Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 7341
(13) U
(46) 2011.06.30
(51) МПК
F 01K 25/00 (2006.01)
(54) УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ПОЛЕЗНУЮ РАБОТУ
(21) Номер заявки: u 20100991
(22) 2010.11.30
(71) Заявители: Заборонок Андрей Пав-
лович; Демьянец Владислав Нико-
лаевич (BY)
(72) Авторы: Заборонок Андрей Павлович;
Демьянец Владислав Николаевич (BY)
(73) Патентообладатели: Заборонок Андрей
Павлович; Демьянец Владислав Нико-
лаевич (BY)
(57)
1. Устройство преобразования тепловой энергии в полезную работу, состоящее из
накопителя-испарителя легкоиспаряющегося рабочего тела, теплового насоса, конденса-
тора, связанного с теплообменным аппаратом поршневого механизма с клапанами и меха-
низмом выполнения полезной работы, отличающееся тем, что поршневой механизм
выполнен, по меньшей мере, из трех двухпоршневых ступенчатых гидроцилиндров, при-
чем ступени с меньшим поршнем размещены в теплообменных трубках, сообщающихся
через обратные клапаны с теплоизолированными ступенями гидроцилиндров с большими
поршнями, которые связаны между собой через сообщающиеся каналы трансмиссионной
жидкостью, кроме того, внутри теплообменных трубок размещены змеевики-конденсаторы
теплового насоса, причем попеременно за один цикл работы только один из гидроцилиндров
имеет возможность подачи нагретого жидкого рабочего тела через клапан-распределитель
Фиг. 1
BY7341U2011.06.30

2. BY 7341 U 2011.06.30
2
на ротор механизма выполнения полезной работы - реактивной турбины, а остальные гид-
роцилиндры поршневой группы выполнены с возможностью передачи движения этому
одному подающему гидроцилиндру.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что ротор реактивной турбины выполнен
S-образным с соплами Лаваля, расположенными на выходе из него.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что на теплообменных трубках размещены
устройства, производящие работу за счет перепада температур.
4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что на теплообменных трубках размещены
термоэлектрические элементы.
5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что на теплообменных трубках размещен
охладитель двигателя "внешнего сгорания", типа двигателя Стирлинга.
(56)
1. Патент РФ 2132470, 1999.
2. Патент РФ 2338893, 2008 (прототип).
Полезная модель относится к области энергетического машиностроения и позволяет
преобразовывать тепловую энергию, в том числе окружающей среды, в полезную работу.
Из уровня техники известно устройство [1] для преобразования тепловой энергии
окружающей среды в полезную работу, состоящее из теплоизолированного баллона со
сжиженным газом, теплообменника испарителя, распылителя рабочего тела, силовой
установки первого контура и конденсатора второго контура, а также запорных вентилей.
Недостатком данного устройства является низкая эффективность, так как отсутствует
система конденсации, а отсутствие теплового насоса для впрыска рабочего тела в баллон
со сжиженным хладагентом делает эту установку неработоспособной.
Из уровня техники известно также устройство преобразования тепловой энергии в
полезную работу [2], состоящее из накопителя-испарителя легкоиспаряющегося, низко-
кипящего рабочего тела, насоса, конденсатора, связанного с теплообменным аппаратом
поршневого механизма с клапанами и механизмом выполнения полезной работы. Недо-
статком этого устройства является низкий КПД.
Техническая задача, на которую направлена данная полезная модель, - повышение
эффективности работы и КПД устройства для преобразования тепловой энергии в полез-
ную работу.
Данная техническая задача решается тем, что устройство преобразования тепловой
энергии окружающей среды в полезную работу состоит из накопителя-испарителя легко-
испаряющегося рабочего тела, теплового насоса, конденсатора, связанного с теплообмен-
ным аппаратом поршневого механизма с клапанами и механизма выполнения полезной
работы. Отличием является то, что поршневой механизм выполнен, по меньшей мере, из
трех двухпоршневых ступенчатых гидроцилиндров, причем гидроцилиндры с меньшим
поршнем размещены в теплообменных трубках, сообщающихся через обратные клапаны с
теплоизолированными гидроцилиндрами с большими поршнями и связанных между собой
через сообщающиеся каналы промежуточной трансмиссионной жидкостью, кроме того,
внутри теплообменных трубок размещены змеевики-конденсаторы теплового насоса, при-
чем попеременно за один цикл работы только один из гидроцилиндров имеет возмож-
ность подачи жидкого рабочего тела через клапан-распределитель на ротор механизма
выполнения полезной работы - реактивной турбины, а остальные гидроцилиндры порш-
невой группы выполнены с возможностью передачи движения этому одному подающему
гидроцилиндру. Дополнительными отличиями являются: ротор реактивной турбины вы-
полнен S-образным с соплами Лаваля, расположенными на выходе из него. На теплообмен-

3. BY 7341 U 2011.06.30
3
ных трубках размещены устройства, производящие работу за счет перепада температур,
такие как термоэлектрические элементы или охладитель двигателя "внешнего сгорания",
типа двигателя Стирлинга.
Предложенная полезная модель позволяет повысить эффективность работы и КПД
устройства за счет того, что в течение всего рабочего цикла легкоиспаряющееся низкокипя-
щее рабочее тело на 65-90 % находится в жидком агрегатном состоянии и при его конден-
сации скрытая теплота конденсации передается подогреваемому теплотой окружающей
среды рабочему телу, находящемуся в теплообменных трубках. Тем самым повышается
КПД теплового насоса, так как он работает с меньшей разницей температур и давлений.
Кроме того, генерирование полезной работы возможно в два этапа. За счет реактивной
турбины и устройств, производящих работу за счет перепада температур, таких как тер-
моэлектрические элементы или охладитель двигателя "внешнего сгорания", типа двигате-
ля Стирлинга. Использование S-образного ротора позволяет снизить тормозящее действие
сил Кориолиса. Сопла Лаваля обеспечивают наиболее эффективное использование рабо-
чего тела за счет достижения рабочим телом в расширяющейся части сопла высоких,
вплоть до сверхзвуковых, скоростей.
Данная полезная модель поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 представлен общий вид установки;
на фиг. 2 представлен цилиндр поршневой группы;
на фиг. 3 представлен вид ротора реактивной турбины.
Данное устройство состоит из теплоизолированного накопителя-испарителя 1, запол-
ненного легкоиспаряющимся, низкокипящим рабочим телом. В качестве рабочего тела
берется низкокипящий хладагент, например R125, или его смесь с легкоиспаряющимися
веществами, например R32. Рабочее тело находится в накопителе-испарителе 1 с темпера-
турой -55 °С. В накопитель-испаритель 1 вмонтирована реактивная турбина 2, связанная с
клапаном-распределителем 3, обеспечивающим равномерную подачу рабочего тела от по-
дающего цилиндра поршневой группы 4 на ее S-образный ротор 5 с соплами 6 Лаваля на
выходе. Накопитель-испаритель 1 связан с тепловым насосом 7, змеевики-конденсаторы 8
которого размещены в теплообменных трубках 9. Поршневая группа 4 выполнена из,
например, четырех двухступенчатых гидроцилиндров 10. Их ступени 11, с меньшими
поршнями 12, размещены в теплообменных трубках 9, сообщающихся с через обратные
клапаны 13 с теплоизолированными ступенями 14, в которых расположены большие порш-
ни 15. Поршни 12 и 15 связаны штоками 16. Кроме того, ступени 14 гидроцилиндров 10
связаны между собой каналами 17, по которым движется трансмиссионная жидкость,
например трансмиссионное масло, расположенное над поршнями 15. Попеременно за
один цикл работы только один из гидроцилиндров 10, большой поршень 15 которого
находится в верхней мертвой точке, имеет возможность подачи жидкого рабочего тела
через клапан-распределитель 3 на рабочий орган 5 реактивной турбины 2. Остальные гид-
роцилиндры 10 - трансмиссионные, т.е. выполнены с возможностью передачи трансмис-
сионной жидкости через каналы 17 для передачи движения этому одному подающему
гидроцилиндру 10. Переключение на работу гидроцилиндра 10, как подающего или
трансмиссионного, происходит клапаном-распределителем 3. Кроме того, подпоршневые
полости ступеней 14 гидроцилиндров 10 связаны через обратные клапаны 18 теплоизоли-
рованным трубопроводом 19 с накопителем-испарителем 1. На теплообменных трубках 9
размещены устройства, производящие работу за счет перепада температур, такие как,
например, термоэлектрические элементы 20, работающие по принципу Зеебека или охла-
дитель двигателя "внешнего сгорания" типа двигателя Стирлинга 21.
Устройство работает по замкнутому рабочему циклу. Испарившееся из накопителя-
испарителя 1 рабочее тело, находящееся при температуре -55 °С, конденсируют за счет
перекачки его тепловым насосом 7 в змеевики-конденсаторы 8, связанные с клапаном 22.
Он включает в работу только те змеевики-конденсаторы 8, находящиеся в теплообменных

4. BY 7341 U 2011.06.30
4
трубках 9 гидроцилиндров 10 трансмиссионных, температура рабочего тела в которых не
достигла рабочей температуры подачи на ротор на 5-10 °С. В них путем повышения дав-
ления газообразное рабочее тело конденсируется, передавая скрытую теплоту конденса-
ции рабочему телу, находящемуся в жидком агрегатном состоянии в стадии нагрева
теплотой окружающей среды. Это повышает эффективность теплового насоса, так как он
работает на меньшей разнице температур. При нагреве жидкое рабочее тело расширяется
и перемещает на один шаг L малые поршни 12 гидроцилиндров 10, при этом в подпорш-
невых полостях ступеней 14 гидроцилиндров 10 создается разрежение. Открываются
обратные клапаны 18, и по трубопроводу 19 подается холодное рабочее тело (с температу-
рой -55 °С) в полости под поршнями 15 ступеней 14 гидроцилиндров 10 трансмиссион-
ных. Их поршни 12 и 15 расположены с разницей на шаг L и не находятся в крайней
верхней точке. Шаг L, на который передвигаются поршни за один рабочий цикл, рассчи-
тывается по формуле:
,
1N
L
L
px
−
=
где Lpx - длина рабочего хода поршня цилиндра, N - число цилиндров.. В нашем примере
он равен 1:3 Lpx. Они создают давление трансмиссионной жидкости, которая перемещает
большой поршень 15 гидроцилиндра 10 подающего и перемещает его за один рабочий
цикл на всю длину его рабочего хода Lpx, т.е. из верхней мертвой точки в нижнюю. При
этом подогретое рабочее тело через клапан-распределитель 3 поступает на ротор 5 реак-
тивной турбины 2, совершая полезную работу. Сконденсированное рабочее тело в змееви-
ках-конденсаторах 8 также подается на ротор 5 реактивной турбины 2. На теплообменных
трубках 9 размещены устройства, производящие работу за счет перепада температур,
такие как, например, термоэлектрические элементы 20, работающие по принципу Зеебека
или охладитель двигателя "внешнего сгорания", типа двигателя Стирлинга.
Далее цикл повторяется, но гидроцилиндр 10, осуществивший подачу рабочего тела
становится трансмиссионным, а следующий гидроцилиндр 10, поршень которого пришел
в верхнюю мертвую точку, становится подающим в новом рабочем цикле. Так периодиче-
ски все гидроцилиндры поочередно, в течение цикла, становятся подающими.
Данное изобретение позволяет увеличить КПД устройства и повысить эффективность
преобразования тепловой энергии в полезную работу.
Фиг. 2 Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.