RU2062355C1

RU2062355C1 - Solar pump

Info

Publication number: RU2062355C1
Application number: RU93011234A
Authority: RU
Inventors: В.И. Алферов; В.С. Воробьева; Э.В. Клещин
Original assignee: Государственный сибирский научно-исследовательский институт авиации им.С.А.Чаплыгина
Priority date: 1993-03-01
Filing date: 1993-03-01
Publication date: 1996-06-20

Abstract

FIELD: heat-power engineering; devices for conversion of solar energy to mechanical energy; transfer of liquids from water basins and artesian wells in regions located far away from traditional sources of energy. SUBSTANCE: pump has source of working medium being heated in form of tank-accumulator which is connected via distributing mechanism with main double-acting cylinder and condenser mounted inside tank for collecting condensate. Piston of main cylinder is rigidly connected with piston of pump feeding liquid being handled to consumer by means of rod. To reduce leakage of working medium, pump is provided with hermetic casing connected with condensate collecting tank and embracing the distributing mechanism and main cylinder. Distributing mechanism is made in form of four-way two-position distributor changed over by means of cam fitted on common shaft with impeller. EFFECT: reduction of leakage of working medium. 1 dwg

Description

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к устройствам для преобразования солнечной энергии в механическую, и может быть использовано для перекачивания жидкостей из водоемов и артезианских скважин в районах, удаленных от традиционных источников энергии. The invention relates to solar technology, in particular to devices for converting solar energy into mechanical energy, and can be used to pump liquids from reservoirs and artesian wells in areas remote from traditional energy sources.

Известен солнечный двигатель, содержащий коллектор с нагреваемой в нем жидкостью, главный цилиндр одностороннего действия с поршнем, поршни двух насосов, связанные штоком между собой и с поршнем главного цилиндра, конденсатор, соединенный с одной стороны с баком для перекачиваемой жидкости, а с другой с двумя последовательно установленными теплообменниками, и механизм управления производительностью двигателя (РСТ, патент N WO /00584, кл. F 03G 7/02, 1984). A known solar engine containing a collector with a fluid heated in it, a single-acting master cylinder with a piston, pistons of two pumps connected by a rod to each other and to the piston of the master cylinder, a capacitor connected on one side to the pumped liquid tank, and on the other two sequentially installed heat exchangers, and the engine performance control mechanism (PCT, patent N WO / 00584, CL F 03G 7/02, 1984).

Причиной, препятствующей получению требуемого технического результата - повышение КПД устройства за счет обеспечения самотечного возврата рабочего тела и совмещения функции испарителя и коллектора в одном баке-аккумуляторе без использования при этом дополнительной нагреваемой жидкости является потеря энергии в источнике нагреваемого рабочего тела за счет дополнительного нагрева жидкости, циркулирующей в коллекторе, и потеря энергии на преодоление жесткости пружины поршня главного цилиндра и на непрерывный возврат рабочего тела из коллектора в испаритель. The reason that impedes the achievement of the required technical result is an increase in the efficiency of the device due to the gravity return of the working fluid and combining the functions of the evaporator and collector in one storage tank without using additional heated fluid due to the energy loss in the source of the heated working fluid due to additional heating of the liquid, circulating in the collector, and the loss of energy to overcome the stiffness of the piston spring of the main cylinder and the continuous return of the working fluid from collector to evaporator.

Наиболее близким по совокупности признаков к изобретению является "Поршневой двигатель с циклом Ранкина, приводимый в действие солнечной энергией" ( US патент N 4720978, кл. F 03G 7/02, 1988). Closest to the combination of features to the invention is a "Rankine cycle piston engine driven by solar energy" (US patent N 4720978, CL F 03G 7/02, 1988).

В этом поршневом двигателе передача солнечной энергии рабочему телу осуществляется также в испарителе через нагреваемую жидкость в коллекторе. Двигатель состоит из главного цилиндра двухстороннего действия с поршнем, жестко связанным штоком с поршнем насоса для перекачивания жидкости и с поршнем насоса для непрерывного возврата рабочего тела в испаритель, двух последовательно установленных рекуперативных теплообменников, соединенных между собой, с главным цилиндром, с конденсатором, с цилиндром насоса, перекачивающим рабочее тело, и с испарителем, конденсатора, соединенного по перекачиваемой жидкости с ее источником и баком, двух трехходовых клапанов и одного двухпозиционного клапана, установленных между главным цилиндром и испарителем, предназначенным для регулирования работы двигателя, и устройств минимизации утечек рабочего тела. Двигатель совершает полезную работу за счет энергии пара рабочего тела, подаваемого попеременно из испарителя в соответствующие полости главного цилиндра. Управление подачей пара осуществляется электрическим устройством, работающим от аккумулятора, заряжаемого солнечной энергией. In this piston engine, solar energy is also transferred to the working fluid in the evaporator through a heated fluid in the collector. The engine consists of a double-acting master cylinder with a piston, a rigidly connected rod with a pump piston for pumping liquid and with a pump piston for continuous return of the working fluid to the evaporator, two successively installed regenerative heat exchangers interconnected with the main cylinder, with a condenser, with a cylinder a pump pumping the working fluid, and with an evaporator, a condenser connected to the pumped liquid with its source and tank, two three-way valves and one on-off second valve installed between the master cylinder and the evaporator for controlling the operation of the engine, and devices minimize the working fluid leaks. The engine does useful work due to the energy of the steam of the working fluid supplied alternately from the evaporator to the corresponding cavities of the main cylinder. The steam supply is controlled by an electric device powered by a battery charged with solar energy.

Причиной, препятствующей получению требуемого технического результата - повышение КПД солнечного насоса за счет устройства самотечного возврата рабочего тела и совмещения функций испарителя и коллектора в одном баке-аккумуляторе без использования при этом дополнительной нагреваемой жидкости является потеря энергии в устройстве непрерывного возврата рабочего тела в испаритель и потеря энергии в источнике нагреваемого рабочего тела. Причем устройство непрерывного возврата рабочего тела должно включать дополнительный насос, приводимый в действие поршнем главного цилиндра, и два последовательно установленных дополнительных рекуперативных теплообменника, а источник нагреваемого рабочего тела должен включать дополнительный теплообменник и коллектор с нагреваемой циркулирующей в нем дополнительной жидкостью. The reason that prevents obtaining the required technical result is an increase in the efficiency of the solar pump due to the device of gravity return of the working fluid and combining the functions of the evaporator and collector in one storage tank without using additional heated fluid because of the energy loss in the device for the continuous return of the working fluid to the evaporator and loss energy in the source of the heated working fluid. Moreover, the device for continuous return of the working fluid should include an additional pump driven by the piston of the main cylinder, and two sequentially installed additional recuperative heat exchangers, and the source of the heated working fluid should include an additional heat exchanger and collector with heated additional fluid circulating in it.

Помимо перечисленных недостатков следует отметить сложное электрическое устройство для управления распределением подачи рабочего тела, снижающее надежность работы двигателя, а также использование указанных дополнительных агрегатов, устройств и элементов в конструкции, что увеличивает трудоемкость и повышает затраты на изготовление. In addition to these shortcomings, it should be noted a complex electrical device for controlling the distribution of the supply of the working fluid, which reduces the reliability of the engine, as well as the use of these additional units, devices and elements in the design, which increases the complexity and increases manufacturing costs.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в обеспечении требуемой производительности насоса, перекачивающего жидкость до момента полной выработки рабочего тела из бака-аккумулятора с последующим возвратом этого рабочего тела в бак-аккумулятор самотечным сливом. The problem to which the invention is directed, is to provide the required performance of the pump pumping the fluid until the working fluid is completely exhausted from the storage tank with the subsequent return of this working fluid to the storage tank by gravity drain.

При осуществлении изобретения может быть получен следующий технический результат:
Повышение КПД и надежности работы солнечного насоса за счет организации самотечного слива рабочего тела и упрощения устройства распределения подачи рабочего тела, а также упрощение конструкции источника нагреваемого рабочего тела;
Минимизация утечек рабочего тела, снижение трудоемкости и стоимости изготовления из-за уменьшения количества используемых агрегатов, устройств и элементов.When carrying out the invention, the following technical result can be obtained:
Improving the efficiency and reliability of the solar pump due to the organization of gravity discharge of the working fluid and simplifying the device for distributing the supply of the working fluid, as well as simplifying the design of the source of the heated working fluid;
Minimizing leaks of the working fluid, reducing the complexity and cost of manufacture due to a decrease in the number of units, devices and elements used.

Требуемый технический результат достигается за счет того, что в солнечном насосе, содержащем источник нагреваемого рабочего тела, соединенный через распределительный механизм с главным цилиндром двухстороннего действия и конденсатором, поршень главного цилиндра, жестко соединенный штоком с поршнем насоса, подающим перекачиваемую жидкость через конденсатор потребителю, и устройство для минимизации утечек рабочего тела, источник нагреваемого рабочего тела выполнен в виде бака-аккумулятора, а распределительный механизм в виде четырехходового двухпозиционного распределителя, переключаемого кулачком, установленным на одном валу с крыльчаткой, кроме того; установлен бак для сбора конднесата с расположенным внутри него конденсатором, соединенный с баком-аккумулятором, а устройство для минимизации утечек рабочего тела выполнено в виде герметичного кожуха, соединенного с баком для сбора конденсата и охватывающего распределительный механизм и главный цилиндр. The required technical result is achieved due to the fact that in a solar pump containing a source of heated working fluid connected via a distributing mechanism to a double-acting main cylinder and a condenser, the piston of the main cylinder is rigidly connected by a rod to the pump piston supplying the pumped liquid through the condenser to the consumer, and a device to minimize leakage of the working fluid, the source of the heated working fluid is made in the form of a storage tank, and the distribution mechanism in the form of four a directional on-off distributor switched by a cam mounted on one shaft with an impeller, in addition; a condensate collection tank with a condenser located inside it is installed, connected to the battery tank, and a device for minimizing the leakage of the working fluid is made in the form of a sealed casing connected to the condensate collection tank and covering the distribution mechanism and the main cylinder.

Выполнение в солнечном насосе источника нагреваемого рабочего тела в виде бака-аккумулятора и установка бака для сбора конденсата позволяет осуществить работу за счет непосредственного нагрева и испарения рабочего тела в баке-аккумуляторе и обеспечить соответствующим выбором объемов этого бака и бака для сбора конденсата непрерывную работу в течение светового дня, что ведет к повышению КПД солнечного насоса и к упрощению его конструкции. Введение бака для сбора конденсата, соединенного с баком-аккумулятором и герметичным кожухом, дает возможность сбора конденсата после выравнивания давлений (температур), а введение герметичного кожуха позволяет полностью исключить утечки рабочего тела в атмосферу и уменьшить их утечки в полость герметичного кожуха в процессе работы. The implementation in the solar pump of the source of the heated working fluid in the form of a storage tank and the installation of a condensate collection tank allows you to perform work by directly heating and evaporating the working fluid in the storage tank and to provide continuous selection of the volumes of this tank and condensate collection tank for continuous operation daylight hours, which leads to increased efficiency of the solar pump and to simplify its design. The introduction of a condensate collecting tank connected to the storage tank and the hermetic casing makes it possible to collect condensate after equalizing the pressures (temperatures), and the introduction of the hermetic casing completely eliminates the leakage of the working fluid into the atmosphere and reduces their leakage into the cavity of the hermetic casing during operation.

Кроме того, использование в солнечном насосе распределительного механизма в виде четырехходового двухпозиционного распределителя, переключаемого кулачком, установленным на одном валу с крыльчаткой, позволяет исключить из устройства электрический источник энергии и тем самым повысить надежность работы солнечного насоса. In addition, the use of a distribution mechanism in the solar pump in the form of a four-way on-off distributor switched by a cam mounted on the same shaft with the impeller makes it possible to exclude an electric energy source from the device and thereby increase the reliability of the solar pump.

Предложенное устройство солнечного насоса отличается простотой в связи с этим меньшей трудоемкостью и стоимостью изготовления. Изобретение поясняется чертежом. The proposed device of the solar pump is simple due to this lesser complexity and cost of manufacture. The invention is illustrated in the drawing.

Солнечный насос выполнен следующим образом. Бак-аккумулятор 1 с легкокипящим рабочим телом установлен ниже нижнего уровня бака 2 для сбора конденсата и при отсутствии облачности должен быть подвержен воздействию солнечных лучей в течение светового дня. Бак 2 для сбора конденсата установлен ниже нижнего уровня герметичного кожуха 3, в котором размещены крыльчатка 4, кулачок 5 с жестким валом 6, установленным в трех подшипниках 7, четырехходовой двухпозиционный распределитель 8, главный цилиндр 9 двухстороннего действия с поршнем 10, шток 11 с поршнем 12 насоса 13 с впускным и выпускным клапанами 14, 15. Кулачок 5 распределительного механизма 16 через толкатель 17 связан с четырехходовым двухпозиционным распределителем 8. Трубчатый конденсатор 18 установлен в баке 2 для сбора конденсата. В паровом трубопроводе 19 между баком-аккумулятором 1 в крыльчаткой 4 установлен регулирующий вентиль 20, а в жидкостном трубопроводе 21 между баком-аккумулятором 1 и баком 2 для сбора конденсата запорный вентиль 22. Бак 2 для сбора конденсата связан с герметичным кожухом 3 дренажным трубопроводом 27. Для регистрации давления в баке-аккумуляторе 1 и баке 2 для сбора конденсата установлены в паровых полостях манометры 28 и 29. Установка содержит ручной подкачивающий насос 26. The solar pump is made as follows. The storage tank 1 with a low-boiling working fluid is installed below the lower level of the tank 2 to collect condensate and in the absence of cloudiness should be exposed to sunlight during daylight hours. The condensate collecting tank 2 is installed below the lower level of the sealed casing 3, in which the impeller 4 is placed, the cam 5 with a rigid shaft 6 installed in three bearings 7, a four-way on-off valve 8, a double-acting main cylinder 9 with a piston 10, a rod 11 with a piston 12 of the pump 13 with the inlet and outlet valves 14, 15. The cam 5 of the distribution mechanism 16 is connected via a pusher 17 to a four-way on-off valve 8. A tubular condenser 18 is installed in the tank 2 for collecting condensate. In the steam pipe 19 between the storage tank 1, a control valve 20 is installed in the impeller 4, and in the liquid pipe 21 between the storage tank 1 and the condensate collecting tank 2, a shut-off valve 22. The condensation collecting tank 2 is connected to the sealed casing 3 by the drain pipe 27 To register the pressure in the storage tank 1 and the condensate collecting tank 2, pressure gauges 28 and 29 are installed in the steam cavities. The installation includes a manual booster pump 26.

Солнечный насос работает следующим образом. Бак-аккумулятор 1 заправляется легкокипящим рабочим телом (например, аммиаком). Перед включением солнечного насоса производится подкачивание ручным насосом 26 и заполнение перекачиваемой жидкостью трубок конденсатора 18. При достижении необходимого перепада давлений, фиксируемого манометрами 28 и 29, открываются вентили 20 и 25, установленные на паровом трубопроводе 19 и трубопроводе перекачиваемой жидкости 24 соответственно. Вентиль 20 устанавливается в положение, обеспечивающее требуемую производительность насоса 13. Насос 13 приводится в движение энергией пара высокого давления, поступающего из нагреваемого солнцем бака-аккумулятора 1 попеременно в ту или иную полость подпоршневого пространства поршня 10 главного цилиндра 9 двухстороннего действия, связанного штоком 1 с поршнем 12 насоса 13. The solar pump operates as follows. The storage tank 1 is charged with a low-boiling working fluid (for example, ammonia). Before turning on the solar pump, the hand pump 26 is pumped and the condenser tubes 18 are filled with the pumped liquid. Upon reaching the required pressure difference recorded by the manometers 28 and 29, valves 20 and 25 installed on the steam pipe 19 and the pumped liquid pipe 24, respectively, are opened. The valve 20 is installed in a position that ensures the required performance of the pump 13. The pump 13 is driven by the energy of high pressure steam coming from the solar tank 1 alternately into one or another cavity of the piston space of the piston 10 of the double-acting master cylinder 9 connected by a rod 1 s the piston 12 of the pump 13.

Распределение пара высокого давления осуществляется в распределительном механизме 16 с помощью четырехходового двухпозиционного распределителя 8 через толкатель 17 кулачком 5, вращаемым валом 6, установленным в подшипниках 7, жестко связаным с крыльчаткой 4, приводимой в движение частью энергии пара высокого давления. Отработанный пар поступает в конденсатор 18, установленный в баке 2 для сбора конденсата и защищенный от воздействия солнечных лучей устройством 23, где пар конденсируется в межтрубном пространстве при давлении более низком, чем давление в баке-аккумуляторе 1. После выработки всего объема рабочего тела из бака-аккумулятора 1 насос прекращает подачу жидкости потребителю, которая осуществляется с помощью впускного и выпускного клапанов 14, 15. Утечки пара через неплотности в подвижных соединениях крыльчатки 4, четырехходового двухпозиционного распределителя 8 и главного цилиндра 9 двухстороннего действия поступают в герметичный кожух 3, создавая в нем противодавление и противодействие дальнейшим утечкам. Выработанное рабочее тело вновь может быть возвращено в бак-аккумулятор 1 из бака 2 для сбора конденсата при выравнивании температур (давлений) в них и герметичном кожухе 3. Перелив рабочего тела из бака 2 для сбора конденсата производится самотеком при открытии запорного вентиля 22, установленного в жидкостном трубопроводе 21. Перелив сконденсированного рабочего тела из герметичного кожуха 3 в бак 2 для сбора конденсата осуществляется также самотеком через дренажный трубопровод 27. The distribution of high-pressure steam is carried out in the distribution mechanism 16 using a four-way on-off distributor 8 through the pusher 17 with a cam 5, a rotatable shaft 6 mounted in bearings 7, rigidly connected to the impeller 4, which is driven by a part of the energy of the high-pressure steam. The spent steam enters the condenser 18 installed in the condensate collecting tank 2 and protected from the sun by a device 23, where the steam condenses in the annulus at a pressure lower than the pressure in the storage tank 1. After the entire volume of the working fluid is generated from the tank -accumulator 1, the pump stops supplying liquid to the consumer, which is carried out using the inlet and outlet valves 14, 15. Steam leaks through leaks in the movable impeller connections 4, four-way on-off the distributor 8 and the double-acting master cylinder 9 enter the sealed casing 3, creating back pressure and counteracting further leaks in it. The developed working fluid can again be returned to the storage tank 1 from the condensate collecting tank 2 when the temperatures (pressures) in them and the sealed casing are equalized 3. The working fluid is transferred from the condensate collecting tank 2 by gravity when the shut-off valve 22 installed in liquid pipeline 21. The overflow of the condensed working fluid from the sealed casing 3 into the tank 2 for collecting condensate is also carried out by gravity through the drain pipe 27.

Claims

A solar pump containing a source of a heated working fluid connected through a distribution mechanism to a double-acting main cylinder and a condenser, a piston of the main cylinder rigidly connected by a rod to the pump piston supplying the pumped liquid through the condenser to the consumer, and a device for minimizing the leakage of the working fluid, characterized in that the source of the heated working fluid is made in the form of a storage tank, and the distribution mechanism in the form of a four-way on-off distributor, switched by a cam mounted on one shaft with an impeller, the pump being equipped with a condensate collecting tank with a condenser located inside it and connected to the storage tank, and the device for minimizing the leakage of the working fluid is made in the form of a sealed casing connected to the condensation collecting tank and covering timing gear and master cylinder.