RU5848U1 - Устройство для извлечения тепловой энергии из воды и воздуха окружающей среды с целью выработки электроэнергии - Google Patents

Description

УСТРОЙСТВО дня ИЗВЯЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ИЗ ВОДЫ И ЮЗДУХА

окрушщт СРЕДЫ с ЦЕЛЬЮ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРШИ

Изобретение относится к устройствам для извлечения тепловой энергии из окружающей среды с помощью тепловых насосов.

Известно устройство,называемое термопарой i,которое позволяет, используя разность температур прямо преобразовывать тепловую энергию в электрическую.В частности, для работы термопары можно использовать разность температур,возникающую в окрз ающей среде /например, разность температуры воды на поверхности и в глубине океана/ и таким образом преобразовывать рассе.яное в окружащей среде тепло в электрическую энергию.

Главным недостатком термопар является их очень мальгй коэффициент полезного действия, и потому они не нашли применение в энергетике больших мощностей.

Наиблее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство,принятое за прототип,называемое тепловым насосом Г2,3,3,предназначенное для извлечения тепла из окружающей среды : из воды реки,озера ,моря или из окружающего воздуха.

Недостатком тепловых нас о сов ii,3j является то, что полученное с из помощью тепло может быть использовано только для низкотемпературного нагрева /например, дая отопления помещений/ и оно не может быть использовано для получения электроэнергии,что резко ограничивает возможности использования тепловой энергии,извлеченной из окружающей среды.

Целью настоящего изобретения является создание мощного устройства, способного тепло,извлеченное из окружающей среды с помощью тепловых насосов,перерабатывать в электрическую энергию,Это открывает неограниченные возможности использования тепла окружающей среды в энергетике больших мощностей.

Это достигается благодаря том;,что устройство для извлечения тепловой энергии из воды и воздуха окружающей среды для выработки электроэнергии,содержащее тепловой насос,теплообменник для нагрева рабочего тела /пара,газа/ теплом,извлеченным из окружающей среды, . систе1 лу трубопроводов дня подачи рабочего тела,электрический генератор, вьтрабатывающи и электроэнергию из извлеченного тепла,отличается тем, что устройство снабжено испарителем жидкости для образования рабочего тела /пара/,насосом-компрессором для откачки пара из испарителя и его последующего сжатия,тепловым насосом с теплобменником для подогрева сжатого пара,паровой турбиной /или каскада турбин/,работающей на подогретом сжатом паре,механически соединенной с электрогенератором и трубопровод ом, возвращающим отработанный пар в испаритель для конденсации и последующего испарения.

Устройство отличается тем, что для формирования рабочего пара используют ожиженые газы :азот,аргон,алтиак,метан,двуокись углерода, фреонн.

Сущность изобретения состоит IB следующем.

Первоначально тепло окружающей среды извлекают с помощью испарителя, в котором жидкость в виде сжиженного газа,Тепло, необходимое для испарения извлекают из воды или воздуха окружающей среды, прокачиваелшх через теплообменник-змеевик,расположенный в испарителе. Полученный пар поступает в нетеплоизолированный трубопровод, где подогревается до температуры окружающей среды за счет тепла, извлекаемого из воздуха,Далее пар откачивается и адиабатически сжимается насосом-компрессором и подогревается в теплобменнике,обогреваемом тепловым насосом,извлекающим тепло из окружающей среды,Сжатый перегретый пар-газ чере сопла подают на паровую турбину /или каскад турбин/,которая приводит в движение электрогенератор,вырабаб тьгоагощий электрор нергию. Отработанный пересыценный пар по теплоизолированному трубопроводу возвращается в испаритель,где он конденсируется в жидкость,которая вновь испаряется за счет тепла окружающей среды,Все устройство в целом работает по схеме теплового насоса. Если электрическая энергия,вьфабатываемая турбиной окажется больше,чем электроэнергия,затрачиваемая на работу насоса-компрессора и теплового насоса, то предлагаемое устройство обеспечивает неограниченную выработку электроэнергии из окружающей среды,Это условие можно реализовать при высокой э(|у|)ективности работы теплового насоса. На фиг,1 изображена схема предагаемого устройства. Устройство состоит из испарителя 1,содержащего ожиженный газ 2 с низкой температ,урой замерзания,насоса 3,подающего по змеевикутеплообменнику 4 из окружающей среды воду /из реки,озера,моря или воздух,Шесто ожиженного газа 2 могут быть использованы легкоиспаряемые жидкости с низкой температурой замерзания,Для выпуска., отраотанной воды или воздуха служит труба 5,Д1дя создания пониженного давления внутри испгфителя I , с целью реализации режима кипения, служит насос -компрессор,1отсасывающий пар по нетеплоизолированному трубопроводу 7,который может быть выполнен в виде змеевика,Одновременно насос-ко шрессор 6 служит для адиабатического сжатия пара, который после этого по теплоизолированной трубе 8 поступает в теплообменник 9,Для обогрева теплообменника 9 служит система теплообменных труб 10,в которых циркулирует жидкость-теплоноситель,нагреваемая тепловым насосом II теплом,извлеченным из воды и воздуха окружающей среды,Для засасывания в тепловой насос воды или воздуха из окружающей среды служит труба 12,а для их вътуская труба 13,Электропитание теплового насоса осуществляется через подвод 14,Для подвода перегретого пара через сопла 15 к паровой турбине 16 выполнен теплоизолированный трубопровод 17,Посредством вала 18 паровая турбина соединена с электрогенаратором 19 переменного или постоянного тока,который через контакты 20 отдает электроэнергию в электрическую сеть для потребления,Для отвода отработанного пара служит теплоизолироваттая труба 21 с краном-дросселем И.Для охлаждения отработанного пересыщенного пара и его последующей конденсации выполнен теплообменник-змеевик 23,нижний конец которого расположен в ис« паряемой жидкости 2,

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.Запускают насос 3,который прогоняет через теплообменник змеевик 4 засасываемую из окружающей среды воду /из реки,озера,моря/ или воздух.Одновременно включают насос-компрессор б,понижающий давление в испарителе I и тепловой насос II,Открывают кран-дроссель 22,Благодаря теплу,поступающему мз окружающей среды через теплообменникзмеевик 4 и пониженному давлению в испарителе I начинается кипе1дае ожиженного газа или легко испаряемой жидкости 2.Полученный пар по нетеплоизолированно ту трубопроводу 7 , который выполняю С в виде змеевика-теплообменника подают в насос-компрессор б,При прохождении через трубопровод 7 пар нагревается до температуры окружающей среды, извлекая тепло из воздуха окружающей среды,В компрессоре 6 пар адиабатически сжимают, и его температура резко повышается,Далее сжатый пар по теплоизолированной трубе 8 подают в теплообменник 9,в котором по тепловым трубам 10 протекает жидкость-теплоноситель,нагретая тепловым насосом II, засасывающим из окружающей среды воду или воздух, из которых тепловой насос извлекает тепловую энергию, СЬкатый пар в теплообменнике 9 нагревают до температуры Ту, которая приблизительно равна (2,3,Перегретый пар по теплоизолированной трубе 17 через сопла 15 направляют на лопасти паровой турбины /или каскад турбин/ 16,которая работает как чурбина-детандер в холодильных установках 41 и через вал 18 вращает электрогенератор 19 переменного или постоянного тока,Полученная электроэнергия через контакты 20 поступает во внешнюю электрическую сеть дая потребления,В турбине пар совершает механическую работу в режиме адиабатического расширенияЛ1ри этом его температура и давление резко понижаются, и он переходит в состояние нас1лценного или пересыщенного пара или близкому к Heiviyt si Отработанный пар по теплоизолирова.нной трубе 21 через - кран-дроссель 22 поступает в теплобменпик змеевик 23, При прохожде ши пара через кран-дроссель 22 его температура и давление уменьшаются xi,4To позволяет, регулируя отверстия в кране-дросселе или открывая кран сов сем, варьировать состояние пара , поступакицего в змеевик 23 и тем самым регулировать процесс конденсации.В теплообменнике 23 пересыщенный пар конденсируется, а выделяющаяся при кoн eнcaции теплота испарения через стенки змеевика 23 поступает в испаритель I, где используется в новом цикле испарения.Таким образом механическая работа,совершаемая паровой турбиной 16 производится за счет тепла,поступившего из окружающей среды через стенки трубопровода 7 и из тепла окружающей среды,извлеченной тепловым насосем ii, и переданной пару через змеевик 10 в теплообменнике 9, Как видно из изложенного,при непрерывной работе предлагаемого устройства электроэнергия расходуется только на работу насоса-компрессора 6 и теплового насоса И.Р -бота насоса 3 и соответственно пропускание воды или воздуха окружающей среды через змеевик 4 необходимы только в момент запуска ус -ройства. Проведем теперь ориентировочные расчеты,доказывающе работоспоСобнрсть предлагаемого устройства. Пусть температура перегретого пара,поступающего в турбину 16 из теплобменника-нагревателя 9 будет Т 400 К 127°С ,а температура пара внутри испарителя I Т. 200 К - . Тогда согласно законам термодинамики максимально возможный коэ1Т) ициент полезного действия при преобразовании тепловой энергии в механическую работу равенТ - Т у. «12 Q 5 TI Такой коэф(мциент полезного действия имеет традиционная тепловая малгана /например, турбина на электростанции/ при T-j 800 К и Т2 400 К.

Тепло,извлекаемое тепловш насосом из окружающей среды, может быть в 5 с лишним раз больше,чем энергия потребляемая из электрической сети 2,31Так как предлагаемое устройство в целом работает как тепловой насос,то можно считать что и в этом случае тепловая энергия,извлекаемая из окружающей среды также в 5 раз больше,энергии потребляемой из электрической сети.для работы насоса-компрессора б /шг. I/ и теплового насоса II.Тогда тепловая мощность поступающая в паровую турбину 19 будет выражаться соотношением

РТ - 4СР„ + Р где Р , - мощности,расходуемые,соответственно, на работу наГ1 J. XXi

coca -компрессора б и теплового насоса II.Полагая для простоты РН РТН получим

РТ РТН

При реальном значннии коэ-Миодента полезного действия h 0,И5 полезная тепловая т.е. механическая мощность турбины

РГ 2 Р™ Таким образом при исключении наиболее важных затрат мощности

полезная мощность паровой турбины 16 ,котор практически польтостью может быть npeBDameiia в электрическую мр1цность,отдаваемуго.в электрическую сеть, может быть вдвое больше мощности,потребляемой для работы насоса-компрессора б или теплового насоса II.Эти мощности могут быть знвчитeльны м. В современных тепловых насосах мощность достигает 10 мегаватт.L3J.

Извлеченная из окружающей среды тепловая энергия после преобразования в электрическую в конечном счете вновь вернется в окружающую среду в виде тепла.Нарушение экологического равновесия не происходит. В предлагаемом устройстве в малых масштабах реализуется круговорот энергии,происходящий в природе.

Предлагаемой устройство имеет простую конструкцию и содержит в качестве конструктивных элементов ранее известные устройства,что существенно облегчает массовое производство и широкое применеше.

Экономический эдхрект от использования предлагаемого устройства обеспечивается тем, что нет необходимости добывать, транспортировать,

подготавливать и использовать органическое или ядерное топливо.Нет необходимости в устройствах для сжигания органического топлива или для осуществления ядерных реакций,В отдаленных районах можно легко создать автонокшую систему электроснабжения,и не потребуется строить дорогостоящие линии длинных электроперадач..

Не исключено, что предложенное устройство может быть использовано для привода на транспорте /например, на речных и морских судах/.

Все указанные обстоятельства приведут к большой экономии металла, топлива, электроэнергии, помещений, трудозатрат и количества персонала, занятого при изготовлении,монтаже и эксплутации энергетического оборудования.

Дополнительный эфсрект будет получен за счет уменьшения загрязнения окружаюп ей среды.

ЛИТЕРАТ№А

Х.Соколов Е.Я. ,Броднянский В. 1,4.Энергетические основы трансформации тепла.Энергоизцат.Москва 1981г,стр.284.

2.Куп1НЫрев В.И.,Лебедев В.И.,Павленко В. А.Техническая термодинамика и теплопередача.Стройиздат.г осква 198бг,стр.234, 183. З.Рей Д. ,Макмайл Л.Тепловые насосы.Энергоиздат.г осква 1982г. 4.Дубинский М.Г.Воздушные и газовые турбохолодальные магаины.И-во Знание.Москва 19б8г,стр.30,4б,54.

5.Савельев И.В.Курс общей физики,т.1.И-во Наука,Москва 1970г,стр. 414.

Claims (2)

1. Устройство для извлечения тепловой энергии из воды и воздуха окружающей среды для выработки электроэнергии, содержащее тепловой насос, теплообменник для нагрева рабочего тела (газа, пара) теплом, извлеченным из окружающей среды, систему трубопроводов для подачи рабочего тела, электрический генератор, вырабатывающий электроэнергию из извлеченного тепла, отличающееся тем, что устройство снабжено испарителем жидкости для образования рабочего тела (пара), насосом-компрессором для откачки пара из испарителя и его последующего сжатия, тепловым насосом с теплообменником для подогрева сжатого пара, паровой турбиной (или каскада турбин), работающей на подогретом сжатом паре, механически соединенной с электрогенератором и трубопроводом, возвращающим отработанный пар в испаритель для конденсации и последующего испарения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для формирования рабочего пара используют ожиженные газы: азот, аргон, аммиак, метан, двуокись углерода, фреоны.