PL247018B1 - Urządzenie napędowe generatora elektrycznego napędzanego odnawialną energią cieplną wody ze źródeł geotermalnych - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest urządzenie napędowe generatora elektrycznego napędzanego odnawialną energią cieplną wody ze źródeł geotermalnych oraz elektrownia zasilana odnawialną energią cieplną wody ze źródeł geotermalnych. Urządzenie napędowe generatora prądowego do uzyskiwania energii elektrycznej, napędzanego odnawialną energią cieplną wody ze źródeł geotermalnych charakteryzuje się tym, że zawiera co najmniej dwa wymienniki ciepła (1), w których korpusie (2) usytuowane są wężownice (3) obwodu pierwszego-obwodu zasilania, z doprowadzeniem odrębnie wody gorącej i wody zimnej, zaś komora (4) korpusu (2) połączona z obwodem drugim-obwodem roboczym zawiera ciecz rozprężną doprowadzaną do co najmniej dwóch obrotowych siłowników hydraulicznych (10), z tłokami (11) i tłoczyskami (12) o przeciwnych zwrotach przemieszczania się, wyposażonych w listwę zębatą współpracującą z kołem zębatym łożyskowanym na pędnym wale i połączonym ze sprzęgłem jednokierunkowym, poprzez które napędzany jest wał generatora prądowego.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie napędowe generatora elektrycznego napędzanego odnawialną energią cieplną wody ze źródeł geotermalnych lub wody odpadowej z procesów produkcyjnych. Ponadto przedmiotem wynalazku jest elektrownia zasilana odnawialną energią cieplną wody ze źródeł geotermalnych lub wody odpadowej z procesów produkcyjnych.

Energia zakumulowana w zasobach wód geotermalnych stanowi jedno ze źródeł energii odnawialnej. Może ona być wykorzystywana w sposób bezpośredni do ogrzewania lub do innych celów użytkowych ale też może pośrednio służyć do uzyskiwania energii elektrycznej. W tym drugim przypadku energia elektryczna wytwarzana jest przez generatory elektryczne napędzane turbinami parowymi. Para wodna uzyskiwana jest przez zamianę stanu skupienia wód geotermalnych, następnie używana jest do napędzania turbin a potem może być po wykorzystaniu z powrotem skraplana i w powtórnej postaci wody zawracana, wykorzystywana do innych celów lub odprowadzana jako odpad.

Innym znanym rozwiązaniem jest wykorzystanie wód geotermalnych w obiegu dolotowym wymienników ciepła, w których następuje wymiana energii cieplnej i ogrzewanie wody w obwodzie roboczym, w którym następuje zamiana tej wody roboczej na parę wodną. Następnie para wodna, jak wskazano powyżej, jest czynnikiem napędzającym turbiny parowe sprzęgnięte z generatorami elektrycznymi.

Z opisu patentowego US 5 899 067 znany jest silnik termohydrauliczny wykorzystujący zjawisko rozszerzania się i kurczenia się objętości cieczy roboczej pod wpływem zmiany temperatury, bez zmiany fazowej tej cieczy. W rozwiązaniu tym ciecz robocza zawarta jest w zbiorniku połączonym kanałem z cylindrem, w którym osadzony jest suwliwie tłok. Tłok jest umieszczony w wewnętrznej przestrzeni cylindra. Zbiornik cieczy roboczej, przestrzeń wewnętrzna cylindra i tłok wyznaczają zamkniętą przestrzeń wypełnioną cieczą roboczą. Silnik zawiera również środki do przekazywania ciepła i odprowadzania ciepła z cieczy roboczej, powodując w ten sposób naprzemiennie rozszerzanie się i kurczenie cieczy roboczej bez przechodzenia w inną fazę. Tłok porusza się w odpowiedzi na rozszerzanie się i kurczenie cieczy roboczej. Temperatura cieczy roboczej pod wpływem wymienionych środków przekazywania i odprowadzania ciepła zmienia się od wyższego zakresu około 48°-60°C do niższego zakresu około 21°-29°C lub w innym wariancie od wyższego zakresu około 26°-93°C do niższego zakresu około 1°-60°C. Tłok połączony jest z korbowodem współpracującym z wałem korbowym. Wał korbowy stanowi element układu napędu mechanicznego wywołującego ruch obrotowy.

Celem wynalazku jest wprowadzenie w sposobie wykorzystania gorących wód geotermalnych bez zmiany stanu skupienia wody w parę - nowego rodzaju układu napędowego turbiny a za jej pośrednictwem - generatora prądu elektrycznego. Problem techniczny do rozwiązania dotyczy zamiany ruchu posuwisto-zwrotnego od zespołu termohydraulicznego na ruch obrotowy, z wyeliminowaniem układu tłokowo-korbowodowego.

Zgodnie z wynalazkiem, w łańcuchu zamiany energii cieplnej na energię elektryczną wykorzystuje się zjawiska rozszerzalności i kurczliwości cieplnej cieczy, to znaczy zmiany objętości stosowanego roboczego medium pośredniego pod wpływem zmian temperatury, w naprzemiennych cyklach.

Medium pośrednie robocze wybrane jest spośród cieczy wykazujących wysoki współczynnik rozszerzalności objętościowej a jednocześnie możliwość praktycznego przemysłowego wykorzystania.

Istota rozwiązanie według wynalazku polega na tym, że urządzenie zawiera co najmniej dwa wymienniki ciepła, w których korpusie usytuowane są wężownice obwodu pierwszego-zasilania, z doprowadzeniem odrębnie wody gorącej i wody zimnej zaś komora korpusu połączona z obwodem drugim-roboczym zawiera ciecz rozprężną doprowadzaną do co najmniej dwóch obrotowych siłowników hydraulicznych, z tłokami i tłoczyskami o przeciwnych zwrotach przemieszczania się.

Siłowniki wyposażone są w tłoki robocze i tłoczyska z listwą zębatą współpracującą z kołem zębatym łożyskowanym na wale napędowym i połączonym ze sprzęgłem jednokierunkowym poprzez które napędzany jest wał generatora prądowego.

Wymiennik ciepła ma pokrywę z doprowadzeniem wody gorącej poprzez zawór i wody zimnej poprzez inny zawór. Korpus wymiennika ciepła ma króciec napełniania i odpowietrzania oraz króciec obwodu drugiego-roboczego.

W układzie elektrowni wał generatora ma przekładnię zwiększającą jego obroty oraz sprzęgła. Wał pędny ma ponadto podpory.

W układzie elektrowni liczba siłowników hydraulicznych i odpowiadających im wymienników ciepła jest zwielokrotniona. Wymiennik ciepła przyłączony do siłownika hydraulicznego może być wykonany w formie baterii utworzonej z kilku wymienników połączonych równolegle.

Rozszerzająca sie i kurczącą sie ciecz robocza stanowi korzystnie olej lub alkohol. J t t L 4 4 Ł i J J

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest wprowadzenie nowego układu przekształcającego ruch posuwisto-zwrotny tłoka z tłoczyskiem, uzyskany w wyniku cyklicznego naprzemiennego rozszerzania i skurczania cieczy roboczej pod wpływem zasilania gorącą wodą geotermalną, na ruch obrotowy wykorzystywany do napędu generatora prądowego. Wprowadzenie nowego przekształtnika ruchu ułatwia eksploatację odnawialnych źródeł energii.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony schematycznie w przykładzie wykonania na załączonych rysunkach, na których:

figura 1 przedstawia rurowy, wysokociśnieniowy wymiennik ciepła, połączony przewodem hydraulicznym z obrotowym siłownikiem hydraulicznym, figura 2 przedstawia w powiększeniu szczegół zespołu zębatki, koła zębatego i sprzęgła jednokierunkowego, figura 3 przedstawia kompletny układ elektrowni.

W rozwiązaniu według wynalazku wykorzystuje się wodę z odnawialnych źródeł energii, a to wodę gorącą ze źródeł termalnych lub wodę odpadową poprocesową i wodę zimną z rzek lub innych akwenów. Do wytworzenia ruchu obrotowego turbiny generatora wykorzystuje się zjawisko cieplnej rozszerzalności i kurczliwości objętościowej cieczy roboczej.

Według wynalazku wodę geotermalną gorącą, o temperaturze od 70°C do 100°C, doprowadza się w pierwszym obwodzie do wymiennika ciepła, naprzemiennie z wodą zimną ze źródeł naturalnych, o temperaturze od 5°C do 20°C, wywołując naprzemiennie cykliczne zjawisko rozszerzania się i kurczenia się cieczy roboczej w drugim obwodzie roboczym wymiennika ciepła.

Następnie ciecz roboczą zmieniającą cyklicznie swoją objętość doprowadza się do pary siłowników hydraulicznych z tłokami i tłoczyskami o przeciwnych zwrotach przemieszczania się, wywołując ich ruch prostoliniowy. Siłowniki te współpracują z mechanizmem zamiany, za pomocą listwy zębatej, koła zębatego i sprzęgła jednokierunkowego, ruchu posuwisto-zwrotnego tłoczysk siłowników na ruch obrotowy, przenoszony następnie na wał napędowy generatora prądu elektrycznego. Przemienna praca siłowników zapewnia ciągłość obrotów w tym samym kierunku.

Jak przedstawiono na fig. 1, urządzenie napędowe generatora prądowego zawiera wymiennik ciepła 1, w którego cylindrycznym korpusie 2 usytuowane są wężownice 3 obwodu pierwszego-obwodu zasilania, z doprowadzeniem wody gorącej i wody zimnej. Komora 4 korpusu 1 połączona z obwodem drugim-obwodem roboczym zawiera roboczą ciecz rozprężną, korzystnie olej lub alkohol.

Wymiennik ciepła 1 ma pokrywę 5 z doprowadzeniem wody gorącej poprzez zawór 6 i wody zimnej poprzez zawór 7. Korpus 2 wymiennika ciepła ma króciec 8 napełniania i odpowietrzania oraz króciec wylotowy 9 obwodu drugiego-roboczego.

Ciecz robocza doprowadzana jest do co najmniej dwóch obrotowych siłowników hydraulicznych 10, wyposażonych w robocze tłoki 11 i tłoczyska 12, pracujących przemiennie. Drugie końce tłoczysk 12 wyposażone są w wybiegowe tłoki 13 uszczelniające przestrzeń wypełnioną olejem smarnym.

Jak przedstawiono na fig. 2, tłoczyska wyposażone są w listwę zębatą 14 współpracującą z kołem zębatym 15 łożyskowanym na pędnym wale 16 i połączonym ze sprzęgłem jednokierunkowym 17 poprzez które napędzany jest wał 18 generatora 19.

Jak przedstawiono na fig. 3, w zestawie elektrowni wał 18 generatora 19 ma przekładnię 20 zwiększającą jego obroty oraz sprzęgła 21. W zestawie elektrowni pędny wał 16 ma podpory 22 oraz sprzęgła 23.

W zestawie elektrowni liczba siłowników hydraulicznych i odpowiadających im wymienników ciepła jest zwielokrotniona. Wymiennik ciepła przyłączony do siłownika hydraulicznego może być wykonany w formie baterii utworzonej z kilku wymienników połączonych równolegle.

Działanie elektrowni jest następujące. Siłowniki hydrauliczne 10 działają naprzemiennie - przesuw tłoków 11 w prawo (ruch roboczy) jest wywołany ciśnieniem rozszerzalności cieplnej podgrzewanej cieczy rozprężnej. Powoduje to ruch obrotowy koła zębatego 15 połączonego z pędnym wałem 16 poprzez sprzęgło jednokierunkowe 17.

Przesuw tłoków 11 w lewo (ruch powrotny jałowy) jest wywołany skurczliwością cieczy roboczej wskutek obniżenia jej temperatury i ze względu na obecność sprzęgła jednokierunkowego 17 nie nadaje ruchu obrotowego pędnemu wałowi 16.

Przemienność podawania wody ciepłej i zimnej regulują zawory wodne 6, 7 zainstalowane na każdym wymienniku ciepła 1.

PL 247018 Β1

Moment obrotowy pędnego wału 6 siłowników 10 jest za pomocą sprzęgła 21 przekazywany do przekładni zwiększającej obroty 20 i na wał 18 generatora prądowego.

Przemienną pracę siłowników hydraulicznych (jeden ruch roboczy, drugi ruch jałowy wycofania) zapewnia system sterowania elektrownią.

Rozszerzającą się i kurczącą się ciecz roboczą stanowi olej lub alkohol. Dobór cieczy roboczej wskazuje poniższa tabela.

Tabela 1

Współczynniki rozszerzalności objętościowej cieczy beta [10-6/K/] aceton alkohol benzyna nafta olej mineralny płyn hamulcowy gliceryna płyn do spryskiwaczy (borygo)

1487

1200

950

900

750/0,075 %/ 1°C

750

500

500

Claims (8)

1. Urządzenie napędowe generatora prądowego do uzyskiwania energii elektrycznej, napędzanego odnawialną energią cieplną wody ze źródeł geotermalnych lub wody odpadowej z procesów produkcyjnych, wykorzystujące zjawisko termohydrauliczne zmiany objętości medium roboczego pod wpływem zmiany temperatury wody, z naprzemiennym cyklicznym rozszerzaniem się i kurczeniem objętości medium roboczego, znamienne tym, że zawiera co najmniej dwa wymienniki ciepła (1), w których korpusie (2) usytuowane są wężownice (3) obwodu pierwszego-obwodu zasilania, z doprowadzeniem odrębnie wody gorącej i wody zimnej zaś komora (4) korpusu (2) połączona z obwodem drugim - obwodem roboczym zawiera ciecz rozprężną doprowadzaną do co najmniej dwóch obrotowych siłowników hydraulicznych (10), z tłokami (11) i tłoczyskami (12) o przeciwnych zwrotach przemieszczania się, wyposażonych w listwę zębatą (14) współpracującą z kołem zębatym (15) łożyskowanym na pędnym wale (16) i połączonym ze sprzęgłem jednokierunkowym (17) poprzez które napędzany jest wał (18) generatora prądowego (19).

2. Urządzenie napędowe generatora prądowego, według zastrz. 1, znamienne tym, że wymiennik ciepła ma pokrywę (5) z doprowadzeniem wody gorącej poprzez zawór (6) i wody zimnej poprzez zawór (7).

3. Urządzenie napędowe generatora prądowego, według zastrz. 1, znamienne tym, że korpus (2) wymiennika ciepła ma króciec (8) napełniania i odpowietrzania oraz króciec (9) wylotowy obwodu roboczego.

4. Urządzenie napędowe generatora prądowego, według zastrz. 1, znamienne tym, że w układzie elektrowni wał (18) generatora (19) ma przekładnię (20) zwiększającą jego obroty oraz sprzęgła (21).

5. Urządzenie napędowe generatora prądowego, według zastrz. 1, znamienne tym, że w układzie elektrowni pędny wał (16) ma podpory (22).

6. Urządzenie napędowe generatora prądowego, według zastrz. 1, znamienne tym, że w układzie elektrowni liczba siłowników hydraulicznych (10) i odpowiadających im wymienników ciepła (1) jest zwielokrotniona.

7. Urządzenie napędowe generatora prądowego, według zastrz. 1, znamienne tym, że wymiennik ciepła (1) przyłączony do siłownika hydraulicznego (10) jest wykonany w formie baterii utworzonej z kilku wymienników połączonych równolegle.

8. Urządzenie napędowe generatora prądowego, według zastrz. 1, znamienne tym, że rozszerzającą się i kurczącą się ciecz roboczą stanowi olej lub alkohol.