PL217327B1

PL217327B1 - Urządzenie do uzyskiwania energii z przemian termodynamicznych gazu

Info

Publication number: PL217327B1
Application number: PL391270A
Authority: PL
Inventors: Stefan Bożydar Reszewski; Andrzej Gwóźdź; Adam Gwóźdź; Artur Gwóźdź
Original assignee: Adam Gwóźdź; Andrzej Gwóźdź; Gwoźdź Artur; Stefan Bożydar Reszewski
Priority date: 2010-05-19
Filing date: 2010-05-19
Publication date: 2014-07-31

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do uzyskiwania energii z przemian termodynamicznych gazu realizującego obieg termodynamiczny, przeznaczone do zasilania maszyn i urządzeń, jak również do napędzania generatorów prądotwórczych.

Sposób uzyskiwania energii z ciepła atmosfery i wieloobiegowy silnik do tego sposobu w akumulacji energii do pneumatycznego napędu pojazdów kołowych znany jest z polskiego opisu patentowego nr 200970. Sposób uzyskiwania energii z ciepła atmosfery w akumulacji energii do pneumatycznego napędu pojazdów kołowych polega na tym, że cała energia pochodzi z dwóch oddzielnych obiegów, obiegu głównego y i obiegu pomocniczego, przy czym obieg główny na wykresie entropowym zawiera izobarę 1 MPa regeneracyjnego podgrzewania od temperatury około 105°K do temperatury atmosfery, izotermę atmosferycznego ogrzewania od ciśnienia 1 MPa do 0,1 MPa, izobarę 0,1 MPa regeneracyjnego ochładzania do temperatury około 105°K, izentropę rozprężania, izotermę około 75°K dolnego źródła ciepła w chłodnicy, którym jest strumień pary mokrej azotu i izentropę sprężania od 0,1 MPa do 1 MPa. Obieg pomocniczy zawiera izentropę sprężania od 0,1 MPa do 10 MPa, izotermę atmosferycznego ogrzewania do 0,1 MPa i izobarę chłodzenia w chłodnicy strumieniem pary przegrzanej azotu, przy czym chłodnica jest zasilana ciekłym azotem ze zbiornika kriogenicznego. Oba obiegi mają dwa wspólne parametry czynnika roboczego, ciśnienie 0,1 MPa i temperaturę około 75°K, zaś strumień tego czynnika w obiegu głównym jest 3,29 raza większy od masowego strumienia czynnika roboczego obiegu pomocniczego.

Sposób oraz urządzenie do zamiany energii cieplnej na pracę mechaniczną znane są z polskiego opisu patentowego nr 200000. Sposób zamiany energii cieplnej na prace mechaniczną polega na tym, że do obiegu turbiny włączany jest naprzemiennie pierwszy oraz drugi zespół przystosowany do magazynowania energii cieplnej. Dla zwiększenia efektywności przedstawionego sposobu zaproponowano schładzanie sprężonego gazu utleniającego do temperatury drugiego cyklu pracy przed przepuszczeniem go przez pierwszy zespół przystosowany do magazynowania energii cieplnej i następnie przy jego przechodzeniu przez pierwszy zespół, podwyższenie w następnym etapie temperatury do wartości odpowiadającej temperaturze trzeciego.

Istota urządzenia według wynalazku polega na tym, że przestrzeń parowa parowacza połączona jest poprzez silnik pneumatyczny z przestrzenią parową skraplacza, natomiast przestrzeń cieczowa skraplacza połączona jest poprzez pompę cieczy z przestrzenią cieczową parowacza, przy czym parowacz, silnik pneumatyczny, skraplacz i pompa cieczy stanowią układ pracujący w obiegu zamkniętym. Przestrzeń cieczowa parowacza podgrzewana jest zewnętrznym źródłem ciepła, natomiast skraplacz ochładzany jest zewnętrznym źródłem chłodu.

Korzystnie, parowacz i/lub skraplacz wyposażone są czujnik temperatury i/lub czujnik ciśnienia.

Korzystnie, pomiędzy silnik pneumatyczny i zawór dławiący połączony ze skraplaczem, włączony jest pierwszymi wejściami wymiennik odzyskiwania energii, którego drugie wejścia połączone są z pompą cieczy i parowaczem.

Korzystnie, zewnętrzne źródło ciepła i zewnętrzne źródło chłodu stanowi, co najmniej jeden układ ziębno - grzejny pracujący w obiegu zamkniętym, w którego obieg włączona jest jedna sprężarka i jeden zawór rozprężny, a najkorzystniej jest, gdy ma dwa układy ziębno - grzejne pracujące w obiegu zamkniętym, przy czym w obieg każdego układu ziębno - grzejnego włączona jest jedna sprężarka i jeden zawór rozprężny, układy te najkorzystniej, połączone są wymiennikiem pośrednim, albo ma dodatkowy układ ziębno - grzejny ochładzający parowacz, w którego obieg włączona jest jedna sprężarka i jeden zawór rozprężny oraz wyposażony jest w wymiennik układu ziębniczego, albo ma dodatkowy układ ziębno - grzejny ochładzający lub podgrzewający skraplacz, w którego obieg włączona jest jedna sprężarka i jeden zawór rozprężny oraz wyposażony jest w wymiennik układu ziębniczego lub grzejnego. Układ ziębno - grzejny może być wyposażony w dodatkowy wymiennik ciepła albo w wymiennik zwrotny.

Korzystnie, pomiędzy pompę cieczy i przestrzeń cieczową parowacza włączony jest wstępny podgrzewacz cieczy regulowany zaworem regulacyjnym. Najkorzystniej jest, gdy do obiegu wtórnego wstępnego podgrzewacza cieczy włączony jest układ ziębno - grzejny stanowiący zewnętrzne źródło ciepła i zewnętrzne źródło chłodu i ma dwa elementy grzejne połączone równolegle i usytuowane w podgrzewaczu i w skraplaczu oraz element ziębnę usytuowane w skraplaczu połączone ze sobą jedną sprężarką i jednym zaworem rozprężnym, ponadto w przewód wyjściowy sprężarki włączony jest zawór regulacyjny.

PL 217 327 B1

Korzystnym jest również to, że silnik pneumatyczny i pompę cieczy stanowi napęd pneumohydrauliczny, przy czym przestrzeń parowa parowacza połączona jest przewodami rurowymi, poprzez co najmniej jeden zawór doprowadzający parę, z silnikiem pneumatycznym, który z kolei połączony jest przewodami rurowymi, poprzez co najmniej jeden zawór odprowadzający parę z przestrzenią parową skraplacza, natomiast przestrzeń cieczowa skraplacza połączona jest przewodami rurowymi poprzez, co najmniej jeden zawór doprowadzający ciecz z pompą cieczy, która z kolei połączona jest przewodami rurowymi poprzez co najmniej zawór odprowadzający ciecz z przestrzenią cieczową parowacza. Objętość silnika pneumatycznego jest znacznie większa od objętości pompy cieczy.

Korzystnie, silnik pneumatyczny wyposażony jest w tłok parowy połączony sztywno z przekładnią mechaniczną, natomiast pompa cieczy wyposażona jest w tłok cieczowy połączony sztywno z napędem, albo silnik pneumatyczny wyposażony jest w tłok parowy, a pompa cieczy wyposażona jest w tłok cieczowy, przy czym tłoki połączone są sztywno łącznikiem, który z kolei połączony jest z przekładnią mechaniczną. Najkorzystniej jest, gdy pole powierzchni przekroju poprzecznego tłoka parowego silnika pneumatycznego jest znacznie większe od pola powierzchni przekroju poprzecznego tłoka cieczowego pompy cieczy.

Korzystnie, parowacz i skraplacz wyposażone są we wskaźniki poziomu cieczy i/lub w zawory napełniające i opróżniające.

Urządzenie do uzyskiwania energii z przemian termodynamicznych według wynalazku, transformuje energię zawartą w przemianach fazowych na pracę mechaniczną z wykorzystaniem różnicy temperatur pomiędzy dwoma źródłami i wynikającej z niej różnicy ciśnień oraz różnych stanów skupienia substancji realizującej obieg. Różnicę entalpii oraz różnicę gęstości wynikających ze stanów skupienia cieczy roboczej w poszczególnych punktach realizacji obiegu, urządzenie przetwarza na pracę mechaniczną, a uzyskaną pracę mechaniczną można transformować na energię elektryczną poprzez zastosowanie odpowiedniego generatora prądu stałego lub zmiennego. Wydajność urządzenia zależy od rodzaju użytego czynnika roboczego realizującego obieg, różnicy temperatur źródeł ciepła jak również od różnicy pól powierzchni tłoków silnika pneumatycznego i pompy cieczy. Czynnikiem roboczym realizującym obieg w przypadku opisywanego urządzenia może być każdy płyn, w którym zachodzą przemiany parowania i skraplania w przedziale temperatur, w którym znajdują się źródła ciepła.

Przedmiot wynalazku objaśniony jest w przykładzie realizacji i na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia podstawowe urządzenie do uzyskiwania energii z przemian termodynamicznych gazu w ujęciu schematycznym, fig. 2 - urządzenie do uzyskiwania energii z przemian termodynamicznych gazu w ujęciu schematycznym wyposażone w wymiennik odzyskiwania energii, fig. 3 - urządzenie do uzyskiwania energii z przemian termodynamicznych gazu wyposażone w jeden układ ziębno - grzejny, fig. 4 - urządzenie do uzyskiwania energii z przemian termodynamicznych gazu z dwoma układami ziębno - grzejnymi, fig. 5 - urządzenie do uzyskiwania energii z przemian termodynamicznych gazu z wymiennikiem pośrednim, fig. 6 - urządzenie do uzyskiwania energii z przemian termodynamicznych gazu z dodatkowym układem ziębniczym parowacza, fig. 7 - urządzenie do uzyskiwania energii z przemian termodynamicznych gazu z dodatkowym układem ziębno - grzejnym skraplacza, fig. 8 urządzenie do uzyskiwania energii z przemian termodynamicznych gazu z układem ziębno - grzejnym i dodatkowym wymiennikiem odprowadzającym nadmiar energii przed parowaczem, fig. 9 - urządzenie do uzyskiwania energii z przemian termodynamicznych gazu z układem ziębno - grzejnym i dodatkowym wymiennikiem odprowadzającym nadmiar energii za parowaczem, fig. 10 - urządzenie do uzyskiwania energii z przemian termodynamicznych gazu wyposażone w układ ziębno - grzejny i wymiennik zwrotny, fig. 11 - urządzenie do uzyskiwania energii z przemian termodynamicznych gazu wyposażone w tłokowy silnik pneumatyczny i wstępny podgrzewacz cieczy, fig. 12 - urządzenie do uzyskiwania energii z przemian termodynamicznych gazu wyposażone w dwa zawory regulacyjne, fig. 13 urządzenie do uzyskiwania energii z przemian termodynamicznych gazu ze wstępnym podgrzewaczem cieczy i tłokowym silnikiem pneumatycznym, którego tłok połączony jest łącznikiem z tłokiem pompy cieczy, a fig. 14 - odwzorowanie realizowanego obiegu termodynamicznego na wykresie fazowym czynnika roboczego.

P r z y k ł a d 1

Urządzenie do uzyskiwania energii z przemian termodynamicznych gazu, ma przestrzeń parowa parowacza ZC1 połączoną poprzez silnik pneumatyczny SP z przestrzenią parową skraplacza ZC2. Przestrzeń cieczowa skraplacza ZC2 połączona jest poprzez pompę cieczy PW1 z przestrzenią cieczową parowacza ZC1. Parowacz ZC1, silnik pneumatyczny SP, skraplacz ZC2 i pompa cieczy PW1

PL 217 327 B1 stanowią układ pracujący w obiegu zamkniętym. Przestrzeń cieczowa parowacza ZC1 podgrzewana jest zewnętrznym źródłem ciepła GC, natomiast skraplacz ZC2 ochładzany jest zewnętrznym źródłem chłodu DC. Ponadto parowacz ZC1 i skraplacz ZC2 wyposażone są czujniki temperatury T i czujniki ciśnienia M. Urządzenie to pracuje w obiegu zamkniętym, w którym czynnikiem roboczym jest przemieszczający się ciągle dwutlenek węgla. W parowaczu ZC1 ciekły czynnik roboczy podgrzewa się i odparowuje. Ciepło konieczne do odparowania czynnika roboczego dostarczane jest z górnego źródła ciepła GC. Po odparowaniu parą dwutlenku węgla napędza się silnik pneumatyczny SP i wytwarza energię mechaniczną odbieraną przez zewnętrzny odbiornik energii G. Wykorzystany parowy dwutlenek węgla w skraplaczu ZC2 ochładza się i skrapla, przez co dodatkowo napędza silnik pneumatyczny SP Ciepło skraplania dwutlenku węgla rozpraszane jest w dolnym źródle ciepła DC. Ochłodzony i skroplony dwutlenek węgla ze skraplacza ZC2, pompą cieczy PW1 pompuje się do parowacza ZC1, w którym utrzymuje się stałą temperaturę parowania Tp =+5°C i stałe ciśnienie parowania Pp=3,97 MPa. Temperaturę parowania Tp mierzy się i kontroluje ciągle czujnikiem temperatury T, a ciśnienie parowania Pp mierzy się i kontroluje ciągle czujnikiem ciśnienia M. Jednocześnie w skraplaczu ZC2 utrzymuje się stałą temperaturę skraplania Ts=-5°C i stałe ciśnienie skraplania Ps=3,05 MPa, które również ciągle mierzy się i kontroluje czujnikiem temperatury T i czujnikiem ciśnienia M. Ponadto w parowaczu ZC1 reguluje się i utrzymuje wyższą temperaturę parowania Tp i wyższe ciśnienie parowania Pp od temperatury skraplania Ts i ciśnienia skraplania Ps, które reguluje się i utrzymuje w skraplaczu ZC2.

P r z y k ł a d 2

Urządzenie do uzyskiwania energii z przemian termodynamicznych gazu, wykonane jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że pomiędzy silnik pneumatyczny SP i zawór dławiący ZM połączony ze skraplaczem ZC2, włączony jest pierwszymi wejściami wymiennik odzyskiwania energii WO, którego drugie wejścia połączone są z pompą cieczy PW1 i parowaczem ZC1. Sterujący obiegiem gazowego czynnika roboczego zawór dławiący ZM, reguluje ciśnieniem gazowego czynnika roboczego, przy czym ciśnienie gazowego czynnika roboczego przed zaworem dławiącym ZM jest wyższe od ciśnienia panującego za zaworem dławiącym ZM.

P r z y k ł a d 3

Urządzenie do uzyskiwania energii z przemian termodynamicznych gazu, wykonane jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że zewnętrzne źródło ciepła GC i zewnętrzne źródło chłodu DC stanowi układ ziębno - grzejny pracujący w obiegu zamkniętym, w którego obieg włączona jest jedna sprężarka S1 i jeden zawór rozprężny ZR1. W urządzeniu tym, temperaturę parowania Tp i ciśnienie parowania Pp w parowaczu ZC1 oraz temperaturę skraplania Ts i ciśnienia skraplania Ps w skraplaczu ZC2, reguluje się ilością nośnika ciepła krążącego w układzie ziębno - grzejnym utworzonym przez sprężarkę Si i zawór rozprężny ZR1.

P r z y k ł a d 4

Urządzenie do uzyskiwania energii z przemian termodynamicznych gazu, wykonane jak w przykładzie trzecim z tą różnicą, że zewnętrzne źródło ciepła GC i zewnętrzne źródło chłodu DC stanowią dwa układy ziębno - grzejne pracujące w obiegu zamkniętym, a w obieg każdego włączona jest jedna sprężarka S1, S2 i jeden zawór rozprężny ZR1, ZR2. W urządzeniu tym, temperaturę parowania Tp i ciśnienie parowania Pp w parowaczu ZC1 oraz temperaturę skraplania Ts i ciśnienie skraplania Ps w skraplaczu ZC2 reguluje się dwoma układami ziębno - grzejnymi, przy czym pierwszy wymiennik pierwszego układu ziębno - grzejnego umieszcza się parowaczu ZC1, a drugi wymiennik pierwszego układu ziębno - grzejnego umieszcza się w skraplaczu ZC2, natomiast pierwszy wymiennik drugiego układu ziębno - grzejnego umieszcza się w skraplaczu ZC2, a drugi wymiennik drugiego układu ziębno - grzejnego umieszcza się w parowaczu ZC1, przy czym ilością nośnika ciepła krążącego w pierwszym i w drugim układzie ziębno - grzejnym reguluje się dwiema sprężarkami S1, S2.

P r z y k ł a d 5

Urządzenie do uzyskiwania energii z przemian termodynamicznych gazu, wykonane jak w przykładzie czwartym z tą różnicą, że dwa układy ziębno - grzejne pracujące w obiegu zamkniętym, połączone są wymiennikiem pośrednim WP. W urządzeniu tym, temperaturę parowania Tp w parowaczu ZC1 oraz temperaturę skraplania Ts w skraplaczu ZC2 reguluje się dwustopniowo dwoma układami ziębno - grzejnymi, przy czym pierwszy wymiennik pierwszego układu ziębno - grzejnego umieszcza się parowaczu ZC1, a drugi wymiennik drugiego układu ziębno - grzejnego umieszcza się w skraplaczu ZC2, natomiast pozostałe wymienniki obu układów ziębno - grzejnych stanowią wymiennik pośredni WP.

PL 217 327 B1

P r z y k ł a d 6

Urządzenie do uzyskiwania energii z przemian termodynamicznych gazu, wykonane jak w przykładzie trzecim z tą różnicą, że ma wymiennik układu ziębniczego UZ, w którego obieg włączone są jedna sprężarka S2 i jeden zawór rozprężny ZR2. W urządzeniu tym, parowy czynnik roboczy w parowaczu ZC1 dodatkowo ochładza się układem ziębniczym, przy czym ilością nośnika ciepła krążącego w układzie ziębniczym z wymiennikiem UZ reguluje się sprężarką S2.

P r z y k ł a d 7

Urządzenie do uzyskiwania energii z przemian termodynamicznych gazu, wykonane jak w przykładzie trzecim z tą różnicą, że wyposażony jest w wymiennik układu ziębniczego UZ, w którego obieg włączone są jedna sprężarka S2 i jeden zawór rozprężny ZR2. W urządzeniu tym, skraplany w skraplaczu ZC2 ciekły czynnik roboczy dodatkowo ochładza się układem ziębniczym, przy czym ilością nośnika ciepła krążącego w układzie ziębniczym z wymiennikiem UZ reguluje się sprężarką S2.

P r z y k ł a d 8

Urządzenie do uzyskiwania energii z przemian termodynamicznych gazu, wykonane jak w przykładzie trzecim z tą różnicą, że układ ziębno - grzejny ochładzany jest dodatkowym wymiennikiem ciepła WD włączony jest pomiędzy sprężarkę S1 i parowacz ZC1. W urządzeniu tym, czynnikiem roboczym jest mieszanina azeotropowa zawierająca pentafluoroetan (125) w ilości 50% oraz trifluoroetanu w ilości 50% o nazwie handlowej R 507a, dla której odwzorowanie realizowanego obiegu termodynamicznego na wykresie fazowym pokazuje fig. 14. Przemiana parowania R507a realizowana jest pomiędzy drugim punktem 2 Pp=1,289 MPa, temperaturze parowania Tp=+25°C, oraz entalpii h2=231,32 kJ/kg i trzecim punktem 3 Pp=1,289MPa, temperaturze parowania Tp=+25°C, oraz entalpii h3=371,9 kJ/kg i przebiega przy ciśnieniu parowania przy objętości właściwej dla pary nasyconej v3=0,01486 ₃ m³/kg. Trzeci punkt 3 wyznaczony jest przez przecięcie izotermy parowania przy temperaturze parowania Tp z izobarą parowania przy ciśnieniu parowania Pp i linią nasycenia LN rozdzielającą obszar pary przegrzanej od stanu dwufazowego. Wypływ pary ilustruje przemiana rozprężania czynnika roboczego R 507a pomiędzy trzecim punktem 3 i czwartym punktem 4, który znajduje się pomiędzy piątym punktem 5 wyznaczonym przez przecięcie izotermy skraplania przy temperaturze skraplania T_s=+10°C z izobarą skraplania przy ciśnieniu skraplania P_s=0,85 MPa i linią nasycenia LN rozdzielającą obszar pary przegrzanej od stanu dwufazowego, Ps=0,85 MPa, TS=+10°C i entalpią h5= 366,94 kJ/kg, a szóstym punktem 6 wyznaczonym przez przecięcie izotermy skraplania przy temperaturze skraplania Ts z izobarą skraplania przy ciśnieniu skraplania Ps i linią nasycenia LN rozdzielającej ciecz od stanu dwufazowego, o parametrach Ps=0,85 MPa, TS=+10°C i entalpią h6=212,33 kJ/kg. Ponadto, temperaturę parowania Tp i ciśnienie parowania Pp w parowaczu ZC1 oraz temperaturę skraplania Ts i ciśnienie skraplania Ps w skraplaczu ZC2 reguluje się jednym układem ziębno - grzejnym, którego pierwszy wymiennik umieszcza się parowaczu ZC1, a drugi wymiennik się w skraplaczu ZC2, przy czym ilością ciepła doprowadzanego do parowacza ZC1 reguluje się umieszczonym przed parowaczem ZC1, dodatkowym wymiennikiem ciepła WD odprowadzającym jego nadmiar na zewnątrz układu.

P r z y k ł a d 9

Urządzenie do uzyskiwania energii z przemian termodynamicznych gazu, wykonane jak w przykładzie ósmym z tą różnicą, że układ ziębno - grzejny ochładzany jest dodatkowym wymiennikiem ciepła WD włączonym jest pomiędzy parowacz ZC1 i zawór redukcyjny ZR1.

P r z y k ł a d 10

Urządzenie do uzyskiwania energii z przemian termodynamicznych gazu, wykonane jak w przykładzie trzecim z tą różnicą, że układ ziębno - grzejny wyposażony jest w wymiennik zwrotny WZ, który reguluje temperaturę parowania Tp i ciśnienie parowania Pp w parowaczu ZC1.

P r z y k ł a d 11

Urządzenie do uzyskiwania energii z przemian termodynamicznych gazu, wykonane jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że pomiędzy pompę cieczy PW1 i przestrzeń cieczową parowacza ZC1 włączony jest wstępny podgrzewacz cieczy WN regulowany zaworem regulacyjnym ZT1. W rozwiązaniu tym, silnik pneumatyczny SP i pompę cieczy PW1 stanowi napęd pneumo-hydrauliczny, przy czym przestrzeń parowa parowacza ZC1 połączona jest przewodami rurowymi, poprzez dwa zawory doprowadzające parę ZPd, z silnikiem pneumatycznym SP, który z kolei połączony jest przewodami rurowymi, poprzez dwa zawory odprowadzające parę ZPo z przestrzenią parową skraplacza ZC2. Przestrzeń cieczowa skraplacza ZC2 połączona jest przewodami rurowymi poprzez dwa zawory doprowadzające ciecz ZCd, z pompą cieczy PW1, która z kolei połączona jest przewodami rurowymi poprzez dwa zawory odprowadzające ciecz ZCo z przestrzenią cieczową parowacza ZC1, przy czym objętość

PL 217 327 B1 silnika pneumatycznego SP jest większa 15 razy od objętości pompy cieczy PW1. Ponadto silnik pneumatyczny SP wyposażony jest w tłok parowy TP, połączony sztywno z przekładnią mechaniczną PZ, natomiast pompa cieczy PW1 wyposażona jest w tłok cieczowy TC połączony sztywno z napędem NA. W urządzeniu tym, pompę cieczy PW1 zasila się napędem zewnętrznym NA. Przemiana parowania dwutlenku węgla realizowana jest pomiędzy drugim punktem 2 przy ciśnieniu parowania Pp=4,50 MPa, temperaturze parowania Tp=+10°C oraz entalpii h2=225,47 kJ/kg i trzecim punktem 3 przy ciśnieniu parowania Pp=4,50 MPa, temperaturze parowania Tp=+10°C oraz entalpii h3=423,3 kJ/kg, ponadto przebiega przy objętości właściwej dla pary nasyconej v3=0,00743 m³/kg. Trzeci punkt 3 wyznaczony jest przez przecięcie izotermy parowania przy temperaturze parowania Tp z izobarą parowania przy ciśnieniu parowania Pp i linią nasycenia LN rozdzielającą obszar pary przegrzanej od stanu dwufazowego. Wypływ pary ilustruje przemiana rozprężania dwutlenku węgla pomiędzy trzecim punktem 3 i czwartym punktem 4, który znajduje się pomiędzy piątym punktem 5 wyznaczonym przez przecięcie izotermy skraplania przy temperaturze skraplania Ts=0°C z izobarą skraplania przy ciśnieniu skraplania Ps=3,49 MPa i entalpią h5=431,05 kJ/kg, oraz linią nasycenia LN rozdzielającą obszar pary przegrzanej od stanu dwufazowego, a szóstym punktem 6 wyznaczonym przez przecięcie izotermy skraplania przy temperaturze skraplania Ts z izobarą skraplania przy ciśnieniu skraplania Ps i linią nasycenia LN rozdzielającą ciecz od stanu dwufazowego, o parametrach ciśnienia skraplania P_s=3,49 MPa, temperatury skraplania T_s=0°C i entalpii h₆=200kJ/kg.

P r z y k ł a d 12

Urządzenie do uzyskiwania energii z przemian termodynamicznych gazu, wykonane jak w przykładzie trzecim oraz jedenastym z tą różnicą, że do obiegu wtórnego wstępnego podgrzewacza cieczy WN włączony układ ziębno - grzejny stanowiący zewnętrzne źródło ciepła GC i zewnętrzne źródło chłodu DC, przy czym układ ziębno - grzejny ma dwa elementy grzejne połączone równolegle i usytuowane w cieczy podgrzewacza ZC1 i w cieczy skraplacza ZC2 oraz element ziębniczy usytuowany w skraplaczu ZC2 połączone ze sobą jedną sprężarką S1, S2 i jednym zaworem rozprężnym ZR1, ZR2, ponadto w przewód wyjściowy sprężarki S1, S2 włączony jest zawór regulacyjny ZT1, ZT2. W urządzeniu tym, temperaturę parowania Tp i ciśnienie parowania Pp w parowaczu ZC1 oraz temperaturę skraplania Ts i ciśnienie skraplania Ps w skraplaczu ZC2 reguluje się układem ziębno - grzejnym, którego pierwszy wymiennik umieszcza się w części cieczowej parowacza ZC1, a drugi wymiennik umieszcza się w części parowej skraplacza ZC2, ponadto układ ziębno - grzejny ma dodatkowy wymiennik umieszczony w części cieczowej skraplacza ZC2 i połączony równolegle poprzez zawory regulacyjne ZT1, ZT2 z pozostałymi wymiennikami.

P r z y k ł a d 13

Urządzenie do uzyskiwania energii z przemian termodynamicznych gazu, wykonane jak w przykładzie jedenastym z tą różnicą, że tłok parowy TP silnika pneumatycznego SP i tłok cieczowy TC pompy cieczy PW1 połączone są sztywno łącznikiem RM, który z kolei połączony jest z przekładnią mechaniczną PZ. Pole powierzchni przekroju poprzecznego tłoka parowego TP silnika pneumatycznego SP jest większe 15 razy od pola powierzchni przekroju poprzecznego tłoka cieczowego TC pompy cieczy PW1. Ponadto parowacz ZC1 i skraplacz (ZC2) wyposażone są we wskaźniki poziomu cieczy PC oraz zawory napełniające i opróżniające. Czynnikiem roboczym w tym urządzeniu, jest ochłodzony i skroplony ciekły dwutlenek węgla, który ze skraplacza ZC2, pompą cieczy PW1 pompuje się do parowacza ZC1 poprzez wstępny podgrzewacz cieczy WN włączony w układ poprzez zawór regulacyjny ZT1. Sposób ten realizowany jest na dwóch poziomach ciśnienia, odwzorowanych na wykresie fazowym z fig. 1. Ciekły dwutlenek węgla podgrzewany jest we wstępnym podgrzewaczu cieczy WN, a energia cieplna pobierana jest z górnego źródła ciepła GC, w ilości odpowiadającej różnicy entalpii Ah pomiędzy pierwszym punktem 1 wyznaczonym przez przecięcie izotermy skraplania przy temperaturze skraplania Ts z izobarą parowania przy ciśnieniu parowania Pp, o parametrach Pp=3,97 MPa, Tp=-5°C, entalpii h1=188 kJ/kg w obszarze cieczy przechłodzonej i drugim punktem 2 wyznaczonym przez przecięcie izotermy parowania przy temperaturze parowania Tp z izobarą parowania przy ciśnieniu parowania Pp i linią nasycenia LN rozdzielającą dwutlenek węgla od stanu dwufazowego, o parametrach Pp=3,97 MPa i Tp=+5°C i entalpii h2=212 kJ/kg. W drugim punkcie 2 dwutlenek węgla znajduje się w stanie nasyconym i transportowany jest dalej przewodami rurowymi do parowacza ZC1, w którym podgrzewa się go aż do wrzenia przy stałym ciśnieniu. W parowaczu ZC1 wrzący dwutlenek węgla odparowuje, a strumień pary jest wprost proporcjonalny do strumienia dostarczonego ciepła i odwrotnie proporcjonalny do ciepła parowania dwutlenku węgla. Przemiana parowania dwutlenku węgla realizowana jest pomiędzy drugim punktem 2 i trzecim punktem 3 i przebiega przy

PL 217 327 B1 ciśnieniu parowania Pp=3,97 MPa, temperaturze parowania Tp=+5°C, oraz entalpii h3=427 kJ/kg przy objętości właściwej dla pary nasyconej v3=0,00875m³/kg. Trzeci punkt 3 wyznaczony jest przez przecięcie izotermy parowania przy temperaturze parowania Tp z izobarą parowania przy ciśnieniu parowania Pp i linią nasycenia LN rozdzielającą obszar pary przegrzanej od stanu dwufazowego. Strumień par dwutlenku węgla wprowadzany jest do silnika pneumatycznego SP, wypełnia go i równocześnie przesuwa tłok parowy TP ruchem jednostajnym lub zmiennym. Charakter tego ruchu uzależniony jest od intensywności przemiany parowania oraz temperatury górnego źródła ciepła GC. W chwili, gdy tłok parowy TP silnika pneumatycznego SP przesunie się w położenie skrajne następuje zamknięcie zaworu doprowadzającego parę ZPd, którym reguluje się dopływ pary do wypełnianej przestrzeni znajdującej się po lewej i prawej stronie tłoka parowego TP i jednocześnie otwiera się zawór doprowadzający parę ZPd do wypełnianej przestrzeni znajdującej się po lewej i prawej stronie tłoka parowego TP regulującego dopływ pary. W tym samym momencie po lewej i prawej stronie tłoka parowego TP otwierają się zawory odprowadzające parę ZPo, którą była wypełniona przestrzeń po lewej i prawej stronie tłoka parowego TP silnika pneumatycznego SP, do skraplacza ZC2. Wypływ pary z przestrzeni po lewej i prawej stronie tłoka parowego TP silnika pneumatycznego SP do skraplacza ZC2, ilustruje przemiana rozprężania pomiędzy trzecim punktem 3 i czwartym punktem 4, który znajduje się pomiędzy piątym punktem 5 wyznaczonym przez przecięcie izotermy skraplania przy temperaturze skraplania Ts z izobarą skraplania przy ciśnieniu skraplania Ps i linią nasycenia LN rozdzielającą obszar pary przegrzanej od stanu dwufazowego, Ps=3,05 MPa, Ts=-5°C i entalpii h5=433,46 kJ/kg, a szóstym punktem 6 wyznaczonym przez przecięcie izotermy skraplania przy temperaturze skraplania Ts z izobarą skraplania przy ciśnieniu skraplania Ps i linią nasycenia LN rozdzielającą ciecz od stanu dwufazowego, o parametrach Ps=3,05 MPa, Ts=-5°C i entalpii h6=188,23 kJ/kg. Ciepło skraplania dwutlenku węgla, który wpłynął do skraplacza ZC2, odbierane jest i rozpraszane dolnym źródłem ciepła DC, co powoduje skroplenie dwutlenku węgla przy stałym ciśnieniu skraplania Ps. Ilość cieczy nasyconej wytworzonej w przemianie skraplania jest uzależniona od intensywności przemiany skraplania oraz temperatury dolnego źródła ciepła DC. Przemianę skraplania ilustruje przemiana pomiędzy czwartym punktem 4 i szóstym punktem 6. Pompą cieczy PW1 pompuje się ciekły dwutlenek węgla, rurociągiem przez zawór doprowadzający ciecz ZCd do przestrzeni, po lewej i prawej stronie tłoka cieczowego TC. Ruch tłoka tej pompy PW1 wymuszany jest tłokiem silnika pneumatycznego SP za pomocą łącznika RM. W chwili, gdy otwarty jest zawór doprowadzający ciecz ZCd po lewej i stronie tłoka silnika pneumatycznego SP, otwarty jest również zawór odprowadzający ciecz ZCo z przestrzeni znajdującej się po przeciwnej stronie pompy PW1. Ruch tłoka cieczowego TC w prawo albo lewo powoduje przetłaczanie cieczy nasyconej do wstępnego podgrzewacza cieczy WN pracującego przy ciśnieniu parowania cieczy Pp w pierwszym punkcie 1. W celu pokonania różnicy sił wynikających z różnicy ciśnień pomiędzy izobarą parowania i skraplania, ciecz doprowadzaną do pompy cieczy PW1 i ciecz parującą w parowaczu ZC1, przetłacza się tłokami TP, TC o różnych powierzchniach przekrojów poprzecznych, przy czym przekrój poprzeczny tłoka parowego TP jest większy niż przekrój poprzeczny tłoka cieczowego TC. Ze względu na fakt, że ilość energii koniecznej do przetłoczenia cieczy jest mniejsza niż ilość energii, jaka jest generowana przez przemiany fazowe, nadwyżka tej energii kierowana jest przez przekładnie mechaniczną PZ połączoną z łącznikiem RM, do zewnętrznego odbiornika energii G. Urządzenie do uzyskiwania energii z przemian termodynamicznych gazu wytwarza energię uzyskaną z przemian fazowych realizowanych w prawobieżnym obiegu termodynamicznym zgodnie z punktami 1, 2, 3, 4 i 6 zaznaczonymi na wykresie fazowym, realizowanym na dwóch poziomach ciśnienia.

Autorom niniejszego rozwiązania, nie są znane urządzenia do uzyskiwania energii z przemian fazowych realizowanych z czynnikiem roboczym przemieszczanym ciągle w układzie pracującym w prawobieżnym zamkniętym obiegu termodynamicznym oraz uzyskiwania energii mechanicznej z przemian parowania i skraplania, która może być przetwarzana na inne formy energii. Do realizacji tych przemian czynnikiem roboczym może być dowolny płyn, a w szczególności płyn stosowany w chłodnictwie, ogrzewnictwie, klimatyzacji i w mechanice płynów, w którym zachodzą przemiany parowania i skraplania w przedziale temperatur.

Objętość silnika pneumatycznego SP, która jest znacznie większa od objętości pompy cieczy PW1, może być regulowania zarówno długościami silnika pneumatycznego SP i pompy cieczy PW1, jak również wielkością ich wewnętrznego przekroju poprzecznego, które są praktycznie równe polom powierzchni tłoków parowego TP i cieczowego TC. Stosunek objętości silnika pneumatycznego SP do objętości pompy cieczy PW1, jest ściśle uzależniony od rodzaju użytego czynnika roboczego oraz

PL 217 327 B1 wartości temperatur i ciśnień, przy których prowadzone będą przemiany parowania i skraplania w obiegu prawobieżnym.

Wykaz oznaczeń na rysunku:

DC - dolne źródło ciepła,

GC - górne źródło ciepła,

M - czujnik ciśnienia,

NA - napęd zewnętrzny,

PW - pompa cieczy,

RM - łącznik,

S1 - pierwsza sprężarka,

S2 - druga sprężarka,

SP - silnik pneumatyczny,

T - czujnik temperatury,

TC - tłok cieczowy,

TP - tłok parowy,

UZ - wymiennik układu ziębniczego,

WD - dodatkowy wymiennik ciepła,

WN - wstępny podgrzewacz cieczy,

WO - wymiennik odzyskiwania energii WP - wymiennik pośredni,

WZ - wymiennik zwrotny,

ZC1 - parowacz,

ZC2 - skraplacz,

ZCd - zawór doprowadzający ciecz,

ZCo - zawór odprowadzający ciecz,

ZM - zawór dławiący,

ZO - zawór odcinający,

ZPd - zawór doprowadzający parę,

ZPo - zawór odprowadzający parę,

ZR1 - pierwszy zawór rozprężny,

ZR2 - drugi zawór rozprężny,

ZT1 - pierwszy zawór regulacyjny,

ZT2 - drugi zawór regulacyjny,

LN - linia nasycenia,

Pp - ciśnienie parowania,

Ps - ciśnienie skraplania,

Tp - temperatura parowania,

Ts - temperatura skraplania,

- pierwszy punkt,

- drugi punkt,

- trzeci punkt,

- czwarty punkt,

- piąty punkt,

- szósty punkt.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Urządzenie do uzyskiwania energii z przemian termodynamicznych gazu, znamienne tym, że przestrzeń parowa parowacza (ZC1) połączona jest poprzez silnik pneumatyczny (SP) z przestrzenią parową skraplacza (ZC2), natomiast przestrzeń cieczowa skraplacza (ZC2) połączona jest poprzez pompę cieczy (PW1) z przestrzenią cieczową parowacza (ZC1), przy czym parowacz (ZC1), silnik pneumatyczny (SP), skraplacz (ZC2) i pompa cieczy (PW1) stanowią układ pracujący w obiegu zamkniętym, ponadto przestrzeń cieczowa parowacza (ZC1) podgrzewana jest zewnętrznym źródłem ciepła (GC), natomiast skraplacz (ZC2) ochładzany jest zewnętrznym źródłem chłodu (DC).

PL 217 327 B1

2. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że parowacz (ZC1) i/lub skraplacz (ZC2) wyposażone są czujnik temperatury (T) i/lub czujnik ciśnienia (M).

3. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że pomiędzy silnik pneumatyczny (SP) i zawór dławiący (ZM) połączony ze skraplaczem (ZC2), włączony jest pierwszymi wejściami wymiennik odzyskiwania energii (WO), którego drugie wejścia połączone są z pompą cieczy (PW1) i parowaczem (ZC1).

4. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że zewnętrzne źródło ciepła (GC) i zewnętrzne źródło chłodu (DC) stanowi, co najmniej jeden układ ziębno - grzejny pracujący w obiegu zamkniętym, w którego obieg włączona jest jedna sprężarka (S1, S2) i jeden zawór rozprężny (ZR1, ZR2).

5. Urządzenie, według zastrz. 4, znamienne tym, że ma dwa układy ziębno - grzejne pracujące w obiegu zamkniętym, w którego obieg włączona jest jedna sprężarka (S1, S2) i jeden zawór rozprężny (ZR1, ZR2), przy czym układy te połączone są wymiennikiem pośrednim (WP).

6. Urządzenie, według zastrz. 4, znamienne tym, że ma dodatkowy układ ziębno - grzejny ochładzający parowacz (ZC1), w którego obieg włączona jest jedna sprężarka (S1, S2) i jeden zawór rozprężny (ZR1, ZR2) oraz wyposażony jest w wymiennik układu ziębniczego (UZ).

7. Urządzenie, według zastrz. 4, znamienne tym, że ma dodatkowy układ ziębno - grzejny podgrzewający skraplacz (ZC1), w którego obieg włączona jest jedna sprężarka (S1, S2) i jeden zawór rozprężny (ZR1, ZR2) oraz wyposażony jest w wymiennik układu ziębniczego (UZ).

8. Urządzenie, według zastrz. 4, znamienne tym, że ma dodatkowy układ ziębno - grzejny ochładzający skraplacz (ZC1), w którego obieg włączona jest jedna sprężarka (S1, S2) i jeden zawór rozprężny (ZR1, ZR2) oraz wyposażony jest w wymiennik układu ziębniczego (UZ).

9. Urządzenie, według zastrz. 4, znamienne tym, że układ ziębno - grzejny wyposażony jest w dodatkowy wymiennik ciepła (WD).

10. Urządzenie, według zastrz. 4, znamienne tym, że układ ziębno - grzejny wyposażony jest w wymiennik zwrotny (WZ).

11. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że pomiędzy pompę cieczy (PW1) i przestrzeń cieczową parowacza (ZC1) włączony jest wstępny podgrzewacz cieczy (WN) regulowany zaworem regulacyjnym (ZT1, ZT2).

12. Urządzenie, według zastrz. 11, znamienne tym, że do obiegu wtórnego wstępnego podgrzewacza cieczy (WN) włączony jest układ ziębno - grzejny stanowiący zewnętrzne źródło ciepła (GC) i zewnętrzne źródło chłodu (DC), przy czym układ ziębno - grzejny ma dwa elementy grzejne połączone równolegle i usytuowane w podgrzewaczu (ZC1) i w skraplaczu (ZC2) oraz element ziębniczy usytuowany w skraplaczu (ZC2) połączone ze sobą jedną sprężarką (S1, S2) i jednym zaworem rozprężnym (ZR1, ZR2), ponadto w przewód wyjściowy sprężarki (S1, S2) włączony jest zawór regulacyjny (ZT1, ZT2).

13.Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że pomiędzy pompę cieczy (PW1) i przestrzeń cieczową parowacza (ZC1) włączony jest wstępny podgrzewacz cieczy (WN) regulowany pierwszym zaworem regulacyjnym (ZT1).

14. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że silnik pneumatyczny (SP) i pompę cieczy (PW1) stanowi napęd pneumo-hydrauliczny, przy czym przestrzeń parowa parowacza (ZC1) połączona jest przewodami rurowymi, poprzez co najmniej jeden zawór doprowadzający parę (ZPd) z silnikiem pneumatycznym (SP), który z kolei połączony jest przewodami rurowymi, poprzez co najmniej jeden zawór odprowadzający parę (ZPo) z przestrzenią parową skraplacza (ZC2), natomiast przestrzeń cieczowa skraplacza (ZC2) połączona jest przewodami rurowymi poprzez, co najmniej jeden zawór doprowadzający ciecz (ZCd) z pompą cieczy (PW1), która z kolei połączona jest przewodami rurowymi poprzez co najmniej zawór odprowadzający ciecz (ZCo) z przestrzenią cieczową parowacza (ZC1).

15. Urządzenie, według zastrz. 14, znamienne tym, że objętość silnika pneumatycznego (SP) jest znacznie większa od objętości pompy cieczy (PW1).

16. Urządzenie, według zastrz. 14, znamienne tym, że silnik pneumatyczny (SP) wyposażony jest w tłok parowy (TP) połączony sztywno z przekładnią mechaniczną (PZ), natomiast pompa cieczy (PW1) wyposażona jest w tłok cieczowy (TC) połączony sztywno z napędem (NA).

17. Urządzenie, według zastrz. 14, znamienne tym, że silnik pneumatyczny (SP) wyposażony jest w tłok parowy (TP), a pompa cieczy (PW1) wyposażona jest w tłok cieczowy (TC), przy czym tłoki (TP, TC) połączone są sztywno łącznikiem (RM), który z kolei połączony jest z przekładnią mechaniczną (PZ).

PL 217 327 B1

18. Urządzenie, według zastrz. 14, znamienne tym, że pole powierzchni przekroju poprzecznego tłoka parowego (TP) silnika pneumatycznego (SP) jest znacznie większe od pola powierzchni przekroju poprzecznego tłoka cieczowego (TC) pompy cieczy (PW1).

19. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że parowacz (ZC1) i skraplacz (ZC2) wyposażone są we wskaźniki poziomu cieczy (PC).

20. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym , że parowacz (ZC1) i skraplacz (ZC2) wyposażone są w zawory napełniające i opróżniające.