СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОНДЕНСАТА ИЗ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 1998 года по МПК F02C6/00 F24F3/14 

Изобретение относится к газотурбостроению и может быть использовано для создания промышленных установок для получения конденсата (искусственного дождя) из внешней среды.

Известны различные опреснители, которые получают питьевую воду и воду для орошения полей из морской воды или иной непригодной для употребления воды [1 и 2].

Все известные опреснители рассчитаны на наличие морской или иной непригодной к питью воды. Из окружающей среды на базе этих решений воду получить невозможно.

Наиболее близким техническим решениям для получения конденсата (искусственного дождя) из внешней среды является способ работы многопоточной газотурбинной установки (ГТУ) с вакуумирующим агрегатом, где имеются процессы сжатия, подвода тепла, расширения, перерасширения и сжатия до внешней среды [3].

В традиционном способе работы вакуумирующего агрегата рабочее тело в процессе охлаждения может достигнуть точки росы и из него можно получить конденсат, но он не будет пригоден для питья, так как в нем будут содержаться продукты сгорания.

В частности, можно получить конденсат из внешней среды в устройстве - в турбохолодильной машине ТХМ 300 (Дубинский М.Г. Воздушные и газовые турбохолодильные машины. М. : Знание, 1968, 64 с.), которая содержит воздушную турбину перерасширения, теплообменник и дожимающий компрессор.

Эту последовательность также будем называть вакуумирующим агрегатом.

В турбохолодильной машине за турбиной перерасширения происходит выпадение конденсата, но его количество при реальных расходах через турбомашину мало и не может быть использовано для получения конденсата в промышленных масштабах.

Задача изобретения - получение чистого конденсата из наружного воздуха в промышленных масштабах.

Задача решается тем, что в известном способе работы газотурбинной установки, включающем процессы сжатия, подвода тепла, расширения, перерасширеления и сжатия до внешней среды, создают (n-1) параллельных воздушных потоков, второй поток перерасширяют до давления ниже внешней среды, хладоресурс этого потока используют в остальных (n-2) параллельных потоках, каждый из которых захолаживают и отделяют влагу, и каждый из полученных осушенных потоков используют в качестве хладагента для последующего потока.

В устройстве, включающем газогенератор и вакуумирующий агрегат, введены второй воздушный поток рабочего тела, проходящий через вакуумирующий агрегат, вал которого содержит работающую от первого потока турбину, и (n-2) параллельных потока, каждый из которых содержит вентилятор и теплообменник, все первые ходы потоков воздуха от вентиляторов в теплообменники являются охлаждаемыми и охлаждающими на каждом втором последнем ходе.

На чертеже показана n-поточная газотурбинная установка, реализующая способ получения конденсата из внешней среды в промышленных масштабах, при этом рассматриваются два варианта энергоснабжения установки: традиционный - за счет сжигания топлива в камере сгорания и как вариант - за счет нагрева воздуха в солнечных нагревателях.

Наружный воздух А (фиг. 1) сжимается в компрессоре газотурбинной установки 1, например, созданной на базе ГТ-16 (N = 16 МВт; проектируется для привода компрессора на газоперекачивающих станциях) и после нагрева в камере сгорания 4 подается на турбину газогенератора, при этом не исключается нагрев воздуха в системе нагревателей 2, питаемых солнечных рефлекторов 3. После турбины газогенератора рабочее тело двумя параллельными потоками В подается на приводные турбины 5 двух вакуумирующих агрегатов 6 (показан один; соотношение количества вакуумирующих агрегатов 6 на один газогенератор 1 определяется конкретными параметрами установки и может быть другим: 1/1; 1/3 и т.д.). Каждый вакуумирующий агрегат состоит из турбины перерасширения 7, вакуумного компрессора 8 и собственного теплообменника вакуумирующего агрегата 9.

Наружный воздух (например, с параметрами P_нар=1 ата; Т_нар=+40^oC) потоком С расширяется на турбине 7 до давления до 0,25 ата и с температурой минус 53^oC подается на первый теплообменник 9, где захолаживает поток наружного воздуха D, который подается одним из вентиляторов 10, приводимый, например, турбиной от потока B (не показано). Нагретый воздух входит в вакуумный компрессор 8 и дожимается им до наружного давления. Дефицит мощности между работой расширения на турбине 7 и работой сжатия на компрессоре 8 покрывается турбиной 5. Хладоресурса воздуха после турбины перерасширения 7 хватает для организации еще девяти чистых потоков при степени регенерации σ = 0,9 (противоток) в каждом теплообменнике группы 11. При степени регенерации π = 0,85 (перекрестный ток) можно обеспечить функционирование только семи теплообменников. При захолаживании каждого потока воздух достигает точки росы, что и вызывает выпадение влаги.

Кроме того, возможно использование для нагрева рабочего тела солнечных нагревателей. Предложение по использованию энергии солнца для получения искусственного дождя не является предметом защиты по предлагаемому изобретению, а показывает один из рациональных путей реализации его в пустынных районах с ограниченными ресурсами топлива.

В рамках изложенных подходов возможен "полив" холодным воздухом засушливых земель и стимулирования этим выпадения росы (температура воздуха ~+5^oC, например, за счет эжектирования или за счет уменьшения количества теплообменников). При этом следует отметить, что такое использование хладоресурса для получения влаги термодинамически менее эффективно, чем по варианту 1, но это не потребует устройства разводки воды. Последнее решение привлекательно при использовании солнечных нагревателей для функционирования основной ГТУ различной мощности, в частности возможно покрытие искусственным туманом пересыхающих реликвенных водоемов для уменьшения их испарения.

Изложенное не является предметом защиты по предлагаемому изобретению, а показывает один из рациональных путей реализации его в пустынных районах с крайне ограниченными ресурсами воды, коммуникаций, топлива и т.д.

Для технико-экономической оценки предлагаемого изобретения следует обратиться к чертежу. При организации противотока в теплообменниках можно, в частности, получить следующий температурный режим течения охлаждающего воздуха в теплообменниках n-поточной установки: 1) -53^oC; 2) -44^oC; 3) -36^oC; 4) -27^oC; 5) -20^oC; 6) -14^oC; 7) -9^oC; 8) -4^oC; 9) -0^oC; 10) +5^oC; 11) +11^oC.

Итак, принимаем 10 теплообменников (вход сухого воздуха с температурой +5^oC) (не исключается использование последнего теплообменника N 11 для предварительного захолаживания воздуха на входе в турбину перерасширения), тогда температура за турбиной составила бы -70^oC. Этот фактор будем рассматривать как рассчетный запас. Удельная работа на турбине перерасширения вакуумирующего агрегата при степени перерасширения π = 4 и температуре входа +40^oC.

.

Температура за турбиной перерасширения
T₂ =T_нар-L_t1/С_p=313-93/1,005 = 220 K (-53^oC).

Потребная степень повышения давления в дожимающем компрессоре при потерях γ = 0,9
π_k= 4/0,9 = 4,444.
Удельная потребная работа дожимающего компрессора

Удельный дефицит мощности на валу вакуумирующего агрегата
H=L_t1-L_k=93-191=98 кДж/кг.

Удельная потребная работа на привод одного вентилятора с:

Параметры базовой ГТУ: N= 16 МГВт; Ne_уд = 422 кВт; Ce_уд = 0,2078 кг/кВт•ч; суммарный расход топлива Q = 3325,0 кг/ч; расход воздуха G = 38 кг/с. При обслуживании двух вакуумирующих агрегатов с десятью теплообменниками на каждом удельная мощность силовой установки составит
L_потр=2•H+20•L_кв=2•98+20•10,2= 400 кВт/кг.

При этом имеем Ne_уд = 422 кВт/кг. Избыток Δ = 22 кВт/кг - на собственные нужды: освещение и т.п.).

Затем рассчитаем производительность установки: примем температуру наружного воздуха T_нар = +40^oC, относительную влажность ϕ = 80% (приморские зоны северной и центральной Африки), тогда по d-i-диаграмме для влажного воздуха найдем: абсолютная влажность d = 4%; точка росы 36^oC.

При ϕ = 40% имеем d=2% и точка росы равна 24^oC (пустынные районы).

Вариант первый. ГТУ работает от камеры сгорания 24 ч в сутки, при этом функционируют два вакуумирующих агрегата с десятью теплообменниками каждый - всего 20 чистых потоков воздуха. Относительное среднее количество воздуха в каждом потоке (с учетом 4% отбора воды в каждом потоке) ~ = 0,84. Полученное количество воды G_H20=20_пот•G_уст• ~ G_ср• d•3600 c•24 ч = 20•38•0,84•0,04•3600•24 = 2206,3 т воды в сутки или 44 железнодорожные цистерны по 50 т каждая.

Вариант второй. ГТУ работает от энергии солнца (поток солнечной энергии 1000-750 Вт/м² [Богословский В.Н. Строительная теплофизика. М.: Высшая школа 1982; Д. Мак-Вейг. Применение солнечной энергии. - Энергоиздат, 1981]. Как указывалось, при использовании солнечных нагревателей при КПД основной ГТУ η = 0,4 потребная активная площадь рефлекторов 60000 - 50000 - 40000 м² (широты: Калмыкия, Стамбул, Арабские Эмираты соответственно). Среднее количество рефлекторов в "солнечном парке" при их высоте и длине, например, 20•50 м составит 50 ед. Система их размещения зависит от конкретного рельефа местности (подобный парк функционирует на юге Франции, и используется в металлургическом производстве).

Рассчитаем производительность G_H20= 20_пот•G_уст• ~ G_ср•d•3600 с•8 ч = 20•38•0,84•0,02•3600•8 = 367,7 т воды за рабочий день, т.е. порядка 7 железнодорожных цистерн.

Суточный расход газа 80 т (из детального расчета ГТУ). Стоимость промышленного газа на апрель 1995 г. 25 руб./кг. Экспортная стоимость газа в 10 раз выше - 250 руб. /кг. Затратив одну тонну топлива можно получить ~ 2626,6/80 = 27,5 т воды, что в денежном выражении составит для внутрироссийского потребления D = 25000 руб./27500 кг = 0,909 руб./кг. При экспортных ценах и курсе руб./дол. = 5000 получим 9,09 руб./5000 = 0,0018 USD/кг.

Использование: в энергетике, в частности в установках для получения конденсата воды из наружного воздуха в промышленных масштабах. Сущность изобретения: наружный воздух потоком С расширяется на турбине 7 вакуумирующего агрегата 6 до давления ниже атмосферного и подается на первый теплообменник 9, где захолаживает поток наружного воздуха D, который подается одним из вентиляторов 10, приводимый, например, турбиной от потока В (не показано). Нагретый воздух входит в вакуумный компрессор 8 и дожимается им до наружного давления. При захолаживании каждого потока воздух проходит через точку росы, что и вызывает выпадение влаги. Охлажденный до точки росы, осушенный этим и далее захоложенный ниже точки росы воздух в каждом теплообменнике является хладоносителем для последующего теплообменника. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения конденсата из внешней среды, включающий процессы сжатия, подвода тепла, расширения, перерасширения и сжатия до внешней среды, отличающийся тем, что создают (n-1) параллельных воздушных потоков, второй поток перерасширяют до давления ниже внешней среды, хладоресурс этого потока используют в остальных (n-2) параллельных потоках, каждый из которых захолаживают и отделяют влагу и каждый из полученных осушенных потоков используют в качестве хладагента для последующего потока. 2. Устройство для получения конденсата из внешней среды, содержащее газогенератор и вакуумирующий агрегат, отличающееся тем, что введены второй воздушный контур, проходящий через вакуумирующий агрегат, вал которого содержит турбину, которая приведена рабочим телом от основного газогенератора, и параллельные воздушные контуры, каждый из которых последовательно содержит вентилятор, охлаждающую поток секцию холодильника и нагревающую поток секцию холодильника.