КАПИЛЛЯРНЫЙ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ КОНДЕНСАТОР-ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР

Предлагаемое изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано для конденсации отработанного пара без использования хладоагента с трансформацией части тепловой энергии в электрическую.

Известен теплотрубный электростатический генератор, который содержит корпус, выполненный из диэлектрического материала, помещенного внутрь обечайки коаксиально кожуху, перегородку, выполненную из диэлектрического материала, делящую полость между кожухом и обечайкой на два отсека, заполненных фитилями, выполненными из разных по своим электрохимическим характеристикам пористых материалов, позволяющих получать положительные или отрицательные заряды в рабочем теле и примыкающих к коллекторам положительных и отрицательных зарядов и снабженных наружными клеммами, причем в качестве рабочего тела используется диэлектрическая жидкость [Патент РФ №2327055, М.кл. F02N 3/00, 2008].

Основным недостатком известного устройства является малая мощность генератора, обусловленная незначительной теплообменной поверхностью отдельной тепловой трубы и вытекающими отсюда низким количеством утилизируемого тепла и расходом рабочей жидкости, что снижает его эффективность.

Более близким к предлагаемому изобретению является капиллярный конденсатор, включающий корпус с верхней и нижней крышками, снабженный патрубками входа отработанного пара и выхода конденсата (рабочего тела), воздушным патрубком, внутри которого между верхней и нижней крышками размещены вертикальные прямоугольные перегородки, образующие паровые камеры и камеры сбора конденсата, причем каждая вертикальная перегородка состоит из нескольких вертикальных перфорированных пластин, размещенных с зазором между собой, покрытых слоем гидрофильного материала или изготовленных из него, отверстия в которых выполнены в виде горизонтальных конических капилляров, обращенных большими отверстиями в сторону паровой камеры, а малыми отверстиями - в сторону камеры сбора конденсата [Патент РФ №2390688, М.кл. F22B 37/26, B01D 5/00, 2010].

Основным недостатком известного устройства является невозможность использования теплоты конденсации отработанного пара для попутного получения электрической энергии, что снижает его эффективность.

Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности капиллярного электростатического конденсатора-электрогенератора.

Технический результат достигается капиллярным электростатическим конденсатором-электрогенератором, содержащим корпус с верхней и нижней крышками, снабженный патрубками входа отработанного пара, выхода конденсата, воздушным патрубком, выполненными из диэлектрического материала, внутри которого между верхней и нижней крышками размещены вертикальные прямоугольные перегородки, соединенные между собой через одну попарно снизу горизонтальными полосами-днищами, образуя паровые камеры, а сверху соединенные между собой в шахматном порядке через одну попарно горизонтальными полосами-крышками, образуя камеры сбора конденсата, причем каждая вертикальная перегородка состоит из нескольких вертикальных перфорированных пластин, размещенных с зазором между собой, изготовленных из гидрофильного диэлектрического материала, отверстия в которых выполнены в виде горизонтальных конических капилляров, расположенных таким образом, что малые отверстия конических капилляров предыдущей вертикальной пластины располагаются против больших отверстий конических капилляров последующей вертикальной пластины, при этом в полость каждой паровой камеры вертикальные пластины вертикальных перегородок обращены большими отверстиями конических капилляров, а в полость каждой камеры сбора конденсата, наоборот, вертикальные пластины вертикальных перегородок обращены малыми отверстиями конических капилляров, причем наружная поверхность каждой наружной вертикальной перфорированной пластины всех вертикальных перегородок покрыта слоем перфорированного электропроводящего материала, соединенного снизу с одноименными электродами, соединенными, в свою очередь, с проводами одноименных коллекторов и клеммами, при этом рабочим телом процесса получения электричества является парожидкостная смесь.

На фиг.1 представлен общий вид предлагаемого капиллярного электростатического конденсатора-электрогенератора, на фиг.2-4 - разрез и основные узлы.

Капиллярный электростатический конденсатор-электрогенератор (КЭСКЭГ) содержит корпус 1 с верхней и нижней крышками 2 и 3, снабженный патрубками входа отработанного пара 4 и выхода конденсата 5, воздушным патрубком 6, выполненными из диэлектрического материала, внутри которого между верхней и нижней крышками 2 и 3 размещены вертикальные прямоугольные перегородки 7, соединенные между собой через одну попарно снизу горизонтальными полосами-днищами 8, образуя паровые камеры 9, а сверху соединенные между собой в шахматном порядке через одну попарно горизонтальными полосами-крышками 10, образуя камеры сбора конденсата 11, причем каждая вертикальная перегородка 7 состоит из нескольких вертикальных перфорированных пластин 12, размещенных с зазором 13 между собой, изготовленных из гидрофильного диэлектрического материала (например, стеклопластика), отверстия в которых выполнены в виде горизонтальных конических капилляров 14, расположенных таким образом, что малые отверстия конических капилляров 14 предыдущей пластины 12 располагаются против больших отверстий конических капилляров 14 последующей пластины 12, при этом в полость каждой паровой камеры 9 пластины 12 вертикальных перегородок 7 обращены большими отверстиями конических капилляров 14, а в полость каждой камеры сбора конденсата 11, наоборот, пластины 12 вертикальных перегородок 7 обращены малыми отверстиями конических капилляров 14, причем наружная поверхность каждой наружной вертикальной перфорированной пластины 12 всех вертикальных перегородок 7 покрыта слоем перфорированного электропроводящего материала 15 (например, алюминиевой фольги), соединенного снизу с одноименными электродами 16 и 17, соединенными, в свою очередь, с проводами одноименных коллекторов 18, 19 и клеммами 20 и 21, соответственно.

В основу работы предлагаемого капиллярного электростатического конденсатора-электрогенератора положены особенности движения жидкости (пара) в конических капиллярах, в которых движение осуществляется от большего сечения к меньшему, в широкой части капилляра происходит испарение жидкости, в узкой части капилляра - конденсация пара [Лыков А.В. Тепломассообмен: (Справочник). 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1978, с.365, 366], а также способность диэлектрических жидкостей и газов подвергаться электризации при движении через трубопроводы и особенно через пористые перегородки, в которых величина тока электризация может увеличиться на несколько порядков [В.В. Захарченко и др. Электризация жидкостей и ее предотвращение. - М.: Химия, 1975, с.15-25],

КЭСКЭГ работает следующим образом. Отработанный пар при температуре насыщения через патрубок 4 поступает в верхнюю зону капиллярного конденсатора, откуда он распределяется по паровым камерам 9. Из камер 9 пар поступает в большие отверстия конических капилляров 14 первых пластин 12 вертикальных перегородок 7, в которых под действием капиллярных сил перемещается к их малым отверстиям конических капилляров 14, где происходит его частичная конденсация с выделением тепла конденсации Q_r1. Мениски образовавшейся жидкости в капиллярах 15 соприкасаются с гидрофильным диэлектрическим материалом вертикальных пластин 12, распределяются на его поверхности благодаря зазорам 13 и его гидрофильности на следующих пластинах 12, откуда попадают в большие отверстия их капилляров 14, куда также поступает несконденсировавшийся пар из предыдущих пластин 12.

В больших отверстиях конических капилляров 14 происходит частичное испарение образовавшейся жидкости в конических капиллярах 14, на которое используется тепло конденсации Q_r1 предыдущей пластины 12 и тепло самого пара, парожидкостная смесь под действием капиллярных сил перемещается к малым отверстиям конических капилляров 15, где также происходит частичная конденсация меньшего количества пара с выделением уже меньшего количества тепла Q_r2. Образовавшееся жидкость как и в первой пластине 12 распределяется по поверхности гидрофильных пластин 12, благодаря зазорам 13 поступает на поверхность следующих пластин 12, смешивается с несконденсировавшимся паром, поступающим из конических капилляров 14 предыдущих пластин 12, и процесс повторяется аналогично вышеописанному во всех последующих пластинах 12. При этом по мере перемещения парожидкостной смеси от одной пластины 12 к другой влагосодержание ее увеличивается.

Образовавшийся конденсат из малых отверстий конических капилляров 15 последних по ходу пара пластин 12 распределяется по поверхности гидрофильного материала последней пластины 12 и под действием сил тяжести стекает на днище, образованное нижней крышкой 3, откуда выводится из конденсатора через патрубок 5, а несконденсировавшийся пар и газы (O₂, СО₂, N₂) выводятся через воздушный патрубок 6. Одновременно, при движении парожидкостной смеси, являющейся диэлектриком, по капиллярам 14 от первой вертикальной пластины 12 перегородки 4 до последней, выполненных из диэлектрического гидрофильного материала, парожидкостная смесь электризуется, электрический ток капиллярных потоков парожидкостной смеси суммируется слоями электропроводящего материала 15 с электродами 16 и 17 на первой и последней пластинах 12 с приобретением положительных и отрицательных зарядов, соответственно, поступает в разноименные коллекторы 18 и 19, создавая разность потенциалов на клеммах 20 и 21.

Количество пластин 12 в одной перегородке 7 принимают таким, чтобы обеспечить конденсацию большей части пара, поступившего в конические капилляры 14 первых по его ходу пластин 12. Ширина зазора 13 между пластинами 12 зависит от свойств жидкости и определяется опытным путем.

Количество конденсата, транспортируемого с паром по коническим капиллярам 14 пластин 12, увеличивается по мере перемещения от одной пластины 12 к другой, а количество пара, соответственно, уменьшается. Аналогично этому количество тепла конденсации Q_ri также уменьшается по мере перемещения парожидкостной смеси от одной пластины 12 к другой, так как энергия большей части этого тепла тратится на создание поверхности жидкости на гидрофильной поверхности пластин 12, капиллярных сил, взаимное фазовое превращение и преодоление сил трения. В тоже время при перемещении парожидкостной смеси по капиллярам 14, в результате преодоления сил трения, возникает статическое электричество, мощность и напряжение которого тем больше, чем больше число капилляров 14, их длина, расход парожидкостной смеси, ее диэлектрические свойства и диэлектрические свойства материала перегородок 7.

Таким образом, предлагаемая конструкция капиллярного электростатического конденсатора-электрогенератора позволяет проводить процесс конденсации пара без использования хладоагента с одновременным получением электричества.