RU2812139C1 - Двухконтурная теплосиловая энергетическая установка - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к энергетике, в частности к устройствам, преобразующим энергию рабочего тела в механическую и/или электрическую энергию, и может использоваться в электроэнергетике, теплоэнергетике, в станкостроении, в автомобилестроении и других отраслях. Двухконтурная теплосиловая энергетическая установка содержит двигатель, связанный по кабелю с электрическим контроллером, который также связан с аккумуляторной батареей и электрическим инвертором, выполненным с возможностью передачи полезной мощности, а также основной замкнутый контур с первым компрессором, вспомогательный замкнутый контур со вторым компрессором, где оба контура включают рабочее тело. Основной замкнутый контур имеет последовательно соединенные в рамках своего контура от первого компрессора промежуточный теплообменник, подогреваемый внешним источником тепла, встречный конденсатор, упомянутый двигатель, воздушный теплообменник, встречный испаритель. На участке основного замкнутого контура между встречным конденсатором и воздушным теплообменником установлен байпас, а также обходной контур для рабочего тела, проходящего через двигатель для обеспечения его работы. Вспомогательный замкнутый контур имеет последовательно соединенные в рамках своего контура от второго компрессора встречный конденсатор, воздушный теплообменник-конденсатор, дроссель, встречный испаритель, воздушный теплообменник-испаритель. Основной замкнутый контур и вспомогательный замкнутый контур выполнены с возможностью взаимодействия между собой в узлах встречного конденсатора и встречного испарителя. 1 ил.

Description

Заявленное решение относится к энергетике, в частности к устройствам, преобразующим энергию рабочего тела в механическую и/или электрическую энергию и может использоваться в электроэнергетике, теплоэнергетике, в станкостроении, в автомобилестроении и других отраслях.

Известна энергетическая установка Кандидата технических наук П. Шелеста, включающая два контура вспомогательный и основной, работающая за счет обмена тепловой энергией между рабочим телом вспомогательного контура и рабочим телом основного контура и преобразования тепловой энергии основного контура в механическую, при этом первый вспомогательный контур является разомкнутым, а его рабочим телом является воздух из окружающей среды.

Недостатком данного решения является то, что работа устройства основана на постоянном пополнении рабочего тела вспомогательного контура, забора воздуха из окружающей среды и выброс отработанного рабочего тела обратно в окружающую среду, (см. Шелест П. Полувековой юбилей одной идеи. Наука и жизнь. - 1993, №2, с. 152, 153).

Известна двухконтурная энергетическая установка, являющаяся ближайшим аналогом к предложенному решению RU 2785178 С1, 05.12.2022, принадлежащая автору, которая содержит размещенные последовательно на одном валу генератор, стартер, турбину и два компрессора основного и вспомогательного контура, а также два замкнутых контура: вспомогательный и основной с рабочим телом в каждом, при этом контуры выполнены с возможностью взаимодействия между собой;

замкнутый основной контур имеет последовательно соединенные в рамках своего контура компрессор основного контура, промежуточный теплообменник, встречный теплообменник-конденсатор вспомогательного контура, воздушный теплообменник, подогреваемый внешним источником тепла, турбину, промежуточный теплообменник, встречный теплообменник-испаритель вспомогательного контура;

замкнутый вспомогательный контур имеет последовательно соединенные компрессор вспомогательного контура, встречный теплообменник-конденсатор, воздушный теплообменник-конденсатор, устройство, понижающее давление, встречный теплообменник-испаритель, воздушный теплообменник-испаритель.

Недостатком данного решения является то, что система сложна, поскольку содержит несколько дополнительных модулей фазового изменения рабочей среды, а также потому, что оба компрессора завязаны на одном валу, усложняющие их синхронную работу в двух контурах, а для движения рабочего тела в основном контуре требуется турбина.

Задачами заявленного решения является разработка простой и эффективной конструкции двухконтурной теплосиловой энергетической установки в которой устранены недостатки известных систем.

Техническим результатом является упрощение конструкции двухконтурной теплосиловой энергетической установки при ее высокой эффективности.

Поставленные задачи и результат достигаются за счет разработанной конструкции двухконтурной теплосиловой энергетической установки.

Двухконтурная теплосиловая энергетическая установка содержит двигатель, связанный по кабелю с электрическим контроллером, который также связан с аккумуляторной батареей и электрическим инвертором, выполненным с возможностью передачи полезной мощности, а также основной замкнутый контур с первым компрессором, вспомогательный замкнутый контур со вторым компрессором и где оба контура включают рабочее тело;

основной замкнутый контур имеет последовательно соединенные в рамках своего контура от первого компрессора - промежуточный теплообменник, подогреваемый внешним источником тепла, встречный конденсатор, упомянутый двигатель, воздушный теплообменник, встречный испаритель, при этом на участке основного замкнутого контура между встречным конденсатором и воздушным теплообменником установлен байпас, а также обходной контур для рабочего тела, проходящего через двигатель для обеспечения его работы;

вспомогательный замкнутый контур имеет последовательно соединенные в рамках своего контура от второго компрессора - встречный конденсатор, воздушный теплообменник-конденсатор, дроссель, встречный испаритель, воздушный теплообменник-испаритель, при этом

основной замкнутый контур и вспомогательный замкнутый контур выполнены с возможностью взаимодействия между собой в узлах встречного конденсатора и встречного испарителя.

Далее, предложенное изобретение будет рассмотрено с учетом чертежей, где:

фиг. 1 - схематичное изображение двухконтурной теплосиловой энергетической установки.

Краткое описание конструктивных элементов:

1 - двигатель;

2 - электрический контроллер;

3 - аккумуляторная батарея;

4 - электрический инвертор;

5 - основной замкнутый контур;

6 - первый компрессор;

7 - вспомогательный замкнутый контур;

8 - второй компрессор;

9 - промежуточный теплообменник;

10 - встречный конденсатор;

11 - воздушный теплообменник;

12 - встречный испаритель;

13 - байпас;

14 - воздушный теплообменник-конденсатор;

15 - дроссель;

16 - воздушный теплообменник-испаритель.

В рамках данной заявки следует принимать во внимание температурные показатели:

«окружающей среды» - это показания температуры среды, которая окружает работающую двухконтурную теплосиловую энергетическую установку;

«холодный» - это показания температуры ниже температурного показателя «окружающей среды»;

«охлажденный» - это показания температуры несущественно ниже температурного показателя «окружающей среды»;

«теплый» - это показания температуры незначительно выше температурного показателя «окружающей среды»;

«горячий» - это показания температуры значительно выше температурного показателя «окружающей среды».

Установка включает основной замкнутый контур 5 и вспомогательный замкнутый контур 7, при этом в качестве рабочего тела каждого из контуров, используют легкокипящие жидкости, например, фреон, для функционирования установки. При использовании такого вида рабочего тела типовая заправка производится в среднем один раз в год или при любого рода утечке.

Взаимодействие указанных контуров в заявленной двухконтурной теплосиловой энергетической установке осуществляется в узлах встречного конденсатора 10 и встречного испарителя 12.

Двигатель 1 установки связан по кабелю с электрическим контроллером 2, который также, в свою очередь, связан с аккумуляторной батареей 3 и электрическим инвертором 4, выполненным с возможностью передачи полезной мощности для питания первого компрессора 6 и второго компрессора 8, а также передачи оставшейся полезной мощности на требуемые нужды, в рамках отбора полезной мощности. Двигатель 1 может иметь различное выполнение, способное работать с рабочим телом, циркулирующим в основном замкнутом контуре 5, для выработки электрической энергии.

Аккумуляторная батарея 3 обеспечивает бесперебойную работу электрического контроллера 2 и подзаряжается, по мере необходимости. Электрический контроллер 2 может иметь различное конструктивное выполнение для обеспечения распределения полученной мощности от двигателя 1.

Основной замкнутый контур 5 включает первый компрессор 6, а вспомогательный замкнутый контур 7 второй компрессор 8.

Вспомогательный замкнутый контур 7 имеет последовательно соединенные в рамках своего контура от второго компрессора 8 - встречный конденсатор 10, воздушный теплообменник-конденсатор 14, дроссель 15, встречный испаритель 12, воздушный теплообменник-испаритель 16.

Второй компрессор 8 вспомогательного замкнутого контура 7, осуществляет посредством сжатия паров рабочего тела повышение давления и температуры до показателя «горячий», и проталкивает рабочее тело вспомогательного замкнутого контура 7 во встречный конденсатор 10.

Во встречном конденсаторе 10 протекает процесс фазового перехода рабочего тела вспомогательного замкнутого контура 7 из парообразного состояния в жидкое за счет отвода тепла более холодным теплоносителем, в качестве которого выступает рабочее тело основного замкнутого контура 5, при этом меняя температуру рабочего тела вспомогательного замкнутого контура 7 до «окружающей среды», а температуру рабочего тела основного замкнутого контура 5 до температуры «горячий».

Далее, рабочее тело вспомогательного замкнутого контура 7 с температурой «окружающей среды» или «теплый» (в случае, если рабочее тело недоостыло) попадает в воздушный теплообменник-конденсатор 14, в котором дополнительно осуществляют процесс конденсации рабочего тела вспомогательного замкнутого контура 7, которое не полностью сконденсировалось во встречном конденсаторе 10 и снижая его температуру до температуры «окружающей среды».

Включенный во вспомогательный замкнутый контур 7 воздушный теплообменник-конденсатор 14 позволяет дополнительно сконденсировать рабочее тело вспомогательного замкнутого контура 7, которое не полностью сконденсировалось во встречном конденсаторе 10, и снизить его температуру до температуры «окружающей среды», т.е. довести рабочее тело до необходимого состояния и температурного режима для прохождения в дроссель 15.

Далее, рабочее тело вспомогательного замкнутого контура 7 с температурой «окружающей среды» проходит через дроссель 15, регулирующий давление. Дроссель 15 предназначен для поддержания высокого давления. После дросселя 15, перед поступлением рабочего тела во встречный испаритель 12, давление его падает и происходит кипение рабочего тела.

После дросселя 15 рабочее тело попадает во встречный испаритель 12 в котором начинает кипеть и испаряться с с пониженным давлением. Во встречном испарителе 12 осуществляется теплообмен между рабочими телами вспомогательного замкнутого контура 7 и основного замкнутого контура 5. Во встречном испарителе 12 происходит испарение рабочего тела вспомогательного замкнутого контура 7, при этом рабочее тело отнимает тепло у рабочего тела основного замкнутого контура 5 и отбираемая теплота расходуется на кипение и переход в газообразное состояние рабочего тела вспомогательного замкнутого контура 7.

Далее, рабочее тело вспомогательного замкнутого контура 7 поступает в воздушный теплообменник-испаритель 16, в котором рабочее тело догревается и доиспаряется, если полностью не испарилось во встречном испарителе 12. При этом рабочее тело вспомогательного замкнутого контура 7 нагревается до температуры «окружающей среды».

Рабочее тело выходит из теплообменника-испарителя 16 и отправляется во второй компрессор 8 вспомогательного замкнутого контура 7. Второй компрессор 8 направлен на повышение давления рабочего тела во вспомогательном замкнутом контуре 7. Циклический процесс данного контура повторяется.

Основной замкнутый контур 5 имеет последовательно соединенные в рамках своего контура от первого компрессора 6 - промежуточный теплообменник 9 подогреваемый внешним источником тепла, встречный конденсатор 10, двигатель 1, воздушный теплообменник 11, встречный испаритель 12.

Промежуточный теплообменник 9, включенный в основной замкнутый контур 9 после первого компрессора 6 дополнительно нагревает рабочее тело основного замкнутого контура 5 внешним источником тепла, например, электрокотлом, разогретыми отработанными газами или иным источником нагрева с температуры «охлажденный» до «окружающей среды», тем самым подготавливает его к прохождению через встречный конденсатор 10 вспомогательного замкнутого контура 7.

Во встречном конденсаторе 10 рабочее тело основного замкнутого контура 5 нагревается до температуры «горячий».

При этом на участке основного замкнутого контура 5 между встречным конденсатором 10 и воздушным теплообменником 11 установлен байпас 13, а также обходной контур для рабочего тела, проходящего через двигатель 1 для обеспечения его работы. Так, байпас 13 создает точку, ограничивающую прохождение рабочего тела до определенного значения и рабочее тело перенаправляется в обходной контур в двигатель 1, тем самым воздействуя на его приводной механизм, заставляя его совершать работу для выработки электрической энергии.

Происходит преобразование тепловой энергии рабочего тела в электрическую с потерей температуры рабочего тела до значения «теплый». На выходе из двигателя 1 рабочее тело возвращается в основной замкнутый контур 5.

Далее, включенный в основной замкнутый контур 5 воздушный теплообменник 11 дополнительно охлаждает рабочее тело основного замкнутого контура 5 с температуры «теплый» до температуры «окружающей среды», при этом осуществляется снятие тепла, тем самым подготавливая рабочее тело основного замкнутого контура 5 к прохождению через встречный испаритель 12. Во встречном испарителе 12 рабочее тело основного замкнутого контура 5 охлаждается до температуры «холодный». Первый компрессор 6 основного замкнутого контура 5 засасывает рабочее тело, охлажденное во встречном испарителе 12 до температуры «холодный», сжимает его, повышая давление и температуру до температуры «охлажденный» после чего поток рабочего тела основного замкнутого контура 5 повторяет цикл.

Основной замкнутый контур 5 и вспомогательный замкнутый контур 7 выполнены с возможностью взаимодействия между собой в узлах встречного конденсатора 10 и встречного испарителя 12.

Принцип работы установки.

Установка запускается путем включения первого компрессора 6 и второго компрессора 8 посредством подачи на них электрической энергии от электрического инвертора 4.

Первый компрессор 6 и второй компрессор 8 включаются в работу начиная перегонять рабочее тело по основному замкнутому контуру 5 и вспомогательному замкнутому контуру 7, выходя на рабочие температуры установки через определенное время.

Рабочее тело по основному замкнутому контуру 5 проходит через последовательно соединенные от первого компрессора 6 - промежуточный теплообменник 9 подогреваемый внешним источником тепла, встречный конденсатор 10, воздушный теплообменник 11, встречный испаритель 12, возвращаясь в первый компрессор 6.

Рабочее тело по вспомогательному замкнутому контуру 7 проходит через последовательно соединенные от второго компрессора 8 - встречный конденсатор 10, воздушный теплообменник-конденсатор 14, дроссель 15, встречный испаритель 12, воздушный теплообменник-испаритель 16, возвращаясь во второй компрессор 8.

Рабочее тело основного замкнутого контура 5 на участке между встречным конденсатором 10 и воздушным теплообменником 11 частично попадает в обходной контур, проходя через приводную систему двигателя 1, обеспечивая его работу. Направление рабочего тела осуществляется за счет байпаса 13, который создает сопротивление на пути основного замкнутого контура 5, перенаправляя часть потока. Когда же надо изменить параметры работы двигателя 1, рабочее тело перенаправляют между основным контуром 5 и обходным контуром, то есть из встречного конденсатора 10 рабочее тело поступает в определенном соотношении в воздушный теплообменник 11, за счет регулировки степени открытия/закрытия байпаса 13.

Основной замкнутый контур 5 и вспомогательный замкнутый контур 7 взаимодействуют между собой в узлах встречного конденсатора 10 и встречного испарителя 12, передавая энергию в соответствии с указанными в описании режимами для передачи энергии рабочего тела вспомогательного замкнутого контура 7 рабочему телу основного замкнутого контура 5, и преобразования энергии рабочего тела основного замкнутого контура 5 в электрическую.

Двигатель 1 вырабатывает энергию, передавая ее через электрический контроллер 2 на аккумуляторную батарею 3, обеспечивая бесперебойную работу электрического контроллера 2, а также на электрический инвертор 4, передающий полезную мощность для питания первого компрессора 6 и второго компрессора 8, а также передачи оставшейся полезной мощности на требуемые нужды.

Пример

Двухконтурная теплосиловая энергетическая установка содержит тепловой двигатель 1 на 22 кВт, связанный по кабелю с электрическим контроллером 2, который также связан с аккумуляторной батареей 3 и электрическим инвертором 4,

установка включает основной замкнутый контур 5 с первым компрессором 6 на 5,9 кВт, вспомогательный замкнутый контур 7 с вторым компрессором 8 на 1,1 кВт, где оба контура включают рабочее тело в виде фреона;

основной замкнутый контур 5 имеет последовательно соединенные, в рамках своего контура от первого компрессора 6 - промежуточный теплообменник 9 с подводом тепла от электрокотла, встречный конденсатор 10, двигатель 1, воздушный теплообменник 11, встречный испаритель 12,

на участке основного замкнутого контура 5 между встречным конденсатором 10 и воздушным теплообменником 11 установлен байпас 13 с электронным управлением заслонкой, а также обходной контур для рабочего тела, проходящего через двигатель 1 для обеспечения его работы;

вспомогательный замкнутый контур 7 имеет последовательно соединенные в рамках своего контура от второго компрессора 8 - встречный конденсатор 10, воздушный теплообменник-конденсатор 14, дроссель 15, встречный испаритель 12, воздушный теплообменник-испаритель 16,

основной замкнутый контур 5 и вспомогательный замкнутый контур 7 выполнены с возможностью взаимодействия между собой в узлах встречного конденсатора 10 и встречного испарителя 12.

Заявленная установка обеспечивает упрощение конструкции двухконтурной теплосиловой энергетической установки при ее высокой эффективности.

Claims (1)

1. Двухконтурная теплосиловая энергетическая установка, характеризующаяся тем, что содержит двигатель, связанный по кабелю с электрическим контроллером, который также связан с аккумуляторной батареей и электрическим инвертором, выполненным с возможностью передачи полезной мощности, а также основной замкнутый контур с первым компрессором, вспомогательный замкнутый контур со вторым компрессором, где оба контура включают рабочее тело; основной замкнутый контур имеет последовательно соединенные в рамках своего контура от первого компрессора промежуточный теплообменник, подогреваемый внешним источником тепла, встречный конденсатор, упомянутый двигатель, воздушный теплообменник, встречный испаритель, при этом на участке основного замкнутого контура между встречным конденсатором и воздушным теплообменником установлен байпас, а также обходной контур для рабочего тела, проходящего через двигатель для обеспечения его работы; вспомогательный замкнутый контур имеет последовательно соединенные в рамках своего контура от второго компрессора встречный конденсатор, воздушный теплообменник-конденсатор, дроссель, встречный испаритель, воздушный теплообменник-испаритель, при этом основной замкнутый контур и вспомогательный замкнутый контур выполнены с возможностью взаимодействия между собой в узлах встречного конденсатора и встречного испарителя.

Images