RU2189496C1

RU2189496C1 - Method of heat energy to mechanical energy conversion

Info

Publication number: RU2189496C1
Application number: RU2001121468A
Authority: RU
Inventors: В.Ф. Романовский
Original assignee: Романовский Владимир Федорович
Priority date: 2001-08-02
Filing date: 2001-08-02
Publication date: 2002-09-20

Abstract

FIELD: heat power industry. SUBSTANCE: heat sensitive actuating medium is placed into confined zone, heat energy is supplied from external source to working medium and expansion work of actuating medium is converted into work of actuating mechanism. Heat-sensitive actuating medium is used in the form of liquid continuously kept in liquid phase during the entire working cycle. Actuating medium is expanded by pulses. Work of actuating medium expansion is converted into kinetic energy of inertial member after which kinetic energy of inertial member is converted into mechanical energy of actuating mechanism. EFFECT: higher efficiency. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к теплоэнергетике и, в частности, к преобразованию тепловой энергии в иной вид энергии, например в механическую с возможностью последующего преобразования ее в электрическую энергию. The invention relates to a power system and, in particular, to the conversion of thermal energy into another type of energy, for example, mechanical energy with the possibility of its subsequent conversion into electrical energy.

Известен способ преобразования тепловой энергии в механическую путем попеременного нагрева и охлаждения камер, заполненных термочувствительным рабочим телом, расположенных на периферии полого ротора, заполненного жидкостью. Перераспределение массы жидкости в роторе при изменении объема камер приводит к созданию весового дисбаланса с попеременным перемещением камер в зоны их нагрева и охлаждения за счет названного дисбаланса (см. а.с. СССР 1100422, кл. F 03 G 7/06, 30.06.84 г., бюл. 24). Недостатком известного способа является малая эффективность преобразования энергии, так как создаваемый весовой дисбаланс незначителен. A known method of converting thermal energy into mechanical energy by alternately heating and cooling chambers filled with a heat-sensitive working fluid located on the periphery of a hollow rotor filled with liquid. The redistribution of the mass of liquid in the rotor when the volume of the chambers changes leads to the creation of a weight imbalance with the chambers being alternately moved to their heating and cooling zones due to the named imbalance (see A.S. USSR 1100422, class F 03 G 7/06, 06/30/08 g., bull. 24). The disadvantage of this method is the low efficiency of energy conversion, since the created weight imbalance is negligible.

Указанный недостаток устранен в известном техническом решении, описанном в а. с. СССР 1333823, кл. F 03 G 7/06, 30.08.87 г., бюл. 32, которое может быть рассмотрено в качестве прототипа. The specified disadvantage is eliminated in the known technical solution described in a. from. USSR 1333823, class F 03 G 7/06, 08/30/08, bull. 32, which may be considered as a prototype.

Известный способ заключается в том, что термочувствительное рабочее тело в виде жидкости с растворенной в ней легко испаряемой составляющей помещают в замкнутый объем, подводят к рабочему телу тепловую энергию от внешнего ее источника. При повышении температуры рабочего тела растворенная в нем легко испаряемая составляющая переходит в газообразное состояние, при этом за счет образующегося в замкнутом объеме давления совершается механическая работа. The known method consists in the fact that a heat-sensitive working fluid in the form of a liquid with an easily evaporated component dissolved in it is placed in a closed volume, thermal energy is supplied to the working fluid from its external source. With increasing temperature of the working fluid, the easily evaporated component dissolved in it passes into a gaseous state, and mechanical work is performed due to the pressure generated in the closed volume.

В соответствии с известным техническим решением работа, совершаемая испарившейся частью рабочего тела, ничтожна по сравнению с тепловой энергией, поглощенной рабочим телом, так как давление в упомянутой части рабочего тела незначительно превышает атмосферное давление при использовании малых температурных перепадов. In accordance with the known technical solution, the work performed by the evaporated part of the working fluid is negligible compared to the thermal energy absorbed by the working fluid, since the pressure in the said part of the working fluid is slightly higher than atmospheric pressure when using small temperature differences.

Таким образом, КПД известного способа не может превысить малых долей процента. Технический результат от использования предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности преобразования тепловой энергии в механическую по сравнению с известным решением. Thus, the efficiency of the known method cannot exceed small fractions of a percent. The technical result from the use of the present invention is to increase the efficiency of conversion of thermal energy into mechanical energy in comparison with the known solution.

В соответствии с предложенным способом преобразования тепловой энергии в механическую, заключающимся в том, что термочувствительное рабочее тело помещают в замкнутый объем, подводят к рабочему телу тепловую энергию от внешнего ее источника, преобразуют работу расширения рабочего тела в работу исполнительного механизма, согласно изобретению в качестве термочувствительного рабочего тела используют жидкость, постоянно пребывающую в жидкой фазе в течение всего рабочего цикла, препятствуют расширению находящегося в замкнутом объеме рабочего тела в процессе подвода к нему тепловой энергии, расширение рабочего тела осуществляют импульсно, работу расширения рабочего тела преобразуют в кинетическую энергию инерционного элемента, после чего кинетическую энергию инерционного элемента преобразуют в механическую энергию исполнительного механизма. In accordance with the proposed method of converting thermal energy into mechanical energy, namely, that the heat-sensitive working fluid is placed in a closed volume, heat energy is supplied to the working fluid from its external source, the work of expanding the working fluid is converted into the work of an actuator according to the invention as a heat-sensitive the working fluid uses liquid that is constantly in the liquid phase throughout the entire working cycle, and prevents the expansion of the slave in a closed volume of the body in the process of supplying thermal energy to it, the expansion of the working fluid is carried out in a pulsed manner, the expansion work of the working fluid is converted into the kinetic energy of the inertial element, after which the kinetic energy of the inertial element is converted into mechanical energy of the actuator.

Для реализации данного способа предложено устройство для преобразования тепловой энергии в механическую. To implement this method, a device for converting thermal energy into mechanical energy is proposed.

Известно устройство преобразования тепловой энергии в механическую, содержащее заполненный термочувствительным двухфазным рабочим телом сосуд, систему преобразования избыточного давления одной из фаз рабочего тела в механическую энергию. A device is known for converting thermal energy into mechanical energy, containing a vessel filled with a thermosensitive two-phase working fluid, and a system for converting the excess pressure of one of the phases of the working fluid into mechanical energy.

Система преобразования включает в себя двигатель и аккумулятор давления (см. а. с. 1333823, кл. F 03 G 7/06, опуб. 30.08.87 г., бюл. 32). Известное устройство рассмотрено в качестве прототипа. Его недостатки вытекают из рассмотренных недостатков способа. The conversion system includes an engine and a pressure accumulator (see A. p. 1333823, class F 03 G 7/06, publ. 30.08.87, bull. 32). The known device is considered as a prototype. Its disadvantages arise from the considered disadvantages of the method.

В соответствии с предложенным устройством для преобразования тепловой энергии в механическую, содержащим поглотитель тепловой энергии, выполненный в виде сосуда, предназначенного для заполнения термочувствительным рабочим телом, гидравлически подсоединенного к системе преобразования поглощенной тепловой энергии в механическую, а также исполнительный механизм, согласно изобретению система преобразования поглощенной тепловой энергии в механическую содержит гидропривод импульсного действия и инерционный аккумулятор энергии, при этом инерционный аккумулятор энергии соединен с гидроприводом как источником энергии и с исполнительным механизмом как потребителем энергии. In accordance with the proposed device for converting thermal energy into mechanical energy, containing a thermal energy absorber, made in the form of a vessel designed to be filled with a heat-sensitive working fluid, hydraulically connected to a system for converting absorbed thermal energy into mechanical energy, as well as an actuator, according to the invention, a system for converting absorbed heat thermal energy into mechanical energy contains a pulsed hydraulic drive and an inertial energy accumulator, at The inertial energy accumulator is connected to the hydraulic drive as an energy source and to the actuator as an energy consumer.

Предложенный способ преобразования тепловой энергии в механическую реализуется с помощью устройства, варианты которого представлены на фиг.1 и фиг.2. The proposed method of converting thermal energy into mechanical energy is implemented using a device, variants of which are presented in figure 1 and figure 2.

На фиг. 1 представлено устройство для преобразования тепловой энергии в механическую, содержащее поглотитель тепловой энергии, выполненный в виде сосуда 1, предназначенного для заполнения однофазным жидким термочувствительным рабочим телом 2, и источник 3 внешней тепловой энергии, трубопровод 4 подвода рабочей жидкости в сосуд 1 через клапан 5, поршень 6, положение которого через шток 7 зафиксировано с помощью ограничителя 8 движения. Поршень 6 в совокупности со штоком 7 и ограничителем 8 движения поршня 6 образуют гидропривод импульсного действия. Устройство содержит также инерционный аккумулятор энергии, выполненный в виде маховика 9, который кинематически через шток 7 связан с поршнем 6 с одной стороны и исполнительным механизмом 10 с другой стороны, например с приводом электрогенератора. In FIG. 1 shows a device for converting thermal energy into mechanical energy, containing a thermal energy absorber, made in the form of a vessel 1, designed to fill a single-phase heat-sensitive liquid working fluid 2, and an external heat energy source 3, a pipeline 4 for supplying the working fluid to the vessel 1 through valve 5, the piston 6, the position of which through the rod 7 is fixed using the limiter 8 movement. The piston 6 in conjunction with the rod 7 and the limiter 8 of the movement of the piston 6 form a pulse hydraulic drive. The device also contains an inertial energy accumulator made in the form of a flywheel 9, which is kinematically connected via a rod 7 to a piston 6 on one side and an actuator 10 on the other hand, for example, with an electric generator drive.

На фиг. 2 представлен второй вариант устройства для преобразования тепловой энергии в механическую, содержащего упомянутый сосуд 1 для заполнения однофазным жидким термочувствительным рабочим телом 2, источник 3 внешней тепловой энергии, трубопровод 4 подвода рабочей жидкости в сосуд 1 через клапан 5. Устройство содержит также гидропривод импульсного действия, выполненный в виде последовательно включенных вентиля 11 импульсного действия и объемного роторного гидродвигателя 12, который кинематически связан как источник энергии с маховиком 9, в свою очередь кинематически связанным с исполнительным механизмом 10 как потребителем энергии. In FIG. 2 shows a second embodiment of a device for converting thermal energy into mechanical energy, containing said vessel 1 for filling with a single-phase liquid heat-sensitive working fluid 2, an external heat energy source 3, a pipeline 4 for supplying the working fluid to the vessel 1 through the valve 5. The device also contains a pulsed hydraulic actuator, made in the form of series-connected valve 11 of the pulse action and a volumetric rotary hydraulic motor 12, which is kinematically connected as an energy source with the flywheel 9, in its It is kinematically connected to the actuator 10 as an energy consumer.

Предложенный способ реализуется следующим образом. The proposed method is implemented as follows.

Жидкое однофазное рабочее тело 2 через трубопровод 4 и клапан 5 подают в сосуд до полного его заполнения. С одной из сторон сосуд 1 ограничен поршнем 6. При этом поршень 6 зафиксирован в заданном положении через шток 7 с помощью ограничителя 8 движения. Далее от источника 3 внешней тепловой энергии подводят, как показано на фиг. 1 и фиг. 2, тепловую энергию к однофазному жидкому рабочему телу 2. В результате нагрева жидкого рабочего тела 2 и малой его сжимаемости по сравнению с газом давление внутри сосуда 1 возрастает до сотен атмосфер при нагреве рабочего тела 2 в пределах 100^oС по отношению к его первоначальной температуре. По достижении некоторого допустимого для данной системы давления извлекают ограничитель 8 движения из штока 7, как показано на фиг. 1. Поршень 6 начинает равноускоренное движение и с помощью штока 7 раскручивает маховик 9, при этом некоторая часть внутренней энергии рабочего тела 2 переходит в кинетическую энергию маховика 9. Маховик 9 при свободном вращении кинематически не фиксируется штоком 7. Кинетическая энергия маховика 9 передается исполнительному механизму 10, который может быть, например, ротором электрической машины.The liquid single-phase working fluid 2 through the pipeline 4 and valve 5 is fed into the vessel until it is completely filled. On one side of the vessel 1 is limited by the piston 6. In this case, the piston 6 is fixed in a predetermined position through the rod 7 using the limiter 8 movement. Further, from the source 3 of external heat energy is supplied, as shown in FIG. 1 and FIG. 2, thermal energy to a single-phase liquid working fluid 2. As a result of heating the liquid working fluid 2 and its low compressibility compared to gas, the pressure inside the vessel 1 rises to hundreds of atmospheres when the heating fluid 2 is in the range of 100 ^o C with respect to its initial temperature . Upon reaching a certain allowable pressure for a given system, a movement limiter 8 is removed from the rod 7, as shown in FIG. 1. The piston 6 starts uniformly accelerated movement and, using the rod 7, untwists the flywheel 9, while some of the internal energy of the working fluid 2 passes into the kinetic energy of the flywheel 9. The flywheel 9 is not kinematically fixed by the rod 7. When kinematic energy is transferred to the flywheel 9, the flywheel 9 is transmitted to the actuator 10, which may be, for example, the rotor of an electric machine.

В соответствии со вторым возможным вариантом выполнения способа импульсное преобразование части внутренней энергии рабочего тела 2 в кинетическую энергию маховика 9 происходит следующим образом. In accordance with a second possible embodiment of the method, the pulse conversion of part of the internal energy of the working fluid 2 into the kinetic energy of the flywheel 9 is as follows.

Между сосудом 1 и роторным гидродвигателем 12 включен вентиль 11, находящийся в закрытом состоянии в процессе нагрева рабочего тела 2. По достижении некоторого допустимого для данной системы давления вентиль 11 импульсно открывается, при этом давление жидкости 2 практически мгновенно передается роторному гидродвигателю 12, предварительно заполненному той же жидкостью. Расширение жидкости 2 раскручивает двигатель 12, который в свою очередь раскручивает маховик 9. Дальнейшее преобразование кинетической энергии маховика 9 в энергию исполнительного механизма происходит так же, как в описанном выше варианте. Between the vessel 1 and the rotary hydraulic motor 12, a valve 11 is turned on, which is closed during the heating of the working fluid 2. Upon reaching a certain pressure acceptable for the given system, the valve 11 is pulsed open, while the pressure of the liquid 2 is transmitted almost instantaneously to the rotary hydraulic motor 12 previously filled with same liquid. The expansion of the liquid 2 spins the engine 12, which in turn spins the flywheel 9. Further conversion of the kinetic energy of the flywheel 9 into the energy of the actuator occurs in the same way as in the embodiment described above.

Расчетный КПД составляет несколько процентов. Estimated efficiency is a few percent.

Предлагаемое изобретение может найти применение для использования в качестве источника энергии, например, отходящих нагретых газов и других нагретых объектов, тепло которых обычно не находит применения. The present invention may find application for use as an energy source, for example, exhaust heated gases and other heated objects, the heat of which usually does not find application.

Claims

1. The method of converting thermal energy into mechanical energy, namely, that the heat-sensitive working fluid is placed in a closed volume, heat energy is supplied to the working fluid from its external source, the work of expanding the working fluid is converted into the operation of an actuator, characterized in that as a heat-sensitive the working fluid use a fluid that is constantly in the liquid phase throughout the entire working cycle, prevent the expansion of the working fluid in a closed volume in the process of approaching thermal energy, the expansion of the working fluid is carried out in a pulsed manner, the expansion work of the working fluid is converted into the kinetic energy of the inertial element, after which the kinetic energy of the inertial element is converted into mechanical energy of the actuator.

2. A device for converting thermal energy into mechanical energy, containing a thermal energy absorber, made in the form of a vessel designed to be filled with a heat-sensitive working fluid, hydraulically connected to a system for converting absorbed thermal energy into mechanical energy, and an actuator, characterized in that the conversion system is absorbed thermal energy into mechanical energy contains a pulsed hydraulic actuator and an inertial energy accumulator, while the inertial accumulator energy is connected to the hydraulic actuator as a source of energy and to the actuator as a consumer of energy.