ТЕПЛОВАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА С ХОЛОДИЛЬНИКОМ Российский патент 1999 года по МПК F01K23/04 

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к устройствам, преобразующим тепловую энергию в электрическую.

Известны силовые установки с паровой турбиной, преобразующие тепловую энергию в электрическую, известен "Агрегат для преобразования тепловой энергии к электрическую", состоящий из котла на органическом жидком или газообразном топливе, конденсатора, детандера, энергопреобразующего блока, приводимого детандером, теплообменников, соединенных один с котлом, а другой с конденсатором, трубопроводов соединяющих эти элементы. Рабочим телом предпочтительно является охлаждающая текучая среда, подверженная классическому циклу Ренкина, отбирающая энергию от внешнего источника тепла и преобразующая ее в электрическую энергию в блоке, которым может быть турбогенератор (см. патент Франции N 2590934 от 5.06.87г., F 01 K 25/08 F 01 M II).

Недостатком всех тепловых установок являются большие потери тепловой энергии, отдаваемой в окружающую среду, и хотя генераторы на паровых турбинах и достигают самых высоких КПД до 45%, потеря больше половины тепловой энергии сгораемого топлива, это очень много.

Известна комбинированная теплосиловая установка, содержащая замкнутый паросиловой контур, работающий на воде и включающий последовательно размещенные парогенератор, паровую турбину с генератором, конденсатор, конденсаторный насос и подогреватели низкого и высокого давлений, а также замкнутые контуры, работающие на низкокипящем веществе, основного и дополнительного холодильников, каждый из которых состоит из последовательно расположенных испарителя, компрессора, теплообменной поверхности и турбодетандера с генератором (см. а.с. СССР N 1740707, F 01 К 23/04, 1992),
Недостатком подобной установки является то, что она может использоваться только на тепловых и атомных электростанциях и не может быть использована как силовая установка на транспортных средствах или как автономная силовая установка небольшой мощности, также недостатком является то, что в основном и дополнительном холодильнике используются довольно сложные устройства - турбодетандеры с генераторами.

Когда создавались первые силовые установки, появился второй закон термодинамики, согласно которому часть тепла сгоревшего топлива (тепло охлаждения) должна отдаваться холодному телу.

В то время нашли самый простой способ отдавать теплоохлаждения в атмосферу, хотя именно этого второй закон термодинамики не требует, а требует отдавать это тепло любому холодному телу.

Этот самый простой способ используется до сих пор и большинство людей, работающих с силовыми установками, не представляют, что может быть что-то иное, хотя в основном из-за этого КПД современных силовых установок и является очень низким.

Цель изобретения - увлечение эффективности силовой установки путем использования тепла охлаждения, энергии превращения отработавшего пара в жидкость, для превращения котле рабочей жидкости снова в пар.

Эта цель достигается тем, что совместно с силовой установкой, состоящей из детандера, котла, пароперегревателей, конденсатора отработавшего пара, насоса, перекачивающего рабочую жидкость, электрогенератора, приводимого детандером, соединяющих трубопроводов, теплоизоляции, используется холодильник, состоящий из компрессора, конденсатора хладагента, переохладителя жидкого хладагента, дросселя, испарителя хладагента, соединяющих трубопроводов, теплоизоляции. При этом конденсатор отработавшего пара является одной полостью, испаритель хладагента другой полостью одного теплообменника, в котором происходит передача тепла от отработавшего пара испаряющемуся хладагенту, а также конденсатор хладагента является одной полостью, а испаритель рабочей жидкости является второй полостью другого теплообменника, являющегося по своей сущности котлом, в котором происходит превращение рабочей жидкости в пар, за счет тепла сжатого хладагента, отобранного хладагентом у отработавшего пара.

В этих теплообменниках создается перепад температур. В первом теплообменнике между отработавшим паром в одной полости и испаряющимся хладагентом, который при испарении охлаждается, в другой полости. Тепло при этом, согласно второму закону термодинамики, будет переходить от отработавшего пара к испаряющемуся хладагенту. Отработавший пар, отдавая тепло, будет превращаться в жидкость, а жидкий хладагент, наоборот, отбирая тепло, будет превращаться в пар. Хладагент, отобравший тепло у отработавшего пара, поступает в компрессор, где при сжатии нагревается. При этом тепло низкого качества, отобранное у уже не могущего работать, отработавшего пара, преобразовывается в тепло более высокого качества, т.е. с более высокой температурой. Из компрессора хладагент поступает в другой теплообменник, где создает перепад температур между горячим хладагентом, в одной полости, и рабочей жидкостью, проходящей в другой полости этого теплообменника. При этом тепло будет переходить, согласно второму закону термодинамики, от горячего хладагента к рабочей жидкости, которая за счет этого тепла будет превращаться в пар, а хладагент, отдавая тепло, будет превращаться в жидкость. Таким образом, рабочая жидкость превращается в пар за счет тепла отобранного у сжатого хладагента, который, в свою очередь, перед этим отобрал это тепло у отработавшего пара при превращении его в жидкость.

После превращения пара хладагента в жидкость и переохлаждения ее до температуры на несколько градусов выше, чем у рабочей жидкости, поданной насосом в теплообменник, у жидкого хладагента остается около 10% тепловой энергии, запасенной хладагентом. Чтобы избежать этого имеется вспомогательный холодильник, переохладителя жидкого хладагента, дросселя, испарителя хладагента, перегревателя хладагента, соединяющих трубопроводов, теплоизоляции. При этом конденсатор хладагента вспомогательного холодильника является одной полостью теплообменника, второй полостью которого является перегреватель пара рабочего вещества, поступающего из котла, а испаритель жидкого хладагента вспомогательного холодильника является одной полостью другого теплообменника, во второй полости которого проходит жидкий хладагент основного холодильника, поступающий из конденсатора. Испарившийся хладагент вспомогательного холодильника проходит в полости теплообменника, в другой полости которого проходит отработавшие газы сгоревшего топлива, которые после этой полости выбрасываются в окружающую среду. Жидкий хладагент вспомогательного холодильника, выходящий из конденсатора, поступает в полость теплообменника, в другой полости которого проходит рабочая жидкость, поступающая из насоса, в этом теплообменнике часть тепла жидкого хладагента вспомогательного холодильника отдается рабочей жидкости.

В результате всего этого энергия сгорающего топлива расходуется только на получение необходимой полезной энергии и лишь незначительная ее часть будет теряться. Потери тепла составят:
1. Потери наружной оболочкой, тщательно теплоизолированной, установки в окружающую среду, а это при современных теплоизолирующих материалах будет не более 2-3%.

2. Потери с отработавшими газами сгоревшего топлива, а это при рабочей температуре около 600^oC и температуре выходящих газов 20 -25^oC, составит всего 3-5%.

Общие потери тепла установкой будут 5-8%, а КПД установки более 90%.

Таким образом потери тепла установкой будут почти в десять раз меньше, чем у существующих. И экологичность установки гораздо лучше чем у существующих, так как, кроме того что выбросов отработавших газов будет почти в десять раз меньше, топливо в установке может использоваться любое, без каких-либо присадок, сгорать оно должно в спокойных условиях, с избытком кислорода, поэтому вредных выбросов установкой будет в сотни раз меньше, чем у существующих.

На фиг.1 показана схема тепловой силовой установки с холодильником.

Тепловая силовая установка с холодильником состоит из испарителя рабочей жидкости поз. 1, камеры сгорания поз. 2, перегревателя рабочего пара поз. 3, перед камерой сгорания, перегревателя рабочего пара поз. 4, в камере сгорания, детандера поз. 5, генератора поз. 6, конденсатора рабочего вещества поз. 7, насоса поз. 8, для перекачки рабочего вещества, подогревателя рабочей жидкости поз. 9, компрессора поз. 10, основного холодильника, испарителя хладагента поз. 11, дросселя поз. 12, конденсатора хладагента поз. 13, переохладителя жидкого хладагента поз. 14, компрессора поз. 15, вспомогательного холодильника, конденсатора хладагента поз. 16, переохладителя жидкого хладагента поз. 17, дросселя поз. 18, испарителя хладагента поз. 19, пароперегревателя поз. 20, подогревателя воздуха поз. 21, теплоизолированных трубопроводов поз. 22, теплоизоляции поз. 23. При этом испаритель рабочей жидкости поз. 1 является одной полостью, а конденсатор хладагента поз. 13, основного холодильника, является второй полостью теплообменника 1, являющегося по сути котлом. Конденсатор отработавшего пара поз. 7 является одной полостью, а испаритель хладагента поз. 11 является второй полостью теплообменника II. Перегреватель рабочего пара поз. 3 является одной полостью, а конденсатор хладагента поз. 16, вспомогательного холодильника, является другой полостью теплообменника III. Переохладитель жидкого хладагента поз.14, основного холодильника, является одной полостью, а испаритель хладагента поз. 19 вспомогательного холодильника, является другой полостью теплообменника IV. Перегреватель рабочего пара поз. 4 является одной полостью теплообменника V, в другой полости которого проходят горючие газы сгоревшего топлива. Подогреватель воздуха поз. 21 является одной полостью теплообменника VI, в другой полости которого проходят горючие газы, вышедшие из теплообменника V. Перегреватель поз. 20, пара хладагента вспомогательного холодильника, является одной полостью теплообменника VII, в другой полости которого проходят отработавшие газы, выходящие из теплообменника VI. Переохладитель жидкого хладагента поз. 17, вспомогательного холодильника, является одной полостью теплообменника VII, в другой полости которого проходят отработавшие газы, выходящие из теплообменника VI. Переохладитель жидкого хладагента поз. 17, вспомогательного холодильника, является одной полостью теплообменника VIII, другой полостью которого является подогреватель рабочей жидкости поз. 9.

Работает установка следующим образом, как и в любом тепловом двигателе, все узлы и агрегаты, перед началом нормальной работы, должны быть прогреты до необходимой температуры. Для этого от аккумулятора (на схеме условно не показан) начинает работать компрессор поз. 10, основного холодильника, сжатый и нагретый после сжатия хладагент поступает в полость котла (теплообменник I), в конденсатор хладагента поз. 13, где отдает тепло рабочей жидкости, находящейся в другой полости котла, в испарителе рабочей жидкости поз. 1. Пар из испарителя рабочей жидкости поз. 1 через пароперегреватель поз. 3 поступает в пароперегреватель поз. 4, находящийся в камере сгорания поз. 2, где сгорает топливо, рабочий пар от тепла горючих газов перегревается и поступает в детандер поз. 5, где нагревает детали детандера до рабочей температуры и приводит во вращение ротор турбины поз. 5, который связан с генератором поз. 6. Турбина поз. 5 с генератором поз. 6 преобразуют энергию пара в электрическую. Отработавший пар поступает в конденсатор поз. 7, расположенный в теплообменнике II, другой полостью которого является испаритель поз. 11 хладагента основного холодильника, в испаритель поз. 11 поступает из конденсатора поз. 13 через переохладитель поз. 14 жидкий хладагент. В испарителе поз. 11 жидкий хладагент испаряется, при этом охлаждается, в теплообменнике II создается перепад температур между отработавшим паром и испаряющимся хладагентом, поэтому согласно второму закону термодинамики тепло будет переходить от отработавшего пара к испаряющемуся хладагенту, при этом отработавший пар будет превращаться в жидкость, а хладагент наоборот из жидкости будет превращаться в пар. Хладагент, отобравший тепло у отработавшего пара, поступает в компрессор поз. 10, где снова сжимается, при сжатии нагревается и снова поступает в теплообменник I, в конденсатор поз. 13, во вторую полость этого теплообменника, в испаритель поз. 1 подается насосом поз. 8 рабочая жидкость. В теплообменнике I создается перепад температур между рабочей жидкостью и сжатым хладагентом и, согласно второму закону термодинамики, тепло будет переходить от сжатого хладагента к рабочей жидкости, при этом рабочая жидкость будет превращаться в пар, а сжатый хладагент наоборот из пара превратится в жидкость. Рабочий пар через пароперегреватель поз. 3 снова поступает в пароперегреватель поз. 4, в камере сгорания, где перегревается за счет тепла горючих газов и снова поступает в детандер поз. 5, который совместно с генератором поз. 6 продолжает преобразовывать энергию запасенную паром в электричество.

Параллельно с этим от аккумулятора (на схеме условно не показан) работает компрессор поз. 15 вспомогательного холодильника. В компрессоре поз. 15 сжимается хладагент, при сжатии нагревается и поступает в конденсатор поз. 16, являющийся одной полостью теплообменника III, другой полостью которого является пароперегреватель поз. 3, в теплообменнике III создается перепад температур между сжатым хладагентом вспомогательного холодильника и рабочим паром, проходящим в пароперегревателе поз. 3, при этом, согласно второму закону термодинамики, тепло будет переходить от сжатого хладагента к рабочему пару, который будет перегреваться, а хладагент, охлаждаясь, будет превращаться в жидкость. Жидкий хладагент вспомогательного холодильника через переохладитель поз. 17 и дроссель поз. 18 поступает в испаритель хладагента поз. 19, являющийся одной полостью теплообменника IV, другой полостью которого является переохладитель поз. 14 жидкого хладагента основного холодильника. В испарителе поз. 19 хладагент вспомогательного холодильника испаряется, испаряясь охлаждается, при этом создается перепад температур между жидким хладагентом основного холодильника и испаряющимся хладагентом вспомогательного холодильника, согласно закону термодинамики, тепло потечет от жидкого хладагента основного холодильника, который еще больше охладится, к испаряющемуся хладагенту вспомогательного холодильника, который за счет этого тепла весь превратится в пар
Через какое-то время все агрегаты и детали установки прогреются до рабочей температуры, генератор поз. 6 станет выдавать электроэнергию полной мощности. Это означает, что запуск окончен и установка может работать, выдавая электроэнергию на полную рабочую нагрузку.

Работа происходит так же, как и во время запуска. В камере сгорания поз. 2 сгорает топливо, компрессор поз. 10, компрессор поз. 15, насос поз. 8 и другие возможные потребители электроэнергии работают от электроэнергии, выработанной генератором поз. 6. Компрессор поз. 10 сжимает хладагент и этим заставляет его циркулировать в контуре основного холодильника. Компрессор поз. 15 сжимает хладагент и этим заставляет его циркулировать в контуре вспомогательного холодильника. Насос поз. 8 заставляет циркулировать рабочее вещество в контуре паровой турбины. Во всех теплообменниках, согласно второму закону термодинамики, продолжает происходить теплообмен. В теплообменнике I, в испарителе поз. 1 рабочее вещество продолжает превращаться из жидкости в пар за счет тепла сжатого хладагента, проходящего в конденсаторе поз. 13, и превращающегося при этом, наоборот в жидкость. В теплообменнике II, в конденсаторе поз. 7, отработавший пар продолжает превращаться в жидкость, отдавая тепло испаряющемуся в испарителе поз. 11 хладагенту, который это тепло продолжает переносить в компрессор поз. 10. Компрессор поз. 10 продолжает сжимать хладагент, преобразовывая его в новое качество, более высоким давлением и с более высокой температурой, т.е. тепло низкого качества, отобранное у уже не могущего работать, отработавшего пара, преобразовывается в тепло более высокого качества, которое поступает с хладагентом в конденсатор поз. 13, где используется для испарения рабочей жидкости в испарителе поз. 1. Тепло, отобранное у отработавшего пара, не выбрасывается, как в других тепловых силовых установках, а используется для преобразования рабочей жидкости в пар.

Тепло, оставшееся в жидком хладагенте после прохождения теплообменника 1, если его не отобрать, может нарушить тепловой баланс в контурах паровой турбины и основного холодильника, чтобы этого не случилось используется вспомогательный холодильник. Компрессор поз. 15, вспомогательного холодильника, продолжает сжимать хладагент, который нагревается и поступает в конденсатор поз. 16, где отдает тепло, перегревая рабочий пар в пароперегревателе поз. 3, в теплообменнике III, хладагент при этом продолжает превращаться в жидкость. Жидкий хладагент вспомогательного холодильника проходит затем через переохладитель поз. 17, являющийся полостью теплообменника VIII, где отдает часть тепла рабочей жидкости, поступающей от насоса поз. 8 в переохладитель поз. 9, являющийся второй полостью этого теплообменника. Переохлажденный жидкий хладагент вспомогательного холодильника далее поступает через дроссель поз. 18 в испаритель поз. 19, являющийся полостью теплообменника IV, другой полостью которого является переохладитель поз. 14 жидкого хладагента основного холодильника.

Тепло, отобранное у жидкого хладагента основного холодильника, с испарившимся хладагентом поступает в компрессор поз. 15 вспомогательного холодильника, где преобразуется в более высокое качество, и поступает снова в конденсатор поз. 16, в теплообменник III, где используется для перегрева рабочего пара в пароперегревателе поз. 3. Этим и осуществляется баланс тепловых циклов в контурах паровой турбины и основного холодильника.

В дальнейшем все циклы агрегатов, входящих в установку, повторяются, повторяются и т.д. Все узлы и агрегаты устройства тщательно изолированы теплоизоляцией поз. 23, которая снижает паразитные потери тепла в окружающую среду.

Тепловая силовая установка с холодильником позволяет использовать тепло сгорающего топлива только на получение полезной энергии и лишь незначительная ее часть будет теряться. Потери тепла составят:
1. Потери наружной оболочкой, тщательно теплоизолированной установки в окружающую среду, а это при современных теплоизолирующих материалах, будет не более 2 - 3%.

2. Потери с отработавшими газами сгоревшего топлива, а это при рабочей температуре около 600^oC и температуре выходящих газов 20 - 25^oC, составит всего 3 - 5%.

Общие потери тепла установкой будут 5 - 8%, а КПД установки более 90%, т.е. в два раза больше максимального КПД существующих установок.

Тепловая установка предназначена для преобразования тепловой энергии в электрическую. В установке используют тепло конденсации пара для превращения рабочей жидкости в котле снова в пар. В установке используют основной и вспомогательный холодильники, состоящие из компрессора, конденсатора, переохладителя хладагента, испарителя хладагента и перегревателя хладагента. Испаритель рабочей жидкости и конденсатор хладагента являются полостями одного теплообменника, являющегося котлом. Конденсатор рабочей жидкости и испаритель хладагента являются полостями другого теплообменника. В камере сгорания находится перегреватель рабочего пара, подогреватель воздуха и перегреватель хладагента. В результате тепло сгоревшего топлива расходуется только на получение полезной энергии. Технический результат заключается в улучшении экологичности установки. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Тепловая силовая установка с холодильником, состоящая из детандера, котла, пароперегревателей, конденсатора отработавшего пара, насоса, перекачивающего рабочую жидкость, электрогенератора, приводимого детандером, соединяющих трубопроводов и теплоизоляции, отличающаяся тем, что, с целью увеличения эффективности силовой установки путем использования тепловой энергии превращения отработавшего пара в жидкость для превращения рабочей жидкости в котле снова в пар, используется холодильник, состоящий из компрессора, конденсатора хладагента, переохладителя жидкого хладагента, дросселя, испарителя хладагента, соединительных трубопроводов, теплоизоляции, при этом конденсатор отработавшего пара является одной полостью, а испаритель хладагента - другой полостью одного теплообменника, в котором происходит передача тепла от отработавшего пара испаряющемуся хладагенту, а также конденсатор сжатого хладагента является одной полостью, а испаритель рабочей жидкости - второй полостью другого теплообменника, являющегося, по сути, котлом, в котором происходит превращение рабочей жидкости в пар за счет тепла сжатого хладагента, отобранного хладагентом у отработавшего пара, а в камере сгорания топлива располагается перегреватель рабочего пара, который забирает энергию сгоревшего топлива и передает ее в детандер для преобразования в электричество. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что, с целью увеличения эффективности силовой установки путем обеспечения баланса передачи тепла в теплообменниках из контура в контур установки, используется вспомогательный холодильник, состоящий из компрессора, конденсатора хладагента, переохладителя жидкого хладагента, дросселя, испарителя хладагента, перегревателя хладагента, соединяющих трубопроводов, теплоизоляции, при этом конденсатор хладагента вспомогательного холодильника является одной полостью теплообменника, второй полостью которого является перегреватель пара рабочего вещества, поступающего из котла, а испаритель жидкого хладагента вспомогательного холодильника является одной полость другого теплообменника, во второй полости которого проходит жидкий хладагент основного холодильника, поступающий из конденсатора, в то же время перегреватель испарившегося хладагента вспомогательного холодильника является полостью теплообменника, в другой полости которого проходят отработавшие газы сгоревшего топлива, при этом также переохладитель жидкого хладагента вспомогательного холодильника, выходящего из конденсатора, является полостью теплообменника, в другой полости которого проходит рабочая жидкость, поступающая из насоса.