ТЕПЛОВАЯ УСТАНОВКА, РАБОТАЮЩАЯ ПО ПРИНЦИПУ СТИРЛИНГА Российский патент 1999 года по МПК F02G1/43 

Изобретение относится к тепловым установкам такого типа, который охарактеризован в ограничительной части первого пункта формулы изобретения.

Двигатели Стирлинга известны, например, из справочника "Meyers Lexikon der Technik und der Exacten Naturwissenschaften", Bibliographisches Institut. Mannheim/Wien/Zurich, 1970, 589 или из проспекта "Entwicklungsarbeit am Stirlingmotor" фирмы SOLO Kleinmotoren GmbH, Sindelfingen. Данный проспект распространялся на Ярмарке Инноваций, проходившей в городе Феллбах (Fellbach) в Германии с 9 по 11 марта 1995 г.

Конструкция известных вариантов двигателя Стирлинга делает необходимым использование в них рабочего вещества, имеющего высокую температуру и давление, значения которых обычно доходят до 1000^oC и 300 атм. Кроме того, в качестве рабочего газа обычно применяется гелий. Работа при высоких значениях температуры и давления требует применения сложных массивных конструкций, обладающих высокой термостойкостью и устойчивостью к действию давления. Использование гелия создает существенные проблемы с уплотнением в связи с очень высокой скоростью диффузии гелия. Для достижения высоких температур требуется применение первого теплообменника, выполненного как нагреватель, который использует отходящие газы достаточно высокой температуры, за счет чего рабочее тело может быть нагрето в требуемой степени.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании тепловой установки типа, охарактеризованного в ограничительной части первого пункта формулы изобретения, которая обеспечит значительное улучшение теплового баланса и, кроме того, сможет функционировать при существенно более низких значениях температуры и давления рабочего газа.

Решение этой задачи достигается благодаря совокупности существенных признаков, включенных в первый пункт формулы изобретения.

В тепловой установке, выполненной в соответствии с настоящим изобретением, нагреватель, который обеспечивает высокую температуру, а также и радиатор, который служит только для отвода тепла, заменены аккумуляторами тепла на основе цеолита. Достоинство цеолита состоит в том, что он поглощает рабочий газ, который, согласно настоящему изобретению, поступает к нему как нагретый выхлопной газ из рабочего цилиндра тепловой установки. Рабочий газ встраивается в молекулярную решетку цеолита, что приводит к возникновению интенсивной экзотермической реакции, в результате которой поданный к цеолиту рабочий газ нагревается. Другими словами, в ходе этого процесса рабочий газ приводится в состояние, подобное переохлажденному, даже несмотря на то, что он нагревается. В связи с этим давление в аккумуляторе тепла на основе цеолита очень резко падает. В соответствии с имеющимся уровнем знаний о подобных процессах, можно предположить, что в цеолите возникает явление массопереноса, и это позволяет аккумулятору тепла адсорбировать очень большой объем рабочего газа, десятикратно превышающий объем цеолита.

Описанный процесс накапливания рабочего газа происходит поочередно в двух аккумуляторах тепла на основе цеолита. После того, как второй аккумулятор тепла оказывается также заполненным рабочим газом, адсорбированным на цеолите, рабочий газ из другого аккумулятора тепла, который был заполнен ранее, начинает отводиться в нагретом состоянии посредством десорбции с цеолита и используется в тепловой установке в качестве рабочего тела. Для этого необходим подвод тепла. Для его обеспечения через аккумулятор тепла, из которого нужно отвести запасенный в нем рабочий газ, по контуру теплоносителя пропускается газ-теплоноситель. Благодаря пропусканию через один из аккумуляторов тепла на основе цеолита теплоносителя, тепло которому было передано в рабочем цилиндре установки и/или в другом аккумуляторе тепла, где происходит адсорбция рабочего газа, в этом аккумуляторе тепла начинается эндотермическая реакция, в ходе которой рабочий газ высвобождается из цеолита. В ходе этого процесса рабочий газ нагревается в достаточной мере для того, чтобы выполнять работу в качестве рабочего тела в рабочем цилиндре установки. Запуск эндотермической реакции происходит в результате поступления тепла от теплоносителя. Таким образом, в соответствии с изобретением, тепло, выделяемое в рабочем цилиндре, полностью утилизуется для высвобождения запасенного рабочего газа. Благодаря этому тепловая установка согласно настоящему изобретению обеспечивает значительное улучшение теплового баланса по сравнению с известными тепловыми машинами Стирлинга, в которых отвод отходящего тепла осуществляется через радиатор (охладитель). Два аккумулятора тепла на основе цеолита действуют в тепловой установке по настоящему изобретению поочередно: в то время, как один из них обеспечивает снабжение нагретым рабочим газом, служащим рабочим телом в цилиндре тепловой установки, второй аккумулятор запасает рабочий газ и охлаждает его, и наоборот. Отходящее тепло в рабочем цилиндре утилизуется посредством теплоносителя для выведения из аккумулятора тепла рабочего газа, который ранее запас тепло в ходе его накапливания в этом аккумуляторе.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения отражены в зависимых пунктах формулы.

В качестве рабочего газа предпочтительно применяется газ с низкой температурой кипения. Достигаемое при этом преимущество состоит в том, что температура рабочего тела в состоянии, когда оно способно совершать работу, может быть низкой. Среди известных в настоящее время рабочих газов, которые пригодны для использования в качестве газов с низкой температурой кипения в установке по настоящему изобретению, особенно подходящим оказался углекислый газ (CO₂). CO₂ дает особенно сильную экзотермическую реакцию в аккумуляторе тепла на основе цеолита при адсорбции рабочего газа, что приводит к особенно высокой эффективности его охлаждения. В общем случае выгодно увеличивать разность температур горячей и холодной полостей тепловой машины. Данная выгода наиболее полно может быть реализована в случае, если рабочим газом является CO₂. Она связана с наличием так называемой "тепловой дыры", проявляющейся в повышенной способности цеолита к запасанию газа. Эта способность позволяет цеолиту адсорбировать значительно больший объем газа, чем его собственный объем. Цеолит ограничивает броуновское движение молекул (подобно тому, как это имеет место в процессах сжатия или переохлаждения) путем связывания их с молекулярной решеткой, что позволяет аккумулятору тепла накопить намного больший объем газа, чем это было бы возможно при нормальных значениях давления и температуры без использования цеолита.

Если, согласно одному из вариантов осуществления изобретения, тепловая установка дополнительно снабжается теплом, например от горелки или гелиоустановки, появляется возможность эффективно использовать ее в качестве блока тепловой электростанции для комбинированной выработки тепла и электроэнергии. В этом случае дополнительное тепло может быть эффективно передано теплоносителю в контуре теплоносителя, который в этом случае утилизует отходящую теплоту тепловой установки в сочетании с отходящей теплотой горелки, или с теплом, генерируемым гелиоустановкой.

Фиг. 1 представляет собой схему тепловой установки согласно настоящему изобретению;
на фиг. 2 - схема блока тепловой электростанции, оснащенной тепловой установкой в соответствии с изобретением.

Как показано на фиг. 1, тепловая установка 10, работающая по принципу Стирлинга, содержит контур 12 рабочего тела (рабочего газа) и контур 14 теплоносителя, причем оба эти контура связаны с рабочим цилиндром 11. Контур рабочего газа содержит два теплообменника, каждый из которых состоит из аккумулятора 16, 18 тепла на основе цеолита. Контур 14 теплоносителя включает в себя две параллельные трубопроводные ветви 20, 22, которые проходят через аккумулятор 16, 18 тепла и подсоединены к общим трубопроводам 24 и 26, находящимся перед и за аккумуляторами тепла соответственно. Общий трубопровод 24 ведет от выхода 28 цилиндра 11 по теплоносителю к аккумуляторам 16, 18 тепла, а общий трубопровод 26 ведет ко входу 30 цилиндра 11 по теплоносителю. Кроме того, в общий трубопровод 26 включен третий теплообменник 32 вместе с насосом 34 для прокачки 15 теплоносителя по контуру 14 теплоносителя. В описываемом примере осуществления в качестве теплоносителя используется вода. Электромагнитные клапаны 36 и 38, с помощью которых можно перекрыть поток теплоносителя в соответствующем трубопроводе, установлены в трубопроводах 20, 22, проходящих через аккумуляторы 16, 18 тепла, на входе этих аккумуляторов. Отрезок 20a трубопровода 20, который входит снизу в аккумулятор 16 тепла, заканчивается в трубчатом теплообменнике, установленном внутри аккумулятора 16 тепла. Выход этого теплообменника подсоединен к продолжению 20b трубопровода 20, как это показано на фиг. 1. Аккумулятор 18 тепла имеет аналогичную структуру. Пространство внутренних камер 17, 19 в аккумуляторах 16, 18 тепла, не занятое трубчатыми теплообменниками контура 14 теплоносителя, заполнено цеолитом.

Контур 12 рабочего газа проходит от выхода 42 рабочего цилиндра 11 к двум входным контурам 44. 46 аккумуляторов 16, 18 тепла и далее, как это видно из фиг. 1, от этих входных контуров 44, 46 к общему выходному трубопроводу 48, который через буферную камеру 50 и следующий трубопровод 52 ведет к входу 54 рабочего цилиндра 11. В трубопроводе 48 дополнительно установлен насос 56. Электромагнитные клапаны 58 и 60 установлены в отрезках трубопровода 12, которые ведут к входным трубопроводам 44, 46 соответственно. Электромагнитные клапаны 62, 64 установлены в трубопроводах, которые ведут от входных трубопроводов 44, 46 соответственно и заканчиваются в общем трубопроводе 48. Кроме того, электромагнитный клапан 66 установлен в трубопроводе 52, отходящем от буферной камеры 50. Указанные электромагнитные клапаны 58-66 служат в качестве запорных клапанов, которые попеременно открывают или разрывают связь трубопровода 12 с трубопроводами 44 или 46 и т. д. Выход буферной камеры 50 может быть перекрыт с помощью электромагнитного клапана 66 до тех пор, пока в буферной камере не будет достигнуто высокое давление. Управление всеми вышеперечисленными электромагнитными клапанами осуществляется посредством контроллера 67.

Рабочий цилиндр 11, входящий в состав описанной выше тепловой установки, может соответствовать обычному двигателю Стирлинга, известному, например из источников, указанных в начале описания, однако с тем существенным для настоящего изобретения отличием, что для улучшения теплового энергетического баланса подобного двигателя Стирлинга, два теплообменника в виде нагревателя и радиатора, известные из уровня техники, выполнены как аккумуляторы тепла на основе цеолита, что в сочетании с наличием контура теплоносителя минимизирует любые теплопотери и, в частности, вообще не приводит к генерирированию сбросной теплоты.

Тепловая установка по настоящему изобретению работает следующим образом.

Как и обычно, рабочий цилиндр 11 представляет собой периодически работающий поршневой двигатель, который поочередно использует сильно нагретый и охлажденный рабочий газ, которым в данном случае предпочтительно является CO₂, взаимодействующий с двумя не изображенными на чертеже поршнями для преобразования подводимой к нему тепловой энергии в механическую энергию, используемую для приведения в действие электрогенератора 68, как это показано на фиг. 1. Необходимая для этого теплота, которая в известных двигателях генерировалась путем сжигания какого-либо топлива в камере сгорания (не изображена) вне цилиндра 11 и подавалась к рабочему газу в цилиндре посредством отдельного нагревателя, в тепловой установке по настоящему изобретению поступает в виде латентной теплоты, которая необходима только для запуска установки. На начальном этапе генератор 68 функционирует как двигатель и приводит в действие тепловую машину 11, которая на этом этапе действует так тепловой насос и подает CO₂ к одному или другому тепловому аккумулятору 16, 18. CO₂ хранится в этом аккумуляторе тепла за счет адсорбции на цеолите при экзотермической реакции, как это было описано выше. После того, как оба аккумулятора тепла заполнены, может начинаться процесс Стирлинга. Потери тепла в тепловом двигателе, которые не могут быть предотвращены, компенсируются в данном процессе за счет латентного тепла из окружающей среды. Дополнительная тепловая энергия, которая требуется, например, в связи с отводом тепла через генератор 68, может подводиться к тепловому двигателю через теплообменник 32, например от окружающего воздуха, за счет использования солнечной радиации, путем нагрева теплообменника 32 с помощью горелки и т.д. В отличие от известных двигателей, в которых теплоноситель должен быть нагрет до температур вплоть до 1000^oC, тепловой двигатель согласно изобретению может работать при рабочей температуре около 60^oC при условии наличия разности давлений между входом 30 цилиндра 11 и входами аккумуляторов тепла (трубопроводы 44 и 46), которая соответствует достижению давления 10 атм в буферной камере 50. Этот вопрос будет более подробно рассмотрен далее.

После запуска тепловой машины и создания запаса рабочего газа в двух аккумуляторах тепла 16, 18 может начаться процесс Стирлинга. В результате протекания процесса накопления рабочего газа в одном из аккумуляторов тепла создается падение давления, определяемое объемом адсорбированного газа. Вследствие экзотермической реакции энергия давления одновременно передается как тепло к теплоносителю, который в данном процессе сильно нагревается. Если рабочий газ накапливается в аккумуляторе 16 тепла, то электромагнитный клапан 36 закрыт, электромагнитный клапан 58 открыт, электромагнитный клапан 62 закрыт, а электромагнитный клапан 38 открыт. Если теперь одновременно рабочий газ высвобождается из цеолита в результате десорбции в теплообменнике 18, электромагнитный клапан 60 закрыт, а электромагнитный клапан 64 открыт. В связи с началом процесса десорбции в аккумуляторе 18 тепла электромагнитный клапан 36 через определенный промежуток времени открывается, в дополнение к электромагнитному клапану 38. так что теплоноситель, который предварительно был нагрет в фазе адсорбции в аккумуляторе 16 тепла, теперь проходит через аккумулятор 18 тепла с тем, чтобы подвести к нему тепло, необходимое для протекания здесь десорбционного процесса. В случае необходимости может быть включен насос 56 для подачи рабочего газа к цилиндру 11. В ходе десорбционного процесса рабочий газ, вытесняемый из теплового аккумулятора 18, оказывается достаточно нагретым, чтобы совершать механическую работу в качестве рабочего тела в цилиндре 11. В то время, как теплоноситель протекает через аккумулятор 18 тепла, из которого нужно вытеснить рабочий газ путем десорбции с цеолита, теплоноситель через определенный промежуток времени начинает протекать, по крайней мере временно, через другой аккумулятор 16 тепла, поскольку аккумулятору 18 тепла требуется дополнительное тепло для поддержания процесса десорбции. Первоначально процесс десорбции протекает без подачи дополнительного тепла от аккумулятора 16 тепла, поскольку запаса тепла в цеолите теплообменника 18 оказывается достаточно. Когда, через определенный промежуток времени, этот запас сокращается, так что процесс десорбции не может больше протекать, открывается электромагнитный клапан 36, и нагретый теплоноситель от аккумулятора 16 тепла может теперь проходить через аккумулятор 18 тепла.

Однако, если тепловая энергия, запасенная в цеолите аккумуляторов 16 и 18 тепла, достаточна для того, чтобы соответствующий процесс десорбции имел место, нет необходимости использовать теплоноситель от другого теплового аккумулятора. В этом случае аккумуляторы 16, 18 тепла фактически вводятся в соединение в режиме переноса тепла с контуром теплоносителя только поочередно, посредством соответствующих команд от контроллера 67.

Управление электромагнитными клапанами через контроллер 67 может быть осуществлено вручную оператором. Однако, контроллер 67 предпочтительно выполняется как самостоятельный орган на базе свободно программируемого компьютера, который управляет тепловым двигателем на основе данных измерений. В число этих данных входят, в частности, значения температур и давлений в разных точках установки, которые определяются с помощью различных датчиков температуры и давления (не показанных на чертеже). Электромагнитные клапаны управляются от контроллера 67 по линиям, изображенным на фиг. 1 пунктиром.

На фиг. 2 показан вариант использования вышеописанной тепловой установки в составе блока тепловой электростанции. Элементы, идентичные с элементами, представленными на фиг. 1, имеют те же числовые обозначения и поэтому не требуют специального рассмотрения. В связи с этим далее описываются только дополнительные компоненты. Как показано на фиг. 2, дополнительное тепло поступает к тепловой установке 10 от горелки 74, в которую подается топливо 73 типа нефти или газа, и/или от гелиоустановки 76. Если планируется передавать избыток электрической энергии в сеть, генератор 68 может быть связан с этой сетью через соединитель 70. Горелка 74 может работать как на газе, так и на жидком топливе. Температура продуктов сгорания на выходе горелки не должна превышать 200^oC, поскольку в этом случае в описанной тепловой установке будут развиваться чрезмерно высокие значения давления, что может создавать угрозу для цеолита в аккумуляторах 16, 18 тепла.

Горелка 74 дополнительно снабжает теплом контур 75 горячей воды, например для обогрева зданий. Нагревательный контур, к которому поступает тепло от контура 14 теплообменника, обозначен, как 15. Рабочий газ, используемый в рабочем контуре 12, - это CO₂.

Тепловая установка предназначена для использования в составе блока тепловой электростанции и позволяет значительно улучшить тепловой баланс электростанции за счет утилизации тепла в тепловом аккумуляторе. Описана тепловая установка (10), работающая по принципу Стирлинга, содержащая контур (12) рабочего газа, в котором рабочий газ, образующий рабочее тепло установки, нагревается в первом теплообменнике до высокой температуры, придающей ему способность выполнять работу, и контур (14) теплоносителя со вторым теплообменником, в котором рабочий газ охлаждается после совершения работы. Указанные первый и второй теплообменники выполнены в виде аккумуляторов тепла (16,18) на основе цеолита, к которым рабочий газ из рабочего цилиндра (11) рабочего газа поочередно подается или отводится под управлением контроллера (67), причем аккумуляторы тепла (16,18) на основе цеолита под управлением контроллера (67) могут быть приведены в состояние теплообмена с контуром 14 теплоносителя. Тепловой баланс тепловой установки (10) значительно улучшен по сравнению с обычными тепловыми машинами Стирлинга, поскольку она практически не генерирует отходящей теплоты, которая могла бы рассматриваться как сбросная. Тепло передается теплоносителю в процессе адсорбции рабочего газа в одном из аккумуляторов тепла на основе цеолита, и это тепло, переданное теплоносителю, снова утилизируется в ходе десорбции рабочего газа с цеолита в другом аккумуляторе тепла. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Тепловая установка (10), работающая по принципу Стирлинга, содержащая контур (12) рабочего газа, в котором рабочий газ, образующий рабочее тело установки, нагревается в первом теплообменнике до высокой температуры, придающей ему способность выполнять работу, и контур (14) теплоносителя со вторым теплообменником, в котором рабочий газ охлаждается после совершения работы, отличающаяся тем, что указанные первый и второй теплообменники выполнены в виде аккумуляторов тепла (16,18) на основе цеолита, при этом рабочий газ из рабочего цилиндра (11) поочередно подается к указанным аккумуляторам или отводится от них под управлением контроллера (67) и тем, что аккумуляторы тепла (16,18) на основе цеолита выполнены с возможностью теплообмена с контуром (14) теплоносителя под управлением контроллера (67). 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве рабочего газа выбран газ с низкой температурой кипения. 3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что в качестве рабочего газа выбран углекислый газ (CO₂). 4. Установка по любому из пп.1 - 3, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным источником тепла в виде горелки (74) и/или гелиоустановки (76).