgāk izmantojot turpmākajos pārveidošanas ciklos, ārējā avota siltums maksimāli pārveidojas lietderīgajā darbā. Ārējais enerģijas avots papildina iekšējās siltumenerģijas rezerves cikliskās pārveidošanas turpināšanai. Ciklā rodas papildu siltums darba ķermeņa saspiešanas procesā. Lai sistēmu padarītu noslēgtu, šo siltumu nepieciešams nodot darba ķermenim sekojošā cikla sākuma fāzē. Turklāt siltumu nepieciešams nodot temperatūras līmenī no

To”-To līdz Tf’-T]. Šim nolūkam sistēma ir paredzēts kompensācijās mehānisms -dzesētājs 12 (fig.1), kas darbojas no daļas mehāniskā darba.

Daļa izplešanas darba un/vai enerģijas, kas tiek iegūta pēc mehāniskā darba noņemšanas, tiek novadīta darba ķermeņa 20 saspiešanai, tā novešanai līdz sākotnējiem temperatūras parametriem, spiedienam un apjomam. Darba ķermeņa izplešanu var veikt arī ar mehāniskā darba noņemšanu un izejas plūsmas pārveidošanu kinētiskajā enerģijā, izmantojot jebkura tipa iekārtas izplešanas darba pārveidošanai mehāniskajā darbā (izplešanas turbīnas, pneimodzinējus, hidromotorus u.tml.) un izmantojot sprauslas ierīci (skat. fig.5 pozīciju 11) darba ķermeņa izplešanas pārveidošanai darba vides plūsmas kinētiskajā enerģijā. Mehāniskā darba noņemšana var tikt īstenota darba ķermeņa saspiešanas procesā ar iepriekš uzkrāta darba ķermeņa izplešanas darba palīdzību, to sasildot. Daļēju darba ķermeņa dzesēšanu īsteno ar daļas šī mehāniskā darba palīdzību, nododot siltumu darba ķermenim nākošā cikla sākuma fāzē (skat. diagrammā fig.3 cikla daļu 1-3-4-1).

Darba ķermeni 20 sasilda ar ārējā avota siltumu un siltuma reģenerācijas plūsmu, kas iegūta reģenerācijas siltummaiņos 7 un 8. Darba ķermeņa dzesēšanu veic reģenerācijas ceļā. Darba ķermeņa 20 dzesēšanu un saspiešanu tā novešanai līdz sākotnējiem parametriem īsteno ar iepriekšējā cikla fāzē uzkrātās enerģijas palīdzību un/vai daļas enerģijas palīdzību, kas iegūta pēc mehāniskā darba noņemšanas, turklāt dzesēšanu veic, nododot siltumu darba ķermenim 20 nākošā cikla sākuma fāzē. Darba ķermeņa saspiešanu veic ar mehāniskā darba noņemšanu ar iepriekš uzkrātā darba ķermeņa 20 izplešanas darba palīdzību tā sasildīšanas procesā (skat. fig.3 cikla daļu 1-3-4-1), un daļēju darba ķermeņa 20 dzesēšanu veic ar daļas šī mehāniskā darba palīdzību, nododot siltumu darba ķermenim 20 nākošā cikla sākuma fāzē.

Pēc saspiešanas operācijas darba ķermenis sasilst. Lai uzlabotu siltuma mašīnas raksturlīknes, ir nepieciešams, pēc darba ķermeņa saspiešanas tā novešanai līdz sākotnējiem parametriem, veikt vismaz vienu papildu dzesēšanu ar turpmāku darba ķermeņa saspiešanu un siltuma nodošanu darba ķermenim nākošā cikla sākuma fāzē (5. pretenzija). Šim nolūkam ir nepieciešams veikt procesus kā fig.6 attēlotajā diagrammā. Izohoriskās sasilšanas process 1-2 tiek veikts reģeneratīvi ar plūsmu 3-4, 5-1 palīdzību un siltuma pievadīšanu no ārējā avota (Ģārejais)· Process 2-3 ir adiabātiskā izplešana. Šajā etapā izplešanas darbs daļēji var pārveidoties mehāniskajā darbā un daļēji uzkrāties mehānismā turpatpakaļkustības pārvēršanai rotācijas kustībā 2 (fig.l) turpmākai izmantošanai. Lai palielinātu cikla iekšējo lietderības koeficientu, var īstenot vēl papildu procesu 2-2” - izobāru izplešanu (diagrammā izcelts ar punktētu līniju). Process 3-4 ir izobāra saspiešana (ar iepriekš uzkrāta izplešanas darba palīdzību) ar reģeneratīvu siltuma novadīšanu un nodošanu darba ķermenim cikla sākuma fāzē. Lai samazinātu ciklā izmantojamo temperatūras diapazonu, sākotnējo dzesēšanu veic līdz temperatūrai To. Darba ķermeņa novešanai līdz sākotnējiem parametriem to papildus saspiež ar daļas mehāniskā darba palīdzību - process 4-5 (adiabātiskā saspiešana) - un reģeneratīvi dzesē process 5-1 (izobāriska dzesēšana un saspiešana) ar siltuma nodošanu darba ķermenim cikla sākuma fāzē. Procesus 3-4-5-1 var atkārtot vairākkārtīgi, nepieciešams vienīgi ņemt vērā tehnoloģisko lietderību.

Tabulā Nr. 1 parādītas siltuma plūsmas un enerģijas patēriņa līmenis mehānismu un iekārtas konstrukcijas elementu darbībai ārējā avota siltumenerģijas pārveidošanai mehāniskā darbā. Aprēķini ir veikti ar pielaidēm, kas nemaina principiālo pieeju.

Tabula Nr. 1

Iekārtas ārējā avota siltumenerģijas pārveidošanai mehāniskā darbā darba aprēķins

	Parametrs	Lielums	Mērvienība
1	Gāzes masa Mgāzei	0T	kg
2	Atdzesētā siltumnesēja temperatūra TO	200	K
3	Atdzesētā siltumnesēja temperatūra TO”	178	K
4	Sasildīta siltumnesēja temperatūra T1	300	K
5	Ārējās vides temperatūra Tārējā	303	K
6	Temperatūru starpība dT=Tl-To	100	K
7	Gaisa gāzu konstante R	287	Dž/kg
8	Gāzes siltumietilpība Cv	714	Dž/kg*K
9	Gāzes siltumietilpība Cp	1 000	Dž/kg*K
10	Adiabātas rādītājs k	1,4
11	Ārējais spiediens Pārējais	1 000 000	Pa
12	Sākotnējais spiediens P0 pie TO	1 000 000	Pa
13	Apjoms V0 pie P0 un TO	0,0057	m3
15	Enerģija Esild. darba ķermeņa sasildīšanai no TO līdz T1	7 143	Dž
16	Spiediens P1 pēc sildīšanas no TO līdz T1	1 500 00	Pa
17	Adiabātiskās izplešanas darbs Aizpleš. līdz spiedienam P0	2 355	Dž

18	Darba ķermeņa temperatūras krišanās pēc izplešanas	33	K
19	Darba ķermeņa temperatūra T1 ” pēc izplešanas līdz P0	267	K
20	Apjoms VI pēc izplešanas līdz Tl”	0,0077	ττ
21	Spiediens PO pēc izplešanas	1 000 000	Pa
22	Enerģija E1 (reģeneratīvā daļa) sildīšanai no TO līdz Tl ’	4 799	Dž
23	Enerģija E2 (reģeneratīvā daļa) dzesēšanai no Tl ’ līdz TO	4 799	Dž
24	Spiediens P01” pēc dzesēšanas līdz TO	748 550	Pa
25	Enerģija papildu dzesēšanai no TO līdz TO”	1 571	Dž
26	Spiediens PO” pēc dzesēšanas līdz TO”	667 209	Pa
27	Adiabātiskas saspiešanas darbs Asaspieš. (darbojoties ārējam pretspiedienam) līdz spiedienam Pārējais	1 571	Dž
28	Dzesēšanai nepieciešamā enerģija no Tl’ līdz TO pie V=const, ko nenodrošina reģenerācija Edzesēš.= Asaspieš.	1 571	Dž
29	Darba ķenneņa temperatūras pieaugums saspiešanas beigās	22	K
30	Temperatūra pēc saspiešanas TO	200	K
31	Apjoms pēc saspiešanas VO”	0,0057	mJ
33	Dzesinātajā koeficients Kdzes (pēc Kārno cikla aprēķina formulas)	1,42
34	Kompensācijas ierīces (dzesinātajā) darbs Adzes = Edzes/Kdzes	1 108	Dž
35	Papildu iekārtu darbs Apapild	30	Dž
36	Lietderīgais darbs Anetder·-AjZpieš~Adzes.— Apapiid.	1 216	Dž
37	Iespējamie zudumi 1% siltuma apmaiņas procesā Azudumi-Qsumm*0,01	119	Dž
38	Cikla laiks	1	s
39	Maksimālais darba laiks bez ārējās enerģijas pievadīšanas (neņemot vērā iekšējos zudumus)	5,9	s 1

No iepriekšminētajiem datiem izriet, ka pilns izplešanas darbs ir vienlīdzīgs ar 2,36 kDž (17. rindiņa), bet patēriņš iekārtas elementu darbam ir 1,14 kDž (34.+35. rindiņa). Tas nozīmē, ka lietderīgais darbs ir 1,22 kDž.

Tabula Nr. 2

Iekārtu, kas tiek izmantotas iekārtā fig.l (pie darba parametriem no tabulas Nr. 1), tehniskie raksturlielumi

	Iekārtu parametri	Lielums	Mērvienība
1	Izplešanas cilindra 3 apjoms	0,0019	m3
2	Cilindra diametrs	0,11	m
3	Virzuļa gājiens	0,2	m
4	Balona ar darba ķermeni 4 apjoms	0,0057
5	Siltummaiņa 5 siltuma apmaiņas virsmas laukums, ņemot vērā ribojumu	0,16	m2
6	Cirkulācijas sūkņa 6 jauda	10	W

7	Siltumnesēja plūsmas nepieciešamā cirkulācija	2	kg/s
8	Siltumnesēja plūsmas cirkulācijas ātrums	5	m/s
9	Reģenerācijas siltummaiņu 7 un 8 apjoms	0,0014	m3
10	Pildvielas masa (metāla lodītes, diametrs 3 mm)	11,2	kg
11	Siltumnesēja 19 /amilēna C5H10-Pentēnal/ masa	1,6	kg
12	Dzesētāja 12 patērējamā jauda	1 1081	W
13	Dzesētāja iztvaicētāja 13 laukums	0,18	m
14	Dzesētāja kondensatora 14 laukums	0,18	m2
15	Siltummaiņa 15 kopējais virsmas laukums	0,27	ITT
16	Siltummaiņa 16 kopējais virsmas laukums	0,20	m2
17	Ventilatora 17 jauda	10	W
18	Cirkulācijas sūkņa 6 jauda	10	W
19	Savienojošās caurulītes 11 diametrs darba ķermeņa 20 plūsmām	0,025	m
20	Savienojošās caurulītes 21 diametrs siltumnesēja 19 plūsmām	0,025	m
	Papildu iekārtu (bez dzesētāja) kopējā jauda	30	W

2. piemērs

Iekārta ārējā avota siltumenerģijas pārveidošanai mehāniskajā darbā (fig.2), kas īsteno 5 termodinamisku ciklu ar siltuma nodošanu darba ķermenim pie P=const, satur: spiedēj sūkni 1 (kompresors, augstspiediena sūknis u.tml.), pārveidotāju 2 izobāriskai un adiabātiskai izplešanai (pneimodzinējs, turbīna u.tml.), ģeneratoru 3, dzesētāju 4, kas darbojas no enerģijas daļas, ko saražo pārveidotājs 2 vai ģenerators 3, siltummaini 5, siltummaiņus 6 un 7. Iekārtas darba principu paskaidrošanai ar pozīciju 8 atzīmēta siltuma plūsma no ārējā enerģijas avota, 9 ir savienojošās caurulītes darba vides plūsmām, 10 ir savienojošās caurulītes siltumnesēja plūsmām no dzesētāja.

Iekārtas principiālā shēma fig.2, kuras termodinamiskais cikls attēlots fig.4, ir nepārtraukta tipa pārveidošanas siltuma mašīnu bāzes shēma. Tabulā Nr.3 pievests šādas iekārtas darba aprēķina piemērs.

Sākumā spiedēj sūknī 1 ievada siltummaini 5 atdzesētu darba ķermeņa plūsmu. Spiedēj sūknis 1 paaugstina darba ķermeņa spiedienu līdz aprēķinātajam līmenim. Siltummainis 6 nodod siltumu darba ķermenim, kas iepriekšējā cikla stadijā no darba ķermeņa tika novadīts dzesētāja 4 darba procesā ar siltummaiņa 5 starpniecību. Papildu darba ķermenis tiek sasildīts siltummaini 7 no ārējā enerģijas avota (siltuma plūsmas 8).

Sasilstot darba ķermeņa apjoms palielinās pie noteikta spiediena, ko nosaka spiedēj sūknis

1. Darba ķermenim, attiecīgi, piemīt lielāka enerģijas rezerve nekā līdz spiedēj sūknim 1. Pārveidotājā 2 pārpalikusī enerģijas daļa izobāriskā un adiabātiskajā izplešanas procesā pārveidojas mehāniskajā darbā. Pec izplešanas procesa darba vide plūst caur siltummaini

5, kur atdziest un tālāk cikla noslēgumā nonāk spiedējsūknī 1. Izplešanas un darba veikšanas procesā darba ķermenim palielinās apjoms, tas atdziest, spiediens krītas. Lai pabeigtu ciklu un darba ķermeni novestu līdz tā sākotnējiem parametriem, darba ķenneni nepieciešams papildu atdzesēt (dzesētājs 4) un to saspiest (spiedējsūknis 1). Lai iekārtas funkcionēšana būtu ar pozitīvu lietderīgā darba rezultātu, tiek izvēlēta tāda kompresija, kurā darba ķermeņa temperatūra, tā saspiešanas procesā to sasildot, būs zemāka par cikla maksimālo temperatūru. Arī no cikla minimālās temperatūras līmeņa puses ir ierobežojumi. Darba ķermeni nav efektīvi atdzesēt pirms spiedējsūkņa 1 mazāk par aprēķinos noteikto temperatūru, jo šādai dzesēšanai būs nepieciešama arvien lielāka tās enerģijas daļa, kura tika pārveidota mehāniskajā darbā pārveidotājā 2. Pamata reģeneratīvā pūsma ir atdzesēta darba ķermeņa plūsma pēc pārveidotāja 2. Papildu dzesēšana tiek veikta ar kompensācijas ierīci 4 (dzesētājs), kas darba ķenneni atdzesē siltummainī 5 pirms spiedēj sūkņa 1 un šo siltumu novada siltummaini 6 pēc spiedēj sūkņa 1, t.i., darba vides temperatūras līmenis pēc spiedējsūkņa 1 tiek izmantots par siltuma savācēju no dzesētāja 4.

Tabula Nr. 3

Iekārtas, kas īsteno tennodinamisko ciklu ar siltuma nodošanu darba ķermenim pie P-const, darba aprēķins

	Parametri	Lielums	Mērvienība
1	Gāzes masa Mgāze	1	kg
2	Spiediens minimālais P1	1 000 000	Pa
3	Kompresijas spiediens P2	3 400 000	Pa
4	Cikla maksimālā temperatūra T1	300	K
5	Cikla minimālā temperatūra TO	150	K
6	Apjoms V2 pirms kompresora pie TO	0,0431	m3
7	Darbs Asasp. adiabātiskai saspiešanai	45 049	Dž
8	Apjoms V0 pēc saspiešanas pie TO”	0,0180	m3
9	Enerģija sildīšanai līdz T1 pie P=const	87214	Dž
10	Enerģija Esasild.darba ķermeņa sasildīšanai no TO” līdz T1	87 214	Dž
11	Apjoms VI pie T1	0,0253	3- m
12	Darbs izobāriskai izplešanai Aizpleš.l	17 669	Dž

13	Darbs adiabātiskai izplešanai Aizpleš.2	63 513	Dž
14	Apjoms V3 pie Tl”	0,0607	m3
15	Dzesēšanas enerģija no Tl” līdz TO pie P=const	61 480	Dž
16	Eerģija, ko nenodrošina reģenerācija, Ezudumi= Asaspieš.	45 049	Dž
17	Apjoms V2 pēc atdzesēšanas	0,0431	m3
18	Dzesēšanas koeficients Kdzes. (pēc Kārno cikla formulas)	2,39
19	Kompensatora darbs Kdzesēš., ņemot vērā Kaukst.	18 856	Dž
20	A|jetder.~ Azpleš./paplaš. M /^izpleš./paplaš.2—ASaspieš.— A dzesēs.	17 277	Dž

Tabulas Nr.3 dati parāda, ka aparāta iekšienē esošo visu mehānismu darbam patērētā enerģija ir mazāka par siltumenerģijas pārveidošanas procesā iegūto un iekārtas darbības procesā ir iegūts pozitīvs lietderīgais darbs. Fig.2 attēlotās principiālās shēmas piemērā nav norādīts reģeneratīvais siltummainis siltuma noņemšanai no darba ķermeņa plūsmas līdz kompresoram 1 un siltuma nodošanai plūsmai pēc kompresora 1. Šajā shēmā atstāts vienīgi dzesētājs 4 un siltummaiņi 5 un 6, jo minētajā piemērā plūsmas temperatūras līmenis pēc kompresora 1 ir augstāks nekā pēc pārveidotāja 2 un parastā veidā siltuma nodošana nav iespējama. Tāpēc shēmā siltuma nodošanai tiek pielietots siltuma transformators (dzesētājs) 4. Citos plūsmu temperatūru līmeņos, kad temperatūru diapazoni pārklājas, ir lietderīgi izmanot parastos pretplūsmas siltummaiņus siltuma plūsmu enerģijas reģenerācijai.

Tabula Nr. 4

Iekārtu, kas tiek izmantotas fig. 2, tehniskie raksturlielumi pie darba parametriem no tabulas Nr. 3

	Iekārtu parametri	Lielums	Mērvienība
1	Kompresorsa 1 jauda	45	kW
2	Kompresora vāipstas griešanās ātrums	3 000	apgr/min.
3	Kompresora cilindru apjoms	0,86	1
4	Kompresi jas koeficients	3,40
5	Iesūkšanas ražīgums	1 519	1/min.
6	Divtaktu dzinēja 2 jauda	81	kW
7	Dzinēja cilindru apjoms	2,21	1
8	Dzinēja vārpstas griešanās darba ātrums	3 000	apgr/min.
9	Izplūdes ražīgums	3 642	1/min.
10	Dzesētāja 4 jauda	20	kW
11	Siltummaiņa 5 iztvaicētāja siltuma apmaiņas virsma, ņemot vērā ribojumu	0,30	m2
12	Siltummaiņa 6 kondensētajā siltuma apmaiņas virsma, ņemot vērā ribojumu	0,30	m2

13	Siltummaiņa 7 siltuma apmaiņas virsma, ņemot vērā ribojumu	0,46
14	Ventilatora jauda siltumapmainītāja 7 appūtei	20	W
15	Savienojuma caurulītes diametrs darba ķermeņa plūsmām	0,05	m
16	Savienojuma caurulītes diametrs siltumnesēja plūsmām no dzesētāja 4	0,013	m

Piedāvātajā paņēmienā un tā variantos iekārtas iekšējais temperatūras diapazonu var noteikt tuvu izmantojamā ārējā avota temperatūras līmenim, tādējādi izmantojot siltumenerģijas avotu praktiski ar jebkuru potenciālu. Piedāvātais paņēmiens un tā varianti ir izmantojami siltuma pārveidotāju cikliskiem, nepārtrauktiem, pulsācijas un/vai kombinētiem darba režīmiem. Izgudrojums izmantojam arī siltuma dzinēju darba režīmiem, kuros darba ķermenis nav noslēgts cikla un paša aparāta iekšienē.

3. Piemērs.

Fig.5 ir parādīta iekārtas ārējā avota siltumenerģijas pārveidošanai modeļa darba principiālā shēma ar mehāniskā darba noņemšanu un/vai pārveidošanu darba vides izejošās plūsmas kinētiskajā enerģijā (2. pretenzija) - tas ir turboreaktīvais dzinējs ar darba ķermeņa izmantošanas atvērtu tipu, t.i., darba ķermenis tāds kļūst tikai pēc nonākšanas iekārtas darba zonā. Darba ķermeņa dzesēšana notiek pie P=const vai

V=const, bet siltuma nodošana darba ķermenim - pie V=const. Iekārta satur korpusu I, izplešanas turbīnu 2, ģeneratoru 3, dzesēšanas iekārtu (dzesētāju) 4, iekārtas 4 iztvaicēšanas daļu 5 ienākošās plūsmas papildu dzesēšanai, iekārtas 4 kondensēšanas daļu 6 siltuma novadīšanai no iekārtas 4 un darba ķermeņa plūsmas sasildīšanai, reģeneratīvas siltuma apmaiņas sistēmu 7 un 8 ienākošās plūsmas dzesēšanai un siltuma novadīšanai darba ķermenim. Ar pozīcijām 9 un 10 ir atzīmēta ienākošā un izejošā darba vides plūsmas. Iekārta satur arī siltuma pārveidotāju 11, kas izkliedē darba ķermeņa plūsmu, kameras 12 ar ieplūdes-izplūdes vārstu mehānismu darba ķermeņa sasildīšanai vai papildu dzesēšanai pie V=const un/vai P=const, papildu pārveidotāju (izplešanas turbīnu) 13, ARĪ - automātiskās regulēšanas ierīci 14, kura kontrolē vārstu atvēršanos un aizvēršanos, siltumapmainītāju darbību un plūsmu vispārējo vadību.

Darba ķermeņa saspiešana notiek zem darba vides 9 ieejošās plūsmas spiediena. Darba spiediena pulsāciju samazināšanai un vispārējo darba raksturlīkņu uzlabošanai iekārtā ir paredzētas divas kameras 12 (tomēr iekārta var saturēt kā tikai vienu, tā arī vairāk par divām kamerām 12). Kameras 12 ir aprīkotas ar vārstu mehānismu un tiek vadītas ar ierīci 14. Darba ķermeņa dzesēšanas procesā pie pastāvīga apjoma rodas nepieciešamība pēc papildu turbīnas 13, jo, novadot siltumu no kameras 12, kameras telpā spiediens pazeminās un ārējais spiediens pārsniedz iekšējo. Atverot ieejas vārstu ārējā plūsma tiecas uz iekārtas iekšpusi, kas nozīmē, ka jāpielieto papildu turbīna 13. Darba ķermeņa izobāriskas dzesēšanas variants ir iespējams kameras 12 ieejas vārsta atvērtā stāvoklī. Šajā gadījumā turbīna 13 nav nepieciešama, bet aparāta īpatnējā jauda samazinās. Pēc darba ķermeņa izohoriskās sasildīšanas kamerā 12 spiediens kļūst lielāks par apkārtējās vides spiedienu. Atverot izejas vārstu, plūsma no kameras izplūst un izplešas pārveidotājā 2 (izplešanas turbīnā), darba ķermeņa izplešanu veic ai’ mehāniskā darba noņemšanu. Iekārtā papildu, pielietojot sprauslas pārveidotāju 11, izplešanas darbu var pārveidot izejošās plūsmas 10 kinētiskajā enerģijā. Reģenerācijas siltummaiņi 7 un 8 sistēma AVI ierīces 14 vadībā ļauj nepieciešamajās cikla fāzēs siltumu reģeneratīvi novadīt un nodot darba ķermenim. Darba ķermeņa plūsmu novešanai līdz tā sākotnējiem parametriem aparāta konstrukcijā ir paredzēta kompensācijas ierīce - dzesētājs 4. Jāatzīmē, ka dzinējā siltumenerģijas pārveidošanas procesā tiek izmantots pašas darba vides, kuru pievada aparātam, siltumenerģijas iekšējās rezerves. Aprēķini parāda, ka, paņēmienu pielietojot gāzes turbīnu iekārtās (GTI) vai turboreaktīvajos dzinējos (TRD), piemēram, pie darba vides patēriņa 200 kg/s, var iegūt 35 MW lietderīgās jaudas vai 118 kN vilci pie ārējā avota temperatūras 1000 K. Izmantojot ārējo avotu ar temperatūru 300 K, izejas jauda var sasniegt 10 MW vai var iegūt 65 kN dzinēja vilci. Turklāt pašu dzinēju izmēri ir praktiski vienādi ar pielietojamajām GTI vai TRD. Šo ierīci var izmantot arī vienkārši kā mehānismu gāzveida un šķidru vielu pārsūknēšanai, nepielietojot klasiskos mehāniskos kompresorus.

Rūpnieciskais pielietojums

Piedāvātais paņēmiens ir izmantojams praktiski jebkura tipa siltuma mašīnās. Mūsdienu tehnikas līmenis ļauj izveidot iekārtas, kuru darbībā var izmantot piedāvāto paņēmienu.

Izmantotie avoti:

1. TenjiOTexHHKa ΥηεδΗΗΚ ņua ΒΥ3οβ /Α.Π. BacKaKOB, B.B. Bepr,

O.K. Βηττ η Ap.; Ποα peA- Α.Π. EacKaKOBa. 2-e η3Α·, nepepač. Μ., 3ΗΕΡΓΟΑΤΟΜΗ3£ΑΤ, 1991, 224 c.

2. B.B.HameKHH TexHHHecKaa TepMOAHHaMHKa h TenjionepeAaua, H3AaTejibCTBO «Bticmaa niKOJia» MocKBa, K-51,1975,496 c.

3.

4. Paņēmiens zemas temperatūras siltumenerģijas pārveidošanai mehāniskajā darbā. Patents RU 2162161 C2, publicēts 20.01.2001.

Claims (5)

1. PRETENZIJAS

   1. Ārējā avota siltumenerģijas pārveidošanas paņēmiens citos enerģijas veidos, kas ietver:

   - darba ķermeņa uzsildīšanu ar ārējā avota un reģeneratīvo plūsmu siltumenerģiju,

   - darba ķermeņa izplešanu,

   - darba ķermeņa dzesēšanu un saspiešanu tā novešanai līdz sākotnējiem parametriem, kas raksturīgs ar to, ka:

   - darba ķermeņa izplešanu veic ar mehāniskā darba noņemšanu, turklāt daļa izplešanas darba un/vai enerģijas daļas, kas iegūta pēc mehāniskā darba noņemšanas, tiek novirzīta darba ķermeņa saspiešanai tā novešanai līdz sākotnējiem parametriem,

   - darba ķermeņa dzesēšanu veic reģeneratīvā veidā ar enerģijas rezerves palīdzību, kas uzkrāta cikla iepriekšējā fāzē pēc mehāniskā darba noņemšanas, pie kam dzesēšanu veic, siltumu novadot uz darba ķermeni nākošā cikla sākuma fāzē,

   - saspiešanu veic ar mehāniskā darba noņemšanu ar iepriekš darba ķermeņa sasildīšanas procesā uzkrāta darba ķermeņa izplešanas darba palīdzību un daļēju darba ķermeņa dzesēšanu veic ar šī mehāniskā darba daļas palīdzību, siltumu novadot uz darba ķermeni nākošā cikla sākuma fāzē.
2. 2. Paņēmiens saskaņā ar 1. pretenziju, kas raksturīgs ar to, ka darba ķermeņa izplešanu veic ar mehāniskā darba noņemšanu un izejas plūsmas pārveidi kinētiskajā enerģijā.
3. 3. Paņēmiens saskaņā ar 2. pretenziju, kas raksturīgs ar to, ka mehāniskā darba noņemšanu veic darba ķermeņa izplešanas procesā un darba ķermeņa daļēju dzesēšanu veic ar šī mehāniskā darba daļas palīdzību, siltumu novadot uz darba ķermeni nākošā cikla sākuma fāzē.
4. 5 4. Paņēmiens saskaņā ar 2. pretenziju, kas raksturīgs ar to, ka mehāniskā darba noņemšanu veic darba ķermeņa saspiešanas procesā ar iepriekš uzkrāta darba ķermeņa izplešanas darba palīdzību, to sasildot, un darba ķermeņa dzesēšanu veic daļēji ar šī mehāniskā darba daļas palīdzību, siltumu novadot uz darba ķermeni nākošā cikla sākuma fāzē.
5. 10 5. Paņēmiens saskaņā ar jebkuru no iepriekšējām pretenzijām, kas raksturīgs ar to, ka pēc darba ķermeņa saspiešanas tā novešanai līdz sākotnējiem parametriem veic vismaz vienu papildu dzesēšanu ar tai sekojošu darba ķermeņa saspiešanu un siltuma novadīšanu darba ķermenim nākošā cikla sākuma fāzē.