СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЮ Российский патент 1998 года по МПК F01K21/02 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для получения электроэнергии с помощью теплоты внешнего теплоносителя, а также теплоты, аккумулированной в химическом и органическом топливе.

Уровень техники характеризуется тем, что известен способ преобразования теплоты, при котором сжимают с помощью нагнетателя газообразное рабочее тело с последующим его расширением и переходом его энергии сжатия в работу, протекающим с понижением температуры рабочего тела, а затем восстанавливают теплоту рабочего тела с помощью внешнего теплоносителя.

Недостатками известного способа является неэффективность преобразования скрытой теплоты рабочего тела, что снижает эффективность преобразования теплоты в целом и ограничивает величину получаемой мощности, а также сложность оптимизации параметров процесса преобразования.

Технической задачей изобретения является расширение арсенала способов преобразования теплоты и создание при этом универсального способа получения электроэнергии, позволяющего наиболее эффективно использовать теплоту любых низкопотенциальных теплоносителей различных источников (в частности, холодильников, парогенераторов, промышленной вентиляции, геотермальных источников и т.п.), газов сгорания такого химического топлива, как водород, газов сгорания органического топлива - за счет преобразования их скрытой теплоты в механическую работу, что для современных тепловых двигателей, из-за их высокой температуры рабочего тела, препятствующей его полному увлажнению, недостижимо. При этом решается задача повышения мощности, а также эффективного и наиболее полного преобразования соответствующей работы в электроэнергию с одновременной оптимизацией параметров процесса преобразования.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе преобразования теплоты, при котором сжимают с помощью нагнетателя газообразное рабочее тело с последующим его расширением и переходом его энергии сжатия в работу, протекающим с понижением температуры рабочего тела, а затем восстанавливают теплоту рабочего тела с помощью внешнего теплоносителя, для расширения поставленной задачи в рабочее тело с помощью распылителя вводят жидкий увлажнитель, который сжимают совместно с рабочим телом при непрерывном распылении и насыщении последнего парами увлажнителя, завершающемся перед началом упомянутого расширения, которое осуществляют в силовой турбине с одновременной конденсацией паров увлажнителя и превращением их скрытой теплоты в дополнительную механическую работу и далее в электроэнергию для внешнего потребителя и компенсации потерь. Кроме вышеизложенной совокупности признаков:
теплоту рабочего тела восстанавливают за счет теплоносителя, циркулирующего через теплообменник, последовательно включенный перед распылителем,
в качестве внешнего теплоносителя используют газ, например воздух,
для работы нагнетателя используют энергию силовой турбины, при этом в качестве рабочего тела используют атмосферный воздух, а в качестве увлажнителя - воду. Нагнетатель и силовая турбина могут быть выполнены в виде осевых компрессоров, освоенных промышленностью.

Сущность изобретения заключается также в том, что в способе преобразования теплоты, при котором сжимают с помощью нагнетателя газообразное рабочее тело с последующим его расширением и переходом его энергии сжатия в работу, протекающим с понижением температуры рабочего тела, а затем восстанавливают теплоту рабочего тела с помощью внешнего теплоносителя, для решения поставленной задачи в рабочее тело с помощью распылителя вводят жидкий увлажнитель, который сжимают совместно с рабочим телом при непрерывном распылении и насыщении последнего парами увлажнителя, завершающемся перед началом упомянутого расширения, которое осуществляет в силовой турбине с одновременной конденсацией паров увлажнителя и превращением их скрытой теплоты в дополнительную механическую работу и далее в электроэнергию для внешнего потребителя и компенсации потерь, причем теплоту рабочего тела восстанавливают за счет введения в рабочее тело продуктов сжигания водорода в атмосферном воздухе, с последующей циркуляцией в замкнутом контуре и попутным получением для промышленности кислорода и азота.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

На чертеже изображена принципиальная схема устройства для реализации способа преобразования теплоты в электроэнергию.

Устройство содержит контур рабочего тела, в котором имеются нагнетатель 1, силовая турбина 2 и электрогенератор 3, связанные между собой общим валом (не изображено), а также теплообменник 4 для восстановления теплоты теплоносителя за счет низкопотенциальных тепловыделений или теплоты сгорания органического топлива и распылитель 5. В контуре подачи увлажнителя имеются бак 6 увлажнителя и конденсатный насос 7, всасыванием подключенный к баку 6, а нагнетанием - к распылителю 5. Перед теплообменником 4 к контуру рабочего тела подключена камера 8 сгорания водорода (H₂), в которую дутьевым вентилятором 9 может подаваться атмосферный воздух. Устройство содержит также задвижки 10, 11, 12 и вентили 13 - 16. Вентиль 14 служит для подвода воды (H₂O), например, из водопровода, вентиль 15 - для подачи водорода (H₂), вентиль 16 - для выпуска газа (азота или воздуха). Канал 17 предназначен для забора воздуха в контур.

Нагнетатель 1 целесообразно выполнить в виде осевого компрессора, силовую турбину 2 - в виде многступенчатой газовой турбины.

По принципу конструкции своего лопаточного аппарата осевой компрессор и многоступенчатая газовая турбина одинаковы. Отличаются они лишь направлением движения рабочего тела по лопаткам своей диаметральной противоположностью. Из сказанного следует, что эти машины обратимы, в связи с чем, при одинаковых параметрах рабочего тела по температуре, давлению и скорости, любой осевой компрессор может быть использован в качестве турбины, но с тем преимуществом, что работа последней при рассматриваемом способе будет отличаться поддержанием температуры и давления в каждой ступени своего рабочего колеса за счет преобразования скрытой теплоты рабочего тела в явную, соответственно увеличивая этим ее мощность. Одновременно, газовая турбина известного газотурбинного двигателя в устройстве, т.е. машинном агрегате для реализации рассматриваемого способа, преобразуется без каких-либо конструктивных изменений в турбину газоконденсатную.

Способ преобразования теплоты в электроэнергию осуществляется, например, следующим образом.

Для оптимальной реализации способа теплоту рабочего тела восстанавливают (нагревают) за счет теплоносителя, циркулирующего через теплообменник 4. В качестве теплоносителя могут применяться различные по составу газы, в том числе атмосферный воздух, в частности, из вытяжной или приточной вентиляции, а также любые газы, рассеивающие низкопотенциальные тепловыделения различных источников (холодильников, тепловых двигателей, парогенераторов и т.д.).

Таким образом может обеспечиваться оптимальная температура горячего источника на входе в нагнетатель 1 (t_а), позволяющая получить при данной реализации способа наибольшую отдачу электроэнергии.

Перед началом работы контур рабочего тела заполнен воздухом, например, с параметрами, характерными для средней полосы России; удельным весом γ = 1,2 кг/м³, влагосодержанием χ_a =7,6 г/кг, температурой t_a= 20^oC, относительной влажности η =50%. Для пуска устройства электрогенератор 3 начинает (кратковременно) работу в двигательном режиме (как электродвигатель) и раскручивает турбину 2 с нагнетателем 1.

При необходимости начальное раскручивание турбины 2 и нагнетателя 1 может быть осуществлено с помощью вспомогательного двигателя, не изображенного на чертеже.

Конденсатным насосом 7 или из водопровода (через вентиль 14) в распылитель 5 подается вода, которая вводится в рабочее тело в распыленном состоянии. В результате работы нагнетателя 1 газообразное рабочее тело с увлажнителем сжимают при непрерывном продолжающемся распылении и насыщении рабочего тела парами увлажнителя до влагосодержания χ_и =24,42 г/кг при температуре t_и= 27,65^oC, завершающемся перед началом расширения сжатого рабочего тела в силовой турбине 2. В процессе испарения увлажнителя происходит переход заключенной в рабочем теле явной теплоты в скрытую теплоту паров (воды). При расширении рабочего тела происходит переход его энергии сжатия в работу с понижением температуры и, одновременно, конденсация паров увлажнителя и превращение их скрытой теплоты в дополнительную механическую работу и далее в электроэнергию, так как при развитии оборотов до нормальных электрогенератор 3 переходит из двигательного в генераторный режим для электропитания внешнего потребителя и компенсации потерь.

Рабочее тело (воздух), циркулирующее через задвижку 11, поступает на вход теплообменника 4, предназначенного для восстановления теплоты рабочего тела (нагрева) с помощью внешнего теплоносителя, а охлажденный конденсат увлажнителя при температуре холодного источника (температуре конденсации) отбирают и, при необходимости, возвращают к насосу 7.

Работа многих потребителей электроэнергии характеризуется неравномерностью энергопотребления, протекающего со значительными временными интервалами. Во время интервалов электропотребления вырабатываемая электрогенератором электроэнергия может быть целесообразно использована, например, для выработки водорода и кислорода электролизом воды. Полученный кислород может использоваться в промышленности, а водород может быть запасен в качестве химического аккумулятора теплоты и использован в период наибольшего потребления электроэнергии. Для этого при реализации способа формируется замкнутый контур рабочего тела путем открытия вентиля 15 и задвижек 11, 12, а также закрытия задвижки 10. Водород через вентиль 15 поступает в камеру 8 сгорания. В нее же дутьевым вентилятором 9 направляется атмосферный воздух. Водород, сгорая в кислороде воздуха, образует воду, а остальной воздух, лишенный кислорода и состоящий в результате только из азота (и примесей воздуха) с температурой около 1500^oC, поступает в контур рабочего тела, где его теплота преобразуется с помощью увлажнителя в электроэнергию, как описано выше. Поскольку при такой реализации способа образуется значительное количество азота, последний отбирают из контура через вентиль 16, т.е. этот случай реализации способа сопровождается получением азота, т.е. ценного промышленного сырья. Количество получаемого для промышленности азота может составлять до 85 кг на 100 кВт•ч выработанной электроэнергии.

При всех случаях для работы нагнетателя 1 используют энергию силовой турбины 2, что сокращает потери энергии.

В процессе реализации способа нагнетатель 1 изолирован от внешней среды, работает в адиабатном режиме с показателем адиабаты к = 1,4 и сжимает рабочее тело, поступающее при атмосферном давлении P = 1•10⁴ кг/см² до давления P₂ = 1,53•10⁴ кг/см². КПД серийного нагнетателя (осевого компрессора) при этом обычно составляет η = 0,78.

Теплосодержание рабочего тела на выходе из нагнетателя 1 определяется уравнением:
Q_н = Q_а + AdL', (1)
где
Q_а - теплосодержание воздуха, поступающего в нагнетатель 1, AdL' - тепловой эквивалент работы нагнетателя 1.

Теплосодержание рабочего тела на входе в турбину 2 определяется уравнением:
Q_Т-AdL''+Q_эф+Q_х, (2)
где
Q_Т= Q_н, AdL'' - тепловой эквивалент работы турбины 2 (компенсирующий работу нагнетателя 1), Q_эф - теплота рабочего тела, преобразуемая турбиной 2 во внешнюю работу, Q_х - вынос теплоты из турбины в атмосферу.

Так как AdL'=AdL'', из (1) и (2) следует: Q_эф=Q_а-Q_х, а эффективная мощность составляет:
N_эф= Q_эф/0,24 кВт.

При
N_эф < 0 электрогенератор 3 работает в двигательном режиме, а при N_эф > 0 - в генераторном режиме.

Следует отметить, что Q_а=Q'_Я+Q'_с, Q_х=Q''_я+Q''_с, где: Q'_Я, Q''_Я - явная теплота рабочего тела на входе в нагнетатель 1 и на выходе из турбины 2, соответственно, Q'_с, Q''_с - скрытая теплота рабочего тела на входе в нагнетатель 1 и на выходе турбины 2, соответственно.

Поскольку теплосодержание рабочего тела перед увлажнением состоит из явной и скрытой теплоты в количествах одного порядка, а последняя передается увлажнителю при увлажнении рабочего тела и переносится с ним до турбины 2, при конденсации парой увлажнителя реализуется переход этой скрытой теплоты в явную с соответствующим увеличением получаемой полезной мощности.

Для оценки получаемой удельной мощности на G=1 кг рабочего тела можно провести следующие вычисления:
,
при указанных выше значениях параметров
N_{нагне тателя}= 47,5кВт.

Повышение температуры Δt′ рабочего тела при сжатии его нагнетателем 1:

где
T = 273 K;
Δt′ =37,8^oC.

Повышение температуры Δt″ рабочего тела за счет потерь нагнетателя 1:

где теплоемкость c = 0,241 ккал•г/град,
Δt″ = 10,45^oC.

Температура t_н на выходе из нагнетателя 1:
t_н= t_a+Δt′+Δt″ = 68,25^°C.
Теплосодержание Q_н рабочего тела до увлажнения:
Q_н= t_нC+χ_ai,
где теплота испарения увлажнителя i = 0,559 (см. HUTTE. Справочник, ОНТИ, 1963, с.603 и 606).

Q_н=20,85 ккал/с.

Теплосодержание Q_и после увлажнения (на входе турбины 2):
Q_и= t_иC+χ_иi,
где
i=0,580 (t_и= 27,65^oC - температура на входе в турбину после увлажнения). При такой температуре полное влагосодержание
χ_и= 24,42 г/кг,
Q_и=20,86 ккал/с.

Количество χ_ис испаряемой жидкости (увлажнителя):
χ_ис= χ_и-χ_a= 16,82 г/кг.
Температура рабочего тела на выходе из лопаточного аппарата турбины 2:

Влагосодержание χ_x на выходе из лопаточного аппарата турбины 2 (при полном насыщении)
χ_x= 4 г/кг.
Количество χ_к пара, конденсируемого в турбине 2 (при понижении температуры до ):
χ_к= χ_и-χ_x= 20,42 г/кг.
Теплота Q_к конденсируемого пара, поддерживающая давление рабочего тела на лопатки турбины, которая переходит в дополнительную механическую работу (кроме потерь ≈ 10%):
Q_к= χ_кi,
где
i=0,595
Q_к = 12,18 ккал/с
Итоговая температура на выходе из турбины составляет:

Теплосодержание Q_а на 1 кг рабочего тела (воздуха):
Q_a= t_ac+χ_ai,
где
i=0,584.

Q_а = 9,28 ккал/с.

Теплосодержание Q_х на 1 кг рабочего тела на выходе из турбины:

где
i=0,592.

Q_х=3,59 ккал/с.

Согласно (3):

Суммарная мощность турбины 2:
N_т=N_эф+N_{нагне тателя}= 71,2 кВт.

Коэффициент η_{эф =} эффективности использования теплоты воздуха (горячего источника):

Аналогично могут быть рассчитаны показатели для различных начальных условий, представленные в таблице.

С ростом температуры рабочего тела до ≈ 60^oC на входе в нагнетатель 1 растет удельная мощность устройства. Давление P₂ по сравнению с паровыми турбинами ниже ≈ в 400 раз при снижении удельной мощности лишь ≈ в 10 раз.

В результате применения настоящего изобретения расширен арсенал способов и технических средств преобразования теплоты, обеспечена возможность преобразования ее в универсальный вид энергии - электроэнергию из низкопотенциальных тепловыделений различных источников, а также из энергии, аккумулированной в химическом топливе (водороде) с попутной выработкой для промышленности кислорода и азота. Скрытая теплота рабочего тела не выбрасывается в тепловые отходы, а служит для увеличения получаемой энергии. При реализации способа снижается уровень рабочих давлений, повышается получаемая мощность, снижается металлоемкость и стоимость оборудования и общие инвестиции в строительство электростанций.

Изобретение предназначено для использования в области теплоэнергетики, в частности, может быть использовано для получения электроэнергии с помощью низкопотенциальной теплоты, а также теплоты, аккумулированной в химическом и органическом топливе. В способе преобразования теплоты в электроэнергию, при котором сжимают с помощью нагнетателя газообразное рабочее тело с последующим его расширением и переходом его энергии сжатия в работу, протекающим с понижением температуры рабочего тела, а затем восстанавливают теплоту рабочего тела с помощью внешнего теплоносителя, в рабочее тело с помощью распылителя вводят жидкий увлажнитель, который сжимают совместно с рабочим телом при непрерывном распылении и насыщении последнего парами увлажнителя, завершающемся перед началом упомянутого расширения, которое осуществляют в силовой турбине с одновременной конденсацией паров увлажнителя и превращением их скрытой теплоты в механическую работу и далее в электроэнергию для внешнего потребителя и компенсации потерь. Теплоту рабочего тела восстанавливают за счет теплоносителя, циркулирующего через теплообменник, или за счет сжигания водорода. Для привода нагнетателя используют энергию силовой турбины. Способ позволяет повысить мощность и эффективность преобразования. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ преобразования теплоты в электроэнергию, при котором сжимают с помощью нагнетателя газообразное рабочее тело с последующим его расширением и переходом его энергии сжатия в работу, протекающим с понижением температуры рабочего тела, а затем восстанавливают теплоту рабочего тела с помощью внешнего теплоносителя, отличающийся тем, что в рабочее тело с помощью распылителя вводят жидкий увлажнитель, который сжимают совместно с рабочим телом при непрерывном распылении и насыщении последнего парами увлажнителя, завершающимся перед началом упомянутого расширения, которое осуществляют в силовой турбине с одновременной конденсацией паров увлажнителя и превращением их скрытой теплоты в дополнительную механическую работу и далее в электроэнергию для внешнего потребления и компенсации потерь. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что теплоту рабочего тела восстанавливают за счет теплоносителя, циркулирующего через теплообменник, последовательно включенный перед распылителем. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве внешнего теплоносителя используют газ, например воздух. 4. Способ по любому из пп. 1 - 3, отличающийся тем, что для работы нагнетателя используют энергию силовой турбины, при этом в качестве рабочего тела используют атмосферный воздух, а в качестве увлажнителя - воду. 5. Способ преобразования теплоты в электроэнергию, при котором сжимают с помощью нагнетателя газообразное рабочее тело с последующим его расширением и переходом его энергии сжатия в работу, протекающим с понижением температуры рабочего тела, а затем восстанавливают теплоту рабочего тела с помощью внешнего теплоносителя, отличающийся тем, что в рабочее тело с помощью распылителя вводят жидкий увлажнитель, который сжимают совместно с рабочим телом при непрерывном распылении и насыщении последнего парами увлажнителя, завершающимся перед началом упомянутого расширения, которое осуществляют в силовой турбине с одновременной конденсацией паров увлажнителя и превращением их скрытой теплоты в дополнительную механическую работу и далее в электроэнергию для внешнего потребителя и компенсации потерь, причем теплоту рабочего тела восстанавливают за счет введения в рабочее тело продуктов сжигания водорода в атмосферном воздухе с последующей циркуляцией в замкнутом контуре и попутным получением для промышленности кислорода и азота.