RU142556U1

RU142556U1 - DEVICE FOR TRANSFORMING THERMAL ENERGY TO ELECTRICAL

Info

Publication number: RU142556U1
Application number: RU2013158652/07U
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Иванович Краснов; Михаил Иванович Осьмаков; Сергей Эдуардович Шкляров
Original assignee: Открытое акционерное общество "АлМет" (ОАО "АлМет")
Priority date: 2013-12-30
Filing date: 2013-12-30
Publication date: 2014-06-27

Abstract

1. Устройство для преобразования тепловой энергии в электрическую, содержащее жидкость в замкнутом контуре, включающем последовательно соединенные при помощи теплоизолированного трубопровода нагреватель-испаритель, конденсатор и преобразователь энергии, отличающееся тем, что между нагревателем-испарителем и конденсатором установлен аэролифт, между конденсатором и преобразователем энергии установлен эжектор, сопло которого соединено с конденсатором, вход забора эжектируемой среды соединен с выходом нагревателя-испарителя, а выход - с преобразователем энергии, при этом конденсатор выполнен с возможностью сообщения с внешней средой.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве преобразователя энергии используется магнитогидродинамический генератор или турбина с генератором.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что жидкость содержит в себе соль и/или антифриз и углеродные нанотрубки.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве жидкости используется вода.5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что нагреватель-испаритель выполнен с возможностью получения тепловой энергии от солнца.6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что в случае непрозрачной жидкости нагреватель-испаритель выполняется прозрачным, а в случае прозрачной жидкости нагреватель-испаритель выполняется непрозрачным.7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что нагреватель-испаритель содержит теплообменные ребра.8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что в прозрачном нагревателе-испарителе теплообменные ребра находятся внутри него, а в непрозрачном нагревателе-испарителе теплообменные ребра выполнены на нагреваемой его стороне1. Device for converting thermal energy into electrical energy, containing a liquid in a closed circuit, including a heater-evaporator, a condenser and an energy converter connected in series using a heat-insulated pipe, characterized in that an aerial lift is installed between the heater-evaporator and the condenser, between the capacitor and the energy converter an ejector is installed, the nozzle of which is connected to the condenser, the input of the intake of the ejected medium is connected to the output of the heater-evaporator, and the output - with an energy converter, the capacitor being configured to communicate with the external environment. 2. The device according to claim 1, characterized in that a magnetohydrodynamic generator or a turbine with a generator is used as an energy converter. The device according to claim 1, characterized in that the liquid contains salt and / or antifreeze and carbon nanotubes. The device according to claim 1, characterized in that water is used as a liquid. The device according to claim 1, characterized in that the heater-evaporator is configured to receive thermal energy from the sun. The device according to claim 5, characterized in that in the case of an opaque liquid, the heater-evaporator is transparent, and in the case of a transparent liquid, the heater-evaporator is opaque. The device according to claim 6, characterized in that the heater-evaporator contains heat exchange fins. The device according to claim 7, characterized in that in a transparent heater-evaporator, heat-exchange fins are located inside it, and in an opaque heater-evaporator, heat-exchange fins are made on its heated side

Description

Область техники.The field of technology.

Полезная модель относится к устройствам для преобразования тепловой энергии в электрическую и может применяться в качестве автономного источника электрической энергии, используя для нагрева, например, солнечную тепловую энергию или любой другой источник тепла.The invention relates to devices for converting thermal energy into electrical energy and can be used as an autonomous source of electric energy, using, for example, solar thermal energy or any other heat source for heating.

Уровень техники.The level of technology.

Из уровня техники известны устройства для преобразования тепловой энергии в электрическую (см. US 4381463 A, 26.04.1983; US 4454865 A, 19.06.1984), использующие для нагрева рабочего тела солнечную энергию. Принцип работы известных устройств основан на конвекционной циркуляции электропроводящего рабочего тела и прохождении его через магнитогидродинамический генератор для получения электрической энергии. Недостатками известных устройств являются: сложность изготовления, экономическая неэффективность, неэкологичность, обусловленные использованием в качестве рабочего тела жидких металлов, в частности, ртути.The prior art devices for converting thermal energy into electrical energy (see US 4381463 A, 04/26/1983; US 4454865 A, 06/19/1984), using solar energy to heat the working fluid. The principle of operation of the known devices is based on convection circulation of an electrically conductive working fluid and its passage through a magnetohydrodynamic generator to produce electrical energy. The disadvantages of the known devices are: the complexity of manufacturing, economic inefficiency, environmental friendliness due to the use of liquid metals, in particular mercury, as a working fluid.

Известно устройство электростанции (см. JPS 62272860 A, 27.11.1987) использующее в качестве электропроводящей среды ионизированную жидкость, проходящую через магнитогидродинамический генератор. Недостатками известного устройства являются, в частности: сложность изготовления, низкая надежность, обусловленные работой устройства при больших давлениях.A device of a power plant is known (see JPS 62272860 A, 11.27.1987) using an ionized liquid passing through a magnetohydrodynamic generator as an electrically conductive medium. The disadvantages of the known device are, in particular: the complexity of manufacture, low reliability due to the operation of the device at high pressures.

Известно устройство преобразования солнечной энергии в электрическую (см. US 4191901 A, 04.03.1980), использующее в качестве рабочей среды органическую жидкость. Недостатками известного устройства, в частности, являются: сложность конструкции и низкая надежность, обусловленные необходимостью его работы при больших давлениях для обеспечения прохождения рабочей среды через магнитогидродинамический генератор.A device is known for converting solar energy into electrical energy (see US 4191901 A, 03/04/1980) using an organic liquid as a working medium. The disadvantages of the known device, in particular, are: the complexity of the design and low reliability due to the need for its operation at high pressures to ensure the passage of the working medium through the magnetohydrodynamic generator.

В качестве наиболее близкого аналога принято устройство преобразования тепловой энергии, известное из RU 2013743 C1, 30.05.1994. Известное устройство содержит жидкость в замкнутом контуре, включающем последовательно соединенные нагреватель-испаритель, конденсатор и преобразователь энергии. Конденсатор установлен выше относительно нагревателя-испарителя, а все элементы устройства соединены теплоизолированным трубопроводом. Недостатками известного устройства, как и у вышеупомянутых устройств, являются: сложность изготовления, низкая надежность, обусловленные необходимостью обеспечить усиленные герметичные соединения элементов для работы при больших давлениях.As the closest analogue, a thermal energy conversion device is adopted, known from RU 2013743 C1, 05/30/1994. The known device contains a liquid in a closed loop, including series-connected heater-evaporator, condenser and energy converter. The condenser is installed higher relative to the heater-evaporator, and all elements of the device are connected by a thermally insulated pipe. The disadvantages of the known device, as in the aforementioned devices, are: the complexity of manufacturing, low reliability, due to the need to provide reinforced tight connections of the elements to work at high pressures.

Раскрытие полезной модели.Disclosure of a utility model.

Задачей полезной модели является разработка решения для преобразования тепловой энергии в электрическую, лишенного недостатков известных средств данного назначения.The objective of the utility model is to develop a solution for converting thermal energy into electrical energy, devoid of the disadvantages of known means for this purpose.

Техническим результатом предложенной полезной модели является упрощение устройства, повышение его надежности, долговечности, экологичности и экономичности, расширение области применения.The technical result of the proposed utility model is to simplify the device, increase its reliability, durability, environmental friendliness and economy, expand the scope.

Технический результат достигается в устройстве для преобразования тепловой энергии в электрическую, содержащем жидкость в замкнутом контуре, включающем последовательно соединенные, при помощи теплоизолированного трубопровода, нагреватель-испаритель, конденсатор и преобразователь энергии, При этом, между нагревателем-испарителем и конденсатором установлен аэролифт, между конденсатором и преобразователем энергии установлен эжектор, сопло которого соединено с конденсатором, вход забора эжектируемой среды соединен с выходом нагревателя-испарителя, а выход с преобразователем энергии, при этом конденсатор выполнен с возможностью сообщения с внешней средой.The technical result is achieved in a device for converting thermal energy into electrical energy, containing a liquid in a closed circuit, including a heater-evaporator, a condenser and an energy converter connected in series using a heat-insulated pipe. In this case, an airlift is installed between the heater-evaporator and the condenser, between the condenser and an ejector is installed in the energy converter, the nozzle of which is connected to the capacitor, the input of the intake of the ejected medium is connected to the heating output ator-evaporator, and the output from the energy converter, the capacitor is configured to communicate with the external environment.

В качестве преобразователя энергии может быть использован магнитогидродинамический генератор или турбина с генератором.A magnetohydrodynamic generator or a turbine with a generator can be used as an energy converter.

Жидкость может содержать в себе соль и/или антифриз и углеродные нанотрубки. А в качестве жидкости может быть использована вода.The fluid may contain salt and / or antifreeze and carbon nanotubes. And as a liquid, water can be used.

Нагреватель-испаритель может быть выполнен с возможностью получения тепловой энергии от солнца. В случае непрозрачной жидкости нагреватель-испаритель выполняется прозрачным, а в случае прозрачной жидкости нагреватель-испаритель выполняется непрозрачным. Нагреватель-испаритель может содержать теплообменные ребра. В прозрачном нагревателе-испарителе теплообменные ребра находятся внутри него, а в непрозрачном нагревателе-испарителе теплообменные ребра выполнены на нагреваемой его стороне и обращены внутрь. Теплообменные ребра могут быть выполнены из темного или черного пластика, или из черненой меди.The evaporator heater may be configured to receive thermal energy from the sun. In the case of an opaque liquid, the heater-evaporator is transparent, and in the case of a transparent liquid, the heater-evaporator is opaque. The evaporator heater may comprise heat exchange fins. In a transparent heater-evaporator, heat-exchange fins are located inside it, and in an opaque heater-evaporator, heat-exchange fins are made on its heated side and face inward. Heat exchange fins can be made of dark or black plastic, or blackened copper.

Краткое описание чертежей.A brief description of the drawings.

Фиг. 1 - схематичный вид устройства преобразования тепловой энергии в электрическую с использованием прозрачной жидкости.FIG. 1 is a schematic view of a device for converting thermal energy into electrical energy using a transparent liquid.

Фиг. 2 - схематичный вид устройства преобразования тепловой энергии в электрическую с использованием непрозрачной или полупрозрачной жидкости.FIG. 2 is a schematic view of a device for converting thermal energy into electrical energy using an opaque or translucent liquid.

Осуществление полезной модели.Implementation of a utility model.

Предложенная полезная модель предназначена для преобразования тепловой энергии в электрическую и может применяться в качестве автономного источника электрической энергии, как индивидуального бытового пользования, так и промышленного. В качестве источников тепла можно использовать топливные источники, радиоизотопные, атомные (тепло атомного реактора), солнечные, утилизационные, а также тепло из любых источников, выделяющих сбросное тепло (выхлопные, печные газы и др.). Предложенное решение может работать в системе, например, путем его объединения с устройствами отопления и горячего водоснабжения, работающими на солнечной энергии, такими как солнечные коллекторы.The proposed utility model is designed to convert thermal energy into electrical energy and can be used as an autonomous source of electrical energy, both for individual household use and industrial. As heat sources, you can use fuel sources, radioisotope, atomic (atomic reactor heat), solar, utilization, as well as heat from any sources that produce waste heat (exhaust, furnace gases, etc.). The proposed solution can work in a system, for example, by combining it with solar-powered heating and hot water supply devices, such as solar collectors.

Устройство преобразования тепловой энергии в электрическую (Фиг. 1) содержит последовательно соединенные в замкнутый контур нагреватель-испаритель 1 с теплообменными ребрами 2, аэролифт 3, конденсатор 4, эжектор 5 и преобразователь энергии 6. Выход нагревателя-испарителя 1 дополнительно соединен с входом забора эжектируемой среды эжектора 5, сопло которого соединено с конденсатором 4. Соединения между элементами устройства выполняются при помощи теплоизолированных труб. Конденсатор 4 располагается выше относительно нагревателя 1 и в нем выполнен патрубок 7, служащий для выравнивания внутреннего давления паро-жидкостной среды с атмосферным и работы аэролифта 3. Через патрубок 7 возможно осуществлять долив жидкости, в случае ее испарения и понижения уровня, в остальное время он закрыт противопыльным фильтром или мембраной.A device for converting thermal energy into electrical energy (Fig. 1) contains a heater-evaporator 1 connected in series to a closed circuit with heat exchange fins 2, an airlift 3, a condenser 4, an ejector 5, and an energy converter 6. The output of the heater-evaporator 1 is additionally connected to the input of the ejected intake the ejector 5, the nozzle of which is connected to the capacitor 4. Connections between the elements of the device are made using insulated pipes. The condenser 4 is located higher relative to the heater 1 and a nozzle 7 is made in it, which serves to equalize the internal pressure of the vapor-liquid medium with the atmosphere and the operation of the airlift 3. Through the nozzle 7 it is possible to top up the liquid, in case of evaporation and lowering the level, the rest of the time covered with a dust filter or membrane.

Все элементы устройства, за исключением преобразователя энергии 6, могут быть выполнены из пластика, такого как поликарбонат. Теплообменные ребра 2 могут быть выполнены как из темного или черного пластика, так и из черненой меди. Преобразователем энергии 6 может служить магнитогидродинамический генератор (МГД-генератор) или жидкостная турбина с генератором.All elements of the device, with the exception of the energy converter 6, can be made of plastic, such as polycarbonate. The heat exchange fins 2 can be made of both dark or black plastic and blackened copper. The energy converter 6 can be a magnetohydrodynamic generator (MHD generator) or a liquid turbine with a generator.

Жидкость 8 может содержать в себе соль и/или антифриз и углеродные нанотрубки, а в качестве самой жидкости может быть использована вода. Процентный состав компонентов жидкости выбирается из необходимых эксплутационно-технических и экономических требований. Так, например, добавление в жидкость антифриза позволяет работать устройству при пониженных температурах, добавление соли так же влияет на понижение температуры замерзания жидкости и повышает ее электропроводность. Добавление в состав жидкости углеродных нанотрубок влияет на интенсивность теплообмена и электропроводность. Дополнительно в состав жидкости могут быть введены красители, влияющие на ее прозрачность для различных вариантов выполнения устройства, которые будут показаны ниже.The liquid 8 may contain salt and / or antifreeze and carbon nanotubes, and water may be used as the liquid itself. The percentage composition of fluid components is selected from the necessary operational, technical and economic requirements. So, for example, the addition of antifreeze to the liquid allows the device to operate at low temperatures, the addition of salt also affects the freezing point of the liquid and increases its electrical conductivity. The addition of carbon nanotubes to the liquid composition affects the intensity of heat transfer and electrical conductivity. Additionally, dyes can be introduced into the liquid composition, affecting its transparency for various embodiments of the device, which will be shown below.

Один из вариантов выполнения устройства использует прозрачную жидкость (Фиг. 1). Работает устройство преобразования тепловой энергии в электрическую следующим образом. Для примера, в качестве источника тепла используется солнечная энергия, которая может быть как прямой, так и отраженной с помощью рефлектора. При попадании тепловой (солнечной) энергии на нагреватель-испаритель 1, происходит нагрев жидкости 8, которая начинает конвекционное движение по контуру (конвекционный контур), включающему нагреватель-испаритель 1, эжектор 5, преобразователь энергии 6. Для улучшения теплообмена, повышения интенсивности нагрева и парообразования жидкости 8, при слабой облученности, возможно использование теплообменных ребер 2. При использовании прозрачной жидкости нагреватель-испаритель 1 выполняется непрозрачным, а теплообменные ребра 2 выполнены на его нагреваемой стороне и обращены внутрь. При повышении температуры жидкости 8 начинается процесс кипения и ее часть переходит в газообразное состояние (пар), образуя смесь жидкости и пара. За счет разницы между давлением пара и атмосферным давлением, обеспечиваемым патрубком 7 в конденсаторе 4, жидкость 8 начинает подниматься по аэролифту 3 в конденсатор 4. По мере накопления жидкости 8 в конденсаторе 4 она направляется в сопло эжектора 5. За счет разницы высот между конденсатором 4 и эжектором 5, жидкость 8 на выходе конденсатора 4 обладает потенциальной энергией, которая в эжекторе 5 переходит в кинетическую и передается потоку жидкости 8 в конвекционном контуре, ускоряя ее движение по контуру.One embodiment of the device uses a clear liquid (Fig. 1). A device for converting thermal energy into electrical energy as follows. For example, solar energy is used as a heat source, which can be either direct or reflected using a reflector. When heat (solar) energy gets on the heater-evaporator 1, the liquid 8 is heated, which starts convection movement along the circuit (convection circuit), including the heater-evaporator 1, ejector 5, energy converter 6. To improve heat transfer, increase the intensity of heating and vaporization of the liquid 8, with weak irradiation, it is possible to use heat exchange fins 2. When using a transparent liquid, the heater-evaporator 1 is opaque, and the heat exchange fins 2 are made on its n heated side and facing inward. With increasing temperature of the liquid 8, the boiling process begins and part of it passes into the gaseous state (steam), forming a mixture of liquid and steam. Due to the difference between the vapor pressure and the atmospheric pressure provided by the nozzle 7 in the condenser 4, the liquid 8 begins to rise through the air lift 3 into the condenser 4. As the liquid 8 accumulates in the condenser 4, it is directed to the ejector nozzle 5. Due to the height difference between the condenser 4 and an ejector 5, the liquid 8 at the output of the capacitor 4 has potential energy, which in the ejector 5 passes into the kinetic energy and is transmitted to the fluid flow 8 in the convection circuit, accelerating its movement along the circuit.

При использовании в качестве преобразователя энергии 6 МГД-генератора, электрическая энергия образуется за счет прохождения через него электропроводящей жидкости 8. В случае использования турбины с генератором происходит преобразование энергии потока жидкости 8 в механическую энергию вращения турбины и далее в электрическую. Полученная на преобразователе 6 электрическая энергия направляется потребителю.When using 6 MHD generator as an energy converter, electric energy is generated due to the passage of an electrically conductive fluid 8. Through the use of a turbine with a generator, the energy of the fluid flow 8 is converted into mechanical energy of rotation of the turbine and then into electrical energy. Received on the Converter 6, the electrical energy is sent to the consumer.

Устройство может работать при слабом потоке тепла и при сильно отрицательных температурах, когда испарение жидкости 8 не представляется возможным. В данном случае преобразование энергии в устройстве происходит за счет работы конвекционного контура.The device can operate at a low heat flux and at very low temperatures, when the evaporation of liquid 8 is not possible. In this case, the conversion of energy in the device occurs due to the operation of the convection circuit.

Второй вариант устройства, представленный на Фиг. 2 работает по аналогии с первым вариантом. Отличием является применение прозрачного нагревателя-испарителя 1. Для поглощения в нем солнечной энергии используется непрозрачная или полупрозрачная жидкость 8. В случае использования полупрозрачной жидкости 8 возможна установка теплообменных ребер 2 внутри прозрачного нагревателя-испарителя 1, а в случае использования непрозрачной жидкости 8 необходимость в них полностью отпадает.The second embodiment of the device shown in FIG. 2 works by analogy with the first option. The difference is the use of a transparent heater-evaporator 1. To absorb solar energy, an opaque or translucent liquid is used 8. In the case of using a translucent liquid 8, heat-exchange fins 2 can be installed inside the transparent heater-evaporator 1, and in case of using an opaque liquid 8, the need for them completely disappears.

Предложенная конструкция устройства для преобразования тепловой энергии в электрическую не требует обеспечения герметичных швов и материалов, предназначенных для работы при больших давлениях, что позволяет упростить и удешевить конструкцию, повысить ее надежность и долговечность при эксплуатации. Возможность использования различных преобразователей энергии и работа в широком температурном диапазоне расширяет область применения устройства. Кроме того, за счет особенностей конструкции и принципа работы, устройство может изготавливаться из пластика и использовать экологически чистые жидкости, что повышает его экологичность и экономичность, в отличие от аналогичных устройств использующих в качестве жидкости фреон, ртуть и т.д.The proposed design of a device for converting thermal energy into electrical energy does not require tight seams and materials designed to work at high pressures, which allows to simplify and cheapen the structure, to increase its reliability and durability during operation. The ability to use various energy converters and work in a wide temperature range expands the scope of the device. In addition, due to the design features and the principle of operation, the device can be made of plastic and use environmentally friendly liquids, which increases its environmental friendliness and efficiency, in contrast to similar devices using freon, mercury, etc. as liquid.

Таким образом, предложенное решение обеспечивает получение, указанного выше, технического результата.Thus, the proposed solution provides the above-mentioned technical result.

Следует отметить, что описание полезной модели и чертежи приведены только в качестве примера и не ограничивают возможные модификации технического решения в рамках предложенной формулы.It should be noted that the description of the utility model and the drawings are given only as an example and do not limit possible modifications to the technical solution within the framework of the proposed formula.

Claims

1. Device for converting thermal energy into electrical energy, containing a liquid in a closed circuit, including a heater-evaporator, a condenser and an energy converter connected in series using a heat-insulated pipe, characterized in that an aerial lift is installed between the heater-evaporator and the condenser, between the capacitor and the energy converter an ejector is installed, the nozzle of which is connected to the condenser, the input of the intake of the ejected medium is connected to the output of the heater-evaporator, and the output - with an energy converter, while the capacitor is configured to communicate with the external environment.

2. The device according to claim 1, characterized in that a magnetohydrodynamic generator or a turbine with a generator is used as an energy converter.

3. The device according to claim 1, characterized in that the liquid contains salt and / or antifreeze and carbon nanotubes.

4. The device according to claim 1, characterized in that water is used as a liquid.

5. The device according to claim 1, characterized in that the heater-evaporator is configured to receive thermal energy from the sun.

6. The device according to claim 5, characterized in that in the case of an opaque liquid, the heater-evaporator is transparent, and in the case of a transparent liquid, the heater-evaporator is opaque.

7. The device according to claim 6, characterized in that the heater-evaporator contains heat exchange fins.

8. The device according to claim 7, characterized in that in the transparent heater-evaporator the heat transfer ribs are located inside it, and in the opaque heater-evaporator the heat transfer ribs are made on its heated side and face inward.

9. The device according to claim 7, characterized in that the heat exchange fins are made of dark or black plastic, or blackened copper.