RS65731B1 - Uređaj i postupak za pretvaranje toplotne energije - Google Patents

Description

OPIS PRONALASKA

Pronalazak se odnosi na uređaj za pretvaranje toplotne energije u mehaničku energiju pomoću kružnog procesa sa izmenjivačem toplote, rezervoarom odnosno spremnikom za radni medijum, napojnim vodom, turbinom i povratnim vodom sa najmanje jednim uređajem za povratno napajanje prema zahtevu.1.

Pronalazak se dalje odnosi na postupak za pretvaranje toplotne energije u mehaničku energiju u jednom kružnom procesu, pri čemu se toplotna energija dovodi do radnog medijuma u prostoru rezervoara, pri čemu radni medijum isparava i/ili se povećava pritisak u radnom medijumu, nakon čega se radni medijum dovodi u turbinu gde predaje odnosno emituje energiju, posle koje se radni medijum vraća u rezervoar prema zahtevu 8.

Za pretvaranje toplote u mehaničku energiju i eventualno dalje u električnu energiju, poznati su kružni procesi kao što je Klaudije-Rankin (Claudius-Rankine) kružni proces. Ovde prenosnik energije ili radni medijum prolazi kroz faznu promenu, pri čemu se uobičajeno koristi voda kao radni medijum. Varijanta Klaudije-Rankin kružnog procesa koristi tečnost sa niskom tačkom ključanja. Postoji i režim rada sa superkritičnim stanjem radnog medijuma. To znači da se ne napušta superkritično stanje radnog medijuma i samim tim nema promene faze u sistemu, što znači da se efekat kondenzacije ne koristi. Zbog ovako postignutog jednofaznog kružnog procesa, mora se obaviti mnogo posla da bi se radni medijum vratio pumpom nazad u spremnik za napajanje odnosno rezervoar, što je štetno za ukupni koeficijent korisnog dejstva sistema.

Takođe je poznat kružni proces, na primer iz patentnog dokumenta EP 3056 694 A1, koji radi sa rashladnim fluidima i ima najmanje dve zagrejane posude pod pritiskom i dodatni izvor toplote kao pumpu za termalni kondenzat.

Patent DE 101 26 403 A1 opisuje sistem sa dve posude pod pritiskom, sa gasom koji se koristi za puferovanje u komori iznad radnog medijuma.

Dalji toplotni motori su poznati iz patentnih dokumenata EP2415976 A1 i CN102817799A.

Ovaj pronalazak ima za zadatak da izbegne nedostatke iz stanja tehnike i da obezbedi uređaj, koji omogućava korišćenje izvora energije sa niskom temperaturom, na primer od 40°C, za efikasnu proizvodnju mehaničke energije bez emisija i sledbeno tome proizvodnju električne energije i koji zahteva male troškove za opremanje.

Dalje ovde treba takođe da se navede odgovarajući postupak za to.

Prvi zadatak se prema pronalasku postiže uređajem tipa pomenutog na početku, u kome je turbina izvedena kao turbina sa radnim kolom sa diskovima. U takvom uređaju se mogu koristiti radni medijumi koji imaju nisku tačku ključanja i stoga mogu apsorbovati toplotu od približno 40 °C, pri čemu se takozvana otpadna toplota ili solarna energija takođe mogu povoljno koristiti kao izvori toplote, što čini process izuzetno jeftinim. Korišćenjem turbine sa radnim kolom sa diskovima, koja se naziva i turbina sa frikcionim slojem ili Teslina turbina, pri čemu dolazi do kondenzacije radnog medijuma i u samoj turbini, što znači da može da se eliminiše odnosno izostavi iz sistema poseban kondenzator ili druga posuda pod pritiskom.

Turbina sa radnim kolom sa diskovima koja se uobičajeno koristi, koja ima nekoliko diskova raspoređenih jedan pored drugog na osovini u kućištu, pri čemu diskovi mogu da se obrću. Mlaz radnog medijuma koji se uvodi, obično voda, je prvenstveno usmeren paralelno sa diskovima na ove diskove kroz ulazni otvor u kućištu. Pomoću sile adhezije se uzrokuje da se diskovi obrću na osovini. Dalje se mlaz usporava trenjem o diskove turbine. Bočni zidovi kućišta okreću odnosno menjaju pravac mlazu i usmeravaju ga na kružnu putanju, pri čemu se diskovi pomoću toga dalje pokreću. Pri tome se smanjuje brzina mlaza, zbog čega se mlaz hladi i dolazi do kondenzacije radnog medijuma u turbini.

Pošto kondenzacija stvara veći viskozitet radnog medijuma, pa se shodno ovom povećanom viskozitetu diskovi takođe jače pokreću. Kod konvencionalnih turbina sa lopaticama, ovakva kondenzacija bi ozbiljno oštetila lopatice turbine.

Pošto kod ovakve turbine sa radnim kolom sa diskovima nisu potrebni materijali za teške radne uslove, troškovi proizvodnje su takođe niski i postiže se duži radni vek turbine.

Uređaj za povratno napajanje može u osnovi biti dizajniran na bilo koji način poznat iz stanja tehnike, na primer kao napojna pumpa.

Povoljno je da turbina bude izvedena kao turbina sa radnim kolom sa diskovima, koja ima više obrtnih diskova raspoređenih jedan pored drugog na osovini u kućištu tako da mogu da se obrću, pri čemu su površine diskova turbine opremljene sa mikrostrukturama. Ovo omogućava postizanje optimalnih svojstava površinskog frikcionog sloja za održavanje laminarnog strujanja.

Pokazalo se posebno korisno ako se turbina izvede kao turbina sa radnim kolom sa diskovima, koja ima više diskova raspoređenih jedan pored drugog na osovini u kućištu tako da mogu da se obrću i u kućištu ima sklop upusne mlaznice sa geometrijom koja omogućava da se radni medijum ubrizgava između diskova. To znači da se na ovaj način mogu izbeći poremećaji u protoku i gubici uzrokovani udarima na čeonu stranu diskova.

Takođe se pokazalo korisnim ako se turbina izvede kao turbina sa radnim kolom sa diskovima, koja ima više diskova raspoređenih jedan pored drugog na osovini u kućištu, koji se mogu obrtati i u kućištu ima sklop upusne mlaznice sa geometrijom koja omogućava stvaranje rotacionog mlaza radnog medija. Na ovaj način se proizvodi dvostruki spiralni mlaz koji poboljšava efekat površinskog frikcionog sloja odnosno površinskog trenja na diskovima.

Povoljno je predviđeno, da se vrši merenje strukturnog zvuka za identifikaciju laminarnog i turbulentnog strujanja, pri čemu je kontrolni uređaj integrisan u turbini. To znači da se kružni proces može kontrolisati na takav način, što se kroz turbini sprovodi u najvećoj meri samo laminarni tok i na taj način se izbegavaju gubici usled turbulencije. Kontrola se može vršiti, na primer, promenom protoka kroz turbinu pomoću odgovarajućeg kontrolnog uređaja, posebno pomoću kontrolnog ventila.

Za kontrolu kružnog procesa, poželjno je da se prvenstveno obezbedi ventil za regulisanje brzine protoka. Na primer, brzina turbine i/ili predata električna snaga se tada može regulisati pomoću podešavanja protočnog ventila. Brzina i količina protoka se može, na primer, regulisati na takav način da se u turbini održava uglavnom laminarno strujanje.

Povoljno je da se turbina može povezati, posebno spojiti, na generator. To znači da se dobijena mehanička energija može na taj način lako pretvoriti u električnu struju, pri čemu se može koristiti prethodno neiskorišćena otpadna toplota ili solarna toplotna energija.

Posebno je korisno kada se generator može integrisati, naročito integrisati u turbinu. Ovo čini sistem kompaktnijim i problemi sa povezivanjem između turbine i generatora se mogu izbeći. Pokazalo se kao prednost ako se rezervoar za radni medijum može povezati sa izvorom toplote preko izmenjivača toplote koji se nalazi posebno u unutrašnjosti rezervoara. To znači da se toplota može veoma povoljno preneti na radni medijum.

Prvenstveno je predviđeno, da se CO2koristi kao radni medijum. Zbog niske temperature isparavanja CO2, toplotna energija se može apsorbovati iz otpadne toplote, na primer, čak i pri niskom pritisku. Zatim CO2isparava, na primer, apsorbujući toplotnu energiju u rezervoaru radnog medijuma, nakon čega preko dovodnog odnosno napojnog voda stiže do turbine, u kojoj se gasoviti CO2kondenzuje uz oslobađanje odnosno predavanje mehaničke energije, nakon čega se tečni CO2dovodi na izlaz turbine i pomoću uređaja za povratno napajanje, u kome se tečni CO2nalazi pod većim pritiskom od pritska na izlazu turbine, se transportuje u osnovni rezervoar u kome se ponovo vrši isparavanje kroz dovođenje toplote.

Po pravilu, radni medijum je između izlaza iz turbine i rezervoara bar delimično u tečnom stanju, poželjno je da bude isključivo u tečnom stanju, naročito zato što u turbini može doći do kondenzacije.

Dokazano je, da je uređaj dizajniran za pritisak radnog medijuma na turbini veći od 74 bar, prvenstveno veći od 100 bar, da bi se omogućilo naročito superkritično stanje radnog medijuma na radnom kolu turbine.

Posebno je povoljno kada se koristi CO2kao radni medijum, može se tada postići superkritično stanje na niskim temperaturama od, na primer, 40°C, što znači da se može koristiti i otpadna toplota na odgovarajućim niskim temperaturama. Turbina ili uređaj je prvenstveno tada tako izveden, da se kondenzacija radnog medijuma odvija iz superkritičnog stanja u gasovito stanje i u tečno stanje u turbini.

Povoljno je, ako je između turbine i rezervoara radnog medijuma predviđen najmanje jedan ventil, a uređaj za povratno napajanje je projektovan da proizvede vremenski promenljivu silu koja dejstvuje na radnom medijumu, kako bi se proizvelo oscilovanje pritiska u radnom medijumu. Primenom oscilatorne sile ili oscilacije pritiska na radni medijum između izlaza turbine i rezervoara, radni medijum se dovodi u stanje da vibrira ili osciluje, pri čemu se pojačano oscilovanje javlja naročito u području rezonantne frekvencije radnog medijuma i na taj način se naročito može postići visoke amplitude pritiska. Sa jednom takvom amplitudom pritiska može se prevazići razlika u pritisku između rezervoara i izlaza iz turbine, tako da se radni medijum može na posebno efikasan način transportovati u rezervoar ili na viši nivo pritiska, čak i ako je radni medijum već od izlaza iz turbine isključivo u tečnom obliku, odnosno kada dođe do potpune kondenzacije u turbini. To znači da se uređaj može koristiti za implementaciju postupka sa posebno visokim nivoom efikasnosti.

Uređaj za povratno napajanje može u osnovi biti dizajniran na različite načine, na primer kao elektromehanički uređaj pomoću koga se sila ili pritisak sa definisanom amplitudom i frekvencijom može primeniti na radni medijum, na primer sa elektromagnetno aktiviranom membranom ili elektromagnetno aktiviranim klipom.

Povoljno je da se pomoću uređaja za povratno napajanje može menjati sila na radnom medijumu sa frekvencijom većom od 1 Hz, naročito više od 10 Hz, prvenstveno više od 100 Hz, naročito poželjno više od 1000 Hz, da bi mogla da se pobudila rezonantna frekvencija radnog medijuma u uređaju.

Uređaj za povratno napajanje takođe može imati uređaj za merenje pritiska pomoću koga se, na primer, može meriti pritisak u radnom medijumu između izlaza iz turbine i rezervoara kako bi se, na primer, iterativno odredila frekvencija na kojoj nastaje rezonancija radnog medijuma i da ciljno pobudi silu sa ovom frekvencijom koja bi delovala na radni medijum, tako da se visoke amplitude pritiska mogu postići uz male troškove, kako bi se lako prevazišla razlika pritiska između rezervoara i turbine.

Sistem je povoljno izveden pod uslovom da je uređaj za povratno napajanje dizajniran kao cevni sistem sa rezonantnom cevi. Kao rezultat toga, radni medijum se može na jednostavan način podesiti u oscilatorno stanje, prvenstveno u oscilaciju sa rezonantnom frekvencijom, a samim tim može se savladati razlika pritiska između povratnog voda turbine i napojnog voda turbine između rezervoara za radni medijum i turbine.

Da bi se sprečilo da radni medijum struji nazad iz rezervoara do izlaza turbine, obično je između izlaza turbine i rezervoara obezbeđen najmanje jedan ventil, koji dozvoljava samo protok od izlaza turbine ka rezervoaru i sprečava protok radnog medijuma u suprotnom smeru. Takav ventil se takođe može nazvati jednosmernim ventilom. Ovaj ventil se takođe može koristiti za regulisanje količine protoka, iako se za ovu svrhu može takođe predvideti i poseban ventil ili neki drugi kontrolni uređaj.

Posebno je poželjno da se predvidi, da se bar jedan ventil za kontrolu smera protoka radnog medijuma predvidi pre ili posle uređaja za povratno napajanje, pri čemu je poželjno da je najmanje jedan ventil izveden kao ventil bez pokretnih delova. Time se mogu obezbediti dugovečnost ventila i niski troškovi za održavanjem sistema.

Posebno je poželjno da se ovde koristi takozvani Teslin ventil, koji nema pokretne delove, pri čemu se efekat ventila postiže tako što protok kroz ventil u različitim smerovima ima različite otpore protoka, tako da je praktično moguće ostvariti protok samo u jednom pravcu.

Povoljna varijanta je ako uređaj za povratno napajanje ima opružnu neprigušenu masu, na primer klip ili membranu, pri čemu masa može biti takođe alternativno prigušena. Sa jednom takvom masom u zatvorenoj zapremini, mogu se pobuđivati oscilacije radnog medijuma i dovesti u rezonantno stanje, pri čemu se stvara povećanje amplitude oscilacija i može se savladati razlika pritiska između povratnog voda turbine i napojnog voda između rezervoara za radni medijum i turbine.

Tipično i uobičajeno je, da uređaj za povratno napajanje proizvodi u radnom medijumu vibracije ili oscilacije sa frekvencijom od nekoliko Hz do 10 kHz. Vibracije se stvaraju sa spolja dovedenom energijom, sa kojom se, na primer, ciklično pogoni klip ili membrana. Pogodna alternativna varijanta uređaja se sastoji u tome, da uređaj za povratno napajanje ima kalem sa namotajima za stvaranje magnetnog polja, koji stvara magnetno ili elektromagnetno polje, koji se pri tome može nalaziti u unutrašnjosti zatvorene zapremine ili izvan zatvorene zapremine. Ovaj kalem sa namotajima za stvaranje magnetnog polja, koji se napaja električnom energijom, omogućava veoma dobro regulisanje proizvodnje oscilacija i rezonantnog oscilovanja, posebno ako se kao radni medijum koristi magnetna tečnost. Ovo omogućava povoljno prevazilaženje razlike pritiska između povratnog voda turbine i napojnog voda između rezervoara za radni medijum i turbine.

Zatvorena zapremina na koju deluju kalem sa namotajima za stvaranje magnetnog polja može, na primer, da bude deo povratnog voda ili spojnog voda između izlaza turbine i rezervoara kako bi se tamo proizvele oscilacije-vibracije u radnom medijumu. U tu svrhu se kao radni medij može da koristiti magnetni medijum. Alternativno, vibracije se takođe mogu uneti indirektno u radni medijum pomoću magnetnog medijuma.

Kalem sa namotajima za stvaranje magnetnog polja se tako može rasporediti u povratni vod, koji povezuje izlaz turbine i rezervoar ili izvan ovog povratnog voda, da bi delovali na radni medijum koji se nalazi u povratnom vodu, a koji je prvenstveno povoljno izveden kao magnetni medijum ili magnetni fluid. U tu svrhu se u radni medijum mogu dodati magnetne čestice veličine nekoliko nanometara.

Dalji zadatak se u skladu sa pronalaskom postiže postupkom, koji je tipa pomenutog na početku opisa, pri čemu se kondenzacija radnog medijuma odvija u turbini.

Energija kondenzacije se takođe može dobiti na ovaj način, pri čemu se može postići posebno visok koeficijent efikasnosti sistema čak i pri niskim temperaturama. Ovde se obično koristi turbina sa radnim kolom sa diskovima, koja je poznata i kao turbina sa frikcionim slojem, turbina sa graničnim slojem (Boundary-Layer turbina) ili Teslina turbina.

Poželjno je da se ovde kao radni medijum koristi CO2. To znači da se mogu koristiti i izvori toplote sa veoma niskim temperaturama.

Pogodno je ako radni medijum, posebno CO2, apsorbuje toplotnu energiju pod pritiskom do 73 bar, prvenstveno 65 bar do 73 bar, i pri tome isparava. Pritisak u rezervoaru stoga može biti, na primer, 72 bar, da bi se apsorbovala toplota na temperaturi od, na primer, 40°C, pri čemu dolazi do isparavanja radnog medijuma. Pritisak na izlazu turbine je po svim pravilima niži nego u rezervoaru. Na primer, radni medijum na izlazu turbine može biti u tečnom obliku pod pritiskom od oko 64 bar i temperaturom od 20 °C.

Alternativno ili dodatno, može se predvideti da radni medijum dostigne superkritično stanje, posebno pri pritisku većem od 74 bar, prvenstveno pri pritisku većem od 100 bar, i da se u turbini izvrši kondenzacija iz superkritičnog stanja u jedno gasovito stanje i u jedno tečno stanje. Ovo je moguće, posebno kada se koristi CO2kao radni medijum, čak i pri relativno niskim temperaturama, tako da se ovde može iskoristiti otpadna toplota koja ima nisku temperaturu.

Ovde je predviđeno takođe, čak i kada se dostigne superkritično stanje, da se u turbini sprovede potpuna kondenzacija radnog medijuma u tečno stanje, a takođe je u datom slučaju moguće makar delimično da se sprovede i u čvrsto stanje.

Ako se pritisak i temperatura mere u povratnom vodu i uporede sa pritiskom i temperaturom u napojnom odnosno dovodnom vodu, pri čemu se brzina protoka radnog medijuma u povratnom vodu reguliše pomoću ventila postavljenog u povratnom vodu, može biti postignuta vrlo dobra kontrola opterećenja na naročito povoljan način u isto vreme sa malom složenošću odnosno kompleksnošću sistema za kontrolu. U tu svrhu, protok se obično reguliše pomoću ventila, koji je prvenstveno postavljen između izlaza iz turbine i spremišta odnosno rezervoara.

Povoljno je kada se radni medijum vraća iz turbine u rezervoar uz povećanje pritiska radnog medijuma pomoću uređaja za povratno napajanje, pomoću koga se na radni medijum uvodi sila promenljiva u toku vremena.

U povratnom vodu između izlaza iz turbine i rezervoara obično je predviđen ventil, tako da se za svaku oscilaciju pritiska, kod koje amplituda pritiska premašuje pritisak u rezervoaru, radni medijum transportuje u rezervoar, pri čemu zbog dotičnog ventila nema povratnog toka radnog medijuma od rezervoara do izlaza iz turbine.

Kao rezultat toga je, što se razlika u pritisku između turbine i rezervoara može prevazići na jednostavan način, tako da se postiže posebno visok koeficijent efikasnosti sistema i takođe je moguće da se koristi otpadna toplota na temperaturi od, na primer, 40°C. Pokazalo se da je naročito korisno, kada se u radnom medijumu izaziva oscilovanje pomoću uređaja za povratno napajanje, naročito oscilacije radnog medijuma sa rezonantnom frekvencijom. To znači da se razlika pritiska između povratnog voda turbine i napojnog voda između rezervoara radnog medijuma i turbine može prevazići posebno jeftino i lako. Radni medijum je uobičajeno isključivo u tečnom obliku u delu uređaja za povratno napajanje, zbog čega je rezonantna frekvencija obično veća od 1 kHz.

Da bi se proizvelo povoljno oscilovanje radnog medijuma, ovde su predviđeni jedan rezonantni cevni sistem, opružna i u datom slučaju prigušen masa ili magnetni fluid, kojim se izaziva oscilovanje pomoću promenljivog magnetnog polja. Za proizvodnju oscilacija odnosno vibracija koristi se obično spolja dovedena energija, mada se vibracije, naravno, mogu proizvesti i energijom koju generiše turbina ili generator povezan na turbinu.

Dalje karakteristike, prednosti i efekti pronalaska proizilaze iz pogodno izvedenih primera predstavljenih na crtežima i opisani u nastavku. Crteži na koje se pri tome upućuje pokazuju:

Slika 1 prikazuje uređaj prema pronalasku;

Slika 2 prikazuje uređaj prema pronalasku sa sistemom rezonantnih cevi;

Slika 3 prikazuje uređaj prema pronalasku sa opružnom neprigušenom masom;

Slika 4 prikazuje uređaj prema pronalasku sa opružnom i prigušenom masom;

Slika 5 prikazuje uređaj prema pronalasku sa kalemom sa namotajima za stvaranje magnetnog polja postavljenim unutar zatvorene zapremine;

Slika 6 prikazuje uređaj prema pronalasku sa kalemom sa namotajima za stvaranje magnetnog polja postavljenim izvan zatvorene zapremine.

Slika 1 prikazuje šematski uređaja 1 u skladu sa pronalaskom za izvođenje kružnog procesa prema pronalasku, pri čemu se toplota pretvara u mehaničku energiju i dalje u električnu energiju.

Uređaj 1 se u suštini sastoji od turbine 2, rezervoara 3 za radni medijum, izmenjivača 4 toplote, napojnog voda 5 između rezervoara 3 i turbine 2 kako bi se radni medijum prenosio od rezervoara 3 do turbine 2, i povratni vod 6 posle turbine 2, radi prenosa radnog medijuma nazad od izlaza turbine do rezervoara 3 i ventila 7 za regulisanje protoka.

Dalje je predviđen senzor 8 za pritisak, pomoću koga se može kontrolisati ventil 7.

Da bi se radni medijum prenosio od izlaza turbine do rezervoara 3, pri čemu u rezervoaru 3 treba da vlada veći pritisak nego na izlazu iz turbine, za to je u povratnom vodu 6 predviđen uređaj 9 za povratno napajanje.

Kao radni medijum se prvenstveno koristi CO2jer ima nisku tačku ključanja. Kritična tačka leži kod temperature od 31 °C i pritiska od 73,9 bar. Fazni prelaz između tečnog i gasovitog stanja kod CO2, sledi pri pritisku od oko 72 bar na temperaturi od samo 30 °C, što znači da se fazni prelaz može koristiti za apsorpciju i oslobađanje energije čak i kada se toplota dovodi sa niskim temperaturama. Na primer, radni medijum u rezervoaru može biti pod pritiskom od 72 bar, pri čemu mu se dovodi otpadna toplota na temperaturi od 40°C pomoću izmenjivača toplote, pri čemu radni medijum isparava, nakon čega se širi u turbini do pritiska od približno 64 bar, hladi se do temperature okoline, na primer, od 20 °C i potpuno se kondenzuje, pri čemu se rad odnosno energija predaje preko turbine.

Alternativno može biti takođe predviđeno, da se radni medijum nalazi u jedinici za skladištenje odnosno rezervoar (3) na pritisku većem od 74 bar, na primer, na približno 100 bar, i da dovođenjem toplote radni medijum dostiže superkritično stanje, od čega se radni medijum u turbina (2) potpuno kondenzuje u gasovito stanje i istovremeno ili naknadno u tečno stanje.

Sa odgovarajućim stanjem pritiska u uređaju (1), takođe se može obezbediti da se u turbini odvija bar delimična fazna tranzicija radnog medijuma u čvrsto stanje, na primer na temperaturi od 20 °C, tako da se formiraju čestice suvog leda, koje zbog upotrebe turbine sa radnim kolom sa diskovima takođe ne prave nikakve probleme na turbini (2). To znači da se toplota proizvedena na niskoj temperaturi od, na primer, samo 40 °C može koristiti za proizvodnju električne energije.

Naravno da se mogu koristiti i drugi radni medijumi kao što su rashladna sredstva, na primer R744 ili R134a.

Toplota iz izvora 10 toplote se dovodi do radnog medijuma preko izmenjivača 4 toplote koji je smešten u rezervoaru 3. Pri tome se može koristiti ili primarna energija, ali po mogućnosti otpadna toplota, na primer iz nekog industrijskog procesa sa temperaturom od oko 40 °C. Međutim, mogu se koristiti i izvori toplote 10 sa nižom temperaturom. Solarna energija se takođe može koristiti što proces čini posebno jeftinim.

Turbina sa radnim kolom sa diskovima se koristi kao turbina 2. Ova je takođe poznata kao turbina sa frikcionim slojem, turbina 2 sa graničnim slojem ili Tesla turbina 2. Ova turbina sa radnim kolom sa diskovima ima više obrtnih diskova raspoređenih jedan pored drugog na osovini, koji mogu da se obrću, koji su raspoređeni u kućištu sa bočnim zidovima, ulaznim i izlaznim otvorom. Mlaz radnog medija, ranije uglavnom vode, usmerava se paralelno sa diskovima kroz ulazni otvor na ove diskove. Sila adhezije uzrokuje da se diskovi obrću oko podužne ose na osovini. Mlaz se usporava pomoću trenja. Bočni zidovi usmeravaju mlaz na kružnu putanju odnosno stvaraju kružnu cirkulaciju i time mlaz nastavlja da pogoni diskove. Pošto samo osovinski ležajevi moraju imati uske tolerancije i nisu potrebni materijali za teške radne uslove, troškovi proizvodnje su izuzetno niski i može se očekivati dug radni vek turbine. Pošto kondenzacija radnog medijuma u turbini 2 stvara veći viskozitet medijuma, diskovi se takođe jače pokreću. U konvencionalnim turbinama 2 sa lopaticama, kondenzacija bi mogla da ozbiljno ošteti ove lopatice. Energija se zatim dobija odnosno generiše pomoću smanjenja pritiska radnog medijuma u turbini 2.

Za kontrolu kružnog procesa vrši se merenje pritiska i temperature na izlazu turbine u povratnom vodu 6 i upoređuju se sa izmerenim pritiskom i temperaturom u napojnom vodu 5. Kružni proces se tada može regulisati preko ventila 7 postavljenog u povratnom vodu 6 da bi se pomoću njega podešavala količina protoka radnog medijuma. Ovo omogućava veoma dobru kontrolu opterećenja uz istovremenu malu složenostn sistema za kontrolu odnosno sistem za kontrolu u ovom slučaju nije kompleksan.

Radni medijum se zatim dovodi posle ventila 7 do uređaja 9 za povratno napajanje, koji je ovde projektovan kao pumpa.

U primerima izvođenja prikazanim na slikama 2 do 6, uređaj 9 za povratno napajanje je tako dizajniran, da izazove oscilovanje radnog medijuma kako bi se prevazišla razlika pritiska između izlaza turbine i rezervoara 3.

Slika 2 prikazuje uređaj 1 prema pronalasku sa uređajem 9 za povratno napajanje koji je izveden kao rezonantna cev 11. Ovde, stub fluida radnog medijuma može da osciluje naprednazad u zapremini 12 u obliku koji je sličan cilindričnoj cevi i pomoću toga može biti, na primer, dovedena u sopstvenu rezonanciju i na taj način u spoju sa ventilom može da se savlada razlika pritiska između povratnog voda 6 turbine 2 i napojnog voda 5 između rezervoaru 3 za radni medijum i turbine 2. Pobuđivanje vibracija može da se ostvariti, na primer, pomoću membrane pogonjene elektromagnetno.

Sledeća varijanta uređaja 1 izvedena u skladu sa pronalaskom sa opružnom masom 13 prikazana je na slici 3. Ovde ova masa 13, koja može biti, na primer, membrana, a takođe i klip, koji se kreću unutar zatvorene zapremine 12, stimulišu vibracije u radnom medijumu i izazivaju rezonantno oscilovanje radnog medijuma u zapremini, što dovodi do odgovarajućeg povećanja amplitude. U stanju rezonantnog oscilovanja potreban je samo mali delić prvobitno korišćene energije pobude, što dovodi do poboljšanja stepena efikasnosti sistema i obezbeđuje posebno efikasan transport radnog medijuma u rezervoar 3. Ovde je zatvorena zapremina 12 prikazana kao cilindar u kome masa 13 može da osciluje pomoću opruge 14. Vibracije odnosno oscilacije se proizvode korišćenjem spoljašnje energije, na primer elektromehaničke energije.

Slika 4 prikazuje uređaj 1 sličan onom prikazanom na slici 3. Ovde je, međutim, masa 13 sprečena pomoću prigušivača 15 od prevelikih amplituda oscilovanja, koje bi mogle da proizvedu negativne efekte u sistemu. Ipak, razlika u pritisku između povratnog voda 6 turbine 2 i napojnog voda 5 između rezervoara 3 za radni medijum i turbine 2 se takođe ovde može lako prevazići.

Druga mogućnost za proizvodnju oscilacija je prikazana na slici 5. Ovde se pomoću magnetnog fluida proizvode oscilacije, koje izazivaju kalemovi 16 sa namotajima za stvaranje magnetnog polja, pri čemu kalemovi 16 sa namotajima za stvaranje magnetnog polja mogu da proizvedu promenljivo elektromagnetno polje.

Za kontrolu smera protoka radnog medijuma, ovde je predviđen dodatni jednosmerni ventil 17 postavljen između ventila 7, koji se koristi samo za regulisanje brzine protoka, i uređaja 9 za povratno napajanje. Alternativno, smer protoka u uređaju 1 se naravno može obezbediti i odgovarajuće izvedenim ventilom 7, tako da nije potreban dodatni jednosmerni ventil 17. Jednosmerni ventil 17, kao i ventil 7, naravno takođe mogu da se predvide posle uređaja 9 za povratno napajanje ili između uređaja 9 za povratno napajanje i rezervoara 3. U varijanti prema slici 5, kalemovi 16 sa namotajim za stvaranje magnetnog polja su raspoređeni unutar zatvorene zapremine 12.

Jedna slična varijanta je prikazana na slici 6, gde su, za razliku od varijante na slici 5, ovde kalemovi 16 sa namotajima za stvaranje magnetnog polja raspoređeni izvan zatvorene zapremine 12, na primer u obliku cilindra. Nakon što elektromagnetno polje proizvedeno kalemom sa namotajima za stvaranje magnetnog polja prodre u zapreminu 12, moguće je takođe i ovde pobuđivanje oscilacija magnetnog fluida.

Sa gore opisanim uređajem 1 i metodom prema pronalasku, prethodno neiskorišćena otpadna toplota se može pretvoriti u električnu energiju pod ekonomski povoljnim uslovima. Na primer, industrijska otpadna toplota u temperaturnom opsegu od približno 40 °C do preko 300 °C može se koristiti za proizvodnju električne energije. Solarna toplota se takođe može koristiti za proizvodnju dodatne električne energije. Pošto je sistem u osnovi samostalan, on se može takođe pogodno i jeftino koristiti i u udaljenim oblastima bez priključivanja na druge linije za snabdevanje energijom.

Claims (15)

PATENTNI ZAHTEVI

1. Uređaj (1) za pretvaranje toplotne energije u mehaničku energiju pomoću kružnog procesa sa izmenjivačem (4) toplote, rezervoarom (3) za radni medijum, napojnim vodom (5), turbinom (2) i povratnim vodom (6) sa najmanje jednim uređajem (9) za povratno napajanje, naznačen time, što je turbina (2) izvedena kao turbina sa radnim kolom sa diskovima sa potpunom kondenzacijom radnog medijuma, zbog čega se može izostaviti poseban kondenzator.

2. Uređaj (1) prema zahtevu 1, naznačen time, što je turbina (2) izvedena kao turbina sa radnim kolom sa diskovima, koja ima više diskova raspoređenih jedan pored drugog koji se mogu obrtati na osovini u kućištu, pri čemu su površine diskova opremljene mikrostrukturama.

3. Uređaj (1) prema zahtevu 1, naznačen time, što je turbina (2) izvedena kao turbina sa radnim kolom sa diskovima, koja ima više diskova raspoređenih jedan pored drugog koji se mogu obrtati na osovini u kućištu i u kućištu ima sklop ulazne mlaznice sa geometrijom koja omogućava da se radni medijum ubrizgava između diskova.

4. Uređaj (1) prema zahtevu 1, naznačen time, što je turbina (2) izvedena kao turbina sa radnim kolom sa diskovima, koja ima više diskova raspoređenih jedan pored drugog koji se mogu obrtati na osovini u kućištu i u kućištu ima sklop ulazne mlaznice sa geometrijom koja omogućava stvaranje rotacionog mlaza radnog medijuma.

5. Uređaj (1) prema jednom od zahteva 1 do 4, naznačen time, što je najmanje jedan ventil (7) predviđen između turbine (2) i rezervoara (3) i obrazovan je uređaja (9) za povratno napajanje za proizvodnju vremenski promenljive sile koja deluje na radni medijum, kako bi se prozvela oscilacija pritiska u radnom medijumu, pri čemu je prvenstveno poželjno, da je uređaj (9) za povratno napajanje obrazovan kao rezonantna cev (11).

6. Uređaj (1) prema zahtevu 5, naznačen time, što uređaj (9) za povratno napajanje ima kalem (16) sa namotajima, koji stvaraju magnetno polje.

7. Uređaj (1) prema jednom od zahteva 1 do 6, naznačen time, što je najmanje jedan ventil (7) raspoređen između izlaza turbine i rezervoara (3), koji omogućava protok radnog medijuma od izlaza turbine do rezervoara (3) i sprečava protok u suprotnom smeru, pri čemu je prvenstveno predviđeno, da je najmanje jedan ventil (7) izveden kao ventil (7) bez pokretnih delova, naročito kao Teslin ventil.

8. Postupak za pretvaranje toplotne energije u mehaničku energiju u jednom kružnom procesu, sa uređajem (1) izvedenim prema jednom od zahteva 1 do 7 pri čemu se toplotna energija dovodi do radnog medijuma u rezervoaru (3), pri čemu radni medijum isparava i/ili se povećava pritisak u radnom medijumu, nakon čega radni medijum oslobađa energiju u turbini (2), posle čega se radni medijum vraća u rezervoar (3), naznačen time, što dolazi do potpune kondenzacije radnog medijuma u turbini (2), usled čega može da otpadne posebni kondenzator.

9. Postupak prema zahtevu 8, naznačen time, što radni medijum dostiže superkritično stanje, naročito pri pritisku većem od 74 bar, prvensteno pri pritisku većem od 100 bar i u turbini dolazi do kondenzacije iz superkritičnog stanja u jedno gasovito stanje i u jedno tečno stanje.

10. Postupak prema zahtevu 8 ili 9, naznačen time, što se pritisak i temperatura mere u povratnom vodu (6) i upoređuju sa pritiskom i temperaturom u napojnom vodu (5), pri čemu se količina protoka radnog medijuma u povratnom vodu (6) reguliše pomoću ventila (7) koji je postavljen u povratni vod (6).

11. Postupak prema nekom od zahteva 8 do 10, naznačen time, što se radni medijum vraća iz turbine (2) u rezervar (3) uz povećanje pritiska radnog medijuma pomoću uređaja (9) za povratno napajanje, sa kojim se uvodi vremenski promenljiva sila koja deluje na radni medijum.

12. Postupak prema nekom od zahteva 8 do 11, naznačen time, što se radni medijum pomoću uređaja (9) za povratno napajanje prevodi u oscilovanje, naročito u rezonanciju, pri čemu je prvenstveno predviđeno, da se oscilacije radnog medijuma proizvode pomoću rezonantne cevi (11).

13. Postupak prema zahtevu 12, naznačen time, što se oscilovanje radnog medijuma proizvodi pomoću opružne mase (13).

14. Postupak prema zahtevu 13, naznačen time što se masa (13) prigušuje.

15. Postupak prema zahtevu 12, naznačen time, što radni medijum ima magnetni fluid ili je formiran od magnetnog fluida i oscilovanje se proizvodi magnetski promenljivim poljem.

1