RU2606847C1

RU2606847C1 - Method for conversion of low-grade heat energy

Info

Publication number: RU2606847C1
Application number: RU2015112528A
Authority: RU
Inventors: Виктор Владимирович Миронов; Дмитрий Викторович Миронов; Юрий Андреевич Иванюшин
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Электрорам"; Виктор Владимирович Миронов
Priority date: 2015-04-06
Filing date: 2015-04-06
Publication date: 2017-01-10

Abstract

FIELD: system for heating and cooling.

SUBSTANCE: present invention relates to compression machines and systems in which air is the working fluid. Method for conversion of low-grade heat energy into high-potential heat energy includes a pneumatic energy generator required to create a closed air thermodynamic cycle, and low-potential heat source. Method includes the following: the pneumatic energy generator is activated by the mechanical energy of low-potential heat source; the generator is a hydraulic unit that transforms the water flow kinetic energy into the hydraulic shock potential energy with a subsequent mechanical work that involves the back-translational movement of the movable parts of walls of the hydraulic unit water conduit and air compression in the compression chambers that are arranged above the water conduit walls of the hydraulic unit that can move in the radial direction.

EFFECT: invention enables to convert practically free hydraulic energy of multiple and widely spread low-pressure natural and artificial water courses into the pneumatic power with a subsequent conversion thereof into the high-potential heat energy in a closed thermodynamic cycle, mechanical work of compressed air expansion in an expansion machine and the energy for generation of cold.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к комбинированным системам для нагрева и охлаждения, а именно к компрессионным машинам и системам, в которых рабочим телом является воздух. Способ может быть использован в различных системах автономного энергоснабжения (отопление, горячее водоснабжение, хладоснабжение, кондиционирование, вентиляция, электроснабжение), в том числе в нескольких системам одновременно.The invention relates to combined systems for heating and cooling, namely, compression machines and systems in which the working fluid is air. The method can be used in various autonomous power supply systems (heating, hot water supply, cold supply, air conditioning, ventilation, power supply), including in several systems simultaneously.

Известен способ термотрансформации, включающий испарение рабочей среды при пониженном давлении, сопровождаемый поглощением тепловой энергии низкотемпературного источника, сжатие рабочей среды в парообразном состоянии с помощью компрессора, охлаждение и конденсацию рабочей среды с передачей выделяющейся при этом тепловой энергии высокотемпературному приемнику и понижение давления рабочей среды перед испарением [RU 2161759 C2, МПК7 F25B 9/08, F25B 30/02, опубл. 10.01.2001]. Недостатками этого способа термотрансформации являются высокая стоимость парожидкостного рабочего тела и в большинстве случаев его опасность для окружающей среды, невозможность получения полезной внешней механической работы при понижении давления рабочей среды, а также применение компрессоров для сжатия рабочего тела с приводом от электродвигателей или двигателей внутреннего сгорания, использующих невозобновляемое углеводородное сырье, необходимое для их работы.A known method of thermal transformation, including the evaporation of the working medium under reduced pressure, accompanied by the absorption of thermal energy of a low-temperature source, compressing the working medium in a vapor state using a compressor, cooling and condensing the working medium with the transfer of thermal energy released to the high-temperature receiver and lowering the pressure of the working medium before evaporation [RU 2161759 C2, IPC7 F25B 9/08, F25B 30/02, publ. 01/10/2001]. The disadvantages of this method of thermal transformation are the high cost of the vapor-liquid working fluid and in most cases its environmental hazard, the inability to obtain useful external mechanical work when the pressure of the working fluid is reduced, as well as the use of compressors for compressing the working fluid driven by electric motors or internal combustion engines using non-renewable hydrocarbon raw materials necessary for their work.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ преобразования тепла в газовых циклах путем расширения газа с последующим подводом к нему тепла при постоянном давлении и адиабатного сжатия до первоначального давления [RU 2062413 C1, МПК6 F25B 30/02, F01K 25/00, опубл. 20.06.1996]. Данный способ не предполагает изменения фазового состояния рабочего тела в замкнутом термодинамическом цикле при изменении его температуры и давления. Недостатком данного способа является применение воздушных компрессоров с приводом от внешних источников энергии, не связанных с источником низкопотенциального тепла. Как правило, это внешняя электрическая энергия. Другим недостатком данного способа является невозможность получения полезной механической работы при расширении газа в детандере с последующим ее преобразованием, например, в электрическую, так как детандер сообщен с компрессором, а произведенная при расширении воздуха в нем работа используется для дожатия рабочего тела в компрессоре.Closest to the proposed technical solution is a method of converting heat in gas cycles by expanding the gas, followed by applying heat to it at constant pressure and adiabatic compression to the initial pressure [RU 2062413 C1, MPK6 F25B 30/02, F01K 25/00, publ. 06/20/1996]. This method does not imply a change in the phase state of the working fluid in a closed thermodynamic cycle with a change in its temperature and pressure. The disadvantage of this method is the use of air compressors driven by external energy sources that are not associated with a source of low potential heat. As a rule, this is external electrical energy. Another disadvantage of this method is the impossibility of obtaining useful mechanical work when expanding the gas in the expander with its subsequent conversion, for example, into electric, since the expander is in communication with the compressor, and the work performed during expansion of the air in it is used to squeeze the working fluid in the compressor.

Технической задачей, стоящей перед данным изобретением, является создание несложного способа преобразования низкопотенциальной тепловой энергии окружающей среды в высокопотенциальную с использованием в процессе реализации замкнутого воздушного термодинамического цикла (в процессе сжатия воздуха) механической энергии низконапорных водотоков, являющихся одновременно источниками низкопотенциального тепла.The technical challenge facing this invention is the creation of a simple method of converting low-potential thermal energy of the environment into high-potential using the mechanical energy of low-pressure water streams that are simultaneously sources of low-potential heat during the implementation of a closed air thermodynamic cycle (in the process of compressing air).

Согласно изобретению техническая задача решается следующим образом. Способ преобразования низкопотенциальной тепловой энергии включает генератор пневматической энергии, необходимой для осуществления замкнутого воздушного термодинамического цикла, и источник низкопотенциального тепла. Способ отличается тем, что генератор пневматической энергии приводят в действие механической энергией источника низкопотенциального тепла, выполняют генератор в виде гидроагрегата, преобразовывающего кинетическую энергию потока воды в потенциальную энергию гидравлического удара, с последующим совершением механической работы по возвратно-поступательному перемещению подвижных частей стенок водовода гидроагрегата и сжатию воздуха в камерах сжатия, установленных над подвижными в радиальном направлении стенками водовода гидроагрегата.According to the invention, the technical problem is solved as follows. The method for converting low-grade thermal energy includes a pneumatic energy generator necessary for implementing a closed air thermodynamic cycle, and a low-grade heat source. The method is characterized in that the pneumatic energy generator is driven by mechanical energy of a low-potential heat source, the generator is designed as a hydraulic unit that converts the kinetic energy of the water flow into potential energy of hydraulic shock, followed by mechanical work on the reciprocating movement of the moving parts of the walls of the hydraulic unit water conduit and air compression in compression chambers installed above the radially movable walls of the hydraulic unit ta.

Способ преобразования низкопотенциальной тепловой энергии (см. чертеж) реализуется следующим образом. Гидроагрегаты-генераторы пневматической энергии выполняют в виде водоводов 1 с установкой на конце водоводов ударных клапанов 2, подвижных в радиальном направлении стенок водовода (мембран), являющихся рабочими органами камер сжатия 3, снабженных всасывающими и нагнетательными патрубками с обратными клапанами. За счет энергии периодического гидравлического удара, инициированного автоматически действующими ударными клапанами 2, происходит возвратно-поступательное движение рабочих органов (мембран) в камерах сжатия 3, вследствие чего происходит всасывание в полость камер сжатия воздуха по всасывающей линии 4 через всасывающие патрубки, его последующее сжатие и выталкивание в нагнетательную линию 5. Сжатый воздух поступает в теплообменный аппарат - охладитель воздуха 7, в котором осуществляется перенос теплоты от рабочего тела - воздуха, циркулирующего в замкнутом контуре, к теплоносителю, циркулирующему в системе отопления по обратным 8 и прямым 9 трубопроводам. Далее сжатый воздух поступает в регенератор 10, где происходит теплообмен между потоками воздуха, поступающего из теплообменного аппарата 7 и источника низкопотенциального тепла 16. Регенератор 10 предназначен для повышения температуры рабочего тела перед его подачей в камеры сжатия 3 и, в конечном счете, для увеличения теплопроизводительности. Охлажденный сжатый воздух после регенератора 10 поступает в детандер 11, где происходит его расширение, производится внешняя механическая работа и дальнейшее охлаждение воздуха. Произведенная внешняя механическая работа используется для привода электрогенератора 12. После расширения в детандере 1 холодный воздух направляют в теплообменный аппарат 13 с подводом тепла от охлаждаемого объекта, то есть осуществляется перенос теплоты от хладагента, циркулирующего по обратным 14 и прямым 15 трубопроводам, к рабочему телу - воздуху. Затем подогретый в теплообменном аппарате 13 воздух последовательно направляют в источник низкопотенциального тепла 16 и регенератор 10, после чего подогретый воздух по всасывающей линии 4 подают на вход камер сжатия 3.The method of conversion of low potential thermal energy (see drawing) is implemented as follows. Hydraulic units-generators of pneumatic energy are made in the form of water conduits 1 with installation of shock valves 2 at the end of water conduits, radially movable walls of the water conduit (membranes), which are the working bodies of the compression chambers 3, equipped with suction and discharge nozzles with check valves. Due to the energy of the periodic hydraulic shock initiated by automatically operating shock valves 2, the reciprocating movement of the working bodies (membranes) in the compression chambers 3 occurs, as a result of which the air is sucked into the cavity of the compression chambers through the suction line 4 through the suction nozzles, its subsequent compression and pushing into the discharge line 5. Compressed air enters the heat exchanger - air cooler 7, in which heat is transferred from the working fluid - air, circulators operating in a closed circuit, to the coolant circulating in the heating system through return 8 and direct 9 pipelines. Next, the compressed air enters the regenerator 10, where there is heat exchange between the air flows coming from the heat exchanger 7 and the source of low potential heat 16. The regenerator 10 is designed to increase the temperature of the working fluid before it is supplied to the compression chambers 3 and, ultimately, to increase the heat output . The cooled compressed air after the regenerator 10 enters the expander 11, where it expands, external mechanical work and further cooling of the air are performed. The performed external mechanical work is used to drive the electric generator 12. After expansion in the expander 1, cold air is sent to the heat exchanger 13 with heat supply from the cooled object, that is, heat is transferred from the refrigerant circulating through the return 14 and direct 15 pipelines to the working fluid - the air. Then, the air heated in the heat exchanger 13 is sequentially directed to the source of low potential heat 16 and the regenerator 10, after which the heated air is fed through the suction line 4 to the inlet of the compression chambers 3.

В предложенном способе пневматическая энергия (энергия сжатого атмосферного воздуха), необходимая для получения тепловой и электрической энергии, генерируется путем преобразования кинетической энергии воды, движущейся в водоводе 1, сначала в потенциальную энергию упругой деформации воды и стенок водовода при резком закрытии ударных клапанов 2, а затем в энергию сжатого воздуха. Под действием потенциальной энергии совершается механическая работа по радиальному возвратно-поступательному перемещению подвижных частей стенок водовода (мембран), являющихся рабочими органами камер сжатия 3, вследствие которой происходит всасывание, сжатие и последующее выталкивание подаваемого к камерам сжатия 3 воздуха.In the proposed method, the pneumatic energy (energy of compressed atmospheric air) necessary to obtain thermal and electric energy is generated by converting the kinetic energy of the water moving in the water conduit 1, first into the potential energy of elastic deformation of the water and the walls of the water conduit when the shock valves 2 are abruptly closed, and then into the energy of compressed air. Under the action of potential energy, mechanical work is performed on the radial reciprocating movement of the moving parts of the walls of the water conduit (membranes), which are the working bodies of the compression chambers 3, due to which air is sucked in, compressed and subsequently pushed out.

В предложенном способе кинетическая энергия начинает накапливаться в водоводах гидроагрегатов при открытии ударных клапанов 2, работающих автоматически за счет энергии потока воды [Овсепян В.М. Гидравлический таран и таранные установки. - М.: Машиностроение. 1968. - 124 с.], накопление кинетической энергии и время ее накопления в водоводе гидроагрегата зависит от массы воды, то есть от геометрических размеров водовода. Известно, что масса является мерой инерции. При увеличении длины водовода, при неизменных размерах его поперечного сечения, потребуется больший промежуток времени для накопления кинетической энергии, но при этом будет и большая ее отдача при преобразовании гидроагрегатом в энергию сжатого воздуха. Накопление кинетической энергии происходит при возрастании скорости движения воды от нуля до значения, соответствующего установившемуся движению жидкости в водоводе 1 с известными значениями гидравлических сопротивлений и напора на входе в водовод 1 при открытых ударных клапанах 2. Количеством ударных клапанов 2 регулируются гидравлические сопротивления в водоводе 1. Размеры гидроагрегата, площадь и радиальный ход подвижных стенок водовода (мембран), а также их количество выбирают исходя из гидрологических параметров природных или техногенных водотоков, источников низкопотенциального тепла. Водоводы 1 устанавливают в створе водотока параллельно скорости движения жидкости в нем. Срабатывание автоматических ударных клапанов всех установленных в створе водотока гидроагрегатов осуществляют не одновременно, а со сдвигом во времени, обеспечивая непрерывность накопления энергии, первичное сглаживание пульсационных воздействий и устранение неравномерности в подаче воздуха. Кроме того, параллельно установленные друг другу гидроагрегаты в створе водотока являются для последнего гидравлическими сопротивлениями, поэтому создают перед собой необходимый подпор для работы гидроагрегатов генераторов пневматической энергии. В случае недостаточности этого подпора при малом продольном уклоне водотока в его створе сооружают дополнительный водослив, обеспечивающий необходимый подпор воды перед гидроагрегатом.In the proposed method, kinetic energy begins to accumulate in the water lines of hydraulic units when opening the shock valves 2, which operate automatically due to the energy of the water flow [V. Hovsepyan Hydraulic ram and ram installations. - M.: Mechanical Engineering. 1968. - 124 p.], The accumulation of kinetic energy and the time of its accumulation in the water pipe of the hydraulic unit depends on the mass of water, that is, on the geometric dimensions of the water pipe. It is known that mass is a measure of inertia. With an increase in the length of the water conduit, with the constant cross-sectional dimensions, a longer period of time will be required for the accumulation of kinetic energy, but it will also have a greater return when converted by a hydraulic unit into compressed air energy. The accumulation of kinetic energy occurs with an increase in the water velocity from zero to a value corresponding to the steady-state fluid motion in conduit 1 with known values of hydraulic resistance and pressure at the inlet to conduit 1 with open shock valves 2. The number of shock valves 2 controls the hydraulic resistance in conduit 1. The dimensions of the hydraulic unit, the area and radial course of the moving walls of the water conduit (membranes), as well as their number, are selected based on the hydrological parameters of natural or leg watercourses, sources of low potential heat. Water conduits 1 are installed in the alignment of the watercourse in parallel with the speed of the fluid in it. The automatic shock valves of all hydraulic units installed in the site of the watercourse are triggered not simultaneously, but with a time shift, ensuring continuity of energy storage, primary smoothing of pulsating effects and eliminating unevenness in the air supply. In addition, in parallel installed to each other hydraulic units in the alignment of the watercourse are hydraulic resistance for the latter, therefore, they create the necessary support for the operation of hydraulic units of pneumatic energy generators. In case of insufficiency of this backwater with a small longitudinal slope of the watercourse, an additional spillway is constructed in its section, providing the necessary water backwater in front of the hydraulic unit.

В предложенном способе преобразования низкопотенциальной тепловой энергии в процессе эксплуатации возможны утечки, сброс небольшого объема воздуха совместно с образовавшимся конденсатом, поэтому камеры сжатия 3 оборудованы воздухоприемниками 6, в состав которых входят фильтры очистки воздуха с осушителями.In the proposed method for converting low-grade thermal energy during operation, leaks, discharge of a small amount of air together with the condensate formed are possible, therefore, the compression chambers 3 are equipped with air receivers 6, which include air purification filters with dehumidifiers.

В предложенном способе преобразования низкопотенциальной тепловой энергии регенератор 10 предназначен для увеличения теплопроизводительности установки. Его применение обосновано в случае использования способа в высоко- и среднетемпературных системах автономного отопления. Применение установки с регенератором в низкотемпературных системах отопления (с температурой теплоносителя ниже 40°C), например в системах воздушного отопления, нецелесообразно. В этом случае сообщаемое потоку воздуха, движущемуся из источника низкопотенциального тепла 16, количество теплоты будет незначительным и применение регенератора вызовет необоснованное увеличение затрат на возведение энергостанции. Кроме того, температура воздуха на входе в детандер 11 будет ниже в схеме с применением регенератора. Это сказывается на величине механической работы, совершаемой детандером 11, которая с уменьшением входной температуры рабочего тела также уменьшается.In the proposed method for converting low-potential thermal energy, the regenerator 10 is designed to increase the heat output of the installation. Its application is justified in the case of using the method in high and medium temperature autonomous heating systems. The use of a unit with a regenerator in low-temperature heating systems (with a coolant temperature below 40 ° C), for example in air heating systems, is impractical. In this case, the amount of heat reported to the flow of air moving from the source of low potential heat 16 will be insignificant and the use of a regenerator will cause an unreasonable increase in the cost of constructing a power plant. In addition, the air temperature at the inlet to the expander 11 will be lower in the scheme using the regenerator. This affects the magnitude of the mechanical work performed by the expander 11, which also decreases with a decrease in the input temperature of the working fluid.

В случае, когда за счет подводимой теплоты в теплообменном аппарате 13 происходит нагрев циркулирующего в системе воздуха до температуры, превышающей температуру в низкопотенциальном источнике тепловой энергии, отпадает необходимость в этом источнике и его функцию полностью выполняет потребитель энергии холода.In the case when due to the supplied heat in the heat exchanger 13, the air circulating in the system is heated to a temperature higher than the temperature in the low-potential source of thermal energy, this source is no longer needed and its function is completely fulfilled by the consumer of cold energy.

Заявленное техническое решение позволяет преобразовывать практически даровую гидравлическую энергию многочисленных в мире низконапорных природных и техногенных водотоков в энергию сжатого воздуха с последующим преобразованием ее в замкнутом термодинамическом цикле в высокопотенциальную тепловую энергию, механическую работу расширения сжатого воздуха в детандере и энергию для производства холода. При этом для реализации замкнутого воздушного термодинамического цикла используется механическая энергия источника низкопотенциального тепла (водотока). Техническое решение может быть применено в системах автономного энергообеспечения объектов различного назначения.The claimed technical solution makes it possible to convert practically free hydraulic energy of numerous low-pressure natural and technogenic water streams in the world into compressed air energy with its subsequent conversion in a closed thermodynamic cycle into high potential thermal energy, mechanical work of expanding compressed air in the expander and energy for producing cold. In this case, for the implementation of a closed air thermodynamic cycle, the mechanical energy of a source of low potential heat (watercourse) is used. The technical solution can be applied in autonomous energy supply systems for various facilities.

Claims

A method for converting low-grade thermal energy, including a pneumatic energy generator necessary for implementing a closed air thermodynamic cycle, and a low-grade heat source, characterized in that the pneumatic energy generator is driven by mechanical energy of a low-potential heat source, and a generator in the form of a hydraulic unit that converts the kinetic energy of the stream water into the potential energy of water hammer, followed by mechanical some work on the reciprocating movement of the moving parts of the walls of the hydraulic conduit of the hydraulic unit and the compression of the air in the compression chambers installed above the radially movable walls of the hydraulic conduit of the hydraulic unit.