СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОНДЕНСАТА ИЗ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК F02C6/00 

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

Известны различные опреснители, с помощью которых получают питьевую воду и воду для орошения полей из морской воды или иной непригодной для употребления воды (см., например, Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. "Химия", М., 1971 г., стр. 366 - 397; Сборник Академии наук СССР "Использование солнечной энергии" (изд. Академии наук СССР. М. , 1957 г., стр. 138) [1, 2].

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

Можно, в частности, 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.). Названная машина содержит воздушную турбину перерасширения, теплообменник и дожимающий компрессор. В теплообменнике происходит подвод тепла (внешнее охлаждение), что создает дополнительную нагрузку на дожимающий компрессор. В турбохолодильной машине за турбиной перерасширения происходит выпадение конденсата, но его количество при реальных расходах с учетом нагрузки на дожимающем компрессоре через турбомашину мало и не может быть использовано для получения конденсата в промышленных масштабах.

Наиболее близким техническим решением для получения конденсата (искусственного дождя) из внешней Среды является двухконтурная газотурбинная установка, рассмотренная в статье Б.Х. Перельштейна "Анализ параметров и характеристик ТРДД со ступенчатым отводом тепла. ИВУЗ "Авиационная техника" N 3, 1976.

Данная газотурбинная установка реализует способ работы, включающий процессы сжатия, подвода тепла, расширения, перерасширения и сжатия до внешней Среды.

Данная газотурбинная установка включает газогенератор, состоящий из компрессора, камеры сгорания, турбины привода компрессора, силовую турбину и автономный вакуумирующий агрегат, который включает турбину перерасширения, вал и дожимающий компрессор.

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, т.к. в нем будут содержаться продукты сгорания.

Изобретение решает задачу получения чистого конденсата из наружного воздуха в промышленных масштабах.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе работы газотурбинной установки, включающем процессы сжатия, подвода тепла, расширения, перерасширения и сжатия до внешней Среды, создают второй воздушный поток, который перерасширяют до давления ниже внешней Среды и отделяют влагу и сжимают до внешней Среды.

Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве, содержащем газогенератор, силовую турбину и вакуумирующий агрегат, состоящий из турбины перерасширения, вала и дожимающего компрессора, введен второй воздушный контур, последовательно включающий входное устройство, вакуумирующий агрегат, за турбиной которого установлен влагоотделитель, вал вакуумирующего агрегата содержит турбину, которая приведена рабочим телом от основного газогенератора.

На фиг. 1 показан агрегат для получения конденсата из внешней Среды на базе стандартной газотурбинной установки.

На фиг. 2 показан агрегат для получения конденсата из внешней Среды на базе газотурбинной установки с солнечным нагревом рабочего тела.

Агрегат состоит (фиг. 1) из основной ГТУ - 1, включающей компрессор - 2, камеру сгорания - 3, турбину газогенератора - 4 и силовую турбину - 5, выхлопного устройства - 6. Силовая турбина установлена на валу - 7 вакуумирующего агрегата - 8, который полностью располагается в наружном (втором) контуре, который включает входное устройство - 9, турбину перерасширения - 10, влагоотделитель - 11 (в частном случае это кольца Расшига, обычный гравий или просто корпус вакуумирующего агрегата, на который подается закрученный поток после турбины перерасширения), дожимающий компрессор - 12, выхлопное устройство - 13, конденсатный насос - 14.

Агрегат на фиг. 2 состоит из ГТУ -1, вакуумирующего агрегата - 8, выносной камеры сгорания - 2, солнечного рефлектора - 15, нагревателя - 16 и остальных элементов подобно фиг. 1.

Наружный воздух (фиг. 1), например, с параметрами (P_нар = 1 ата; T_нар = +30^oC) первым потоком "A" поступает на ГТУ - 1, сжимается в компрессоре - 2, нагревается в камере сгорания - 3, расширяется на турбине газогенератора - 4 и силовой турбине - 5. Выхлопные газы поступают на выхлопное устройство - 6. Наружный воздух вторым воздушным потоком "B" поступает во второй воздушный контур через входное устройство - 9 вакуумирующего агрегата - 8 на турбину перерасширения - 10. Степень рашсирения на турбине порядка П_т = 1,4 - 1,5. Температура за турбиной перерасширения в среднем (плюс 2^oC, плюс 5^oC). Влажный воздух, проходя через точку росы, сбрасывает влагу на влагоотделителе - 11. Выпавший конденсат насосом 14 подается во внешнюю Среду. Дожимающий компрессор - 12, приводимый по валу - 7 от силовой турбины - 5 и турбиной перерасширения - 10, сжимает воздух от давления порядка P_вак = 0,66 ата до наружного. Не исключается параллельное функционирование двух и более вакуумирующих агрегатов на базе одной ГТУ.

При нагреве рабочего тела солнечными нагревателями (фиг. 2) камера сгорания - 2 служит для запуска системы и работы в пасмурные дни. В штатной ситуации нагрев осуществляется на солнечных нагревателях - 16 с использованием рефлекторов - 15.

Для технико-экономической оценки предполагаемого изобретения примем в качестве базовой ГТУ НК-16 (N = 16 Мвт, N_уд = 420 кВт/кг, G_вх = 38 кг/с, КПД h = 0,326). Если наружный воздух с температурой 30^oC перерасширяется на турбине - 10 от наружного давления 1 ата до давления P_вак = 0,71 ата (П_т = 1,4), то получим температуру за турбиной порядка 4^oC. Удельная работа турбины L_уд = 30 кДж/кг. Компрессор (П_к = 1,55), сжимая осушенное рабочее тело до наружного давления, затратит L_уд.k = 50 кДж/кг. Дефицит мощности Δ N = 50 - 30 = 20 кДж/кг. С учетом удельной мощности основной ГТУ Ne = 422 кДж/кг имеем возможность обеспечить степень двухконтурности m = 420/20 = 21. При расходе на основной ГТУ G_в = 38 кг/с имеем расход через вакуумирующий агрегат G_ва = 38 кг/с • 21 = ~ 800 кг/с. При влагосодержании воздуха d = 25 г воды/кг воздуха можно ожидать выпадение 20 г воды с кг воздуха. В секунду получаем 0,02 кг воды • 800 = 16 кг воды. В час получаем 16 • 3600 = 57600 кг воды. В сутки ~ 1382 тонны воды. Суточный расход топлива q_сут = 79,8 тонн. Примем 80 тонн. Затратив одну тонну топлива, получаем 1382/80 = 17,3 тонны воды. Экспортная стоимость газа - 75$/тонна. Стоимость одного литра воды D = 75$/17300 литров = 0,0043$/литр (без учета амортизации и иное). Если использовать комбинированную ГТУ с КПД h = 0,6 при влагосодержании 35 г (как правило, западные побережьях континентов: туманы, дождей летом практически нет, сброс влаги 30 г на 1 кг воздуха), то можно получить 2073 тонны воды в сутки, затратив при этом 53,3 тонны топлива. В этом случае стоимость в названных условиях - 0,002$/литр. Суточная санитарная норма воды - порядка 100 литров на человека (при отсутствии горячего водоснабжения и в сельской местности). Можно принять, что одна ГТУ мощностью 16 мВт может обеспечить водой от 13000 до 20000 человек. Естественно, необходимо проведение специальной солеподготовки.

Вариант второй. Пусть ГТУ работает от энергии солнца. Поток солнечной энергии N_исх = 1000 - 750 Вт/м². Примем N_исх = 875 Вт/м² (Богословский В.Н. Строительная теплофизика. М. : Высш. шк. 1982 г., Д. Мак-Вейг. Применение солнечной энергии. Энергоиздат, 1981). При КПД основной ГТУ h = 0,3 потребная активная площадь рефлекторов для ввода 1 кВт энергии составит S = (1000/875)/0,3 = 3,8 м². Примем S = 4 м²/кВт. Рассмотрим массовый вертолетный двигатель ТВ2-117 (расход G1 = 8,1 кг/с; мощность N_е = 1200 кВт; T3 = 1150 К, уд. мощность N_е.уд. = 148,15 кВт/кг). Потребная площадь рефлекторов составит F1 = N_е • S = 1200 кВт • 4 м²/кВт = 4800 м². Данную площадь можно, например, представить как 4 секции по (20 м х 60 м). Степень двухконтурности в вакуумирующем агрегате относительно основного двигателя составит: m - N_е уд/ Δ N = 148,15/20 = 7,4. Через вакуумирующий агрегат будет проходить G_ва = 7,4 • 8,1 = ~ 60 кг/с воздуха. Если отводится G_вл = 20 г воды с килограмма воздуха, то получаем за одну секунду - G_вод. = 60 • 0,02 = 1,2 кг воды/с. За солнечный (8 ч) день: G_{сум.вод} = 1,2 кг/с • 3600 с • 8 ч = ~ 34,5 тонн воды. Если отводится 30 г воды с одного килограмма воздуха, то получим ~ 52 тонны воды.

Способ получения конденсата из внешней среды и устройство для его получения относятся к газотурбинным установкам для получения конденсата (искусственного дождя) из внешней среды. Способ получения конденсата из внешней среды включает в себя процесс сжатия, подвода тепла, расширения, перерасширения и сжатия до внешней среды. При этом создают второй воздушный поток, который перерасширяют до давления ниже внешней среды, отделяют влагу и сжимают осушенный воздух до давления внешней среды. Второй контур проходит через вакуумирующий агрегат, вал которого содержит турбину, приводимую рабочим теплом от основного газогенератора. Такое осуществление изобретения позволяет получать чистый конденсат воды из наружного воздуха в промышленных масштабах. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения конденсата из внешней среды, включающий процесс сжатия, подвода тепла, расширения, перерасширения и сжатия до внешней среды, отличающийся тем, что создают второй воздушный поток, который перерасширяют до давления ниже внешней среды, отделяют влагу и сжимают осушенный воздух до давления внешней среды. 2. Устройство для получения конденсата из внешней среды, содержащее газогенератор и вакуумирующий агрегат, отличающееся тем, что введен второй воздушный контур, проходящий через вакуумирующий агрегат, вал которого содержит турбину, которая приведена рабочим телом от основного газогенератора.