RU2806951C1

RU2806951C1 - Thermal energy conversion system

Info

Publication number: RU2806951C1
Application number: RU2023119396A
Authority: RU
Inventors: Владимир Петрович Сизов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Новый цикл"
Filing date: 2023-07-24
Publication date: 2023-11-08

Abstract

FIELD: thermal energy.

SUBSTANCE: external combustion engines that convert thermal energy from an external source into another type of energy with the performance of useful work. The circuit sequentially includes a volumetric compressor, a heater made in the form of an externally heated container, and an expander for performing work. The compressor is made in the form of two containers, completely or partially filled with liquid; the compressor containers are connected by upper and lower communication lines, which are connected to the compressor cooling device. A hydraulic pump is installed on the lower communication line of the compressor tanks, connected through hydraulic distributors to the inlet of the compressor cooling device, the output of this cooling device is connected through the hydraulic distributor to the upper communication line of the compressor tanks. The ends of this line are connected to liquid diffusers located inside the compressor tanks in their upper parts. The closed circuit in the area between the compressor and the expander is made with a branching into two lines, each of which has its own heater with an external heat supply connected to the expander. The expander is made in the form of two containers, partially filled with liquid, on the communication line of which a hydraulic motor is installed. Check valves are installed on the communication lines between the heaters and the compressor and expander.

EFFECT: expansion of the scope of technical means, simplification of the process of converting thermal energy into mechanical energy, structural simplification of the system occurs due to the fact that in a closed loop with two components inside, one component is gas, and the second component is liquid, the working fluid in a closed loop is gas, and the liquid is used as pistons in the compressor and expander.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области теплоэнергетики, к тепловым машинам, в частности к двигателям внешнего сгорания, преобразующим тепловую энергию внешнего источника в иной вид энергии с совершением полезной работы. Может использоваться с применением любого источника тепла, в том числе, не зависящего от сжигания топлива. Может быть применимо на электростанциях, в судостроении, на предприятиях газоэнергетического комплекса, где может использоваться в качестве привода двигателей с одновременной утилизацией попутного газа.The invention relates to the field of thermal power engineering, to heat engines, in particular to external combustion engines that convert the thermal energy of an external source into another type of energy with the performance of useful work. Can be used using any heat source, including those not dependent on fuel combustion. It can be used in power plants, shipbuilding, and gas energy complex enterprises, where it can be used as an engine drive with simultaneous utilization of associated gas.

Известен компрессор с жидкостным поршнем по авторскому свидетельству СССР SU 1153109, F04В 35/02. Компрессор содержит два резервуара и подсоединенный к ним в нижней части трубопровод, на котором установлен насос с приводом. Привод снабжен электрически соединенными между собой переключателями направления вращения с контактами. В трубопроводе по обе стороны от насоса установлены датчики давления, взаимодействующие с контактами переключателей. Недостатком является невысокий КПД устройства.A compressor with a liquid piston is known according to the USSR author's certificate SU 1153109, F04B 35/02. The compressor contains two reservoirs and a pipeline connected to them in the lower part, on which a pump with a drive is installed. The drive is equipped with electrically interconnected rotation direction switches with contacts. Pressure sensors are installed in the pipeline on both sides of the pump, interacting with switch contacts. The disadvantage is the low efficiency of the device.

Известен жидкостно-поршневой тепловой двигатель по патенту США на изобретение US 5195321, F02G 1/04, 1993. В двигателе применен цикл Стирлинга. В конструкции двигателя секция холодного теплообменника и секция горячего теплообменника того же цилиндра прикреплены к оси в смещенном от центра положении. При вращении оси жидкость, действующая как поршень, перемещается внутри части цилиндра против центробежной силы и приводится в движение рабочим газом, который используется в том же цилиндре. За счет колебания жидкости центр масс жидкости в цилиндре обеспечивает больший момент силы во время нисходящего, силового хода, чем во время хода вверх. При нагреве в секции горячего теплообменника и охлаждении в секции холодного теплообменника, в определенное время двигатель вырабатывает непрерывную мощность, приводящую к вращательному движению вокруг оси. Секция холодного теплообменника и секция горячего теплообменника цилиндра могут охлаждаться и нагреваться с использованием солнечной энергии или любого другого внешнего источника охлаждения и нагрева. Двигатель может включать в себя как верхний, так и нижний цилиндр на одной и той же оси, также может включать в себя множество блоков цилиндров, расположенных на расстоянии вокруг одной оси. Недостатком является сложность конструкции двигателя и невысокая его эффективность.A liquid-piston heat engine is known according to US patent for invention US 5195321, F02G 1/04, 1993. The engine uses the Stirling cycle. In the engine design, the cold heat exchanger section and the hot heat exchanger section of the same cylinder are attached to the axle in an off-center position. When the axis rotates, the fluid, acting as a piston, moves inside the cylinder part against the centrifugal force and is driven by the working gas that is used in the same cylinder. Due to the vibration of the fluid, the center of mass of the fluid in the cylinder provides a greater moment of force during the downward, power stroke than during the upward stroke. When heating in the hot heat exchanger section and cooling in the cold heat exchanger section, the motor produces continuous power at a certain time, resulting in rotational motion around the axis. The cold heat exchanger section and the hot heat exchanger section of the cylinder can be cooled and heated using solar energy or any other external cooling and heating source. The engine may include both an upper and lower cylinder on the same axis, and may also include a plurality of cylinder banks spaced apart about a single axis. The disadvantage is the complexity of the engine design and its low efficiency.

Известен способ преобразования тепловой энергии по патенту России на изобретение RU 2773086, F01К 27/00, 2022. Способ преобразования тепловой энергии включает использование в замкнутом цикле рабочего тела, состоящего из смеси компонентов, сжатие рабочего тела, нагрев рабочего тела, расширение рабочего тела с совершением им работы, охлаждение рабочего тела. Первым компонентом является инертный газ, а вторым – легкокипящая жидкость. Расчетным путем подбирают количество компонентов таким образом, чтобы соотношение количества первого компонента к количеству второго компонента по массе находилось в переделах от 1:0,055 до 1:6,25. Проводят сжатие компонентов, при котором испарение и конденсация второго компонента происходят по линии насыщения. Проводят нагрев образовавшейся смеси газов до 100-150°С. Проводят расширение рабочего тела, после которого проводят охлаждение рабочего тела с выделением второго компонента в жидкую фазу. Для осуществления способа используют последовательно связанные между собой компрессор, нагреватель, расширитель, холодильник. В качестве компрессора используют объемные винтовые компрессоры, выполненные с возможностью работы с разнофазными телами, таким как жидкость и газ. Недостатком является сложность осуществления способа, связанная с использованием двухкомпонентного рабочего тела, подбором соотношения компонентов, наличием четырех стадий цикла, необходимостью впрыска жидкости, необходимостью использования холодильника для конденсации одного из компонентов. There is a known method of converting thermal energy according to the Russian patent for invention RU 2773086, F01K 27/00, 2022. The method of converting thermal energy includes the use in a closed cycle of a working fluid consisting of a mixture of components, compression of the working fluid, heating of the working fluid, expansion of the working fluid with them work, cooling the working fluid. The first component is an inert gas, and the second is a low-boiling liquid. By calculation, the number of components is selected so that the ratio of the amount of the first component to the amount of the second component by weight is in the range from 1:0.055 to 1:6.25. The components are compressed, in which evaporation and condensation of the second component occurs along the saturation line. The resulting mixture of gases is heated to 100-150°C. The working fluid is expanded, after which the working fluid is cooled with the release of the second component into the liquid phase. To implement the method, a compressor, a heater, an expander, and a refrigerator are connected in series. As a compressor, volumetric screw compressors are used, designed to work with different-phase bodies, such as liquid and gas. The disadvantage is the complexity of the method associated with the use of a two-component working fluid, selection of the ratio of components, the presence of four stages of the cycle, the need for liquid injection, and the need to use a refrigerator to condense one of the components.

В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбран замкнутый энергетический цикл по патенту России на изобретение RU 2747894, F01К 25/06, 2021. В замкнутом энергетическом цикле в качестве рабочего тела используется смесь инертного газа и жидкости, находящейся в начале цикла в жидкой фазе. Рабочее тело подают на фазу сжатия в соотношении, при котором происходит испарение жидкости за счет разогрева сжимаемого инертного газа. Затем рабочее тело, находящееся в газовой фазе, нагревают и направляют в расширитель для совершения работы, после чего рабочее тело посредством теплообмена доводится в холодильнике до первоначальной температуры и возвращается в начало цикла. Производят измерение температуры рабочего тела в конце фазы сжатия и в зависимости от температуры регулируют соотношение инертного газа и жидкости при их подаче на фазу сжатия. В качестве инертного газа используют аргон, в качестве жидкости используют бутан. В качестве жидкости могут использовать фреон или предельный углеводород. Недостатком является сложность преобразования тепловой энергии в замкнутом цикле, связанная с двухкомпонентным рабочим телом, с необходимостью регулирования соотношения инертного газа и жидкости при их подаче на фазу сжатия, необходимостью испарения жидкости и переходом ее в газовую фазу.As the closest analogue to the claimed technical solution, a closed energy cycle was selected according to Russian patent for invention RU 2747894, F01K 25/06, 2021. In a closed energy cycle, a mixture of inert gas and liquid, which is in the liquid phase at the beginning of the cycle, is used as a working fluid. The working fluid is supplied to the compression phase in a ratio at which the liquid evaporates due to heating of the compressed inert gas. Then the working fluid, which is in the gas phase, is heated and sent to the expander to perform work, after which the working fluid is brought to its original temperature in the refrigerator through heat exchange and returns to the beginning of the cycle. The temperature of the working fluid is measured at the end of the compression phase and, depending on the temperature, the ratio of inert gas and liquid is adjusted when they are supplied to the compression phase. Argon is used as an inert gas, butane is used as a liquid. Freon or saturated hydrocarbon can be used as a liquid. The disadvantage is the difficulty of converting thermal energy in a closed cycle, associated with a two-component working fluid, the need to regulate the ratio of inert gas and liquid when they are supplied to the compression phase, the need to evaporate the liquid and its transition to the gas phase.

Технической задачей является расширение арсенала технических средств, относящихся к системам преобразования тепловой энергии.The technical task is to expand the arsenal of technical means related to thermal energy conversion systems.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в реализации расширения арсенала технических средств, в упрощении процесса преобразования тепловой энергии в механическую энергию, в упрощении конструкции системы.The technical result of the claimed invention is to expand the arsenal of technical means, to simplify the process of converting thermal energy into mechanical energy, and to simplify the design of the system.

Технический результат достигается за счет того, что в системе преобразования тепловой энергии, содержащей замкнутый контур с двумя компонентам внутри, одним из которых является газ, а вторым - жидкость, в контур последовательно включены компрессор объемного сжатия, нагреватель с внешним подводом тепла, расширитель для совершения работы, согласно изобретению, рабочим телом в замкнутом контуре является газ, а жидкость используется в качестве поршней в компрессоре и расширителе, компрессор выполнен в виде двух емкостей, частично заполненных жидкостью, емкости соединены верхней и нижней линиями сообщения, которые соединены с охлаждающим устройством компрессора, на нижней линии сообщения емкостей компрессора установлен гидронасос, связанный через гидрораспределители со входом охлаждающего устройства компрессора, выход этого охлаждающего устройства через гидрораспределитель связан с верхней линией сообщения емкостей компрессора, концы которой соединены с рассеивателями жидкости, расположенными внутри емкостей компрессора в их верхних частях, замкнутый контур на участке между компрессором и расширителем выполнен с разветвлением на две линии, на каждой из которых расположен свой нагреватель с внешним подводом тепла, связанный с расширителем, расширитель выполнен в виде двух емкостей, частично заполненных жидкостью, на линии сообщения емкостей расширителя установлен гидромотор, на входах в оба нагревателя и на линиях их сообщения с расширителем установлены обратные клапаны.The technical result is achieved due to the fact that in a thermal energy conversion system containing a closed circuit with two components inside, one of which is a gas and the second a liquid, a volumetric compression compressor, a heater with an external heat supply, and an expander for work, according to the invention, the working fluid in a closed circuit is gas, and liquid is used as pistons in the compressor and expander, the compressor is made in the form of two containers, partially filled with liquid, the containers are connected by upper and lower communication lines, which are connected to the cooling device of the compressor, On the lower communication line of the compressor tanks there is a hydraulic pump connected through hydraulic valves to the inlet of the compressor cooling device, the output of this cooling device is connected through a hydraulic valve to the upper communication line of the compressor tanks, the ends of which are connected to liquid diffusers located inside the compressor tanks in their upper parts, a closed loop in the area between the compressor and the expander, it is made with a branching into two lines, each of which has its own heater with an external heat supply connected to the expander, the expander is made in the form of two containers partially filled with liquid, a hydraulic motor is installed on the communication line of the expander containers, at the inputs Check valves are installed in both heaters and on the lines of their communication with the expander.

Упрощение процесса преобразования тепловой энергии в механическую энергию обеспечивается за счет использования в замкнутом контуре только одного рабочего тела. Это позволяет уменьшить количество операций при преобразовании энергии тепла и упростить конструкцию системы. Так, по сравнению с ближайшим аналогом, для преобразования тепла в иной вид энергии не требуется охлаждение двухкомпонентного рабочего тела для возвращения одного из компонентов в жидкую фазу, не требуется применение специального холодильного оборудования, не требуется определение количественного соотношения между двумя компонентами. В отличие от аналога, при использовании заявляемой системы в ее рабочем цикле используется только одно рабочее тело - одноатомный газ и только три операции с ним: изотермическое сжатие, изохорный нагрев, адиабатное расширение. Конструктивное упрощение системы преобразования тепловой энергии обеспечивается применением жидкости, находящейся в замкнутом контуре, в качестве поршня компрессора и поршня расширителя. Заявляемая система относится к двигателям внешнего сгорания, но в отличие от подобных двигателей в ней не используется множество цилиндров с механическими поршнями, не используется коленчатый вал. Компрессор и расширитель выполнены в виде сообщающихся емкостей, частично заполненных жидкостью. В компрессоре жидкость используют для совершения работы над газом, поступающим в эти емкости. В расширителе жидкость используют для совершения работы по выработке механической энергии под действием газа, поступающего в эти емкости. Рабочим телом является газ, но работу совершает жидкость, которая используется в расширителе и в компрессоре. Жидкость, в качестве которой используется гидравлическое масло передавливается из одной емкости в другую. При переливании жидкости из одной емкости в другую совершается работа. Использование локального охлаждающего устройства, установленного внутри компрессора и охлаждающего масло в емкостях компрессора, позволяет значительно упростить конструкцию компрессора за счет отказа от системы охлаждения компрессора, состоящей из нескольких блоков защиты от перегрева. Отпадает необходимость применения специального оборудования для охлаждения газа в замкнутом контуре. Таким образом, за счет использования жидкости в качестве гидравлических поршней упрощается конструкция системы преобразования энергии, упрощается процесс преобразования, и происходит расширение арсенала технических средств, относящихся к системам преобразования тепловой энергии.Simplification of the process of converting thermal energy into mechanical energy is ensured by using only one working fluid in a closed loop. This allows you to reduce the number of operations when converting heat energy and simplify the design of the system. Thus, in comparison with the closest analogue, the conversion of heat into another type of energy does not require cooling of the two-component working fluid to return one of the components to the liquid phase, the use of special refrigeration equipment is not required, and the determination of the quantitative relationship between the two components is not required. Unlike its analogue, when using the proposed system in its operating cycle, only one working fluid is used - monatomic gas and only three operations with it: isothermal compression, isochoric heating, adiabatic expansion. The structural simplification of the thermal energy conversion system is ensured by the use of liquid in a closed circuit as a compressor piston and an expander piston. The inventive system relates to external combustion engines, but unlike similar engines, it does not use many cylinders with mechanical pistons and does not use a crankshaft. The compressor and expander are made in the form of communicating containers, partially filled with liquid. In a compressor, liquid is used to perform work on the gas entering these containers. In the expander, liquid is used to perform work to generate mechanical energy under the action of gas entering these containers. The working fluid is gas, but the work is done by liquid, which is used in the expander and compressor. The liquid, which is hydraulic oil, is pressed from one container to another. When a liquid is poured from one container to another, work is done. The use of a local cooling device installed inside the compressor and cooling the oil in the compressor tanks makes it possible to significantly simplify the compressor design by eliminating the compressor cooling system, which consists of several overheating protection units. There is no need to use special equipment for cooling gas in a closed loop. Thus, by using liquid as hydraulic pistons, the design of the energy conversion system is simplified, the conversion process is simplified, and the arsenal of technical means related to thermal energy conversion systems is expanded.

На фиг. 1 представлена схема системы преобразования тепловой энергии.In fig. Figure 1 shows a diagram of the thermal energy conversion system.

На фиг. 2 представлена схема компрессора системы преобразования тепловой энергии.In fig. Figure 2 shows a diagram of the compressor of the thermal energy conversion system.

На фиг. 3 представлена схема расширителя системы преобразования тепловой энергии.In fig. Figure 3 shows a diagram of the thermal energy conversion system expander.

Система преобразования тепловой энергии содержит замкнутый контур 1, в который последовательно включены компрессор 2, нагреватели 3 с внешним подводом тепла, расширитель 4. В замкнутом контуре заключено рабочее тело, рабочим телом может являться любой благородный одноатомный газ, например, могут использовать аргон или могут использовать смеси таких газов. Компрессор 2 состоит из двух вертикально ориентированных емкостей 5 и 6. Емкости компрессора 2 частично заполнены жидкостью 7, в качестве которой могут использовать гидравлическое масло. Или в зависимости от стадии процесса преобразования тепловой энергии одна из емкостей 5 или 6 может быть полностью заполнена жидкостью, а вторая в это время может не содержать жидкость. Емкости 5 и 6 соединены внизу трубопроводом 8, в котором установлен гидронасос 9. Трубопровод 8 является нижней линией сообщения емкостей 5 и 6. Емкости 5 и 6 соединены вверху трубопроводом 26. Емкости 5 и 6 через трубопроводы 8 и 26 соединены с охлаждающим устройством 27 компрессора 2. В качестве охлаждающего устройства используют теплообменник, в котором охладителями могут быт вода, газ и др. На линии сообщения охлаждающего устройства 27 с трубопроводом 8 и гидронасосом 9 установлены гидрораспределители 28, 29, 30. Выход охлаждающего устройства 27 через гидрораспределитель 31 связан с трубопроводом 26, который является верхней линией сообщения емкостей 5 и 6. Концы трубопровода 26 соединены с устройствами ввода охлажденного масла в емкости 5 и 6. Эти устройства выполнены в виде рассеивателей жидкости 32. Каждая из емкостей 5 и 6 соединена с линией подвода и отвода газа замкнутого контура 1, на входах и выходах газа из емкостей 5 и 6 установлены обратные клапаны 10, 11, 12, 13. Замкнутый контур 1 выполнен с разветвлением на две линии 14 и 15, на каждой из которых размещен нагреватель 3, клапаны 16 на входе в нагреватели 3 и клапаны 17 на выходе из нагревателей 3. Нагреватели 3 с подводом внешнего тепла выполнены в виде подогреваемых снаружи емкостей. В качестве нагревателя 3 могут использовать теплообменные аппараты, например, конвективного типа, теплообменники "труба в трубе" однопоточные неразборные (ТТОН). В качестве источника тепла могут использовать природный газ, выхлопные газы газотурбинных установок, солнечные батареи и т.д. Выходы нагревателей 3 соединены линиями 14 и 15 с расширителем 4. В качестве расширителя 4 используют жидкопоршневой детандер. Расширитель 4 состоит из двух вертикально ориентированных емкостей 18 и 19. Емкости расширителя 4 частично заполнены гидравлическим маслом 7. Или в зависимости от стадии процесса преобразования тепловой энергии одна из емкостей 18 или 19 может быть полностью заполнена жидкостью, а вторая в это время может не содержать жидкость. Расширитель 4 находится в вакууме для теплоизоляции (на чертеже не показано). Емкости 18 и 19 соединены внизу трубопроводом 20, в котором установлен гидромотор 21. Каждая из емкостей 18 и 19 соединена с линией подвода газа из обоих нагревателей 3. Выход каждой из емкостей 18 и 19 соединен с основной линией замкнутого контура 1. На входах и выходах газа из емкостей 18 и 19 установлены обратные клапаны 22, 23, 24, 25.The thermal energy conversion system contains a closed circuit 1, into which a compressor 2, heaters 3 with external heat supply, and an expander 4 are connected in series. The closed circuit contains a working fluid; the working fluid can be any noble monatomic gas, for example, argon can be used or can be used mixtures of such gases. Compressor 2 consists of two vertically oriented containers 5 and 6. The containers of compressor 2 are partially filled with liquid 7, which can be hydraulic oil. Or, depending on the stage of the thermal energy conversion process, one of the containers 5 or 6 may be completely filled with liquid, and the second may not contain liquid at this time. Tanks 5 and 6 are connected at the bottom by pipeline 8, in which a hydraulic pump 9 is installed. Pipe 8 is the bottom line of communication between tanks 5 and 6. Tanks 5 and 6 are connected at the top by pipeline 26. Tanks 5 and 6 are connected through pipelines 8 and 26 to the cooling device 27 of the compressor 2. A heat exchanger is used as a cooling device, in which the coolants can be water, gas, etc. Hydraulic distributors 28, 29, 30 are installed on the communication line of the cooling device 27 with the pipeline 8 and the hydraulic pump 9. The output of the cooling device 27 is connected to the pipeline through the hydraulic distributor 31 26, which is the upper communication line of tanks 5 and 6. The ends of the pipeline 26 are connected to devices for introducing cooled oil into tanks 5 and 6. These devices are made in the form of liquid diffusers 32. Each of tanks 5 and 6 is connected to a line for supplying and removing closed gas circuit 1, check valves 10, 11, 12, 13 are installed at the gas inlets and outlets from tanks 5 and 6. Closed circuit 1 is made with branching into two lines 14 and 15, on each of which a heater 3 is placed, valves 16 at the inlet heaters 3 and valves 17 at the outlet of heaters 3. Heaters 3 with external heat supply are made in the form of containers heated from outside. Heat exchangers can be used as heater 3, for example, convective type, single-flow non-separable “pipe-in-pipe” heat exchangers (TTON). Natural gas, exhaust gases from gas turbine units, solar panels, etc. can be used as a heat source. The outputs of heaters 3 are connected by lines 14 and 15 to expander 4. A liquid piston expander is used as expander 4. The expander 4 consists of two vertically oriented containers 18 and 19. The expander containers 4 are partially filled with hydraulic oil 7. Or, depending on the stage of the thermal energy conversion process, one of the containers 18 or 19 may be completely filled with liquid, and the second at this time may not contain liquid. Expander 4 is in a vacuum for thermal insulation (not shown in the drawing). Tanks 18 and 19 are connected at the bottom by a pipeline 20 in which a hydraulic motor 21 is installed. Each of the tanks 18 and 19 is connected to the gas supply line from both heaters 3. The output of each of the tanks 18 and 19 is connected to the main line of the closed circuit 1. At the inputs and outputs gas from containers 18 and 19, check valves 22, 23, 24, 25 are installed.

Система преобразования тепловой энергии работает следующим образом.The thermal energy conversion system works as follows.

Рабочее тело, которым является газ, в замкнутом контуре 1 первоначально находится при температуре 30ºС и давлении 70 бар. Во время рабочего цикла одноатомный газ, в качестве которого используют, например, аргон, сжимается, нагревается, расширяется, совершает работу. Для сжатия газ направляют в компрессор 2, открывают клапан 10, включают гидронасос 9. Гидронасосом 9 перекачивают гидравлическое масло 7 из емкости 6 в емкость 5. При этом масло из емкости 6 поступает в гидронасос 9, через гидрораспределитель 28 поступает в охлаждающее устройство 27 и далее через гидрораспределитель 31 по трубопроводу 26 поступает в емкость 5. В емкости 5 охлажденное масло разбрызгивается через рассеиватель жидкости 32, проходит в виде струй и капель вертикально внутри емкости 5, охлаждая при этом находящийся внутри газ, и осаждается на дно емкости 5. По мере накопления масла его уровень поднимается, газ, находящийся над маслом 7 сжимается, его давление увеличивается, открывается клапан 11, и газ вытесняется в магистраль замкнутого контура 1 под давлением 158 бар. Масло 7 доходит до верхнего уровня в емкости 5, после чего закрывают клапан 11 и открывают клапан 12. Далее датчик уровня (на чертеже не показан) переключает работу гидронасоса 9 в обратную сторону, при этом вал насоса 9 сохраняет направление вращения, но перекачивает жидкость 7 в обратном направлении – из емкости 5 в емкость 6. Процесс повторяется в обратном направлении. Направление вращения вала обеспечивается работой системы управления гидронасосом 9 с помощью управляющих сигналов величиной 24 В. При сжатии газа в компрессоре 2 затрачивается механическая энергия. После сжатия в компрессоре 2 давление аргона составляет 158 бар, температура 30ºС. Далее сжатый в компрессоре 2 газ через открытые клапаны 16 линий разветвления 14 и 15 подают в нагреватели 3, закрывают в них и нагревают практически изохорно до температуры 300ºС, при этом давление газа увеличивается до 350 бар. На нагрев затрачивают тепловую энергию внешнего источника. При достижении газом такого давления открывают один клапан 17, газ из одного из нагревателей 3 поступает в расширитель 4, где давление газа преобразуется в механическую работу. Запорный клапан 22 с электроприводом, настроенным на давление 350 бар открывается. Газ, попадая в емкость 18 расширителя 4, начинает передавливать гидравлическое масло 7 по трубопроводу 20 в емкость 19, при этом происходит вращение вала гидромотора 21. По мере снижения уровня масла 7 в емкости 18 снижается давление газа. Объем емкости 18 рассчитывают таким образом, чтобы при достижении маслом 7 нижнего уровня давление газа с величины в 350 бар опускалось до значения 70 бар. При достижении нижнего уровня масла в емкости 18, клапан 22 закрывают и открывают клапан 23 для выхода газа в магистраль замкнутого контура 1 с давлением 70 бар. Емкость 19 подключают ко второму нагревателю 3 с помощью клапанов 17 и 24. Газ под давлением 350 бар поступает в емкость 19, передавливает масло в емкость 18, совершая работу по вращению вала гидромотора 21. При этом вал гидромотора 21 не меняет направление вращения, но при подаче управляющего сигнала от системы управления изменяется направление потока жидкости 7. В расширителе 4 давление газа преобразуется в механическую работу. Далее рабочий цикл повторяется.The working fluid, which is gas, in closed circuit 1 is initially at a temperature of 30ºC and a pressure of 70 bar. During the operating cycle, a monatomic gas, which is used, for example, argon, is compressed, heated, expanded, and does work. For compression, the gas is sent to compressor 2, valve 10 is opened, hydraulic pump 9 is turned on. Hydraulic pump 9 pumps hydraulic oil 7 from tank 6 to tank 5. In this case, oil from tank 6 enters hydraulic pump 9, through hydraulic distributor 28 enters cooling device 27 and then through the hydraulic distributor 31 through the pipeline 26 enters the container 5. In the container 5, the cooled oil is sprayed through the liquid diffuser 32, passes in the form of jets and drops vertically inside the container 5, while cooling the gas inside, and settles to the bottom of the container 5. As it accumulates The oil level rises, the gas above the oil 7 is compressed, its pressure increases, valve 11 opens, and the gas is forced into the closed circuit line 1 at a pressure of 158 bar. Oil 7 reaches the upper level in container 5, after which valve 11 is closed and valve 12 is opened. Next, the level sensor (not shown in the drawing) switches the operation of hydraulic pump 9 in the opposite direction, while the pump shaft 9 maintains the direction of rotation, but pumps liquid 7 in the opposite direction - from container 5 to container 6. The process is repeated in the opposite direction. The direction of shaft rotation is ensured by the operation of the hydraulic pump 9 control system using 24 V control signals. When compressing gas in compressor 2, mechanical energy is expended. After compression in compressor 2, the argon pressure is 158 bar, the temperature is 30ºC. Next, the gas compressed in compressor 2 is supplied through open valves 16 of branching lines 14 and 15 to heaters 3, closed in them and heated almost isochorically to a temperature of 300ºC, while the gas pressure increases to 350 bar. Thermal energy from an external source is spent on heating. When the gas reaches such pressure, one valve 17 is opened, gas from one of the heaters 3 enters the expander 4, where the gas pressure is converted into mechanical work. Shut-off valve 22 with an electric drive set to a pressure of 350 bar opens. The gas, entering the container 18 of the expander 4, begins to press the hydraulic oil 7 through the pipeline 20 into the container 19, while the hydraulic motor shaft 21 rotates. As the oil level 7 in the container 18 decreases, the gas pressure decreases. The volume of the container 18 is calculated in such a way that when the oil 7 reaches the lower level, the gas pressure drops from a value of 350 bar to a value of 70 bar. When the lower oil level in tank 18 is reached, valve 22 is closed and valve 23 is opened to allow gas to exit into closed circuit line 1 with a pressure of 70 bar. Capacity 19 is connected to the second heater 3 using valves 17 and 24. Gas under a pressure of 350 bar enters container 19, presses oil into container 18, performing work on rotating the hydraulic motor shaft 21. In this case, the hydraulic motor shaft 21 does not change the direction of rotation, but when When a control signal is supplied from the control system, the direction of liquid flow 7 changes. In the expander 4, gas pressure is converted into mechanical work. Then the working cycle is repeated.

Таким образом, изобретение позволяет упростить конструкцию системы преобразования тепловой энергии, упростить сам процесс преобразования энергии, расширить арсенал технических средств, относящихся к подобным системам.Thus, the invention makes it possible to simplify the design of a thermal energy conversion system, simplify the energy conversion process itself, and expand the arsenal of technical means related to such systems.

Claims

A thermal energy conversion system containing a closed circuit with two components inside, one component is a gas, and the second component is a liquid; the circuit sequentially includes a volumetric compression compressor, a heater made in the form of an externally heated container, an expander, characterized in that the working fluid in closed circuit is gas, and liquid is used as pistons in the compressor and expander, the compressor is made in the form of two containers, partially filled with liquid, the compressor containers are connected by the upper and lower communication lines, both communication lines of the compressor containers are connected to the compressor cooling device, on the bottom line communication between the compressor tanks, a hydraulic pump is installed, connected through hydraulic valves to the inlet of the compressor cooling device, the output of this cooling device is connected through a hydraulic valve to the upper communication line of the compressor tanks, the ends of which are connected to liquid diffusers located inside the compressor tanks in their upper parts, a closed loop in the area between the compressor and the expander are designed with a branching into two lines, each of which has its own heater with an external heat supply connected to the expander, the heaters are configured to alternately supply heated gas to the expander, the expander is made in the form of two containers, partially filled with liquid, on the line A hydraulic motor is installed to communicate the expansion tanks.