PL240516B1

PL240516B1 - Maszyna parowa

Info

Publication number: PL240516B1
Application number: PL424234A
Authority: PL
Inventors: Jurij DOBRIAŃSKI; Jurij Dobriański; Artur BŁASZCZYK; Artur Błaszczyk; Marek Samsel
Original assignee: Dobrianski Jurij
Priority date: 2018-01-09
Filing date: 2018-01-09
Publication date: 2022-04-19
Also published as: WO2019139493A1; PL424234A1; EP3737838A1

Abstract

Maszyna parowa, wyposażona w dwie komory: komorę wymiennikową złożoną z parownika i skraplacza, umieszczonego pod parownikiem, i komorę pompującą z tłokiem cieczowym o przekroju istotnie większym od przekroju komory wymiennikowej, które są połączone między sobą górnym kanałem parowym, a połączone dołem kanałem cieczowym; pojemnik magazynujący z przeponą podatną, podłączony do dolnej części komory pompującej; oraz układ pompujący o dwóch zaworach zwrotnych, charakteryzuje się tym, że na ścianach komory pompującej (1) zamontowany jest wymiennik komory pompującej (2), obejmujący strefę parową i strefę zmiany poziomu cieczy w komorze pompującej, a do komory wymiennikowej (4) wprowadzona jest niskowrząca substancja, która nie rozpuszcza się w cieczy tłokowej (11), ma gęstość mniejszą od gęstości cieczy tłokowej (11) i ma temperaturę wrzenia niższą niż temperatura wrzenia cieczy tłokowej. Korzystnym jest, gdy substancją niskowrząca jest niskowrzący węglowodór, a cieczą tłokową jest woda lub jej roztwór z inną substancją o wyższej temperaturze wrzenia.

Description

PL 240 516 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest maszyna parowa zasilana ze źródeł ciepła o niskim potencjale (t < 100°C), która może być stosowana w różnych dziedzinach gospodarki, tam gdzie jest możliwość łatwego dostępu do źródła ciepła o niewysokiej temperaturze, na przykład kolektorów słonecznych, złóż gruntowych, lub ze źródeł ciepła odpadowego, oraz tam, gdzie zachodzi potrzeba wykonania pracy mechanicznej, szczególnie do wymuszenia cyrkulacji nośnika ciepła w obiegach konwekcyjnych, do pompowania wody pitnej ze studni, do nawadniania upraw rolnych lub do celów melioracji, do pompowania cieczy technologicznych itp.

Najbliższym rozwiązaniem technicznym do niniejszego wynalazku jest „Pompa wprowadzana w ruch ciepłem” (Thermally Actuated Pump) opisana w patencie GB2017227. Wynalazek ten należy do klasy oscylatorów płynowych (ang. fluidic oscilator), czyli samoczynnych urządzeń, które mogą wykonywać korzystną pracę w sposób cykliczny w oparciu o wykorzystanie termo- hydrodynamicznych rozpraszających (dysypatywnych) i pojemnościowych procesów, które przebiegają w warunkach działania sprężenia zwrotnego bez jakichkolwiek zewnętrznych elementów sterujących.

Wynalazek wg patentu EP1753954, posiada niektóre dodatkowe sposoby realizacji tej samej zasady jak i patent GB2017227, ale jest bardziej zawiły wskutek próby rozszerzenia zasięgu jego prawomocności na bardziej szeroki zakres typów oscylatorów płynowych oraz przez wykorzystanie uogólnionego opisania takich oscylatorów w formie schematu elektrycznego.

Wynalazek GB2017227A, opisuje pompę, która wykorzystuje zmienne ciśnienie pary czynnika roboczego do przemieszczenia płynu w komorze pompowania. Taka pompa jest wprowadzana w ruch silnikiem cieplnym o parowym obiegu termodynamicznym i zawiera: dwie komory do umieszczania w nim cieczy, która może być przemieszczana w tych komorach; kanał dla przepływu pary między komorami, w celu utrzymania wspólnego ciśnienia pary na cieczy w każdej z komór; kanał dla przepływu cieczy pomiędzy każdą ze wspomnianych komór; środki do cyklicznej zmiany wspólnego ciśnienia pary w fazie z oscylacyjnym przemieszczeniem cieczy w jednej z komór w taki sposób, aby spowodować oscylacyjne przemieszczenie cieczy w drugiej komorze; środki do utworzenia różnicy faz między oscylacyjnym przemieszczeniem cieczy w stosownych komorach w celu pobudzenia sprzężenia zwrotnego dla generowania dalszego oscylacyjnego przemieszczenia cieczy, a tym samym do cyklicznego działania pompy.

Środkiem do przesunięcia faz jest wykorzystanie oporu lepkościowego kanału cieczowego tak, aby opóźniać przemieszczanie cieczy w jednej z komór. W szczególności, zmiana oporu lepkościowego może być dokonana poprzez dławienie przepływu cieczy w kanale cieczowym przy pomocy elementów, które mają możliwość ustawienia różnej wielkości oporu lepkościowego.

Środki do zmiany wspólnego ciśnienia pary realizowane są poprzez zorganizowanie w jednej z komór dwóch przedziałów posiadających różne temperatury oraz przemieszczenie pomiędzy tymi przedziałami powierzchni rozdziału faz ciecz/para czynnika roboczego. Powierzchnia normalnego przekroju poprzecznego komór jest istotnie mniejsza w komorze, gdzie znajdują się przedziały o różnej temperaturze, niż w drugiej komorze.

W powyższych rozwiązaniach, a także w innych maszynach cieplnych wykorzystanie wody, jako czynnika roboczego przy temperaturze poniżej 100°C jest uciążliwe. Chociaż para wodna posiada najlepsze właściwości termodynamiczne i użytkowe, ale powszechnie stosowana jest tylko przy temperaturach powyżej 100°C. Poniżej 100°C ciśnienie pary wodnej jest mniejsze od atmosferycznego, co grozi zasysaniem powietrza do układu. Zassane powietrze nawet w małych ilościach bardzo hamuje i nawet może uniemożliwić proces skraplania pary. W tym przypadku stosuje się niskowrzące czynniki robocze znane jako czynniki chłodnicze. Wykorzystanie znacznej masy czynników chłodniczych zwykle mierzonej w setkach gramów lub w kilogramach także jest niepożądane wskutek ich wysokich kosztów i szkodliwości dla środowiska i dla ludzi. Wielokrotne zmniejszenie masy potrzebnego czynnika niskowrzącego w układzie można osiągnąć przez zastąpienie ciekłej fazy czynnika niskowrzącego przez substancję o wyższej temperaturze wrzenia, na przykład wodą lub jej roztworem, który nie rozpuszcza w sobie niskowrzącego czynnika roboczego. Podobne rozwiązania były proponowane w patentach, które dotyczą termosyfonów konwencjonalnych JP2009052757 i antygrawitacyjnych PL217073, jednak te urządzenia mają inne przeznaczenie i inne rozwiązania konstrukcyjne.

Według wynalazku maszyna parowa wyposażona w dwie komory: komorę wymiennikową złożoną z parownika i skraplacza, umieszczonego pod parownikiem, i komorę pompującą z tłokiem cieczowym o przekroju istotnie większym od przekroju komory wymiennikowej, które są połączone między

PL 240 516 B1 sobą górnym kanałem parowym, a połączone dołem kanałem cieczowym; pojemnik magazynujący z przeponą podatną, podłączony do dolnej części komory wymiennikowej; oraz układ pompujący zawierający źródło cieczy użytkowej, zasobnik pompowanej cieczy użytkowej i dwa zawory zwrotne, charakteryzuje się tym, że na ścianach komory pompującej zamontowany jest wymiennik komory pompującej, obejmujący strefę parową i strefę zmiany poziomu cieczy w komorze pompującej, a komora wymiennikowa zawiera niskowrzącą substancję, która nie rozpuszcza się w cieczy tłokowej, ma gęstość mniejszą od gęstości cieczy tłokowej i ma temperaturę wrzenia niższą niż temperatura wrzenia cieczy tłokowej.

Korzystnie substancją niskowrzącą jest niskowrzący węglowodór, a cieczą tłokową o wyższej temperaturze wrzenia jest woda lub jej roztwór z inną substancją o wyższej temperaturze wrzenia.

W odmianie maszyny parowej w komorze pompującej na wyjściu ze spływowego kanału cieczowego zamontowany jest pływakowy zawór spływowy, który zbudowany jest z zastawki, połączonej z prowadnicą, na której umieszczone są dwa ograniczniki, między którymi znajduje się ruchomy pływak, przy czym wyjście ze spływowego kanału cieczowego oraz ogranicznik dolny są usytuowane poniżej skraplacza, a dodatkowo między komorą pompującą a komorą wymiennikową wprowadzony jest kanał wypełniający komorę wymiennikową, na wejściu którego w komorze pompującej zamontowany jest wypełniający zawór pływakowy, który zbudowany jest z pływaka wznoszącego zastawkę zaworu wypełniającego i prowadnicę zaworu wypełniającego, na której umieszczono dwa ograniczniki zaworu wypełniającego, przy czym pływak i ograniczniki zaworu wypełniającego są usytuowane w górnej części komory pompującej, ale poniżej kanału parowego.

W kolejnej odmianie wynalazku kanał wypełniający komorę wymiennikową jest wykonany w postaci syfonu wypełniającego, którego krótsza gałąź jest umieszczona w górnej części komory pompującej, a gałąź długa podłączona nieco poniżej do komory wymiennikowej.

Korzystne jest gdy między komorą wymiennikową a komorą pompującą umieszczone jest naczynie buforowe wyposażone w przeponę podatną lub wykonane jest bez przepony.

W kolejnej odmianie maszyna parowa z układem pompującym, charakteryzuje się tym, że źródło cieczy użytkowej usytuowane jest na wysokości, którą tworzy ciśnienie hydrostatyczne pomiędzy źródłem cieczy użytkowej a skraplaczem podczas skraplania większe niż ciśnienie manometryczne pary substancji niskowrzącej panujące w skraplaczu podczas skraplania, natomiast wysokość usytuowania zasobnika cieczy użytkowej tworzy ciśnienie hydrostatyczne między zasobnikiem a parownikiem mniejsze niż ciśnienie manometryczne pary substancji niskowrzącej panujące w parowniku podczas pompowania.

W kolejnej odmianie maszyna parowa z układem pompującym, charakteryzuje się tym, że maszyna parowa ma naczynie wzbiorcze i siłownik hydrauliczny, którego jedna strona jest podłączona do komory pompującej, a druga do naczynia wzbiorczego, które jest wypełnione całkowicie lub częściowo obojętnym gazem.

Korzystnie jest, że naczynie wzbiorcze posiada wymiennik ciepła umieszczony w cieczy, która częściowo wypełnia naczynie wzbiorcze, oraz warstwę substancji niskowrzącej o masie wystarczającej do wypełnienia swoją parą objętości naczynia wzbiorczego nie zajętej cieczą.

Niniejszy wynalazek posiada następujące zalety:

- praktyczna możliwość wykorzystania zasobów niskopotencjalnej energii cieplnej o temperaturze poniżej 100°C, na przykład, pochodzącej z odnawialnych źródeł energii lub z odpadowego ciepła,

- istotnie mniejsza ilość substancji niskowrzącej w porównaniu z innymi stosowanymi maszynami cieplnymi, które pracują w temperaturach poniżej 100°C z wykorzystaniem niskowrzących czynników roboczych. Na przykład, niezbędna ilość substancji niskowrzącej przy objętości cylindra roboczego 1 dm³ wynosi tylko 16 gramów przy wykorzystaniu pentanu lub 40 gramów przy wykorzystaniu butanu,

- wykorzystanie niskowrzących węglowodorów, jako czynników roboczych zamiast freonów, które są droższe i mogą być szkodliwe dla środowiska,

- możliwość łatwego wykorzystania maszyny parowej zarówno do pompowania innych cieczy jak i do wykonania pracy mechanicznej w postaci ruchu posuwisto-zwrotnego,

- możliwość stosowania w technologiach, związanych z produkcją i przetwórstwem, gdzie występuje zagrożenie wybuchem lub stosowane są materiały łatwopalne,

PL 240 516 B1

- prosta konstrukcja wskutek wykorzystania wodnych tłoków cieczowych, brak ruchomych elementów oprócz dwóch zaworów pływakowych, brak wykorzystania kosztownych materiałów, na przykład, pochodzących z wysoko rozwiniętych technologii,

- niski koszt produkcji,

- możliwość naprawy bez wykorzystania specjalnych i zaawansowanych narzędzi,

- cicha praca.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładach wykonania pokazanych na następujących rysunkach.

Fig. 1. Schemat ideowy maszyny parowej bez zaworów sterujących.

Fig. 2. Schemat ideowy maszyny parowej z pływakowymi zaworami sterującymi.

Fig. 3. Schemat ideowy maszyny parowej z pływakowymi zaworem spływowym i syfonem wypełniającym.

Fig. 4. Schemat ideowy maszyny parowej z pływakowymi zaworami sterującymi i naczyniem buforowym.

Fig. 5. Schemat ideowy maszyny parowej z pływakowymi zaworami sterującymi, naczyniem buforowym i układem pompującym ciecz użytkową.

Fig. 6. Wykres p_m_nas-t dla pentanu oraz wskazanie maksymalnej wysokości zasysania zssan i tłoczenia zpomp wody względem miejsca usytuowania maszyny parowej przy temperaturze wrzenia 50°C i temperaturze skraplania 20°C.

Fig. 7. Schemat usytuowania miejsc zasysania i tłoczenia wody względem miejsca położenia maszyny parowej przy temperaturze parownika 50°C, temperaturze skraplacza 20°C i przy wykorzystaniu pentanu, jako czynnika roboczego.

Fig. 8. Wykres p_m_nas-t dla butanu i wskazanie maksymalnej wysokości zasysania zssan i tłoczenia zpomp wody względem miejsca usytuowania maszyny parowej przy temperaturze wrzenia 50°C i temperaturze skraplania 20°C.

Fig. 9. Schemat usytuowania miejsc zasysania i tłoczenia wody względem miejsca położenia maszyny parowej przy temperaturze parownika 50°C, temperaturze skraplacza 20°C i przy wykorzystaniu butanu, jako czynnika roboczego.

Fig. 10. Schemat ideowy maszyny parowej z pływakowymi zaworami sterującymi, naczyniem buforowym, siłownikiem hydraulicznym i zamkniętym naczyniem wzbiorczym.

Fig. 11. Schemat ideowy maszyny parowej z pływakowymi zaworami sterującymi, naczyniem buforowym, siłownikiem hydraulicznym i zamkniętym naczyniem wzbiorczym, w którym umieszczona jest warstwa substancji niskowrzącej o regulowanej temperaturze.

P r z y k ł a d 1

Maszyna parowa wykonana jest w postaci układu zamkniętego (Fig. 1), który zawiera: komorę pompującą 1 z wymiennikiem ciepła 2, która górą połączona jest kanałem parowym 3 z komorą wymiennikową 4, a dołem kanałem cieczowym 5 wyposażonym w zawór dławiący 6. Komora pompująca 1 także połączona jest w swoje dolnej części z naczyniem magazynującym 7, który ma przeponę podatną 8. Komora wymiennikowa 4 ma dwie strefy o różnych temperaturach. Górna strefa jest ogrzewana i nazywana jest parownikiem 9, dolna strefa jest chłodzona i nazywana jest skraplaczem 10. Komora pompująca 1, kanał parowy 3, komora wymiennikowa 4 i kanał cieczowy 5 tworzą obwód hydrauliczny częściowo wypełniony cieczą tłokową 11, na przykład wodą, która tworzy tłok cieczowy. Przekroje komory wymiennikowej 4 normalne do przemieszczenia się cieczy w tej komorze są zasadniczo mniejsze od przekrojów komory pompującej 1 normalnych do przemieszczenia się cieczy w komorze pompującej 1.

Do komory wymiennikowej 4 wprowadzona jest niskowrząca substancja 12, na przykład węglowodór, która nie rozpuszcza się w cieczy tłokowej 11 i ma gęstość mniejszą od gęstości cieczy tłokowej 11, dzięki czemu unosi się na jej powierzchni w komorze wymiennikowej 4 w postaci warstwy. Para nasycona niskowrzącej substancji 12 tworzy ciśnienie, które jest potrzebne dla wytłaczania cieczy tłokowej 11 z komory pompującej 1 do naczynia magazynującego 7.

Maszyna pracuje w sposób następujący. Na początku, kiedy maszyna jest ochłodzona, ciśnienie w komorach 1 i 4 jest obniżone, poziom cieczy tłokowej 11 znajduje się w najwyższym położeniu i niskowrząca substancja 12 w postaci skroplin jest zgromadzona w górnej części maszyny. Po rozpoczęciu ogrzewania niskowrząca substancja 12 paruje, ciśnienie rośnie i jej para wytłacza ciecz tłokową 11 z komory pompującej 1 do naczynia magazynującego 7.

PL 240 516 B1

Ciecz przepływa przez kanał cieczowy 5, i poziom cieczy w komorze wymiennikowej 4 także zaczyna obniżać się. Jednak to obniżenie poziomu przebiega wolniej i z opóźnieniem wskutek działania oporu hydraulicznego kanału cieczowego 5. Przy takim działaniu poziom cieczy tłokowej 11 w komorze pompującej 1 obniży się znacznie więcej, niż w komorze wymiennikowej 4 i dojdzie poniżej skraplacza 10, dopóki poziom w komorze wymiennikowej 4 zejdzie poniżej parownika 9. Od tego momentu wytwarzanie pary zaniknie, ale poziom cieczy w komorze wymiennikowej 4 będzie nadal spadać wskutek istniejącej różnicy poziomów między komorami 1 i 4. Zmiana poziomu cieczy w komorze wymiennikowej 4 doprowadzi do tego, że nastąpi odsłonięcie powierzchni wymiany ciepła w skraplaczu 10. Skraplanie pary spowoduje obniżenie ciśnienia i wskutek tego zassanie cieczy z naczynia magazynującego 7 i szybki wzrost poziomu cieczy tłokowej 11 w komorze pompującej 1. Gdy poziom ten przekroczy wysokość poziomu cieczy w komorze wymiennikowej 4, zacznie się wypełnianie komory wymiennikowej 4 przez kanał cieczowy 5, ale opóźnienie wywoływane oporem hydraulicznym kanału cieczowego 5 doprowadzi do tego, że poziom cieczy z unoszoną na niej warstwą substancji niskowrzącej 12 opuści skraplacz 10 tylko po znacznym przewyższeniu poziomu w komorze pompującej 1 nad poziomem w komorze wymiennikowej 4. W końcowym wyniku ciecz z warstwą substancji niskowrzącej 12 dotrze do parownika 9 i osiągnie tam pewną wysokość, potrzebną dla kontynuacji cyklu pracy maszyny od początku.

P r z y k ł a d 2

W oscylatorach płynowych, opisanych w przykładzie 1 ciągle przebiegają procesy przemieszczenia cieczy w komorze wymiennikowej 4, co wywołuje ciągle zmiany pola powierzchni wymiany ciepła w parowniku 9 i skraplaczu 10, co z kolei doprowadza do obniżenia wydajności pracy maszyny parowej. Stosowanie zaworów sterujących, które zapewniają wypełnienie, opróżnienie i utrzymanie zadanych poziomów cieczy w komorze wymiennikowej 4, pozwoli zwiększyć wydajność pracy maszyny parowej. Jeden z wariantów realizacji takiej maszyny przedstawiono w tym przykładzie na Fig. 2.

Maszyna parowa wykonana jest w postaci układu zamkniętego, jak opisano w przykładzie 1 i charakteryzuje się tym, że w komorze pompującej 1 na wyjściu z kanału cieczowego 5 zamontowany jest spływowy zawór, zbudowany z zastawki 13, połączonej z prowadnicą 14, na której umieszczone są dwa ograniczniki 15, między którymi znajduje się ruchomy pływak 16. Wykonanie przekrojów komory wymiennikowej 4 istotnie mniejszymi niż przekroje komory pompującej 1 oraz usytuowanie wejścia do kanału cieczowego 5 i ograniczników 15 zaworu spływowego poniżej skraplacza 10 zapewniają pozostanie poziomu cieczy w naczyniu wymiennikowym 4 po zamknięciu zaworu spływowego poniżej skraplacza 10. Dodatkowo między komorami pompującą 1 i wymiennikową 4 wprowadzony jest kanał wypełniający 17, na wejściu którego w komorze pompującej zamontowany jest wypełniający zawór, który zbudowany jest z pływaka 18 wznoszącego zastawkę 19 i prowadnicy 20, na której umieszczono dwa ograniczniki 21, między którymi znajduje się ruchomy pływak 22, przy czym istotnie zwiększony przekrój normalny komory pompującej 1 w porównaniu z przekrojem normalnym komory wymiennikowej 4 oraz umieszczenie pływaka 22 i ograniczników 21 w górnej części komory pompującej 1 ale poniżej kanału parowego 3 zapewnia po zamknięciu zaworu wypełniającego 18 - 22 pozostanie poziomu cieczy w parowniku 9 komory wymiennikowej 4.

Maszyna pracuje w sposób następujący. Na początku, gdy maszyna jest ochłodzona, ciśnienie w komorach 1 i 4 jest obniżone, poziom cieczy tłokowej 11 znajduje się w najwyższym położeniu i niskowrząca substancja 12 w postaci skroplin jest zgromadzona w górnej części maszyny. Po rozpoczęciu ogrzewania niskowrząca substancja 12 paruje, ciśnienie rośnie i para wytłacza ciecz tłokową 11 z komory pompującej 1 do naczynia magazynującego 7. Po obniżeniu poziomu cieczy w komorze pompującej 1 do poziomu pływaka 16 zaworu spływowego pływak obniża się, naciska na dolny ogranicznik 15, przesuwa prowadnicę 14 razem z zastawką 13 w dół, i zawór spływowy otwiera się. Ciecz tłokowa 11 przepływa z komory wymiennikowej 4 do komory pompującej 1 przez kanał spływowy 5. Poziom cieczy w komorze wymiennikowej 4 obniża się, chłodząca powierzchnia skraplacza 6 odsłania się od cieczy tłokowej 11. Para, która przedostała się do skraplacza 10, skrapla się i zaczyna zasysać ciecz tłokową 11 z naczynia magazynującego 7 do komory pompującej 1. Podniesienie poziomu cieczy tłokowej 11 w komorze pompującej 1 powoduje wznoszenie pływaka 16, który opiera się o górny ogranicznik 15 zaworu spływowego, i zawór zamyka się. Skraplanie pary i podnoszenia poziomu w komorze pompującej 1 są kontynuowane. Po dotarciu poziomu cieczy tłokowej 11 w komorze pompującej 1 do pływaka 22 zaworu wypełniającego, zawór otwiera się, ciecz tłokowa 11 przepływa z komory pompującej 1 przez kanał wypełniający 17 do komory wymiennikowej 4. Poziom cieczy tłokowej 11 w komorze wymiennikowej 4 podnosi się. Razem z cieczą wznosi się warstwa skroplin substancji niskowrzącej 12

PL 240 516 B1 do parownika 9. Skropliny zaczynają wrzeć, ciśnienie rośnie, para naciska na ciecz tłokową 11 w komorze pompującej 1 i wtłacza ją do naczynia magazynującego 7. Pływak 22 zaworu wypełniającego także przesuwa się do dołu, zamyka zawór wypełniający, i cykl pracy zaczyna się od początku.

P r z y k ł a d 3

Odmianą wykonania maszyny parowej jest maszyna z pływakowym zaworem spływowym 13-16, w której zamontowany jest syfon 23 wypełniający jak na Fig. 3, którego krótsza gałąź jest umieszczona w górnej części komory pompującej 1, a gałąź długa podłączona nieco poniżej do komory wymiennikowej 4. Kolano syfonu 23 usytuowano w górnej części komory pompującej 1, a długość gałęzi krótkiej zapewnia podniesienie poziomu cieczy w komorze wymiennikowej 4 do parownika 9 przed tym, jak poziom cieczy w komorze pompującej 1 opuści się poniżej krótkiej gałęzi syfonu 23.

Działanie syfonu 23 wypełniającego przebiega w sposób następujący. Ciecz tłokowa 11, która podnosi się w komorze pompującej 1, także wchodzi do i podnosi się w krótkiej gałęzi syfonu 23. Po przekroczeniu wysokości kolana syfonu 23 ciecz tłokowa 11 z gałęzi krótkiej przechodzi do gałęzi długiej, pociągając za sobą ciecz z gałęzi krótkiej tak długo dopóki wejście do gałęzi krótkiej pozostaje pod poziomem cieczy w komorze pompującej 1. Przekrój komory pompującej 1 jest większy od przekroju komory wymiennikowej 4 i zapewnia podniesienie cieczy tłokowej 11 w komorze wymiennikowej 4 do poziomu parownika 9.

P r z y k ł a d 4

Ciecz tłokowa 11, ochłodzona w skraplaczu 10, przy otwartym zaworze spływowym przepływa z komory wymiennikowej 4 do komory pompującej 1, kiedy poziom w komorze pompującej 1 jest mały. Tam ona wymiesza się z gorącą cieczą tłokową 11 i podnosi swoją temperaturę (Fig. 4). Po otwarciu zaworu wypełniającego 18-22 ciecz tłokowa 11, ogrzana w komorze pompującej 1 i po podniesieniu cieczy 11 w komorze pompującej 1 wraca do komory wymiennikowej 4 i chłodzi się w skraplaczu 10. Jest to oczywista strata ciepła. W celu zmniejszenia wyżej wymienionej straty ciepła między komorą wymiennikową 4 a komorą pompującą 1 zostało umieszczono naczynie buforowe 24. Naczynie buforowe 24 wyposażone jest w przeponę podatną 25 lub może być bez niej. Objętość naczynia buforowego 24 jest wystarczająco duża, aby umieścić całą ciecz przepływającą na przemian między komorami 1 i 4. Dolna część komory pompującej 1, z której ciecz tłokowa 11 jest doprowadzana do naczynia buforowego 24, nie jest ogrzewana przez wymiennik 2 komory pompującej. Dlatego ciecz tłokowa 11, która wpływa z naczynia pompującego 1 do komory buforowej 24, jest mniej ogrzana, co zapewnia zmniejszenie straty ciepła z naczynia buforowego 24.

P r z y k ł a d 5

Ruch naprzemienny cieczy w naczyniu magazynującym 7 jest łatwo wykorzystywany do pompowania cieczy przy pomocy dołączonego do niego układu pompującego (Fig. 5), który składa się ze źródła 26 cieczy użytkowej, rury ssącej 27 z zaworem zwrotnym 28, oraz z zasobnika 31 cieczy użytkowej, rury tłocznej 30 z zaworem zwrotnym 29. Podczas pracy układu pompującego przepona podatna 8 naczynia magazynującego 7 praktycznie nie stawia oporu i nie przeszkadza przekazaniu ciśnienia pomiędzy maszyną parową a pompowaną cieczą użytkową. Ciśnienie pary substancji niskowrzącej 12 zależy od temperatury i jest różne w zależności od tego, czy skropliny znajdują się w parowniku 9 lub w skraplaczu 10. Dlatego do realizacji procesu pompowania ciśnienie hydrostatyczne ppomp w miejscu przyłączenia rury tłocznej 30 do maszyny parowej powinno być mniejsze od ciśnienia pary ppar w parowniku 9: ppomp > ppar, a ciśnienie hydrostatyczne pssan w miejscu przyłączenia rury ssącej 27 do maszyny parowej powinno być większe od ciśnienia pary pskrw skraplaczu 10: pssan > pskr.

Maszyna parowa z układem pompującym pracuje w sposób następujący. Podczas skraplania ciśnienie obniża się, zawór zwrotny 28 rury ssącej 27 otwiera się, i ciecz użytkowa, na przykład woda, zasysana jest do naczynia magazynującego 7 przez rurę ssącą 27. Zasysanie może przebiegać tylko wtedy, gdy ciśnienie pskr w skraplaczu 10 będzie mniejsze niż ciśnienie w rurze ssącej 27 na wejściu do maszyny parowej: pskr < pdoi. Jeżeli substancją niskowrzącą 12 będzie pentan, a temperatura w skraplaczu 10 będzie wynosiła 20°C, to ciśnienie bezwzględne w skraplaczu 10 będzie wynosiło 56,5 kPa, co odpowiada podciśnieniu 44,8 kPa. To oznacza, że woda użytkowa w normalnych warunkach fizycznych może być zasysana z głębokości nie więcej niż 4,57 m.

Podczas parowania i wtłaczania wody użytkowej do zasobnika 31 zawór zwrotny ssący 28 zamyka się, a tłoczny 29 otwiera się. Wtłaczanie cieczy może przebiegać tylko wtedy, gdy ciśnienie w parowniku 9 jest większe niż ciśnienie na wyjściu rury tłocznej 30 z maszyny parowej. Przy temperaturze wrzenia 50°C ciśnienie pary nasyconej pentanu stanowi 159 kPa, co odpowiada ciśnieniu manometrycznemu 57,9 kPa przy normalnych warunkach fizycznych. To oznacza, że ciśnienie pary pentanu

PL 240 516 B1 może podnieść wodę na wysokość nie większą jak 5,9 m. A więc w przypadku, stosowania pentanu jako czynnika roboczego, maksymalna teoretyczna wysokość podnoszenia cieczy wyniesie około 10 m przy temperaturze parownika 9 tpar = 50°C, a skraplacza 10 tskr = 20°C.

Na Fig. 6 i Fig. 7 pokazany jest wykres p_m_nas-t zależności ciśnienia manometrycznego pary nasyconej pentanu wyrażonego w metrach słupa H2O w zależności od temperatury, oraz maksymalne wysokości miejsca zasysania zssan = 4,6 m i tłoczenia zpomp = 5,9 m wody użytkowej względem miejsca położenia maszyny parowej przy temperaturze parownika 50°C i temperaturze skraplacza 20°C.

Przy wykorzystaniu butanu ciśnienie bezwzględne w maszynie parowej wynosi 207 kPa w skraplaczu 10, którego temperatura stanowi 20°C, oraz 496 kPa w parowniku 9 przy temperaturze 50°C. Maksymalnie teoretycznie możliwe podnoszenie cieczy w tym przypadku może osiągnąć 29 metrów.

Wykres p_m_nas-t zależności ciśnienia manometrycznego pary nasyconej butanu wyrażonego w metrach słupa H2O w zależności od temperatury, oraz maksymalne wysokości miejsca zasysania zssan i tłoczenia zpomp wody użytkowej względem miejsca położenia maszyny parowej przy temperaturze parownika 50°C i temperaturze skraplacza 20°C są pokazane na Fig. 8 i 9.

P r z y k ł a d 6

W celu pobierania z maszyny parowej pracy mechanicznej w postaci ruchu posuwisto-zwrotnego, do komory pompującej 1 podłączony jest dwustronny siłownik hydrauliczny 32, którego druga strona połączona jest do naczynia wzbiorczego 33 (Fig. 10). Ciśnienie w naczyniu wzbiorczym 33 jest ustalone o wartości pośredniej pomiędzy ciśnieniem pary w parowniku 9 ppar i w skraplaczu 10 pskr. W tym przypadku jest zapewnione wykonanie ruchu prostego i powrotnego tłoka siłownika 32, a z tłoczyska siłownika można pobierać pracę mechaniczną, w tym, na przykład, można uruchomić odpowiednio dobraną pompę cieczową.

Taka instalacja pracuje w sposób następujący. Działanie tłoka cieczowego, parownika 9 i skraplacza 10 maszyny parowej pozostaje takie same, jak opisano w przykładach poprzednich. Podczas wrzenia ciecz tłokową 11 wtłacza się do pierwszej komory siłownika hydraulicznego 32, tłok siłownika przesuwa się i wytłacza ciecz z drugiej komory siłownika do naczynia wzbiorczego 33. Gaz obojętny w naczyniu wzbiorczym 33 spręża się i nieco podnosi ciśnienie. Pożądanym jest, aby zmiany ciśnienia w naczyniu wzbiorczym 33 były jak najmniejsze. Dlatego objętość gazu jest istotnie większe niż objętość cieczy doprowadzanej z drugiej komory siłownika 32 do naczynia wzbiorczego 33.

Ciśnienie oddziaływające na tłok siłownika 32 ze strony pierwszej komory siłownika, czyli ze strony komory pompującej 1, jest równa ciśnieniu pary parownika 9 ppar, kiedy przebiega wrzenie, albo równa ciśnieniu skraplacza 10 pskr, kiedy przebiega skraplanie, pod warunkiem, że siłownik 32 jest umieszczony na tym samym poziomie, jak i maszyna parowa. Ciśnienie naczynia wzbiorczego pn.wz. razem z ciśnieniem hydrostatycznym ph.n.wz. słupa cieczy w rurze, która łączy naczynie wzbiorcze 33 z siłownikiem 32, oddziaływają na tłok siłownika 32 z drugiej strony. Różnica ciśnienia pomiędzy pierwszą a drugą stronami siłownika 32 oddziaływa na tłok siłownika 32, wskutek czego z tłoczyska siłownika 32 jest odbierana praca mechaniczna w postaci ruchu postępowo-zwrotnego. Aby ruch był na przemian postępowy, ciśnienie ze strony drugiej komory siłownika 32 (pn.wz + ph.n.wz.) ustalono mniejszym niż ciśnienie w parowniku podczas wrzenia, oraz większe niż ciśnienie w skraplaczu podczas skraplania: ppar > (pn.wz + ph.n.wz.) > pskr.

P r z y k ł a d 7

W poprzednim przykładzie ciśnienie ze strony naczynia wzbiorczego jest praktycznie niezmienne. Temperatura w parowniku 9 i w skraplaczu 10 może zmieniać się w trakcie eksploatacji, na przykład, jeżeli źródłem ciepła jest kolektor słoneczny pracujący przy zmiennym zachmurzeniu. Ciśnienie w naczyniu wzbiorczym 33 jest regulowane dla lepszego dopasowania ciśnienia do zmiennych temperatur i ciśnienia w maszynie parowej. W tym celu naczynie wzbiorcze 33 posiada wymiennik ciepła 35 umieszczony w cieczy, częściowo wypełniającej naczynie wzbiorcze 33 oraz warstwę substancji niskowrzącej 34, która nie rozpuszcza się w cieczy naczynia wzbiorczego 33 i ma gęstość mniejszą od tej cieczy, przy czym ilość substancji niskowrzącej 34 jest wystarczająca do wypełnienia swoją parą objętości naczynia wzbiorczego 33 niezajętego cieczą, a wymiennik ciepła 35 utrzymuje temperaturę w naczyniu wzbiorczym 33 tak, aby ciśnienie w rurze, która łączy komorę pompującą 1 z siłownikiem 32, na wejściu do komory pompującej 1 pozostawało mniejsze od ciśnienia w parowniku 9 podczas wrzenia i większe od ciśnienia w skraplaczu 10 podczas skraplania (Fig. 11).

Claims

PL 240 516 B1

Lista oznaczeń na rysunkach

1. — komora pompująca,
2. — wymiennik komory pompującej,
3. — kanał parowy,
4. — komora wymiennikowa,
5. — kanał cieczowy,
6. — zawór dławiący,
7. — naczynie magazynujące,
8. — przepona podatna,
9. — parownik,
10. — skraplacz,
11. — ciecz tłokowa,
12. — substancja niskowrząca,
13. — zastawka zaworu spływowego,
14. — prowadnica zaworu spływowego,
15. — ograniczniki zaworu spływowego,
16. — pływak zaworu spływowego,
17. — kanał wypełniający komorę wymiennikową,
18. — pływak wznoszący zastawkę i prowadnicę,
19. — zastawka zaworu wypełniającego,
20. — prowadnica zaworu wypełniającego,
21. — ograniczniki zaworu wypełniającego,
22. — pływak zaworu wypełniającego,
23. — syfon,
24. — naczynie buforowe,
25. — przepona podatna naczynia buforowego,
26. — źródło cieczy użytkowej,
27. — rura ssąca,
28. — zawór zwrotny rury ssącej,
29. — zawór zwrotny rury tłocznej,
30. — rura tłoczna,
31. — zasobnik cieczy użytkowej,
32. — siłownik hydrauliczny,
33. — naczynie wzbiorcze,
34. — warstwa substancji niskowrzącej w naczyniu wzbiorczym,
35. — wymiennik naczynia wzbiorczego.

Zastrzeżenia patentowe

1. Maszyna parowa, wyposażona w dwie komory: komorę wymiennikową złożoną z parownika i skraplacza, umieszczonego pod parownikiem, i komorę pompującą z tłokiem cieczowym o przekroju istotnie większym od przekroju komory wymiennikowej, które są połączone między sobą górnym kanałem parowym, a połączone dołem kanałem cieczowym; naczynie magazynujące z przeponą podatną, podłączone do dolnej części komory pompującej; oraz układ pompujący zawierający źródło cieczy użytkowej, zasobnik pompowanej cieczy użytkowej oraz dwa zawory zwrotne, znamienna tym, że na ścianach komory pompującej (1) zamontowany jest wymiennik (2) komory pompującej (1), obejmujący strefę parową i strefę zmiany poziomu cieczy w komorze pompującej (1), a komora wymiennikowa (4) zawiera substancję niskowrzącą (12), która nie rozpuszcza się w cieczy tłokowej (11), ma gęstość mniejszą od gęstości cieczy tłokowej (11) i ma temperaturę wrzenia niższą niż temperatura wrzenia cieczy tłokowej (11).

2. Maszyna parowa według zastrzeżenia 1, znamienna tym, że substancją niskowrzącą (12) jest niskowrzący węglowodór, a cieczą tłokową (11) jest woda lub jej roztwór z inną substancją o wyższej temperaturze wrzenia.

3. Maszyna parowa wg zastrzeżeń 1 i 2, znamienna tym, że w komorze pompującej (1) na wyjściu ze spływowego kanału cieczowego (5) zamontowany jest pływakowy zawór spływowy,

PL 240 516 B1 który zbudowany jest z zastawki (13), połączonej z prowadnicą (14), na której umieszczone są dwa ograniczniki (15), między którymi znajduje się ruchomy pływak (16), przy czym wyjście ze spływowego kanału cieczowego (5) oraz ogranicznik (15) dolny są usytuowane poniżej skraplacza (10), a dodatkowo między komorą pompującą (1) a komorą wymiennikową (4) wprowadzony jest kanał (17) wypełniający komorę wymiennikową, na wejściu którego w komorze pompującej (1) zamontowany jest wypełniający zawór pływakowy, który zbudowany jest z pływaka (18) wznoszącego zastawkę (19) i prowadnicę (20), na której umieszczono dwa ograniczniki (21), przy czym pływak (22) i ograniczniki (21) są usytuowane w górnej części komory pompującej (1), ale poniżej kanału parowego (3).

4. Maszyna parowa wg zastrzeżeń 1,2, i 3, znamienna tym, że kanał (17) wypełniający komorę wymiennikową (4) jest wykonany w postaci syfonu wypełniającego (23), którego krótsza gałąź jest umieszczona w górnej części komorzy pompującej (1), a gałąź długa podłączona nieco poniżej do komory wymiennikowej (4).

5. Maszyna parowa wg zastrzeżeń 1, 2, 3 i 4, znamienna tym, że między komorą wymiennikową (4) a komorą pompującą (1) umieszczone jest naczynie buforowe (24) wyposażone w przeponę podatną (25) lub wykonane jest bez przepony.

6. Maszyna parowa wg zastrzeżeń 1,2, 3, 4 i 5 z układem pompującym, znamienna tym, że źródło (26) cieczy użytkowej usytuowane jest na wysokości, którą tworzy ciśnienie hydrostatyczne pomiędzy źródłem (26) cieczy użytkowej a skraplaczem (10) większe niż ciśnienie manometryczne pary substancji niskowrzącej (12) w skraplaczu (10) podczas skraplania, natomiast wysokość usytuowania zasobnika (31) cieczy użytkowej tworzy ciśnienie hydrostatyczne między zasobnikiem (31) a parownikiem (9) mniejsze niż ciśnienie manometryczne pary substancji niskowrzącej (12) panujące w parowniku (9) podczas pompowania.

7. Maszyna parowa wg zastrzeżeń 1, 2, 3, 4 i 5, znamienna tym, że ma naczynie wzbiorcze (33) i siłownik hydrauliczny (32), którego jedna strona jest podłączona do komory pompującej (1), a druga do naczynia wzbiorczego (33), które jest wypełnione całkowicie lub częściowo obojętnym gazem.

8. Maszyna parowa wg zastrzeżeń 1,2, 3, 4, 5 i 7, znamienna tym, że naczynie wzbiorcze (33) posiada wymiennik ciepła (35) umieszczony w cieczy, która częściowo wypełnia naczynie wzbiorcze (33), oraz warstwę substancji niskowrzącej (34) o masie wystarczającej do wypełnienia swoją parą objętości naczynia wzbiorczego (33) nie zajętej cieczą.