Способ преобразования тепла в гидравлическую энергию и устройство для его осуществления

Способ преобразования тепла в гидравлическую энергию и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для эффективного преобразования в гидравлическую энергию тепла различных источников, в том числе солнца, двигателей внутреннего или внешнего сгорания, высокотемпературных топливных элементов, геотермальных источников и др.

Уровень техники

Известен способ преобразования тепла в гидравлическую энергию, реализованный в устройстве по US 557964. Способ включает нагнетание рабочей жидкости в пневмогидравлический аккумулятор (далее аккумулятор) со сжатием газа, а также расширение газа с вытеснением жидкости из аккумулятора, а также подвод тепла к газу и отвод тепла от газа, производимые так, что средняя температура газа при расширении выше, чем при сжатии.

Способ реализован с помощью устройства, которое включает, по меньшей мере, два пневмогидравлических аккумулятора (названные авторами «первым и вторым жидкостными сосудами», "liquid tank"), в каждом из которых жидкостный резервуар, сообщающийся со средствами подачи и приема жидкости, отделен подвижным разделителем от газового резервуара, сообщающегося со средствами нагрева и охлаждения, выполненными с возможностью нагревать и охлаждать поступающий в них газ. Средства нагрева и охлаждения включают газовые ресиверы (названные авторами «первым и вторым газовыми сосудами», "gas vessels"), каждый из которых сообщается с газовым резервуаром соответствующего (первого или второго) аккумулятора, а также средства нагрева и охлаждения газа в ресиверах (названные авторами «первыми и вторыми средствами нагрева и охлаждения» соответственно) и систему управления, выполненные с возможностью чередовать охлаждение и нагрев газа в ресиверах. Средства подачи и приема жидкости включают гидравлические насос и мотор, а также клапаны.

Тепло к газу в ресивере подводится от горячего теплоносителя через стенки нагревающего теплообменника, который либо размещается снаружи ресивера и передает тепло газу через стенки ресивера, либо размещается внутри ресивера, передавая тепло газу через собственные прочные стенки. В качестве горячего теплоносителя предлагается использовать, например, выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания (далее ДВС).

Тепло от газа в ресивере отводится к внешнему охлаждающему теплоносителю либо непосредственно через стенки ресивера, либо через прочные стенки отдельного охлаждающего теплообменника, размещаемого внутри ресивера. В качестве охлаждающего теплоносителя предлагается использовать окружающий воздух или воду.

Переключение от подвода тепла к отводу и обратно осуществляется выключением потока горячего теплоносителя и включением потока охлаждающего теплоносителя и, наоборот, с использованием клапанов.

Каждый аккумулятор со своим ресивером и средствами нагрева и охлаждения является отдельным преобразователем тепла в гидравлическую энергию. Газовые резервуары разных аккумуляторов не сообщаются, а жидкостные резервуары подключены к средствам подачи и приема жидкости через отдельные клапаны. Для уменьшения пульсаций входных и выходных потоков в упомянутом устройстве используются два и более таких преобразователя, так что нагнетанию жидкости в аккумулятор одного преобразователя соответствует вытеснение жидкости из аккумулятора другого преобразователя.

В каждом таком преобразователе вышеописанный способ реализован как циклический процесс, включающий четыре последовательные стадии:

- нагнетание рабочей жидкости из средств подачи и приема жидкости в аккумулятор со сжатием газа и вытеснением его из аккумулятора в ресивер и с отводом тепла от газа в ресивере к внешнему охлаждающему теплоносителю,

- изохорный нагрев газа в ресивере путем подвода к нему тепла, например, от горячего теплоносителя,

- расширение газа с вытеснением его из ресивера в аккумулятор, с вытеснением жидкости из аккумулятора в средства подачи и приема жидкости и с продолжением подвода тепла к газу в ресивере, например, от горячего теплоносителя,

- изохорное охлаждение газа путем отвода тепла от газа в ресивере к внешнему охлаждающему теплоносителю.

За счет подвода к газу тепла на стадиях изохорного нагрева и последующего расширения, а также отвода тепла от газа на стадиях изохорного охлаждения и последующего сжатия средняя температура (а следовательно, и среднее давление) газа при расширении выше, чем при сжатии, поэтому работа расширения газа превосходит работу по сжатию газа. В результате часть тепла преобразуется в дополнительную гидравлическую энергию.

Однако циклический нагрев и охлаждение газа происходят в одном и том же объеме газового ресивера, что подразумевает циклический нагрев и охлаждение не только газа, но и теплообменников, а также стенок ресивера. Газ при высоком давлении (сотни бар) обменивается теплом с теплоносителями при низком давлении (до единиц бар для выхлопных газов). Теплообменники соответствующей прочности, так же как и стенки ресивера, массивны и имеют теплоемкость существенно (как минимум, в десятки раз) больше, чем теплоемкость газа в ресивере. В еще большей степени (в сотни и тысячи раз) их теплоемкость превосходит теплоемкости атмосферного воздуха и выхлопных газов, прокачиваемых через теплообменники за секунду.

В результате тепловая инерция устройства велика, а скорости охлаждения и нагрева газа малы, что снижает быстродействие и среднюю удельную мощность устройства и является первым существенным недостатком предложенного решения. Нагрев и охлаждение газа в ресивере происходит за счет теплопроводности газа и естественной конвекции, что также снижает скорости нагрева и охлаждения и связанную с ними удельную мощность.

При этом большая часть тепла внешнего источника расходуется не на преобразование в гидравлическую энергию, а на нагрев массивных теплообменников и стенок ресивера, охлажденных на предыдущей стадии цикла. По окончании расширения газа тепло, накопленное в теплообменнике, отдается охлаждающему теплоносителю и выбрасывается. Поэтому эффективность использования тепла оказывается низкой, что является вторым и наиболее существенным недостатком данного решения. Предлагаемое авторами использование тепла, отводимого от одного из ресиверов при его охлаждении, для нагрева другого ресивера позволяет уменьшить потери тепла не более чем на 50%.

Дополнительные потери тепла происходят при поступлении потока нагретого газа в аккумулятор, где он обдувает стенки газового резервуара аккумулятора и быстро отдает им тепло.

Следует также отметить, что в предложенном решении повышение термодинамической эффективности газового цикла принципиально несовместимо с повышением общей эффективности преобразования тепла внешнего источника в гидравлическую энергию. Стремясь к увеличению эффективности газового цикла, авторы предлагают нагревать газ в ресивере до тех пор, пока температура газа в ресивере не приблизится к температуре горячего теплоносителя. Аналогичным образом, предлагается охлаждать газ в ресивере до выравнивания его температуры с температурой окружающего воздуха или иного охлаждающего теплоносителя. Однако по мере приближения температуры теплообменника к температуре горячего теплоносителя доля тепла, отбираемого в теплообменник от теплоносителя, стремится к нулю. Таким образом, несмотря на рост термодинамической эффективности газового цикла, эффективность преобразования тепла внешнего источника в гидравлическую энергию падает еще сильнее. Также падают скорость и средняя мощность, т.к. процесс выравнивания температур в ресивере носит асимптотический характер.

Циклический нагрев и охлаждение корпуса ресивера и теплообменников, находящихся под высоким давлением, ускоряет их усталостное разрушение и снижает надежность и безопасность предложенного устройства. Кроме того, необходимость переключать клапанами поток горячего теплоносителя снижает надежность устройства, особенно при использовании выхлопных газов ДВС, сочетающих высокую температуру (до 800-900°С) с химической агрессивностью. Отказ клапана, переключающего поток выхлопных газов, может привести либо к опасному неконтролируемому перегреву газа в ресивере с повышением давления выше предельно допустимого уровня, либо к отказу ДВС при блокировании выпускного тракта.

Таким образом, низкая эффективность и скорость преобразования тепла в гидравлическую энергию, низкая удельная мощность и низкая надежность являются основными недостатками предложенного решения. Невозможность накапливать тепло и генерировать гидравлическую энергию при временном отключении или ослаблении потока горячего теплоносителя также является существенным недостатком предложенного решения.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности и скорости преобразования тепла в гидравлическую энергию.

Задачей настоящего изобретения также является повышение плотности мощности и надежности устройства, преобразующего тепло в гидравлическую энергию.

Задачей настоящего изобретения также является обеспечение возможности хранения тепла и преобразования его в гидравлическую энергию при временном отключении или снижении мощности источника тепла.

Для решения поставленной задачи предлагается способ преобразования тепла в гидравлическую энергию, включающий нагнетание рабочей жидкости в жидкостный резервуар по меньшей мере одного из двух или более пневмогидравлических аккумуляторов (далее аккумуляторов) со сжатием газа в его газовом резервуаре, расширение газа в газовом резервуаре по меньшей мере одного аккумулятора с вытеснением рабочей жидкости из его жидкостного резервуара, а также подвод тепла к газу и отвод тепла от газа, производимые так, что средняя температура газа при расширении выше, чем при сжатии.

Решение поставленной задачи достигается тем, что тепло к газу подводят, перенося газ через более горячий теплообменник, а отводят тепло от газа, перенося газ через другой, более холодный, теплообменник, причем газ переносят через указанные теплообменники между газовыми резервуарами разных аккумуляторов.

Для поддержания теплообменника более горячим его приводят в тепловой контакт с источником тепла (посредством теплопроводности, излучения или теплопереноса потоком нагревающего теплоносителя). Для поддержания теплообменника более холодным его приводят в тепловой контакт с охлаждающим теплоносителем. За счет того, что средняя температура газа при расширении выше (а следовательно, выше и среднее давление газа), чем при сжатии, работа расширения газа превосходит работу по сжатию газа. В результате часть тепла, подводимого к газу, может быть использована для производства механической работы. Для нагнетания рабочей жидкости и использования дополнительной гидравлической энергии, получаемой при вытеснении жидкости более горячим газом, используют средства подачи и приема жидкости, которые могут включать гидравлические насосы и моторы или гидравлические преобразователи давления (далее гидропреобразователи).

За счет переноса газа через теплообменники между разными аккумуляторами циклическому нагреву и охлаждению подвергают не массивные теплообменники, а только переносимый через них газ. В результате значительно снижаются потери тепла и повышается эффективность преобразования тепла в гидравлическую энергию.

Вынужденная конвекция протекающего через теплообменники газа обеспечивает высокую скорость его нагрева и охлаждения, что позволяет проводить преобразование тепла внешнего источника в гидравлическую энергию с большой скоростью и удельной мощностью.

Устранение циклического нагрева и охлаждения теплообменников и других элементов средств нагрева и охлаждения, находящихся под высоким давлением, повышает их надежность и безопасность преобразования тепла в гидравлическую энергию.

Тепло, накапливаемое в более горячем теплообменнике, не выбрасывается и может использоваться для преобразования в гидравлическую энергию при временном отключении или снижении мощности внешнего источника тепла.

Для уменьшения тепловых потерь при обдувании стенок газового резервуара аккумулятора входным потоком нагретого или охлажденного газа стенки газового резервуара по меньшей мере одного из аккумуляторов поддерживают более холодными и переносят в него газ через более холодный теплообменник, а стенки газового резервуара другого, по меньшей мере одного, аккумулятора поддерживают более горячими и переносят в него газ через более горячий теплообменник.

Для уменьшения потерь тепла газа через разделитель аккумулятора, обусловленных разностью температур газа и жидкости в аккумуляторе, стенки жидкостного резервуара по меньшей мере одного из аккумуляторов и рабочую жидкость в нем поддерживают более холодными, а стенки жидкостного резервуара другого, по меньшей мере одного, аккумулятора и рабочую жидкость в нем поддерживают более горячими.

Для предотвращения потерь тепла с потоками рабочей жидкости изобретение предусматривает как теплоизоляцию потоков, так и регенерацию тепла при нагнетании и вытеснении более горячей (или более холодной) рабочей жидкости.

Для регенерации тепла рабочую жидкость, вытесняемую по меньшей мере из одного аккумулятора, пропускают через регенерирующий жидкостный теплообменник, причем при нагнетании рабочей жидкости в этот аккумулятор ее пропускают через этот же регенерирующий жидкостный теплообменник в обратном направлении.

Для теплоизоляции потоков жидкости более горячую рабочую жидкость отделяют от более холодной рабочей жидкости по меньшей мере одним подвижным теплоизолятором.

Для работы с повышенной разницей температур между аккумуляторами в более холодном жидкостном резервуаре используют одну рабочую жидкость, а в более горячем жидкостном резервуаре используют другую рабочую жидкость, причем эти разные рабочие жидкости разделяют по меньшей мере одним подвижным разделителем. Этот подвижный разделитель может также являться и подвижным теплоизолятором, например поршнем из материала с низкой теплопроводностью (полимерным или керамическим) или эластичным разделителем, покрытым вспененным эластомером с открытыми порами.

Использование высокотемпературной органической (например, на основе дифенила и дифенилоксида) или кремнийорганической (например, на основе диметилполисилоксана) рабочей жидкости позволяет поддерживать температуру более горячего аккумулятора и рабочей жидкости в нем до 300-400°С. Использование неорганической рабочей жидкости (например, расплавленного олова или другого металла) позволяет поднять максимальную температуру еще выше, до температурного предела прочности материала стенок аккумулятора.

Повышение температуры более горячего аккумулятора и рабочей жидкости в нем повышают эффективность преобразования тепла в гидравлическую энергию, особенно когда потери тепла с потоками рабочей жидкости устраняются вышеописанными способами.

Стабильный температурный режим прочных оболочек аккумуляторов, находящихся под высоким давлением, также повышает их надежность и безопасность преобразования тепла в гидравлическую энергию.

Для приближения процесса сжатия газа к изотермическому используют по меньшей мере три аккумулятора, причем по меньшей мере в двух из них стенки газовых резервуаров поддерживают более холодными и переносят между ними газ со сжатием через более холодный теплообменник.

Для приближения процесса расширения газа к изотермическому используют по меньшей мере три аккумулятора, причем по меньшей мере в двух из них стенки газовых резервуаров поддерживают более горячими и переносят между ними газ с расширением через более горячий теплообменник.

Для повышения максимальной температуры газа выше максимально допустимой температуры рабочей жидкости или разделителя по меньшей мере в одном аккумуляторе стенки газового резервуара отделяют от потока нагретого газа средствами теплозащиты.

Для лучшего приближения процессов сжатия или расширения газа к изотермическим и дальнейшего повышения эффективности преобразования тепла в гидравлическую энергию в газовом резервуаре по меньшей мере одного аккумулятора создают вынужденную конвекцию газа с использованием газового циркуляционного насоса (далее для краткости называемого газодувкой).

Используют как внешние газодувки, так и газодувки, выполненные внутри аккумулятора (в его корпусе или в газовом резервуаре).

Для лучшего приближения к изотермичности вынужденную конвекцию создают, перенося газ газодувкой по меньшей мере через один теплообменник с отбором газа из газового резервуара по меньшей мере одного аккумулятора и возвратом газа в этот же газовый резервуар. Предпочтительно для уменьшения потерь на нагрев и охлаждение газовых линий газ из этого газового резервуара отбирают через одну газовую линию, а возвращают через другую газовую линию.

Газодувка может приводиться в движение электрическими, гидравлическими или иными моторами через вал или иное кинематическое звено привода, снабженное уплотнениями, предотвращающими утечки сжатого газа. Для уменьшения потерь на утечки и трение в уплотнениях кинематических звеньев привода газодувки ее приводят в движение гидромотором, работающим при близких давлениях жидкости (предпочтительно отличающихся от давлений газа в газодувке не более чем на единицы бар). Предпочтительно этот гидромотор приводят в движение жидкостью, протекающей между этим гидромотором и жидкостным резервуаром по меньшей мере одного из указанных аккумуляторов при нагнетании в него жидкости или при вытеснении жидкости из него через этот гидромотор.

Для повышения термодинамической эффективности, особенно при сжатии или расширении, приближенных к изотермическим, преобразование проводят по циклу с регенерацией тепла, в котором по меньшей мере на одной стадии от газа отводят тепло с охлаждением газа и по меньшей мере на одной стадии к газу подводят тепло с нагревом газа, причем часть тепла, отводимого от газа на стадии с охлаждением, используют для подвода к газу на стадии с нагревом. Для этого на стадии охлаждения тепло от газа отводят на регенерирующий теплообменник, а на стадии нагрева подводят тепло к газу сначала от регенерирующего теплообменника, а затем от внешнего источника тепла.

При использовании тепла, эффективно отдаваемого источником при высокой температуре, например высокотемпературного топливного элемента, а также тепла солнца или другого источника лучистой энергии, предпочтительно используют отдельный регенерирующий теплообменник. На стадии с охлаждением газа его пропускают сначала через отдельный регенерирующий теплообменник в направлении охлаждения, а потом через холодный теплообменник, а на стадии с нагревом газа его пропускают сначала через регенерирующий теплообменник в направлении нагрева, предпочтительно обратном направлению охлаждения, а потом через горячий теплообменник.

При передаче тепла от источника посредством горячего теплоносителя, выбрасываемого после отбора тепла (например, выхлопных газов), используют противоточный горячий теплообменник для повышения эффективности. Через него газ при подводе тепла переносят в направлении, противоположном направлению протекания горячего теплоносителя, так, что к входящему в теплообменник газу тепло подводится от выходящего из теплообменника теплоносителя, а тепло к выходящему из теплообменника газу подводится от входящего в теплообменник теплоносителя. Тем самым повышают как степень нагрева газа, так и степень охлаждения горячего теплоносителя (например, выходных потоков продуктов сгорания топлива или водяного пара). При этом предпочтительно этот же противоточный теплообменник (или его часть) используют в качестве регенерирующего теплообменника, пропуская газ через него (или через его часть) при охлаждении в одном направлении, а при нагреве - в обратном направлении.

При повышении степени регенерации тепла газовые циклы, включающие две изотермы и две изобары (или две другие стадии, эквидистантные в координатах «температура-энтропия», например две изохоры), приближаются к обобщенным циклами Карно, которые позволяют преобразовывать тепло в работу газа с предельной термодинамической эффективностью.

С целью уменьшения гидромеханических потерь уменьшают долю жидкости, подвергаемой значительному изменению давления при переносе через гидромеханические устройства. Для этого газ переносят между газовыми резервуарами аккумуляторов, нагнетая жидкость в жидкостный резервуар по меньшей мере одного из этих аккумуляторов и вытесняя жидкость из жидкостного резервуара по меньшей мере одного другого аккумулятора, причем между жидкостными резервуарами этих аккумуляторов создают поток жидкости так, что разница давлений между любыми частями жидкости в этом потоке не превосходит 30% от давления жидкости в том жидкостном резервуаре, в который ее нагнетают, предпочтительно указанная разница не превосходит 5% от указанного давления.

В традиционных аккумуляторах каждому газовому резервуару соответствует один жидкостный резервуар, давления в которых различаются лишь на небольшую величину, связанную с трением при перемещении поршневого разделителя или с деформацией эластичного разделителя. Указанный поток жидкости между такими аккумуляторами создают посредством гидромеханических средств межаккумуляторной передачи жидкости (например, жидкостного насоса либо гидропреобразователя), преодолевающих разницу давлений между жидкостными резервуарами аккумуляторов, газовые резервуары которых сообщаются через теплообменники.

Указанная разница давлений между разными частями потока жидкости между жидкостными резервуарами аккумуляторов, газовые резервуары которых сообщаются через теплообменники, определяется сопротивлениями теплообменников, коммуникаций (газовых и жидкостных), а также эффективностью гидромеханических средств межаккумуляторной передачи жидкости. По сравнению с полным давлением жидкости в аккумуляторе эта разница давлений мала (предпочтительно не превышает единиц бар). Поэтому малы и потери, связанные с утечками и трением в гидромеханических средствах межаккумуляторной передачи жидкости.

Указанные гидромеханические средства могут включать жидкостный насос, приводимый в движение электрическими, гидравлическими или иными моторами через вал или иное кинематическое звено привода, снабженное уплотнениями, предотвращающими утечки жидкости. Для уменьшения потерь на утечки и трение в этих уплотнениях указанный поток жидкости между аккумуляторами предпочтительно создают посредством гидропреобразователя, имеющего не менее трех жидкостных портов. Для создания межаккумуляторного потока жидкости два его порта соединяют с жидкостными портами соответствующих аккумуляторов и приводят его в движение другим потоком жидкости, протекающей через по меньшей мере один другой его порт. Предпочтительно в качестве этого другого потока используют поток, являющийся разностным между потоком, втекающим в гидропреобразователь из аккумулятора (аккумуляторов), из которого поступающий газ вытесняет жидкость, и потоком, вытекающим из гидропреобразователя в аккумулятор (аккумуляторы), в котором поступающая жидкость вытесняет газ.

Предусматривается применение различных гидропреобразователей как с отдельными кинематически связанными насосами и гидромоторами (как роторными, так и линейными), так и интегрированных, например гидропреобразователей с фазовым регулированием, в которых каждый цилиндр часть оборота работает как мотор, а другую часть - как насос.

Предпочтительно по компактности использовать по меньшей мере один аккумулятор, который сочетает функции пневмогидравлического аккумулятора и гидропреобразователя. Такой аккумулятор включает по меньшей мере два жидкостных резервуара, отделенных одним общим поршневым разделителем от одного газового резервуара. Эти жидкостные резервуары имеют независимые жидкостные порты и отделены друг от друга, что позволяет поддерживать в них разные давления так, чтобы суммарная сила давления жидкости на разделитель уравновешивала силу давления газа на разделитель. Для создания вышеуказанного межаккумуляторного потока жидкости по меньшей мере в одном жидкостном резервуаре этого аккумулятора поддерживают давление жидкости больше, чем давление газа в газовом резервуаре этого же аккумулятора, и по меньшей мере в одном другом жидкостном резервуаре этого аккумулятора поддерживают давление жидкости меньше, чем указанное давление газа. По меньшей мере один из этих жидкостных резервуаров, соединяемый с жидкостным резервуаром по меньшей мере одного другого аккумулятора, участвует в указанном межаккумуляторном потоке жидкости, в то время как по меньшей мере один другой жидкостный резервуар этого же аккумулятора используется для поддержания соотношения давлений жидкости в соответствии с направлением переноса газа. В жидкостном резервуаре, участвующем в межаккумуляторном переносе жидкости, поднимают или опускают давление относительно давления газа на величину, достаточную для создания потока жидкости. Для этого соответственно опускают или поднимают давление в жидкостном резервуаре, не участвующем в межаккумуляторном переносе жидкости на величину, необходимую для сохранения баланса сил давления на поршневой разделитель. При переносе газа в газовый резервуар этого аккумулятора создают указанный поток жидкости в другой аккумулятор по меньшей мере из одного из жидкостных резервуаров этого аккумулятора, поддерживая в этом жидкостном резервуаре давление, большее, чем давление газа в этом газовом резервуаре, а в другом, по меньшей мере в одном, жидкостном резервуаре этого же аккумулятора давление меньше, чем указанное давление газа. При переносе газа из газового резервуара этого аккумулятора создают указанный поток жидкости из другого аккумулятора по меньшей мере в один из жидкостных резервуаров этого аккумулятора, поддерживая в этом жидкостном резервуаре давление, меньшее, чем давление газа в этом газовом резервуаре, а в другом, по меньшей мере в одном, жидкостном резервуаре этого же аккумулятора давление, большее, чем указанное давление газа.

Изобретение предполагает, что поток жидкости создают через гидропреобразователь и необходимые клапаны как непосредственно между жидкостными резервуарами разных аккумуляторов, так и через промежуточный жидкостный буфер с перемещением его подвижного разделителя или теплоизолятора.

С целью дальнейшего уменьшения гидромеханических потерь для приема вытесняемой рабочей жидкости и ее нагнетания используют средства подачи и приема жидкости, включающие линию с первым давлением и линию со вторым давлением. И первое, и второе давления поддерживаются высокими (предпочтительно десятки или сотни бар), причем второе давление больше, чем первое. Преобразование производят по циклу, включающему стадию сжатия газа в аккумуляторе с более холодным газовым резервуаром, стадию переноса газа из него через более горячий теплообменник в аккумулятор с более горячим газовым резервуаром, стадию расширения газа в аккумуляторе с более горячим газовым резервуаром, а также стадию переноса газа из него через более холодный теплообменник в аккумулятор с более холодным газовым резервуаром.

Перенос газа из аккумулятора с более горячим газовым резервуаром в аккумулятор с более холодным газовым резервуаром производят при давлении рабочей жидкости в аккумуляторах меньше, чем первое давление. Поток рабочей жидкости от линии с первым давлением к жидкостному резервуару аккумулятора с более горячим газовым резервуаром направляют через вышеупомянутый гидропреобразователь, которым создают вышеописанный поток рабочей жидкости от аккумулятора с более холодным газовым резервуаром к аккумулятору с более горячим газовым резервуаром.

Перенос газа из аккумулятора с более холодным газовым резервуаром в аккумулятор с более горячим газовым резервуаром производят при давлении рабочей жидкости в аккумуляторах больше, чем второе давление. Поток рабочей жидкости от жидкостного резервуара аккумулятора с более горячим газовым резервуаром к линии со вторым давлением направляют через вышеупомянутый гидропреобразователь, которым создают вышеописанный поток рабочей жидкости от аккумулятора с более горячим газовым резервуаром к аккумулятору с более холодным газовым резервуаром.

Сжатие газа в аккумуляторе (по меньшей мере в одном) с более холодным газовым резервуаром производят, нагнетая рабочую жидкость в его жидкостный резервуар из гидропреобразователя, который подключен также к линиям с первым и вторым давлениями. Этот гидропреобразователь приводят в движение, направляя через него поток жидкости от линии со вторым давлением. В процессе сжатия газа повышают давление жидкости, нагнетаемой из гидропреобразователя в указанный жидкостный резервуар, путем увеличения отношения объемной скорости потока жидкости, протекающей от второй линии к гидропреобразователю, к объемной скорости потока жидкости, протекающей от гидропреобразователя к указанному жидкостному резервуару.

Расширение газа в аккумуляторе (по меньшей мере в одном) с более горячим газовым резервуаром производят, создавая поток жидкости, вытесняемой из его жидкостного резервуара в гидропреобразователь, который подключен также к линиям с первым и вторым давлениями. Этим потоком гидропреобразователь приводят в движение и создают поток рабочей жидкости от него к линии со вторым давлением. В процессе расширения газа снижают давление жидкости, вытесняемой из указанного жидкостного резервуара в гидропреобразователь, путем уменьшения отношения объемной скорости потока жидкости, протекающей от гидропреобразователя ко второй линии, к объемной скорости потока жидкости, протекающей от указанного жидкостного резервуара к гидропреобразователю.

Таким образом, в результате каждого цикла преобразования часть рабочей жидкости переносится от линии с первым давлением к линии со вторым, более высоким, давлением. Скользящие уплотнения гидропреобразователей работают не под полными, а только под разностными давлениями, что уменьшает потери на утечки и трение.

Гидравлическая энергия, полученная вышеописанным переносом жидкости в линию со вторым давлением, может быть использована в нагрузке, подключаемой между указанными линиями с первым и вторым давлениями. Для расширения возможностей использования полученной гидравлической энергии предлагается использовать гидропреобразователь, два порта которого подключены к указанным линиям с первым и вторым давлениями, а два других порта - к линиям с высоким выходным и низким выходными давлениями. Таким образом осуществляют развязку давлений, оптимизируя эффективность газового цикла выбором указанных первого и второго давлений в линиях и оптимизируя режим нагрузки выбором высокого и низкого выходных давлений.

УСТРОЙСТВО

Для реализации вышеописанного способа предлагается устройство преобразования тепла внешнего источника в гидравлическую энергию, включающее по меньшей мере два пневмогидравлических аккумулятора, в каждом из которых жидкостный резервуар, сообщающийся со средствами подачи и приема жидкости, отделен подвижным разделителем от газового резервуара, сообщающегося со средствами нагрева и охлаждения, выполненными с возможностью нагревать и охлаждать поступающий в них газ.

Средства нагрева и охлаждения содержат по меньшей мере два газовых теплообменника, установленных с возможностью переноса через них газа между газовыми резервуарами разных аккумуляторов, причем средства нагрева и охлаждения выполнены с возможностью поддерживать по меньшей мере один из этих теплообменников более холодным и другой, по меньшей мере один, теплообменник более горячим.

По меньшей мере один теплообменник выполнен с возможностью подводить тепло к газу от внешнего источника тепла. По меньшей мере один другой теплообменник выполнен с возможностью отводить тепло от газа к охлаждающему теплоносителю. Далее при описании работающего устройства теплообменник первого типа называется более горячим теплообменником, а теплообменник второго типа - более холодным теплообменником. Теплообменник, выполненный с возможностью отводить тепло от газа и подводить отведенное тепло к газу, в аналогичных случаях называется регенерирующим теплообменником.

Для устранения потерь тепла на циклический нагрев и охлаждение стенок газовых резервуаров аккумуляторов предлагается исполнение, в котором средства нагрева и охлаждения выполнены с возможностью поддерживать стенки газового резервуара по меньшей мере одного из аккумуляторов более холодными и переносить в него газ через более холодный теплообменник, а стенки газового резервуара другого, по меньшей мере одного, аккумулятора поддерживать более горячими и переносить в него газ через более горячий теплообменник.

Для устранения потерь тепла газа через разделители предлагается исполнение, в котором средства нагрева и охлаждения выполнены с возможностью поддерживать стенки жидкостного резервуара по меньшей мере одного из аккумуляторов и рабочую жидкость в нем более холодными, а стенки жидкостного резервуара другого, по меньшей мере одного, аккумулятора и рабочую жидкость в нем поддерживать более горячими.

Для реализации способа с регенерации тепла рабочей жидкости средства подачи и приема жидкости включают по меньшей мере один жидкостный регенерирующий теплообменник. Он соединен с жидкостным резервуаром по меньшей мере одного аккумулятора и выполнен с возможностью отводить тепло от жидкости при вытеснении ее через него из этого аккумулятора и подводить отведенное тепло к жидкости при нагнетании ее через него в аккумулятор.

Для реализации способа с теплоизоляцией более горячей части рабочей жидкости от более холодной средства подачи и приема жидкости включают по меньшей мере один жидкостный буфер, включающий два жидкостных резервуара, разделенных подвижным теплоизолятором.

Для реализации способа с использованием разных рабочих жидкостей в разных аккумуляторах средства подачи и приема жидкости включают по меньшей мере один жидкостный буфер, включающий два разделенных подвижным разделителем резервуара переменного объема.

Каждый из жидкостных резервуаров вышеописанных жидкостных буферов установлен с возможностью сообщаться с жидкостным резервуаром по меньшей мере одного аккумулятора.

Для уменьшения массогабаритов устройства и суммарного внутреннего объема газовых коммуникаций по меньшей мере один газовый теплообменник выполнен в корпусе аккумулятора, например, как газовый порт этого аккумулятора с возможностью подводить тепло к газу или отводить тепло от газа (предпочтительно как газовый порт с увеличенным отношением площади контактирующей с газом поверхности к объему). При этом за счет устранения двух промежуточных портов и газовой линии также уменьшаются и газодинамические потери при переносе газа через этот теплообменник.

Для реализации способа с приближением процесса сжатия газа к изотермическому предлагается исполнение устройства, которое включает по меньшей мере три аккумулятора, а средства нагрева и охлаждения выполнены с возможностью поддержания стенок газовых резервуаров по меньшей мере двух из аккумуляторов более холодными и переноса газа между ними через более холодный газовый теплообменник.

Для реализации способа с приближением процесса расширения газа к изотермическому предлагается исполнение устройства, которое включает по меньшей мере три аккумулятора, а средства нагрева и охлаждения выполнены с возможностью поддержания стенок газовых резервуаров по меньшей мере двух из аккумуляторов более горячими и переноса газа между ними через более горячий газовый теплообменник.

Для уменьшения потерь тепла по меньшей мере один аккумулятор снабжен средствами теплозащиты, выполненными с возможность