УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ИЗ ТЕПЛА ВОДЫ Российский патент 2004 года по МПК F01K25/10 

Изобретение предназначено для преобразования тепла воды в электроэнергию. Изобретение может быть использовано в народном хозяйстве; везде где требуется электроэнергия. Известны электростанции, использующие в качестве источника тепла горячие источники воды (например, в Исландии и на Камчатке), для производства электроэнергии; однако температура горячей воды должна быть более 40°С.

Изобретение использует тепло воды при любой, в том числе и низкой ее температуре, например 3-5°С, и в этом отношении изобретение не имеет аналогов и является пионерским.

Суть изобретения заключается в использовании различий в равновесных переходах жидкость-пар двуокиси углерода (CO₂) и свойств насыщенного пара аммиака (NH₃).

Так, например, критические параметры двуокиси углерода (CO₂)

критические параметры аммиака (NH₃)

газовая постоянная (CO₂)

газовая постоянная (NH₃)

то-есть, аммиачный пар эффективнее пара двуокиси углерода в 2,588 раза.

Различия в равновесных переходах жидкость - пар, различия в критических параметрах, а также различия в удельных параметрах конденсации (кипения) и работоспособности паров аммиака и паров двуокиси углерода позволяют подобрать (рассчитать) такой режим работы аммиачного компрессора (АК) и режим работы углекислой турбины (УКТ), при котором 1 кг аммиака в контуре аммиачного компрессора за счет тепла, отнятого от воды при кипении паров аммиака, обеспечивает работу шести и более килограмм углекислого газа, находящегося в контуре углекислой турбины. При этих условиях мощность, вырабатываемая углекислой турбиной (УКТ), больше мощности, потребной для привода аммиачного компрессора, жидкостного насоса высокого давления двуокиси углерода СО₂, эта разность используется для выработки электроэнергии, электрического тока.

Суть изобретения состоит в том, что тепло конденсации паров аммиака полностью передается для нагрева (парообразования) двуокиси углерода, находящейся в контуре углекислой турбины. Конденсация паров двуокиси углерода происходит за счет нагрева воды.

Суть изобретения состоит также и в том, что кипение паров аммиака происходит за счет охлаждения воды, то есть за счет тепла воды. Так как температура кипения аммиака отрицательная (-5°С).

И, как показывают расчеты, тепло, отданное воде при конденсации паров СО₂, меньше тепла, отнятого от воды при кипении паров аммиака NH₃, что и является источником энергии для производства электроэнергии генератором электрического тока, то есть получаем электроэнергию из тепла воды.

Элементарный термодинамический расчет производим по теплосодержаниям (энтальпиям) и по абсолютным температурам.

Схема устройства изображена на фиг.1, где 1 - аммиачный компрессор; 2 - аммиачно-углекислый теплообменник; 3 - реактивная аммиачная турбина; 4 - ресивер (сборник) жидкого аммиака; 5 - аммиачно водяной радиатор; 6 - насос высокого давления жидкой двуокиси углерода (СО₂); 7 - углекислый радиатор; 8 - углекислая турбина (УКТ); 9 - углекислый водяной радиатор; 10 - рессивер (сборник) жидкого углекислого газа; 11 - генератор электрического тока; 12 - трубопровод проточной воды.

На фиг.2 изображен термодинамический цикл аммиачного компрессора в координатах Т°К=F(S), абсолютная температура NH₃ (Т°К) в функции энтропии , где линия а-к - начало кипения NH₃; линия к-б - линия конца кипения аммиака; точка "к" - точка критических параметров аммиака;

линия 1’-2’- адиабата (изоэнтропа сжатия) влажного пара аммиака; линия 2’-3’- изотерма (изобара) конденсации паров аммиака; линия 3’-4’ - адиобата (изоэнтропа) расширения аммиака в реактивной аммиачной турбине (РАТ); линия 4’-1’ изотерма (изобара) кипения влажных паров аммиака; S₁’ -энтропия начала кипения аммиака NH₃ при Т=268 К; S₃’ - энтропия конца конденсации паров аммиака; S₂’ - энтропия начала конденсации паров аммиака; S₁” - конец кипения аммиака при температуре Т=268 К.

На фиг.3 изображен термодинамический цикл углекислой турбины (СО₂) в координатах Т^°К=Ф(S), абсолютная температура двуокиси углерода (Т^°К) в функции энтропии , где линия 1-2 - линия сжатия жидкого углекислого газа; линия 2-3 - линия подогрева двуокиси углерода; линия 3-4 адиабата (изоэнтропа) расширения паров двуокиси углерода СО₂; линия 4-1 изотерма (изобара) кондесации паров СО₂; линия а’-к’ - линия начала кипения СО₂; линия к’-б’ - линия конца кипения СО₂; точка ″к″ - точка критических параметров СО₂

На фиг.4 изображена реактивная аммиачная турбина (РАТ), вид по стрелке А, где v - скорость истечения NH₃ из выходного сопла РАТ (м/с); w - скорость окружная выходного сечения РАТ (м/с); r - радиус колеса РАТ (м).

Без учета гидравлических потерь при условии, когда v=w, коэффициент полезного действия РАТ равен единице.

Элементарный термодинамический расчет.

Физико-химические свойства равновесного состояния жидкость-пар двуокиси углерода (СО₂) берем из таблицы 28.

Физико-химические свойства равновесного состояния жидкость-пар аммиака (NH₃) берем из таблицы 29.

Таблицы 28; 29 помещены на стр 234, 236 соответственно в книге: Т.Н. Андрианова, Б.В. Дзампов, В.Н. Зубарев, С.А. Ремизов. Сборник задач по технической термодинамике. - М.: Энергоиздат, 1981.

Теплоемкость СО₂ в функции температуры изложена в таблице 10 стр.182-183.

Расчет аммиачного компрессора (АК) и реактивной аммиачной турбины (РАТ).

Принимаем:

- удельное тепло конденсации паров аммиака в ккал.

Определяем:

1) Удельную холодопроизводительность АК - Q_о.

2) Удельную теплопроизводительность АК=.

3) Работу, затраченную в цикле АК - Q_ак=-Q_о.

4) Тепловой коэффициент АК

,

,

(Q_кип)₂₆₈ - тепло кипения аммиака при

Х₁ - степень сухости аммиака в точке 1`;

Х₄ - степень сухости аммиака в точке 4`;

- тепло конденсации паров аммиака при Т₂`=T<sub>3</sub>`=353 K (80°C).

Степень сухости расчитываем по формулам

из таблицы 28 при Т₄`=Т<sub>1</sub>`=268 K

(Q_кип)₂₆₈ =

Q_o - удельная холодопроизводительность;

Q_o=305,6033(0,7986-0,2829)=157,5996 ккал;

Q_ак - удельная мощность потребная для привода АК:

Q_ак=(Q_как)₃₅₃-Q_o=216,1555-157,5996=58,5559 ккал;

η_t - тепловой коэффициент АК;

Q_РАТ - удельная мощность реактивной аммиачной турбины (РАТ) расчитывается по формуле из уравнения Бернулли

Принимаем: V₃ = 10 м/с,

Расчет углекислой турбины (УКТ).

- удельная мощность УКТ.

Принимаем для УКТ:

T₃=343 K; P₃=? Т₄=303 K; P₄=70,66 K=1,275;

Q_CO2=Cp₃T₃-Cp₄T₄=0,8878·343-0,8486·303=47,3896

- потребное количество двуокиси углерода (СО₂) (кг):

Q_р - располагаемое тепло (ккал):

Q_p=(Q_как)₃₅₃=216,1555 ккал.

Q_n - тепло потребное для работы УКТ (ккал):

- тепло конденсации паров СО₂ при Т₄=T₁=303 К

Из таблицы 10; 28

Q_n=11,32+14,7129=26,0329 ккал.

Тогда

q_СО2 - мощность УКТ;

q_СО2=11,32·8,3032=93,99 кг.

Q_сж - удельная мощность жидкой двуокиси углерода:

P₃=?

η_p - кпд расширения СО₂,

принимаем η_p=0,92;

q_сж - мощность потребная для сжатия двуокиси углерода:

полезная мощность, вырабатываемая генератором электрического тока засчет тепла воды

=93,99+1,5039-(58,5559+18,5418)=18,3962 ккал

или 76,65 нw или 104,7357 л.с.

Q_в’ - тепло, полученное из воды (ккал);

Q_в’=Q_o=157,996 ккал;

Q_в” - тепло, отданное в воду (ккал);

=14,7129·8,3032=122,1642 ккал;

ΣQ_э - полезное тепло;

ΣQ_э = 18,3962 ккал;

ΔQ - располагаемое тепло;

.

Потери тепла

Δq=ΔQ-∑Q_э=35,4354-18,3962=17,0392 ккал,

η_э - коэффициент полезного использования тепла:

Изобретение решает энергетическую и экологическую проблему на земле.

Устройство для получения электроэнергии из тепла воды состоит из аммиачного компрессора, реактивной аммиачной турбины, углекислой турбины, насоса жидкой двуокиси углерода, генератора электрического тока и теплообменников. Способ получения электроэнергии из тепла воды заключается в использовании воды в начале потока в качестве холодильника паров двуокиси углерода и подогревателя насыщенных паров аммиака в конце потока. Мощность, вырабатываемая углекислой турбиной, используется на привод аммиачного компрессора, жидкостного насоса высокого давления двуокиси углерода и для выработки электроэнергии. Изобретение позволят утилизировать тепло воды при различной температуре. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для получения электроэнергии из тепла воды, состоящее из аммиачного компрессора, реактивной аммиачной турбины, углекислой турбины, насоса жидкой двуокиси углерода, генератора электрического тока, теплообменников, отличающееся тем, что выход из аммиачного компрессора связан с аммиачно-углекислым теплообменником, выход из аммиачно-углекислого теплообменника связан с входом в реактивную аммиачную турбину, выход из реактивной аммиачной турбины связан с входом в аммиачно-водяной радиатор, установленный в проточной воде трубопровода, выход из аммиачно-водяного радиатора связан с входом в аммиачный компрессор, выход жидкой двуокиси углерода из насоса высокого давления связан с углекислым радиатором, установленным в аммиачно-углекислом теплообменнике, выход из углекислого радиатора связан с входом в углекислую турбину, выход из углекислой турбины связан с углекисло-водяным радиатором, установленным в потоке воды трубопровода, выход из углекисло-водяного радиатора связан с входом в насос высокого давления жидкой двуокиси углерода; углекислая турбина, насос высокого давления жидкой двуокиси углерода, аммиачный компрессор, реактивная аммиачная турбина, генератор электрического тока - все установлены на одном валу.2. Способ получения электроэнергии из тепла воды заключается в использовании воды в начале потока в качестве холодильника паров двуокиси углерода и подогревателя насыщенных паров аммиака в конце потока, мощность, вырабатываемая углекислой турбиной, используется на привод аммиачного компрессора, жидкостного насоса высокого давления двуокиси углерода и для выработки электроэнергии, при этом температура аммиака перед поступлением в аммиачный компрессор Т₁’=268К (-5°С), давление аммиака перед поступлением в аммиачный компрессор Р₁’=3,475 кг/см², температура аммиака на выходе из аммиачного компрессора Т₂’=353К (80°С), давление аммиака на выходе из аммиачного компрессора Р₃’=34,55 кг/см², температура двуокиси углерода на входе в углекислую турбину Т₃=343К, давление двуокиси углерода на входе в углекислую турбину Р₃=127,2038 кг/см², температура двуокиси углерода на выходе из углекислой турбины Т₄=303К (30°С), давление двуокиси углерода на выходе из углекислой турбины Р₄=70,6688 кг/см², при этих параметрах тепло нагрева от конденсации паров двуокиси углерода равно 122,1662 ккал, а тепло кипения паров аммиака равно 157,5935 ккал, полученное тепло из воды 157,5995-122,1642=35,4354 ккал расходуется на производство электроэнергии 18,3962 ккал, остаток 35,4354-18,3942=17,0392 ккал составляют потери, коэффициент полезного действия устройства