RO129103A2 - Sistem de conversie a energiei termice în energie electrică - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un sistem de conversie a energiei termice în energie electrică. Sistemul conform invenţiei transformă energia geotermică stocată într-un acumulator de energie termică ce, împreună cu pompa de căldură formată dintr-un evaporator (6), un ventil (7) de expansiune, un compresor (8) şi un condensator/vaporizator (9), constituie sursa caldă de energie, iar un fluid de lucru R 134a este supraîncălzit de sursa caldă prin circulaţia lui în condensatorul/vaporizator, de unde vaporii supraîncălziţi sunt acumulaţi într-un vas (12) tampon, din care, printr-o servovalvă (17), gazele cu presiunea de 12,5 bari şi temperatura de 50°C sunt debitate într-un motor (18) pneumatic, care este pus în mişcare şi va transforma energia potenţială de care dispun în lucru mecanic, capabil să pună în mişcare un generator electric, realizându-se astfel conversia energiei geotermice în energie electrică, iar după destinderea gazelor în motorul (18) pneumatic, în urma procesului de conversie a energiei în lucru mecanic, fluidul de lucru cu temperatura şi presiunea scăzută, corespunzător randamentului realizat, ajunge într-un regenerator (26) de energie, unde cedează energia reziduală e care mai dispune, gazul lichefiat, recirculat printr-o serpentină (27) către un condensator/vaporizator (9), dezvoltându-se astfel procesul de preîncălzire a fluidului de lucru, mărind astfel randamentul sistemului de conversie a energiei şi, implicit, aducerea gazului la parametrii necesari pentru lichefierea lui într-un condensator (32) care, împreună cu circuitul de refulare apă răcită constituit dintr-o conductă (10), formează sursa rece pentru con

Description

Invenția se referă la un convertor termo-electric, conectat la o pompă de căldură, care generează modificarea parametrilor de stare a unui fluid de lucru, a cărui circulație este in sistem închis și care acționează un motor pneumatic, ce transformă energia termică in energie mecanică, antrenând in mișcare de rotație un generator electric.

Sunt cunoscute motogeneratoarele care transformă energia termică generată de arderea combustibilului in energie electrică, pentru a căror funcționare se consumă combustibil convențional - petrol.

Este cunoscut din termodinamică, conversia energiei se poate realiza prin existența naturală a două izvoare termice a căror diferență de temperatură să fie cât mai mare intre ele.

Un exemplu in acest sens sunt: sistemele de cogenerare, motoarele cu ardere internă, centralele termo-electrice, motoarele Stirlig, pompele de căldură

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția, constă in regenerarea energiei geotermice prin conversia multiplă a energiei stocate intr-un acumulator termic, printr-un ansamblu de convertoare de energie care modifică parametrii de stare a unui fluid de lucru, generând schimbare de fază din lichid in vapori și invers.

Energia geotermică, prin diferența de temperatură creeată de o pompă de căldură asigură creșterea presiunii la volum constant și temperatură constantă, care circulând, intr-un circuit închis se destindeintr-un motor pneumatic, asigurând conversia energiei termice in energie mecanică de rotație, pune in mișcare un generator electric.

Conform invenției sistemul de conversia energiei termice in electrică este constituit dintr-un acumulator de energie termică, format dintr-un rezervor de apă, parțial izolat termic, și care constituie sursa de energie geotermică, la care este racordată o pompă de căldură care regenerează energia termică a mediului pentru vaporizarea unui fluid a cărui temperatură critică este sub temperatura de vaporizare a apei, formându-se astfel sursa caldă, compusă din acumulatorul de energie termică și pompa de căldură.

Fluidul de lucru, absoarbe energia geotermică sub efectul generat de diferența de potențial termic dintre vaporizator și condensatorul pompei de căldură schimbându-și starea de agregare din lichid in vapori prin modificarea parametrilor de stare la temperatura și presiunea critică cea mai scăzută. Vaporii supraâncălziți, se vor acumula intr-un vas tampon, izolat termic și rezistent la presiune mare.

Fluidul de lucru cu presiune mare și temperatură ridicată, trece printr-o conductă, cu un debit controlat către un motor pneumatic care va transforma energia vaporilor supraîncălziți in lucru mecanic prin destinderea lor, generând o

^-2012-00480-2 8 -06- 2012 mișcare de rotație a unui generator electric, astfel încât, printr-o conversie multiplă se obține transformarea energiei geotremice in energie electrică.

După destindere in motorul pneumatic, gazul care este sub formă lichidă, cu energia disponibilă de care mai dispune, ajunge in regeneratorul de energie, unde va preâncălzi fluidul de lucru R134a, transformând in vapori reci, fluidul de lucru care este circulat printr-o serpentină către condensatorul/vaporizatorul pompei de căldură.

Fluidul de lucru, este condus in continuare printr-un robinet, amplasat pe conducta de legăturăcu un condensator, unde este lichefiat cu ajutorul apei răcite prin funcționarea pompei de căldură, realizându-se astfel, sursa rece de energie.

Fluidul de lucru, condensat, ajunge gravitațional in rezervorul de acumulare, de unde cu ajutorul unei pompe de lichid, este recirculat la presiunea de lucru, corespunzătoare condensatorului/vaporizator a pompei de căldură, unde va fi supraîncălzit astfel încât este reluat din nou ciclul de funcționare, pentru conversia multiplă a energiei respectând următoarea relație:

cu respectarea condiției:

pompă căldură > t- condensator final apă intrare — I apă ieșire

Prin aplicarea invenției, se obțin următoarele avantaje:

Conversia energiei termice a mediului in energie mecanică sau electrică, cu un consum redus de energie in valori procentuale, de până la 70%, fașă de sistemele de conversie energetică cu combustibili convențional,

Creșterea coeficientului de performanță (COP) la pompele de căldură,

Regenerarea energiei geotermice, stocată intr-un acumulator de energie termică in energie mecanică,

Eliminarea forajelor pentru alimentarea cu energie geotermică a pompelor de căldură.

Se dă in continuare un exemplu de realizare a invenției, in legătură cu figura (1), care reprezintă schema de funcționare a sistemului de conversie a energiei termice in energie electrică, conform invenției este format dintr-un acumulator de energie termică 1. cu apă, îngropat in sol izolat termic in partea superioară, amplasat sub limita de îngheț.

Rezervorul acumulatorului, nu este izolat pe suprafețele inferioare, pentru a permite circulația fluxului de energie geotermică și acumularea energiei geotermice in apă - știut fiind faptul că apa are căldura specifică mare și implicit asigură realizarea funcției de acumulator de energie termică. Din experiențele efectuate și monitorizarea anuală, temperatura apei in rezervorul subteran a oscilat in domeniul 14,5 °C și 21,9 °C .

^2012-00480-2 Β -06- 2012

Pentru circulația apei, purtătoare de energie, este constituit un circuit format din sorbul 2 , supapa de sens 3 și conducta 4 care asigură conectarea hidraulică a pompei 5 pentru circulația apei, alimentându-se cu energia geotermică stocată in rezervorul 1 , pompa de căldură, formată din evaporatorul 6 , constituit dintr-un schimbător de căldură in plăci, bicameral, ventilul de expansiune laminare 7 , compresorul 8 și condensatorul/vaporizatorul 9 , iar conducta 10 , asigură recircularea apei răcite prin refularea ei către componentele care formează sursa rece izvorul rece .

Fluidul de lucru supraîncălzit in condensatorul / vaporizatorul 9 va fi circulat prin robinetul 11 , acumulîndu-se in vasul tampon 12 , izolat termic cu mantaua 13 , unde parametrii de stare presiunea și temperatura sunt monitorizate cu ajutorul termo-manometrului cu contacte 14 , necesar automatizări menținerii unei temperaturi și presiuni constante , automatizând pomirea/oprirea din funcționare a pompei de căldură, in funcție menținerea unei turații constante a generatorului electric.

Instrumentul de măsură - teromanometrul cu contacte 14 este conectat prin robinetul de separație 15 .

Pentru siguranța in exploatare, este prevăzut și un presostat de suprapresiune 16 , care comandă oprirea funcționării compresorului 8 , din construcția pompei de căldură. Repunerea in funcțiune a sistemului, se realizează numai prin comandă manuală după o verificare prealabilă a condițiilor apariției suprapresiunii fluidului de lucru.

Fluidul de lucru R134a, cu presiunea de 12,5 bari și temperatura de 50°C, este condus prin servomotorul 17 cu reglare continuă a vaporilor supraîncălziți de R134a, la motorul pneumatic 18 care transformă energia gazelor in lucru mecanic. Reglarea servovalvei 17 este in funcție de frecvența curentului debitat printr-un circuit electronic nefigurat in desen, comanda pompa de recirculare a fluidului lichid R134a, spre vaporizare.

Fiecare cm³ de lichid R 134a, prin vaporizare la temperatura de 50°C va -7 produce 250cm de vapori supraîncălziți.

Debitul fluidului de lucru R134a, trebuie să fie direct proporțional cu cuplul rezistent al generatorului electric pentru stabilizarea turației și implicit frecvența standard a curentului dbitat prin deschiderea sau închiderea servovalvei 17 .

Motorul pneumatic 18 , este format din supapa de admisie 19 , cilindrul 20 , in care se regăsește ansamblul cinematic piston-bielă-manivelă 21 , carterul 22 , supapa de evacuare 23 și mantaua de izolație termică 24 . Carterul 22 , este etanș față de exterior și pentru egalizarea presiunii din interiorul lui cu presiunea gazelor la intrarea in condensator, este racordat ă supapa de sens 5 .

Motorul pneumatic 18 , este cuplat la un generator electric, care nu este figurat in desen instalației pentru ușurința înțelegerii principiului de funcționare.

<- 2012-00480-2 8 -06- 2012

După destinderea fluidului de lucru in urma procesului de conversia energiei lui in lucrul mecanic prin punerea in mișcare a motorului pneumatic, ajunge printr-o conductă in regeneratorul de energie 26 , unde cedează energia reziduală de care mai dispune, gazului lichefiat R134a, care este circulat prin serpentina 27 , către condensatorul/vaporizatorul 9 , proces de preîncălzire, prin care este început fenomenul de supraîncălzire a fluidului de lucru R134a, mărind astfel randamentul sistemului de conversie a energiei.

De asemenea in regeneratorul de energie 26 , este refulat agentul de lucru in caz de avarie prin robinetul 28 . Din regeneratorul de energie, izolat prin mantaua 29 , gazul de R134a epuizat energetic, prin robinetul de separație 30 , și conectorul tip T 31, care asigură printr-o conductă, conexiunea cu supapa de sens 25 , asigurând refularea gazelor de R134a din carterul motorului pneumatic, in condensatorul 32 , prin care este recirculată apa rece prin conducta 10 , rezultată in urma procesului termodinamic de funcționare a pompei de căldură prin trecerea ei in vaporizatorul 6 , proces fizic in urma căruia, apa este răcită și astfel la trecerea ei prin condensatorul 32 , este constituită sursa rece a sistemului de conversie a energiei termice in energie electrică.

Condensatorul 32 , este izolat cu manta 33 , iar prin conducta 34 , apa este recirculată către rezervorul acumulator de energie termică, in urma trecerii apei prin condensatorul 32 , apa rece preia căldura reziduală rămasă in vapori de R134a și condensândul prin supapa de sens 35 , ajunge gravitațional in rezervorul 36 , izolată prin mantaua 37 , in care se regăsește fluidul R134a sub formă lichidă 38 .

Pentru încărcarea și descărcarea fluidului lichid R134a, rezervorul este prevăzut cu un robinet 39 . Pentru circulația lichidului R134a, este prevăzut un circuit hidraulic, conectat la rezervorul 36 , prin robinetul de separație 40 , care printr-o conductă ceramică cu un senzor tip flowswitch 41 pentru determinarea prezenței lichidului R134a, care aste recirculat prin pompa 42 pentru fluide criogenetice, printr-o conductă pe care este amplasat o supapă de sens 43 , necesară evitării suprapresiunilor in rezervor, generată de preincălzirea fluidului R134a, realizată in regeneratorul de energie 26 , unde circuitul hidraulic este conectat cu regeneratorul prin servovalva 44 .

După preâncălzirea fluidului R134a, in serpentina 27 , fluidul este recirculat prin robinetul de separație 45 și recirculat in stare de vapori umezi prin conducta 46 și supapa de sens 47 , in condensatorul/vaporizator 9 , unde vaporii fluidului de lucru R134a, sunt supraâncălziți - proces prin care este reluat ciclul termdinamic pentru conversia energiei geotermice, stocată in acumulatorul de energie termică in energie electrică.

Claims (5)

1. Sistemul de conversie a energiei termice in energie electrică, este caracterizat prin aceea că energia geotermică este stocată intr-un acumulator de energie termică (1) format dintr-un rezervor de apă, îngropat in sol, izolat termic in partea superioară, amplasat sub limita de îngheț iar pe suprafețele sub limita de îngheț nu este izolat termic, pentru a permite circulația fluxului de energie geotermică și acumularea ei in apă.

Circulația apei, purtătoare de energie este efectuată printr-un circuit hidraulic format din sorbul (2), supapa de sens (3) și conducta (4) care este conectată la pompa (5) care alimentează cu energie geotermică acumulată in apa din rezervor o pompă de căldură pentru formarea sursei calde, compusă din evaporatorul (6), ventilul de expansiune (7), compresorul (8), condensatorul/vaporizatorul (9) și conducta (10) pentru refularea apei reci, care va constitui sursa rece pentru condensarea fluidului de lucru R134a.

Fluidul de lucru, supraîncălzit, prin robinetul (11) se acumulează in vasul tampon (12), izolat termic in care este menținut la presiunea la presiunea de 12,5 bari și temperatura de 50°C, este condus prin servovalva (17) cu reglare continuă in motorul pneumatic (18) unde se realizează conversia energiei geotermice in energiei mecanice, dezvoltând un lucru mecanic util pentru acționarea in mișcare de rotație un generator electric.

După destindere in motorul pneumatic, fluidul de lucru cu presiunea și temperatura scăzută corespunzătoare randamentului motorului pneumatic, va ceda o parte din energia reziduală in regeneratorul de energie (26), fluidul de lucru R134a sub formă lichidă, preâncălzindul și care este recirculat prin serpentina (27), realizându-se astfel creșterea randamentului sistemului de conversie energetică.

Fluidul de lucru sub formă de gaze reci, epuizat energetic, este recirculat in condensatorul (32), prin care este recirculată apa rece, formându-se astfel sursa rece de energie, necesară condensării.

Apa rece care a condensat fluidul de lucru, este refulată in rezervorul acumulatorului de energie, purtătoare de ultimile resurse de energie termică a fluidului de lucru, iar fluidul de lucru R134a condensat, va circula gravitațional, acumulându-se in rezervorul (36), izolat termic.

Din rezervorul cu R134a lichid, pompa (42) va recircula fluidul de lucru, a cărui debit va fi controlată prin electrovalva (44) și trecând prin regenerator, preâncălzindu-se, se transformă in vapori reci, care ajung prin supapa de sens (47), in condensatorul/vaporizator (9), se supraâncălzesc și astfel este reluat ciclul de funcționare a sistemului de conversie a energiei.

2. Sistemul de conversie a energiei termice in energie electrică caracterizat prin aceea că conform revendicării 1, formarea sursei calde, este constituită dintr-o pompă de căldură, compusă din evaporatorul (6) format dintrun schimbător de căldură in plăci, bicameral și izolat termic, ventil

0- 2012-00480

2 8 -06- 2012 expansiune (7), compresorul (8), care realizează regenerarea energiei ridicând temperatura sursei calde de la 14,5°C la 60°C, condensatorul/vaporizatorul (9), format dintr-un schimbător in plăci, bicameral și in care este supraîncălzit fluidul de lucru R134a.

Pompa de căldură este conectată la sursa de energie geotermică, constituită dintr-un acumulator de energie (1) sub forma unui rezervor de apă, îngropat in sol sub limita de îngheț, printr-un circuit hidraulic format din sorbul (2), supapa de sens (3), conducta (4) și pompa de circulație a apei (5).

3. Sistemul de conversie a energiei termice in energie electrică, caracterizat prin aceea că, conform revendicării 1, conversia energiei geotremice reconvertită prin pompa de căldură, supraâncălzește fluidul de lucru R134a, generând modificarea parametrilor de stare, determinând creșterea presiunii vaporilor la volum constant și temperatură constantă in vasul tampon (12), dezvoltându-se astfel apariția unei energii potențiale in vaporii fluidului de lucru, care este debitat controlat prin servovalva (17), in motorul pneumatic (18), care transformă energia gazelor in lucru mecanic, necesar acționării unui generator electric. Funcționarea motorului pneumatic este controlată prin închiderea sau deschiderea servovalvei (17) in funcție de cuplul motor solicitat de generatorul electric.

4. Sistemul de conversia energiei termice in energie electrică, caracterizat prin aceea că, conform revendicării 1, pentru creșterea randamentului sistemului de conversie a energiei termice in energie electrică, are in compunerea lui un regenerator de energie (26) in care se găsește o serpentină (27) prin care circulă fluidul de lucru lichid R134a și este preincălzit cu energia reziduală a gazelor a căror presiune și temperatură a fost scăzută corespunzător randamentului motorului pneumatic (18). Astfel gazele cu energia epuizată au parametri termodinamici, corespunzători condensării/lichefierii prin răcire.

5. Sistemul de conversie a energiei termice in energie electrică, caracterizat prin aceea că, conform revendicării 1, sursa rece pentru condensarea gazelor epuizate, este formată din condensatorul (32), constituit dintr-un schimbător de căldură in plăci, bicameral și izolat termic (33), in care gazele epuizate energetic sunt răcite de apa rece, admisă prin conducta (10) și refulată prin conducta (34) către stocatorul de energie (1).

Apa rece, va prelua și energia de condensare a gazelor, la trecerea prin condensatorul (32) modificându-și astfel energia internă și implicit conducând la creșterea eficienței energetice al acumulatorului de energie termică, astfel incât in ansamblu, bilanțul energetic al acumulatorului de energie geotermică să fie mai mare sau cel puțin egal cu bilanțul energetic a sistemului de conversie a energiei termice in energie electrică in așa mod incât temperatura de intrare a apei in pompa de căldură să fie mai mare sau cel puțin egală cu temperatura de ieșire din condensatorul final.