СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ (ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ) Российский патент 2001 года по МПК F01K21/04 

Изобретение предназначено для использования в области энергетики, транспорта, авиации и космонавтики, где большую роль играет повышение экономичности тепловых машин.

Известен способ преобразования тепловой энергии в механическую, при котором сжатый в компрессоре воздух подают в камеру сгорания, где подводят теплоту в цикле при сжигании топлива, а образующиеся в ней продукты сгорания подают в парогазовый эжектор, в котором при их смешении с перегретым паром, образующимся в парогенераторе при подводе к воде теплоты и преобразуемым в активный поток ускорением в паровом сопле эжектора до достижения высокой скорости истечения, происходит увеличение скорости продуктов сгорания за счет передачи им кинетической энергии пара с последующим повышением давления продуктов сгорания в составе парогазовой смеси, которую расширяют в турбине, и через систему регенеративного подогрева воды, после отделения от парогазовой смеси продуктов сгорания, их удаляют из установки (см. патент РФ N 2076929, МПК F 01 К 21/04, 1997).

Недостатком данного способа являются большие затраты теплоты на получение перегретого пара, использование громоздкой системы регенеративного подогрева воды и значительные потери при смешении в эжекторе.

Известен способ преобразования тепловой энергии в механическую в замкнутом процессе с подводом тепла от сжигания твердого, жидкого или газообразного топлива или от другого источника, при котором инертный газ, например ксенон или CO₂, сжимается в компрессоре, нагревается в газонагревателе и затем расширяется в первой газотурбинной ступени. Отработавшие, но еще обладающие энергией, газы попадают в смеситель, где они смешиваются с рабочей средой, например водой, или фреоном, или паром этой среды. Рабочая среда испаряется или перегревается. Смесь поступает во вторую газотурбинную ступень, где расширяется. Отработавшую смесь подают из второй газотурбинной ступени в конденсатор, причем благодаря конденсации одновременно вновь происходит разделение веществ. Газ поступает в компрессор, а рабочая смесь в сборник жидкости и через насос - в подогреватель или испаритель (см. заявку DE N 3605466, МПК F 01 K 21/04, 1987).

Недостатком этого способа являются большие потери тепла и громоздкость применяемого оборудования.

Из известных способов преобразования тепловой энергии в механическую (электрическую) наиболее близким является способ преобразования тепловой энергии в механическую путем использования двух разнородных рабочих тел, их раздельного сжатия, подведения тепла, смешения, адиабатического расширения смеси с получением механической работы, охлаждения и разделения смеси на рабочие тела (см. патент US, N 5444981, МПК F 01 K 21/04, 1995).

В этом способе преобразования турбина извлекает полезную энергию при меньшем падении давления, чем потребовалось бы при использовании только одного рабочего тела. Однако указанный способ применим только для использования высокопотенциального тепла сжигания топлива в котле и имеет недостаточно высокий КПД цикла. Использование котла в качестве источника тепла и совместный подогрев смешанных рабочих тел предопределяют выбор в качестве рабочих тел паров воды и гелия, которые соответственно имеют недостаточно оптимальные теплофизические свойства в процессе преобразования тепловой энергии. Недостатком способа является также отсутствие процесса регенерации тепла.

Задачей настоящего изобретения является повышение КПД цикла и получение возможности использования низкопотенциального тепла, например тепла солнца, тепла окружающей среды и др.

Поставленная задача решается тем, что в способе преобразования тепловой энергии в механическую путем использования двух разнородных рабочих тел, их раздельного сжатия, подведения тепла, смешения, адиабатического расширения смеси с получением механической работы, охлаждения и разделения смеси на рабочие тела, согласно изобретению в качестве рабочих тел используют разнородные тела в газовой фазе (He - CO₂, He - N₂, Ar - CO₂, H₂ - N₂ или их смеси), тепло к рабочим телам подводят раздельно, а после расширения смеси производят регенерацию тепла к первоначальным рабочим телам.

Поставленная задача решается тем, что смешение рабочих тел осуществляют в газовом эжекторе со сверхзвуковым диффузором или пульсирующем газовом эжекторе.

На чертеже приведена T-S диаграмма сжатия, нагрева, смешения, расширения смеси, регенерации тепла от смеси на вход к первоначальным газам, охлаждения и разделения газов.

Процессы адиабатического раздельного сжатия 0-1 и 0-1' двух различных газов в диапазоне температур от T₀ до T₁ изображены пунктиром, так как они начинаются из одной точки с параметрами P₀ и T₀, а заканчиваются в точках 1 и 1' из-за различия свойств применяемых газов. Газы сжимаются соответственно до давлений P₁ и P'₁, и далее идут процессы изобарического раздельного подвода тепла 1-2 и 1'-2' от постороннего источника до температуры T₂. После подвода тепла газы смешиваются в газовом эжекторе - процесс 2 - P_см - 2' при температуре T_см = T₂. Возможно повторное смешение смеси газов после эжектора с одним из рабочих тел для достижения оптимальных параметров рабочей смеси перед расширением. Смесь газов эжектора расширяется в процессе P_см - P'_см до температуры T'^см с получением механической (электрической) энергии. В процессе P'_см - P''_см происходит регенерация тепла (изобарический отвод тепла от смеси к первоначальным рабочим телам). При этом температура смеси снижается до T₁. Процесс P''_см P₀ - адиабатический, замыкает термодинамический цикл, и смесь приобретает первоначальные параметры P₀ и T₀. В точке 0 происходит охлаждение и разделение смеси на первоначальные компоненты с использованием энергии основного цикла.

Способ преобразования тепловой энергии в механическую осуществляется следующим образом.

Разнородные рабочие тела в газовой фазе, например He - CO₂, He - N₂, Ar - CO₂, H₂ - N₂ или их смеси раздельно сжимаются до давлений P₁ и P'₁ и к ним раздельно подводится тепло, например тепло солнца, тепло окружающей среды или другое низкопотенциальное тепло (процесс 1-2 и 1'-2'). Затем нагретые рабочие тела смешиваются, например, в газовом эжекторе (точка P_см). Наиболее предпочтительным является смешение рабочих тел в газовом эжекторе со сверхзвуковым диффузором.

Смесь рабочих тел адиабатически расширяется до давления P'_см с получением механической работы (или электрической энергии). В процессе P'_см - P''_см происходит регенерация тепла. Тепло от смеси изобарически отводится и передается к первоначальным рабочим телам. Процесс P''_см - P₀ адиабатический, замыкает термодинамический цикл, и смесь приобретает первоначальные параметры P₀ и T₀. В точке 0 происходит охлаждение и разделение смеси на первоначальные компоненты с использованием энергии основного цикла.

Таким образом, в предлагаемом способе преобразования тепловой энергии в механическую (электрическую) осуществляется многоконтурный замкнутый термодинамический цикл, в котором разнородные рабочие тела после их сжатия и раздельного подвода тепла к ним попеременно то смешиваются, то разделяются после расширения смеси в турбине.

Положительный эффект от применения такого цикла объясняется резким различием теплофизических свойств используемых газов в качестве рабочих тел и оптимальными параметрами и свойствами смесей, получаемых при смешении этих газов в эжекторе. Все это позволяет повысить термический КПД тепловой машины и использовать в качестве подогрева рабочих тел низкопотенциальное тепло окружающей среды (или солнечный нагрев).

Изобретение предназначено для использования в области энергетики, транспорта, авиации и космонавтики, где большую роль играет повышение экономичности тепловых машин. Способ преобразования тепловой энергии в механическую осуществляется путем использования двух разнородных тел в газовой фазе, их раздельного сжатия, раздельного подвода тепла к рабочим телам, смешения, адиабатического расширения смеси с получением механической работы, регенерации тепла, охлаждения и разделения смеси. Изобретение позволяет повысить КПД цикла и использовать низкопотенциальное тепло. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ преобразования тепловой энергии в механическую путем использования двух разнородных рабочих тел, их раздельного сжатия, подведения тепла, смешения, адиабатического расширения смеси с получением механической работы, охлаждения и разделения смеси на рабочие тела, отличающийся тем, что в качестве рабочих тел используют разнородные тела в газовой фазе (He - CO₂, He - N₂, Ar - CO₂, H₂ - N₂ или их смеси), тепло к рабочим телам подводят раздельно, а после расширения смеси производят регенерацию тепла к первоначальным рабочим телам. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что смешение рабочих тел осуществляют в газовом эжекторе со сверхзвуковым диффузором.