АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ТУРБОГЕНЕРАТОРНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1997 года по МПК F25B29/00 F01K25/00 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к теплонасосным энергетическим установкам на базе вихревых и центробежных теплогенераторов.

Известна каскадная теплонасосная установка [1] содержащая последовательно соединенные нижний тепловой каскад с вихревым теплогенератором, работающим на эффекте Ранка-Хильша, теплообменной кольцевой камерой с жидкой рабочей средой, испарителем, подключенным к источнику тепла низкого потенциала, конденсатором и насосом и верхний каскад со своим конденсатором и компрессором.

Установка позволяет нагревать воду в системах отопления без затрат горючего топлива, достаточно проста и технологична, однако коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую форму в ней недостаточно высок, поскольку не используется тепло, выделяемое в двигателях насоса и компрессора, мала скорость вихря в трубе и велики дроссельные потери.

Эффективность преобразования в такой теплонасосной установке совершенно недостаточна для ее использования в тепловых турбогенераторах с положительным балансом.

Известна также каскадная теплонасосная установка [2] предназначенная для получения высокопотенциального тепла из низкопотенциального и содержащая последовательно соединенные каскады с центробежными компрессорами и паровыми турбинами, а также стартовый паровой котел, работающий на углеводородном топливе.

Эффективность установки несколько выше, чем у предыдущей, за счет использования регенеративного теплообмена и более высокого КПД турбины в сравнении с вихревой трубой.

Однако эта установка более сложна в производстве, а ее эффективности также недостаточно для вторичного преобразования в электрическую энергию из-за дроссельных потерь и преобразовании тепла в работу.

Известны также каскадные теплонасосные силовые турбогенераторные установки [3, 4, 5] содержащие помимо теплонасосных каскадов турбогенераторы с паровым котлом, нагреваемым теплом конденсатора.

Однако в этих установках работы турбины не хватает даже на привод компрессора [6] тем более ее совершенно недостаточно для привода электрогенератора. Причина такой недостаточности заключается в том, что тепловые насосы известных установок работают по обратному циклу Карно, включающему последовательно протекающие процессы сжатия и расширения в компрессоре, расширения в дросселе с присущими им необратимыми потерями энергии, потерями в трубах. Необратимые потери энергии на преобразовании тепла в работу в процессах расширения при постоянном давлении (изобарный процесс) достигают 50% и более. Кроме того, эффективность преобразования в парокомпрессионных тепловых насосах напрямую зависит от верхнего значения температуры T₁ и величины теплоподъемника ΔT:
.

С увеличением теплоподъема ΔT коэффициент преобразования К_пр падает. Реальный коэффициент преобразования топливного насоса с учетом КПД электродвигателя составляет всего 1,24-1,59.

При эффективности преобразования тепла в турбине К_тр 0,7 и в электрогенераторе η_г= 0,9 суммарный коэффициент преобразования установки составит
K_у= K_пр.K_т.η_г= 1,24•0,7•0,9 = 0,8.

Отсюда видно, что парокомпрессионные теплонасосные турбогенераторные установки не обеспечивают положительного баланса энергии, необходимого для обеспечения работоспособности.

Для достижения положительного сальдо необходимо повышение эффективности преобразования в тепловых насосах как минимум в 3-4 раза. Парокомпрессионые тепловые насосы, работающие по циклу Карно, такого резерва не имеют, нужны принципиально новые решения.

Такие решения найдены авторами на основе центробежных изохорных теплогенераторов [7, 8, 9] на тяжелых инертных газах криптоне, ксеноне и их смесях с примесью легких буферных теплопроводных газов гелия или водорода.

В изохорных теплогенераторах отсутствует преобразование тепла в работу с присущими ему необратимыми потерями энергии, изохорный центробежный процесс трансформации тепла идет напрямую подобно электротрансформатору, замкнутый круговой цикл не требуется.

Полностью отсутствуют дроссельные потери при расширении рабочей среды, поскольку отсутствуют клапаны, капилляры и узкие каналы.

Процессы сжатия и расширения осуществляются в одном постоянном объеме, но в разных его зонах периферийной и осевой, одновременно и с помощью сильного центробежного поля, выполняющего функцию демона Максвелла.

Передача тепла от холодного источника к горячему обеспечивается за счет радиального температурного центробежного градиента:

где j центробежное ускорение,
ω угловая скорость,
n число оборотов ротора,
V₀ окружная скорость,
R радиус барабана,
K показатель адиабаты,
C_p теплоемкость при постоянном давлении,
g₀ ускорение силы тяжести.

Радиальный центробежный градиент идентичен по характеру действия высотному гравитационному градиенту, обнаруженному К.Э. Циолковским и создающему характерное для планет высотное распределение температур в атмосфере [10]
Центробежные поля могут быть в 10⁵- 10⁶ раз интенсивнее гравитационного поля Земли, соответственно этому будут выше и значения центробежного градиента dT/dR. Высотный гравитационный градиент для атмосферы Земли составляет dT/dH 6,49 К/км. Радиальный центробежный градиент для воздуха при j 10⁵g₀ составляет 6,49 6,49•10⁵ К/км 649 К/м.

Поскольку радиальный центробежный градиент зависит от характеристик газа С_р и К, его значение для тяжелых инертных газов аргона, криптона и ксенона выше соответственно в 2, 3 и 4 раза. Расчет показывает, что при диаметре ротора 0,5 м и n 30 000 об/мин в криптоне может быть получен теплоподъем АТ 300 К, что вполне достаточно для работы турбогенератора.

Оценим эффективность (коэффициент преобразования К_пр) центробежного изохорного теплогенератора в активный период разгона.

где: Q производимое количество тепла высокого потенциала,
А_а затраченная работа в активный период,


где m масса рабочего газа в роторе,
M масса ротора,
I момент инерции ротора.

Отсюда

Подставляя значение С_р для ксенона С_р=0,038 кдж/кг и отношение m/M=0,1, получим Kапр

= 0,4+1 = 1,4, т. е. коэффициент преобразования на уровне компрессорных теплогенераторов. Активный период разгона ротора до установленной величины угловой скорости составляет не более (5-10)% от общего периода работы.

В пассивный период работы электропривод отключен или работает в холостом режиме, ротор вращается по инерции поэтому можно принять A_x=0,1A_a.

Тогда
.

Таким образом, общий К_пр (5-20), независимо от величины ΔT.
Как видим, эффективность преобразования (трансформации) тепла в основном определяется соотношением периодов активной работы (разгона ротора) и вращения пассивного (по инерции), потерь двигателя в холостом режиме работы, механических потерь на торможение ротора в подшипниках, аэродинамических потерь на вихревое сопротивление при вращении в атмосфере.

Расчет показывает, что прогноз Томсона [11] изобретателя первого теплового насоса, относительно коэффициента преобразования может быть реализован в ближайшее время. Изохорные тепловые насосы действительно способны трансформировать тепло низкого потенциала в тепло высокого при (3-5)% затрат энергии на прямое отопление. При такой высокой эффективности трансформации температурного потенциала вполне правомерно ставить задачу создания турбогенераторной установки, работающей на тепле окружающей среды.

Предлагаемое устройство имеет целью создание такой установки, трансформирующей низкопотенциальное тепло с нулевой эксэргией окружающей среды (атмосферы, поверхностных и грунтовых вод) в электрическую энергию. Решение этой задачи навсегда закроет проблему энергетического голода.

Поставленная цель достигается тем, что центробежный теплогенератор в известной установке выполнен изохорным, в виде герметичного полого внутрилопаточного ротора, заполненного тяжелым инертным газом криптоном, ксеноном или их смесью с добавкой теплопроводного буферного гелия или водорода, а ротор турбины установлен на общей оси с электроприводом и соединен с ним посредством выключающейся электромагнитной муфты, при этом электрогенератор выполнен обратимым в общем исполнении с электроприводом, паровой котел соединен запираемой линией с теплообменником верхнего каскада, а конденсатор турбины помещен внутри теплообменной камеры нижнего каскада.

Кроме того, внутренняя полость кольцевого теплообменника верхнего каскада вакуумирована и заполнена гелием или водородом при давлении не выше 2 КПа, а ведомая часть электромагнитной муфты отделена от ведущей герметичной немагнитной диафрагмой и помещена внутри вакуумированной полости.

Кроме того, вихревой теплогенератор нижнего каскада выполнен самовакуумирующимся с камерой тарельчатой формы, тангенциальным входом с профилированным соплом, осевым обтекателем и двухсторонними осевыми выходами, причем один из них соединен через кольцевую щель с насосом, а второй с испарителем.

Кроме того, насос установки выполнен винтовым с ведущим и двумя ведомыми винтами, установлен внутри теплообменной камеры нижнего каскада и соединен с валом привода посредством понижающей передачи для оптимизации его скорости.

Кроме того, обратимый электропривод-генератор выполнен бесколлекторным с индукторным комбинированным возбуждением на постоянных магнитах.

На чертеже представлено предлагаемое устройство, продольный разрез.

Устройство содержит нижний тепловой каскад с вихревым теплогенератором 1, теплообменной камерой 2 с жидкой рабочей средой, испарителем 3, подключенным к источнику низкопотенциального тепла, конденсатором 4 и насосом 5, верхний каскад с центробежным изохорным внутрилопаточным теплогенератором 6, с ротором, заполненным тяжелым инертным газом криптоном, ксеноном или их смесью с добавкой легкого теплопроводного газа или водорода, электроприводом 7, переключающимся на работу в режиме генератора, заключенными внутри кольцевого теплообменника 8, паровой котел 9, работающий как на углеводородном топливе, так и на тепле верхнего каскада теплогенератора и соединенный запираемой линией с теплообменником, турбину 10 с вторым конденсатором 11, включающуюся электромагнитную муфту с ведущей частью 12, жестко связанной с валом турбины, ведомой частью 13, жестко связанной с валом электропривода-генератора и неподвижным индуктором 14.

Основное условие работы генератора вращение ротора с отрицательным скольжением, т.е. угловой скоростью, превышающей порог самовозбуждения.

Ротор разгоняется до заданной угловой скорости (30 60 ) тыс. об/мин. с помощью электропривода 7 при выключенном сцеплении муфты.

При вращении ротора электроприводом от сети вращается насос 5 нижнего каскада, забирает рабочую жидкость (например, хладоно-масляную эмульсию) из теплообменной камеры 2 и впрыскивает ее под высоким давлением ( 1,5 2,5 ) МПа через профилированное сопло в вихревую тарельчатую камеру теплогенератора 1. Струя жидкой рабочей смеси со скоростью (400 500) м/с вращается и по сходящейся спирали устремляется к выходным патрубкам. Один из патрубков имеет осевой обтекатель-дроссель и кольцевую щель с развихрителем вокруг него, через кольцевую щель нагретая смесь вытекает на вход насоса. Через второй осевой патрубок вытекает переохлажденная смесь и поступает в испаритель, подогревается в нем теплом низкопотенциального источника и возвращается в конденсатор 4, где передает отобранное тепло в нижний каскад. Таким образом, нагрев жидкой среды нижнего каскада обеспечивается за счет центробежного сжатия при вращении струи на стенке тарельчатой камеры.

Величина теплоподъема вихревого теплогенератора

где V₀ окружная скорость струи,
K' показатель адиабаты рабочей среды нижнего каскада,
C'_p теплоемкость среды при постоянном давлении.

С учетом дроссельных потерь на входе вихревого теплогенератора и гидравлических потерь при вращении относительно неподвижной стенки эффективность преобразования в нем К_пр (4 5), теплоподъем ΔT составляет (80-90)^oC. Достоинство вихревого теплогенератора нижнего каскада высокая интенсивность теплопереноса от низкопотенциального источника окружающей среды к изохорному теплогенератору вихревого каскада, конструктивная и технологическая простота использования, хорошая сопрягаемость с изохорным центробежным теплогенератором вихревого каскада.

Выбор винтового насоса в качестве нагнетателя нижнего каскада обусловлен его высоким КПД (более 80%) в широкой области давлений и расходов, компактностью, работоспособностью на маслах и масляных эмульсиях, используемых в нижнем каскаде [12] Тарельчатая, слабо расходящаяся к оси форма вихревой камеры способствует самовакуумированию приосевой зоны, вследствие чего значительно возрастает скорость впрыска струи, теплоподъем Т, коэффициент преобразования [13]
Далее, при вращении полого ротора изохорного теплогенератора верхнего каскада заполняющий его тяжелый инертный газ сжимается на внутренней поверхности барабана, а в осевой зоне создается глубокое разрежение. Легкий теплопроводный газ (гелий или водород), входящий в качестве буферной добавки (5 10%) в рабочую смесь, вытесняется в осевую зону и обеспечивает теплопередачу от вала ротора к тяжелому рабочему газу.

Внутренние лопатки ротора закручивают рабочий газ, выравнивая угловую скорость и препятствуя взаимному скольжению с присущими ему потерями на трение.

Степень сжатия тяжелого газа относительно среднего значения составляет 20 25. В осевой зоне имеет место динамическое расширение газа той же величины.

В соответствии с изохорным процессом при сжатии газа в пристеночной зоне возрастает температура в соотношении

а в осевой зоне создается охлаждение
В охлажденную осевую зону через осевой канал вала устремляется поток тепла от нижнего каскада с циркулирующей через подшипники смазывающей жидкостью.

Тепло высокого потенциала нагревает наружную стенку барабана ротора и снимается с него излучением, теплопроводностью через кольцевой слой теплопроводного газа и конвекцией, нагревая рубашку теплообменника и циркулирующую в нем жидкость теплоносителя.

Когда температура теплоносителя достигает установленного значения, например (300 400)^oC, открывается клапан в линии, связывающей теплообменник 8 с паровым котлом 9, и котел начинает производить пар для турбины 10.

Турбина разгоняется до заданной угловой скорости, превышающей скорость электропривода, при выключенной электромагнитной муфте.

После достижения устойчивого режима вращения турбины муфта плавно включается и турбина с холостого режима переходит на рабочий режим вращения нагрузки. Электропривод от сети не отключается и плавно переходит в генераторный режим работы. Существенное превышение дебета тепловой энергии в изохорном теплогенераторе над необратимыми потерями в турбогенераторе 14, регенерация тепла с помощью конденсатора 11 сводят к минимуму потери и гарантируют положительное сальдо в энергетике турбогенераторной установки, на это же направлено исполнение электропривода бесколлекторным с комбинированным возбуждением.

Таким образом, установка позволяет работать в альтернативных режимах, т. е. на обычном углеводородном топливе при его сжигании в топке парового котла 9 и на низкопотенциальном тепле окружающей среды, в частности на тепле речной или океанской воды.

Установка может быть использована как в стационарных условиях электростанции, так и в качестве транспортабельной силовой энергосистемы, например в судостроении.

Предложенное решение выполняет поставленную задачу.

Технико-экономический эффект устройства заключается в обеспечении возможности использования в силовой энергетике неисчерпаемых, экологически чистых источников низкопотенциальной тепловой энергии окружающей среды (атмосферы, океана и др.).

К решению этой задачи энергетики стремились на протяжении 150 лет со времени создания первых тепловых насосов. Классическая термодинамика считала ее неразрешимой. И лишь нелинейная термодинамика [15] узаконила постановку такой задачи.

Альтернативность установки, т.е. возможность перехода на работу с обычным углеводородным топливом (газом, мазутом) позволяет при необходимости резко увеличивать производимую мощность и удовлетворять пиковые нагрузки, производить энергию при наиболее неблагоприятных погодных условиях в зимний сезон.

При совместной работе на углеводородном топливе и тепле окружающей среды существенно возрастает экономичность работы установки, превышая достижимую в цикле Карно.

В то же время при перебоях в снабжении топливом установка способна к переходу на вполне автономный режим работы на низкопотенциальном тепле окружающей среды.

Основные исходные принципы устройства, работоспособность вихревого теплогенератора на жидкой среде и центробежного изохорного теплогенератора подтверждены экспериментально.

Общая эффективность (коэффициент преобразования) установки складывается из эффективности каждого из каскадов и отдельных агрегатов и элементов, а также загрузки каждого из них.

Основной вклад в энергетику установки обеспечивает верхний каскад, имеющий высокую эффективность (Kвпр

≃ 18).. Интегральная эффективность, учитывающая потери в вихревом генераторе и винтовом нагнетателе (насосе), в турбогенераторе может составлять К_пр (8 10).

Но и такой эффективности вполне достаточно для практических целей энергетики. Имеется возможность дальнейшего совершенствования.

Использование: в области теплоэнергетики, для производства электроэнергии как в стационарных условиях, так и в судостроении. Сущность изобретения: установка содержит нижний каскад с вихревым теплогенератором на жидкой среде, теплообменной камерой, испарителем, подключенным к источнику низкопотенциального тепла, конденсатором и насосом, верхний каскад с центробежным теплогенератором и электроприводом, установленными на общем валу и заключенными внутри кольцевого теплообменника, паровой котел, турбину с вторым конденсатором и электрогенератором. Центробежный теплогенератор выполнен изохорным в виде герметичного полого ротора, заполненного тяжелым инертным газом, а турбина установлена на общей оси и соединена с валом электропривода электромагнитной муфтой. Электрогенератор выполнен обратимым в общем корпусе с электроприводом. Конденсатор турбины помещен внутри теплообменной камеры нижнего каскада. Установка может работать как на обычном углеводородном топливе, так и на низкопотенциальном тепле окружающей среды. 4 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Альтернативная турбогенераторная установка, содержащая нижний тепловой каскад и установленные в нем конденсатор и испаритель, подключенный к источнику низкопотенциального тепла, и присоединенный к нижнему каскаду верхний тепловой каскад, в котором установлены центробежный теплогенератор с электроприводом, турбина и теплообменник, отличающаяся тем, что нижний тепловой каскад снабжен вихревым теплогенератором, насосом и теплообменной камерой с жидкой рабочей средой, верхний тепловой каскад снабжен паровым котлом, работающим на углеводородном топливе, вторым конденсатором, подключенным к турбине, и электрогенератором, при этом теплообменник выполнен кольцевым, центробежный теплогенератор и электропривод установлены на общем валу и располажены внутри кольцевого теплообменника, центробежный теплогенератор выполнен с постоянным объемом рабочей среды в виде герметичного полого внутрилопаточного ротора, заполненного тяжелым инертным газом или смесью инертных газов с примесью теплопроводного буферного гелия, ротор турбины установлен на общей оси с электроприводом и соединен с ним посредством выключающейся электромагнитной муфты, электрогенератор выполнен обратимым в совмещенном исполнении с электроприводом, паровой котел соединен запираемой линией с теплообменником верхнего каскада, а второй конденсатор помещен внутри теплообменной камеры. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что внутренняя полость кольцевого теплообменника верхнего каскада вакуумирована и заполнена гелием при давлении не выше 2 кПа, а ведомая часть электромагнитной муфты отделена от ведущей герметичной немагнитной диафрагмой и помещена внутри вакуумированной полости теплообменника, при этом в качестве тяжелых инертных газов использованы ксенон и криптон. 3. Установка по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что вихревой теплогенератор нижнего каскада снабжен развихрителем, камерой тарельчатой формы с тангенциальным входом с профилированным соплом, осевым обтекателем и двусторонними осевыми выходами и выполнен самовакуумирующимся, причем один выход соединен через развихритель и кольцевую щель вокруг осевого обтекателя с насосом, а второй напрямую с испарителем. 4. Установка по пп. 1 3, отличающаяся тем, что насос выполнен винтовым с ведущим и двумя ведомыми винтами, установлен внутри теплообменной камеры нижнего каскада и соединен с валом электропривода посредством понижающей передачи. 5. Установка по пп. 1 4, отличающаяся тем, что обратимый электропривод-генератор выполнен бесколлекторным с индукторным возбуждением на постоянных магнитах.