Изобретение относиться к способам для преобразования тепловой энергии рабочего тела в механическую энергию, и может использоваться в энергетике и холодильной технике.

Известны способы преобразования тепловой энергии в механическую, работающие по циклу Ренкина (1 ) на основе прямого и обратного цикла и устройства, работающие на основе этого цикла и турбины, работающие в данных устройствах.

Недостатком данного способа является низкая эффективность, а устройств и турбин, работающих в них низкий КПД, который составляет порядка 25+35%, так как при конденсации идёт отвод теплоты в окружающую среду, а при испарении подвод теплоты от внешнего источника.

Из уровня техники известен способ, работающий по прямому циклу (вариант1 ) и по обратному циклу (вариант 2), включающий в рабочем режиме подачу сконденсированного жидкого рабочего тела, на вход полого вала гидропаровой турбины, его вскипание и расширение с его переходом в состояние влажного пара и совершением механической работы по раскручиванию ротора гидропаровой турбины и конденсацию рабочего тела из состояния влажного пара (2). Данный аналог наиболее близкий, т.е. прототип. В данных способах рабочее тело после совершении механической работы в гидропаровой турбине находиться в двух агрегатных состояниях- в жидком и парообразном, т.е. в состоянии влажного пара. Эффективность данных способов не велика, так как для конденсации его испарившейся части производят отвод теплоты в конденсаторе в окружающую среду, что ведёт к уменьшению его эффективности.

Известно устройство, работающее по предложенному способу по варианту 1 , которое содержит систему управления, теплообменник, связанный с входом полого вала гидропаровой турбины, размещённой в теплоизолированном корпусе, которая валом отбора мощности связанна с потребителем механической энергии, теплоизолированный корпус связан с входом компрессора, выход которого связан с теплообменником. Недостатком данного устройства является низкий КПД.

Известно устройство, работающее по обратному циклу по способу по варианту 2 , которое содержит систему управления, гидропаровую турбину, которая валом отбора мощности связанна с потребителем механической энергии и размещённую в теплоизолированном корпусе. Нижняя часть теплоизолированного корпуса одновременно является сборником жидкого рабочего тела и связана с входом испарителя жидкого рабочего тела, выход которого связан с входом компрессора, который так же связан с внутренней частью теплоизолированный корпуса. . Выход компрессора связан через устройство полной конденсации с входом полого вала гидропаровой турбины. Недостатком данного холодильного устройства является низкий КПД.

Для реализации данных способов по двум вариантам в устройствах используют гидропаровую турбину состоящую из нескольких соосных ступеней, из нескольких соосных ступеней, первая, реактивная, ступень гидропаровой турбины выполнена с входом полого вала для рабочего тела в ротор, выполненный в виде диска с, поменыией мере двумя спиральными каналами подвода рабочего тела к соплам турбины. Одна из ступеней гидропаровой турбины связана валом отбора мощности с потребителем механической энергии. Недостатком данной турбины является низкий КПД , и как следствие большое паросодержание отработавшего рабочего тела, что в конечном счёте понижает и эффективность предложенного способа и КПД устройств его реализующих.

Задача, на которое направлены данные изобретения - повышение эффективности способов преобразования тепловой энергии в механическую и повышение КПД устройств работающих по данным способам и гидропаровой турбины за счёт уменьшения паросодержания отработавшего рабочего тела.

Данная задача решается тем, что способ преобразования тепловой энергии в механическую работу по вариантам 1 и 2, включает, в рабочем режиме, подачу сконденсированного жидкого рабочего тела на вход полого вала гидропаровой турбины, его вскипание и расширение с переходом в состояние влажного пара и совершением механической работы по раскручиванию гидропаровой турбины и конденсацию рабочего тела из состояния влажного пара. Отличия способа преобразования тепловой энергии в механическую работу по варианту 1 в том, вначале происходит преобразование энтальпии жидкого рабочего тела в его кинетическую энергию путём его подачи в первую, реактивную, ступень гидропаровой турбины, а затем рабочее тело поступает во вторую, активную, ступень гидропаровой турбины, которая и совершает полезную механическую работу, далее адиабатным сжатием совместно с жидкой, неиспарившейся частью рабочего тела, конденсируют образовавшийся влажный пар до понижения его объёмного паросодержания до значения менее чем 50% и образования пузырьковой структуры рабочего тела, и после этого производят его сжатие в поле центробежных сил до полной конденсации паровой фазы рабочего тела и его последующий нагрев до рабочей температуры от внешнего источника тепла.

Отличия способа преобразования тепловой энергии в механическую работу по варианту 2 в том, вначале происходит преобразование энтальпии жидкого рабочего тела в его кинетическую энергию путём его подачи в первую, реактивную, ступень гидропаровой турбины, затем рабочее тело поступает во вторую, активную, ступень гидропаровой турбины, которая и совершает полезную механическую работу, далее адиабатным сжатием совместно с жидкой, неиспарившейся частью рабочего тела и с дополнительно дозировано испарившейся в испарителе паровой частью, конденсируют образовавшийся влажный пар, паросодержание которого меньше критического и понижают его объёмное паросодержание до значения менее, чем 50% , с образованием пузырьковой структуры, и после этого производят его сжатие в поле центробежных сил, до полной конденсации паровой фазы рабочего тела, причём дозированное количество рабочего тела испаряемого в испарителе за счёт тепла

от внешнего источника подбирают таким образом, что бы при его испарении поглощалось количество тепловой энергии не превышающее работы, фактически выполненной первой, реактивной ступенью турбины.

Данная задача решается тем, что устройство преобразования тепловой энергии в механическую по реализации способа по варианту 1 содержит систему управления, теплообменник, связанный с входом полого вала гидропаровой турбины, размещённой в теплоизолированном корпусе, которая валом отбора мощности связанна с потребителем механической энергии. Теплоизолированный корпус связан с входом компрессора, выход которого связан с теплообменником. Отличия в том, что гидропаровая турбина выполнена двухступенчой, со ступенями, расположенными соосно. Причём первая, реактивная, ступень гидропаровой турбины с соплами Лаваля. А вторая, активная, ступень гидропаровой турбины, связана валом отбора мощности с потребителем механической энергии. Нижняя часть теплоизолированного корпуса совмещена с входом компрессора, который выполнен с возможностью адиабатного сжатия рабочего тела, находящегося в состоянии влажного пара с созданием его пузырьковой структуры. Выход компрессора, связан с входом центробежного компрессора, выход которого, связан с входом теплообменника, выход которого связан с входом гидропаровой турбины.

Данная задача решается тем, что устройство преобразования тепловой энергии в механическую для реализации способа по варианту 2 содержит систему управления, гидропаровую турбину, которая валом отбора мощности связанна с потребителем механической энергии и размещённую в теплоизолированном корпусе. Нижняя часть теплоизолированного корпуса одновременно является сборником жидкого рабочего тела и связана с входом испарителя жидкого рабочего тела. Выход испарителя связан с входом компрессора, который так же связан с внутренней частью теплоизолированный корпуса, в котором размещена, гидропаровая турбина. Выход компрессора связан через устройство полной конденсации с входом гидропаровой турбины. Отличия в том, что гидропаровая турбина выполнена двуступенчатой, со ступенями, расположенными соосно.

Первая, реактивная, ступень гидропаровой турбины выполнена с соплами Лаваля. А вторая, активная, ступень гидропаровой турбины связана валом отбора мощности с потребителем механической энергии. Часть теплоизолированного корпуса совмещена с входом компрессора, который выполнен с возможностью адиабатного сжатия рабочего тела, находящегося в состоянии влажного пара с созданием его пузырьковой структуры. Компрессор так же, связан и с выходом испарителя. Вход испарителя через дозатор, связан со сборником жидкого рабочего тела теплоизолированного корпуса. Выход компрессора связан с входом устройства полной конденсации, функцию которого выполняет центробежный компрессор. Дополнительные отличия устройства преобразования тепловой энергии в механическую по варианту 2 в том, что потребителем механической энергии является приводные валы компрессора.

Данная задача решается тем, что гидропаровая турбина, состоит из нескольких соосных ступеней. Первая, реактивная, ступень гидропаровой турбины выполнена с входом полого вала для рабочего тела в ротор, выполненный в виде диска с, поменьшей мере двумя спиральными каналами подвода рабочего тела к соплам турбины. Одна из ступеней гидропаровой турбины связана валом отбора мощности с потребителем механической энергии. Отличия в том, что только вторая, активная, ступень гидропаровой турбины, связана валом отбора мощности с потребителем механической энергии. Первая, реактивная, ступень гидропаровой турбины выполнена со спиральными каналами и с соплами Лаваля. Минимальное сечение сопел Лаваля с примыкающими к нему участками выполнено прямоугольной формы с гофрированными сторонами, причём соотношение сторон не менее чем 2: 1. Ось минимального сечения сопла Лаваля совпадает с касательной к окружности вращения его геометрического центра относительно оси ротора. А степень сужения спирального канала и его изгиб обеспечивают выполнение следующего условия

1 + cos an

где:

V _n - скорость движения рабочего тела относительно стенок спирального канала в произвольной точке п , расположенной на оси спирального канала;

w- угловая скорость вращения ротора первой ступени гидропаровой турбины;

R _n - радиус вращения произвольной точки п на оси спирального канала

on - угол между касательныой к окружности вращения точки п и касательной к дуге оси спирального канала в этой точке

вращения точки п и касательной к дуге оси спирального канала в этой точке .

Дополнительные отличия в том, что гофрированные стороны прямоугольника минимального сечения сопла Лаваля с примыкающими к нему могут быть выполнены с треугольными или четырёхугольными гофрами^ Дополнительные отличия в том, что оси спиральных каналов первой, реактивной ступени гидропаровой имеют форму логарифмической спирали. В представленных вариантах способов и устройствах их реализации первая, реактивная, ступень гидропаровой турбины, при вскипании и ускорении рабочего тела в соплях Лаваля, совершает работу только по её раскручиванию и тем самым увеличивает кинетическую энергию находящегося в роторе жидкого рабочего тела, т.е. преобразует энтальпию жидкого рабочего тела в его кинетическую энергию. Полезную механическую работу совершает только вторая, активная, ступень гидропаровой турбины. Такая последовательность совершения работы приводит к тому, что в механическую энергию: кинетическую энергию вращения рабочего тела в первой, реактивной, ступени гидропаровой турбины и вращение вала отбора мощности связанного только со второй, активной, ступенью гидропаровой турбины преобразуется в 2,77 раза больше энтальпии рабочего тела, чем в случае использования другой конструкции гидропаровой турбины, и тем самым достигается уменьшение паросодержания отработанного рабочего тела.

В случае, когда ось спирального канала имеет форму логарифмической спирали т.е. ап= const спиральный канал сужается обратно пропорционально увеличению расстояния от оси вращения ротора т.е.

~ = -- , где

S _n - площадь сечения спирального канала в произвольной точке п расположенной на оси канала;

S _n+1 - площадь сечения спирального канала в произвольной точке п+1 расположенной на оси спирального канала далее по N

9

движению рабочего тела относительно точки п

R _n - радиус вращения произвольной точки п расположенной на оси спирального канала;

R _n+ - радиус вращения произвольной точки п+1 расположенной на оси спирального канала далее по движению рабочего тела относительно точки п.

(R _n ) та далее по движению рабочего тела относительно точки п\

В случае, когда спиральный канал имеет другую конфигурацию степень сужения канала будет зависеть как от радиуса вращения произвольной точки п на оси канала , так и угла между касательной к окружности вращения точки п и касательной к дуге оси канала в этой точке (an )

На конечном участке спирального канала, примыкающем к минимальному сечению сопла Лаваля, его ось совпадает с касательной к окружности вращения его геометрического центра относительно оси ротора.

Предложенная конструкция гидропаровой турбины позволяет уменьшить паросодержание в отработавшем рабочем теле, что соответственно приведёт к уменьшению работы по сжатию отработавшего влажного пара в компрессоре до его полной конденсации, что приведёт к увеличению количества полезной работы, получаемой с вала отбора мощности гидропаровой турбины, за счёт уменьшения работы по приводу компрессора, что, соответственно, повышает эффективность способа и КПД устройств.

При адиабатном сжатии рабочего тела в состоянии влажного пара его жидкая часть выполняет функцию холодильника, поглощающего теплоту конденсации паровой части рабочего тела. Полная конденсация производиться адиабатным сжатием в центробежном компрессоре, где пузырьки пара сжимаются окружающим жидким рабочим телом при росте давления за счёт центробежных сил.

Всё это позволяет затратить на конденсацию рабочего тела меньше работы, чем было произведено полезной работы второй, активной, ступенью гидропаровой турбины и тем самым повысить эффективность способа и КПД устройств, работающих по данному способу.

Данное изобретение поясняется чертежами где представлены на :

фиг.1 устройство с гидропаровой турбиной для его осуществления способа преобразования тепловой энергии в механическую по варианту 1 ,

фиг.2 устройство с гидропаровой турбиной для его осуществления способа преобразования тепловой энергии в механическую по варианту 2,

фиг.З гидропаровая турбина устройства для осуществления способа преобразования тепловой энергии в механическую по обеим вариантам.

фиг.4 сечение горловой части сопла Лаваля фиг.З с треугольными гофрами его сторон.

фиг.5 сечение горловой части сопла Лаваля фиг.З с прямоугольными гофрами его сторон.

Способ преобразования тепловой энергии в механическую работу ( по варианту 1 ), после запуска системой управления 1 и перехода в рабочий режим, включает подачу сконденсированного жидкого рабочего тела, на вход полого вала 2 гидропаровой турбины 3, которая находиться в теплоизолированном корпусе 4. Вначале происходит преобразование энтальпии жидкого рабочего тела в кинетическую энергию путём его подачи в первую, реактивную, ступень 5 гидропаровой турбины 3, а затем рабочее тело поступает во вторую, активную, ступень 6 гидропаровой турбины 3, которая и совершает полезную механическую работу. Далее рабочее тело, в виде образовавшегося влажного пара, частично конденсируют адиабатным сжатием совместно с жидкой, неиспарившейся частью рабочего тела до понижения его объёмного паросодержания до значения менее, чем 50% и образования в нём пузырьковой структуры в компрессоре 7. Для этого компрессор 7 выполнен теплоизолированным. А далее проводят полную

конденсацию паровой фазы рабочего тела путём его центробежного сжатия в центробежном компрессоре 8, который так же выполнен теплоизолированным. Далее производят подогрев рабочего тела до рабочей - температуры от внешнего источника тепла в теплообменнике 9.

Устройство с гидропаровой турбиной 3 для реализации этого способа содержит теплообменник 9, связанный с входом полого вала 2 гидропаровой турбины 3, размещённой в теплоизолированном корпусе 4. Гидропаровая турбина 3 выполнена двухступенчой, с первой, реактивной и второй, активной, ступенями 5 и 6, расположенными соосно. Вторая, активная, ступень 6 гидропаровой турбины 3, связанна валом 10 отбора мощности с потребителем механической энергии. Потребителем механической энергии может быть электрогенератор 1 1 и приводной вал 12 компрессора 7 и приводной вал 13 центробежного компрессора 8. Нижняя часть теплоизолированного корпуса 4 связана с входом 14 компрессора 7, который выполнен теплоизолированным для адиабатного сжатия рабочего тела, находящееся в состоянии влажного пара с созданием в нём пузырьковой структуры. Для этого может быть использован, например, ротационный компрессор. Выход 15 компрессора 7 связан с входом 16 центробежного компрессора 8, который выполнен теплоизолированным. Выход 17 центробежного компрессора 8 связан с входом 18 теплообменника 9, выход 19 которого связан с входом полого вала 2 гидропаровой турбины 3.

Способ преобразования тепловой энергии в механическую работу ( по варианту 2), после запуска системой управления 1 и перехода в рабочий режим, включает подачу сконденсированного жидкого рабочего тела, на вход полого вала 2 гидропаровой турбины 3. Вначале происходит преобразование энтальпии жидкого рабочего тела в кинетическую энергию путём его подачи в первую, реактивную, ступень 5 гидропаровой турбины 3. Далее рабочее тело поступает во вторую, активную, ступень 6 гидропаровой турбины 3, которая и совершает полезную механическую работу.. После этого адиабатным сжатием совместно с жидкой, неиспарившейся частью рабочего тела и дополнительно дозировано испарившейся в испарителе 20 паровой частью рабочего тела, конденсируют образовавшийся влажный пар в компрессоре 7 до понижения его объёмного паросодержания до значения ниже 50% и образования пузырьковой структуры. Для этого компрессор 7 выполнен теплоизолированным. И после этого производят его центробежное сжатие в центробежном компрессоре 8, до полной конденсации паровой фазы рабочего тела. При этом компрессор 8 , так же выполнен телоизолированным. Причём системой управления 1 режим работы и дозирование количества рабочего тела испаряемого при поступлении тепловой энергии от внешнего источника в испарителе 20 подбирают таким образом, что бы при его испарении поглощалось количество тепловой энергии не превышающее работы, фактически выполненной первой, реактивной ступенью турбины.

Устройство для осуществлению способа преобразования тепловой энергии в механическую работу ( по варианту 2) содержит гидропаровую турбину 3 , которая размещена в теплоизолированном корпусе 4 и выполнена двуступенчатой, с первой, реактивной и второй, активной, ступенями 5 и 6, расположенными соосно. Вторая, активная, ступень 6 гидропаровой турбины 3, связанна валом 10 отбора мощности с потребителем механической энергии, которыми является приводные валы 12 и 13 компрессоров 7 и 8. Нижняя часть теплоизолированного корпуса 4 одновременно является сборником жидкого рабочего тела и связана через дозатор 21 с входом 22 испарителя 20 жидкого рабочего тела. Выход испарителя 23 жидкого рабочего тела связан с входом 14 компрессора 7. Компрессор 7 выполнен теплоизолированным для адиабатного сжатия рабочего тела, находящееся в состоянии влажного пара с созданием в нём пузырьковой структуры. Для этого может быть использован, например, ротационный компрессор. Вход 14 компрессора 7, так же связан с внутренней частью теплоизолированный корпуса 4, в котором размещена, гидропаровая турбина 3. Выход 15 компрессора 7 связан с входом 16 центробежного компрессора 8, выход 17 которого связан с входом полого вала 2 гидропаровой турбины 3.

Гидропаровая турбина 3, которая используется в устройствах для реализации данного способа состоит из

нескольких соосных ступеней, первой, реактивной и второй актиновной ступеней 5 и 6. Первая, реактивная, ступень 5 гидропаровой турбины 3 - ротор 24 с осью 25 его вращения, выполненный в виде диска с, поменьшей мере двумя спиральными каналами 26 подвода рабочего тела к соплам Лаваля 27. Вторая, активная, ступень 6 гидропаровой турбины 3, связана валом 10 отбора мощности с потребителем механической энергии. Минимальное сечение 28 сопел Лаваля 27 с примыкающими к нему участками выполнено прямоугольной формы с гофрированными сторонами 29 и 30. Причём соотношение сторон 29 и 30 не менее чем 2: 1 . Гофрированные стороны 29 и 30 прямоугольника минимального сечения 28 сопла Лаваля 27 могут быть выполнены с треугольными см. фиг. 4 или четырёхугольными гофрами см. фиг. 5, для того, что бы увеличить площадь соприкосновения с ними рабочего тела и тем самым увеличить интенсивность преобразования в минимальном сечении 28 сопла Лаваля 27. Ось минимального сечения 28 сопел Лаваля 27 совпадает с касательной 31 к окружности вращения его геометрического центра относительно оси 25 вращения ротора 24. Степень сужения спирального канала 26 и его изгиб обеспечивают выполнение следующего условия

wRn

Vn =————

1 + COS CWZ ^ГДе:

V _n - скорость движения рабочего тела относительно стенок спирального канала 26 в произвольной точке л , расположенной на оси спирального канала 26;

w- угловая скорость вращения ротора первой реактивной ступени 6 гидропаровой турбины 3;

R _n - радиус вращения произвольной точки п на оси спирального канала 26

on ~ угол между касательныой к окружности вращения точки п и касательной к дуге оси спирального канала 26 в этой точке . Это условие обеспечивает сохранение статического давления рабочего тела постоянным при его движении по каналу. В случае, когда ось спирального канала имеет форму логарифмической спирали т.е. an- const спиральный канал сужается обратно пропорционально увеличению расстояния от оси вращения ротора.

В случае, когда спиральный канал имеет другую конфигурацию степень сужения канала будет зависеть как от радиуса вращения произвольной точки п на оси канала (R _n ) _: так и угла между касательной к окружности вращения точки п и касательной к дуге оси канала в этой точке (on ). Расчётый анализ показал, что заявляемая турбина преобразует в механическую работу в 1 ,777 раза больше тепловой энергии, чем турбина, описанная в прототипе, при равных теплоперепадах рабочего тела. Предложенная конструкция гидропаровой турбины позволяет произвести больше механической работы и уменьшить паросодержание отработанного рабочего тела. Уменьшение паросодержания влажного пара уменьшает работу по его адиабатному сжатию до полной конденсации и обеспечивает тем самым превышение полезной работы, заявляемых устройств по двум вариантам, над работой по возвращению рабочего тела в исходное состояние, Что повышает их КПД и эффективность предложенных способов преобразования тепловой энергии в механическую работу. Расчётный анализ показал, что в случае использования в качестве рабочего тела метана, при теплоперепаде от 189,67К до 101 ,57 К ( перепад давлений 4,5-0,04 МПа) и при КПД первой, реактивной, и второй активной ступеней 5 и 6 гидропаровой турбины по 80%, а КПД компрессоров 7 и 8 - 85% в устройстве преобразования тепловой энергии в механическую (по варианту 1 ) суммарная удельная мощность обеих ступеней гидропаровой турбины составит 329,6 кВт ( 74,47% от располагаемого теплоперепада ), удельная мощность второй, активной, ступени 6 гидропаровой турбины составит 102,285 кВт , а мощность потребляемая компрессорами 7 и 8 - 34,365 кВт ( в том числе на сжатие влажного пара до полной конденсации - 22,565 кВт, на подачу под давлением жидкого рабочего тела 1 1 ,8кВт). Таким образом полезная удельная мощность направляемая внешним потребителям составит 67,92 кВт. Удельная холодопроизводительность устройства преобразования тепловой энергии в механическую (по варианту 2) при тех же условиях составит 125 кВт.

Библиографические источники информации

1 . Кириллин В. А. , Сычёв В В. Шейндлин А. Е. Техническая термодинамика

Москва, Энергоатомиздат 1983г. стр. 295- стр.301 , рис. 1 1.5 и стр. 346, рис.13.4 ;

2. Международная заявка WO2014/077691 опубл.22.05.2014г. - прототип.