АВТОНОМНАЯ ЭНЕРГОХОЛОДИЛЬНАЯ СИСТЕМА С РЕГЕНЕРАЦИЕЙ ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ Российский патент 1997 года по МПК F02C6/00 F25B29/00 

Изобретение относится к области электрохолодильных систем объектов, функционирующих без связи с атмосферой.

Известна энергетическая установка тройного термодинамического цикла, один из контуров которой содержит криогенный теплоноситель и позволяет в режиме кратковременного действия повысить к.п.д. установки. Однако данная установка предназначена только для получения механической (электрической) энергии и не позволяет решать проблему термостатирования объекта (авт. св. СССР N 1795128).

Известные структурные решения теплоотведения от энергосистемы с потребителями, с целью обеспечения минимального удельного расхода охлаждающей жидкости. Это требование имеет решающее значение как для установок, размещенных в районах с острым дефицитом охлаждающей жидкости, так и для автономных систем, не допускающих использование внешних источников для отводов остаточного тепла. Однако из данного источника не ясно, как решается вопрос снятия тепловой нагрузки с потребителей, используется ли пассивная или активная система теплоотведения внутри объекта (Солдатов В.А. Термодинамический анализ параметров изолированной энергосистемы с минимальным потреблением хладоагента на основе газотурбинной схемы преобразования энергии. М. 1988).

Известны автономные стационарные энергохолодильные системы для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, представляющих собой структурно-функциональное объединение преобразователя прямого цикла (ППЦ) и преобразователя обратного цикла (ПОЦ), предназначенные для совместного производства электрической энергии и холода за счет энергии высокотемпературного источника теплоты. Энергохолодильные системы могут создаваться на основе различных типов преобразований, причем ППЦ служит для получения электрической энергии, а ПОЦ для получения холода. Для нормального функционирования ППЦ и ПОЦ от них необходимо отводить тепло (1 и 2 законы термодинамики), и, ввиду отсутствия связи с атмосферой, это низкопотенциальное тепло должно аккумулироваться и складироваться внутри объекта. Поэтому охлаждение преобразователей осуществляется за счет теплоаккумулирующего вещества (ТАВ), в качестве которого выступает вода, при температуре около + 4^oC, что обуславливает необходимость создания хранилищ с большими объемами для хранения холодной воды и воды, аккумулировавшей тепло преобразователей. Структурно-функциональное объединение ППЦ и ПОЦ позволяет сократить потребление ТАВ, за счет переключения схем подачи холодной воды в холодильники преобразователей, однако и в этом случае запасы ТАВ составляют значительный процент от объема объекта в целом, что приводит к большой стоимости строительства объектов данного типа (Гришутин М. М. Севастьянов А.П. Теория и методы расчетов автономных энергохолодильных установок. М. Изд. МЭИ, 1992. - 240 с.).

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в сокращении объемов хранилищ ТАВ и объема объекта в целом, значительном уменьшении капитальных затрат на строительство объектов, функционирующих без связи с атмосферой, и получение дополнительной электрической энергии для нужд объекта.

Для достижения этого технического результата энергохолодильная система, состоящая из преобразователя прямого замкнутой газотурбинной установки (ГТУ), преобразователя обратного цикла холодильной машины Стирлинга умеренного холода (ХМС), высокотемпературного источника теплоты, например, ядерного реактора, снабжена емкостью, разделенной на две части: холодную и теплую, соединяющихся между собой контуром регенерации низкотемпературного потенциала ТАВ, содержащим заборное устройство в холодной части емкости, насос и теплообменник, через последний контур регенерации ТАВ связан с замкнутым контуром с криогенным носителем, в состав которого входят: теплоизоляционная емкость с жидким криогенным теплоносителем, насос, регенератор, детандер, дроссель, при этом емкость выполнена с отводом пара криогенного носителя.

Введение в состав энергохолодильной системы, разделенной на две части емкости, контура регенерации ТАВ и контура с криогенным носителем, позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности регенерации низкотемпературного потенциала охлаждающей жидкости и получении дополнительной электрической энергии, за счет использования фазового перехода криогенного рабочего тела "жидкость- пар".

На чертеже изображена схема автономной энергохолодильной системы с регенерацией охлаждающей жидкости.

Энергохолодильная система состоит из источника высокотемпературной теплоты 1, преобразователя прямого цикла ГТУ 2, преобразователя обратного цикла ХМС 3, емкости 4, контура регенерации ТАВ 5, замкнутого контура с криогенным теплоносителем 6. В состав ГПУ входят: теплообменник 7, турбогенератор 8, регенератор 9, холодильник 10 и компрессор 11, соединенный с валом турбогенератора 8. ХМС состоит из электродвигателя 38, привода (на чертеже не показан), поршневой группы 12, теплообменника нагрузки 13, регенератора 14, холодильника 15. Преобразователи прямого и обратного циклов 2, 3 через систему трубопроводов 16,17, заборные и выпускные устройства 18, 19, 20, 21, насосы 22, 23, запорно-регулирующую арматуру 26, 27, 28 соединены соответственно с холодной и тепловой частями 24, 25 емкости 4. В контур регенерации охлаждающей жидкости 5 входят: заборное и выпускное устройства 29, 30, насос 31, теплообменник 32. В теплообменнике 32 происходит теплообмен между жидкостью контура регенерации 5 и парообразным рабочим телом контура с криогенным носителем 6, в состав которого входят: теплоизолированная емкость с жидким криогенным рабочим телом с отводом пара 33, насос 34, регенератор 35, детандер 36, дроссель 37.

Автономная энергохолодильная система с регенерацией охлаждающей жидкости работает следующим образом.

Рабочее тело замкнутой газотурбинной установки 2 нагревается в теплообменнике 7, за счет подвода теплоты от высокотемпературного источника теплоты 1, и расширяется в турбине турбогенератора 8 с получением электроэнергии. Затем охлаждается в регенераторе 9 и холодильнике 10, сжимается до высокого давления в компрессоре 11 и поступает вновь в теплообменник 7, замыкая цикл преобразователя прямого цикла, предназначенного для получения необходимой объекту электрической энергии. От полученной в турбогенераторе 8 электрической энергии, через электродвигатель 38 и привод (на чертеже не показан) приводится в работу холодильная машина Стирлинга 3. Совершая возвратно-поступательное движение, поршневая группа 12 осуществляет перемещение рабочего тела ХМС через теплообменник нагрузки 13, регенератор 14, холодильник 15, поочередно в противоположных направлениях, производя холод, который через теплообменник нагрузки 13 подается на термостатирование (в систему вентиляции кондиционирования) объекта. Для осуществления работы преобразователя прямого цикла 2 и холодильной машины Стирлинга 3 от их рабочих тел, в цикле необходимо отводить теплоту через холодильники 10 и 15 соответственно. Для этой цели охлаждающую жидкость (температура около + 4 ^oC) из холодильной части 24 емкости 4, через заборные устройства 19, 18, насосами 23, 22 подают в холодильники 10, 15, где ей передается тепло от рабочих тел преобразователей, и нагретая охлаждающая жидкость сбрасывается в теплую часть 25 емкости 4, через выпускные устройства 20, 21. Для регенерации (восстановления низкотемпературного потенциала) охлаждающей жидкости, она забирается через заборное устройство 29 из теплой части 25 емкости 4 и с помощью насоса 31 прокачивается через теплообменник 32, где отдает тепло рабочему телу контура с криогенным теплоносителем 6, после чего возвращается в емкость 4, в холодную часть 24 в охлажденном состоянии. Регенерация позволяет сократить до необходимого минимума объемы 24, 25. Охлаждение происходит за счет перегрева пара в контуре с криогенным теплоносителем 6, который нагревается и испаряется в регенераторе 35. Пар расширяется в детандере 36 с получением электроэнергии, охлаждается в регенераторе 35, ожижается в дросселе 37 и собирается в емкость 33, из которой подается насосом 34 в регенератор 35 для нагрева и испарения.

Использование: в области энергохолодильных систем объектов, функционирующих без связи с атмосферой. Сущность изобретения: для осуществления работы газотурбинной установки 2 и холодильной машины Стирлинга 3, от их рабочих тел, в цикле, необходимо отводить теплоту с помощью охлаждающей жидкости, размещенной в емкости 4. Для регенерации охлаждающей жидкости, она насосом 31 прокачивается через теплообменник 32, где отдает тепло рабочему телу контура с криогенным теплоносителем 6, после чего возвращается в емкость 4, в холодную часть 24, в охлажденном состоянии. Охлаждение происходит за сет перегрева пара в контуре с криогенным теплоносителем 6. Пар расширяется в детандере 36 с получением электроэнергии, охлаждается в регенераторе 35, ожидается в дросселе 37 и собирается в емкости 33, из которой подается насосом 34 в регенератор 35 для нагрева и испарения. 1 ил.

Автономная энергохолодильная система с регенерацией охлаждающей жидкости, включающая высокотемпературный источник теплоты, соединенный с преобразователем прямого цикла через теплообменник, преобразователь обратного цикла с приводом, к которому подведен ток от генератора преобразователя прямого цикла, емкость, соединенную контурами охлаждения с преобразователями прямого и обратного цикла и разделенную на две части для хранения холодного и отработанного теплоаккумулирующего вещества, отличающаяся тем, что разделенные части емкости соединены контуром регенерации, состоящим из заборного устройства, расположенного в части емкости с отработанным теплоаккумулирующим веществом, выпускного устройства, расположенного в части емкости с холодным теплоаккумулирующим веществом, насоса и теплообменника, через который контур регенерации связан с замкнутым контуром, включающим в себя теплоизолированную емкость с жидким криогенным теплоносителем, насос, регенератор, детандер и дроссель.