ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ С ВОЗДУХОНАПОРНЫМ УСТРОЙСТВОМ Российский патент 2004 года по МПК F03G7/04 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к тепловым электростанциям, работающим на сжатом воздухе.

Известна система, использующая энергию движущегося воздуха для выработки электроэнергии [Патент США №4367627, F 03 G 7/02, 11.01.1983], содержащая устройство для возбуждения воздушного потока, выполненное из множества воздушных вытяжных труб, восходящих по склонам гор. Верхние выходные участки труб установлены вертикально, а их выходные отверстия расположены в горизонтальной плоскости, что обеспечивает всасывание воздушного потока на входе в трубы. На нижних участках труб установлены устройства для поглощения внешнего тепла с целью повышения температуры и скорости потока воздуха. Энергия воздушного потока в трубах направлена на вращение турбин электрогенератора. К недостаткам системы относятся низкие перепады рабочих температур и давлений (предположительно ΔТ<40°С; ΔР<10³ Па).

Известна также воздушная электростанция, преобразующая тепловую энергию воздушного столба в энергию воздушного потока и в энергию электрическую [А.с. СССР №1321906, F 03 G 7/04, 07.07.1987]. Применяемое в электростанции устройство для возбуждения воздушного потока содержит восходящую трубу, проложенную в толще горы, вход и выход которой размещены в атмосфере. Нижняя теплопроводная часть трубы -образной формы используется в качестве теплообменника и погружается в зимнее время в воду рек для подогрева рабочего воздуха за счет плюсовой температуры воды. Разность весов теплого столба воздуха внутри восходящей трубы и холодного атмосферного столба снаружи создает перепад барометрических давлений на выходе из трубы и является движущей силой воздушного потока. Кинетическая энергия поступающего воздуха из атмосферы преобразуется в электрическую при помощи турбины электрогенератора, установленной на входе в трубу. К недостаткам электростанции относятся сезонность эксплуатации и низкие перепады температур и давлений, что не способствует ее совершенствованию. По принципу действия, основанному на работе силы тяжести, данная электростанция принята за прототип.

Задачей изобретения является повышение мощности и эффективности воздушных электростанций на основе использования разновесности множества сообщающихся воздушных столбов и создания на турбине высоких избыточных давлений.

Указанный технический результат достигается тем, что в воздушной электростанции, содержащей воздухонапорное устройство (ВНУ) в виде восходящей адиабатной трубы, входной конец которой соединен с воздухонагревателем, и турбину с электрогенератором, ВНУ выполнено в виде змеевика, воздушный тракт которого состоит из восходящих в теплонепроницаемых оболочках адибатных труб и нисходящих в теплопроницаемых оболочках политропных труб, параллельно проложенных, например, по склонам высоких гор и последовательно соединенных между собой на вершинах. На входных участках восходящих труб установлены воздухонагреватели с температурой нагрева рабочего воздуха выше температуры окружающей змеевик среды, а на входных участках нисходящих труб установлены теплообменники с охлаждающими теплоносителями окружающей среды (например, холодным воздухом верхних слоев атмосферы) для охлаждения рабочего воздуха, прошедшего восходящие трубы. В результате, каждый виток змеевика содержит по два неравновесных столба воздуха, горячего и холодного, и представляет собой одну из ступеней сжатия, а змеевик в целом - многоступенчатый генератор сжатого воздуха. Входной конец змеевика соединен параллельно с воздухозаборником и воздушным нагнетателем через запорные задвижки. На выходе из змеевика установлен регулировочный вентиль, управляющий расходом и скоростью воздушного потока. Турбина электрогенератора снабжена нагревателем рабочего воздуха и подсоединена к воздушному тракту со стороны выхода ВНУ. Электростанции с ВНУ работают на сжатом воздухе и могут быть выполнены с замкнутыми или разомкнутыми циклами с использованием нагревателей рабочего тела с внутренними или внешними источниками тепловыделения.

На чертеже представлена принципиальная схема электростанции двухконтурного типа, содержащая в рабочем контуре трехвитковое ВНУ, состоящее из восходящих труб 1 в теплозащитных оболочках 2, снабженных воздухонагревателями 3, и нисходящих труб 4 с охлаждающими теплообменниками 5, воздушную турбину 6 с электрогенератором и нагреватель рабочего воздуха 7, воздушный тракт которых замкнут кольцевым трубопроводом 8. В качестве воздухонагревателей применены теплообменнники 3 с греющими теплоносителями топочно-котельного устройства (ТКУ) 9, например ядерного реактора с необходимой тепловой мощностью. Теплообменники 3 и ТКУ соединены между собой через запорные задвижки 10, образуя тепловой контур 11, заполненный инертным газом. Циркуляция газового теплоносителя по тепловому контуру обеспечивается с помощью циркуляционного насоса 12, вмонтированного в трубопровод с входной стороны ТКУ. Со стороны выхода из ТКУ трубопровод 11 с распределительным вентилем 13 запараллелен обводным трубопроводом с задвижкой 14, который соединяет тепловой контур электростанции с нагревателем рабочего воздуха 7 воздушной турбины. Для технологических целей в контуре предусмотрен обводной участок с задвижкой 15.

Принципиально работа сжатия в витке змеевика заключается в следующем. Нагрев рабочего воздуха в теплообменнике 3 от температуры окружающей среды Т_a до заданной температуры Т₁ идет при постоянном входном давлении Р_вх=const, где воздух адиабатно расширяется, меняя свою плотность, и вытесняется, как более легкий, в верхнюю часть трубы на уровень Н. При этом над столбом горячего воздуха в результате работы расширения в адиабатной трубе создается некоторое повышенное давление , которое вместе с весом горячего столба воздуха находится в равновесии с входным Р_вх. Далее, горячий воздух с температурой при повышенном давлении перетекает в холодильник 5, где охлаждается до температуры окружающей среды сжимается и под этим же давлением по закону Паскаля сжимает холодный воздух в нисходящей трубе 4. На нижнем участке нисходящей трубы давление с учетом веса холодного столба воздуха принимает максимальное значение откуда степень повышения давления

Аналогичный процесс сжатия происходит и в последующих витках змеевика и так как входные давления в витках ступенчато возрастают, степень повышения давления на выходе из змеевика будет равна произведению степеней каждого из витков λ₃=λ31

При подготовке электростанции к работе воздушный тракт рабочего контура при закрытой задвижке 16 заполняется атмосферным воздухом воздушным нагнетателем 17 до необходимого предварительного давления, после чего перекрывается задвижкой 18. В тепловом контуре перекрывается доступ к теплообменникам задвижками 10 и 14, сохраняя при этом открытыми вентиль 13 и задвижку 15. Приводятся в рабочее состояние холодильники 5 и ТКУ 9. ВНУ выводится на режим путем поочередного прогрева и сжатия воздуха в витках, начиная с последнего, для чего: перекрывается выход из ВНУ регулировочным вентилем 19, открывается задвижка 10 третьего витка и подается греющий теплоноситель в теплообменник 3. При достижении необходимой температуры рабочего воздуха подводится теплоноситель к теплообменнику второго витка, а затем к теплообменнику первого.

После подготовки ВНУ к работе открывается задвижка 14 и в нагреватель воздуха 7 турбогенератора подается греющий теплоноситель. Таким образом, сжатый воздух, регулируемый вентилем 19, под давлением Р_сж3 направляется из ВНУ сначала в воздушный подогреватель 7, где нагревается до рабочей температуры, а затем в воздушную турбину 6, где, расширяясь и частично теряя теплоту, совершает механическую работу. Выбор оптимальных соотношений рабочих температур перед турбиной и на входных участках восходящих труб ВНУ достигается распределительным вентилем 13, вмонтированным в обводную линию греющего теплоносителя нагревателя 7. Увеличение расхода через байпас повышает температуру в турбине и снижает в восходящих трубах. Отработанный в турбине воздух по циркуляционному контуру направляется снова на входной участок ВНУ.

Использование ВНУ в составе воздушной электростанции позволяет генерировать рабочие давления, которые в сотни раз превышают перепады давления у прототипа, что является основой для повышения мощностей воздушных электростанций. Повышение верхних пределов рабочих давлений до уровня паровых (0,3-0,7 до 5-20 МПа), а рабочих температур до 800-900°С, что почти вдвое превышает рабочие температуры водяных паров, выводит воздушные электростанции на уровень паротурбинных.

Электростанции с ВНУ всесезонной эксплуатации могут работать на любом виде топлива (твердом, жидком и газообразном), что позволяет эффективно использовать топливно-энергетические ресурсы. Наличие воздушного тракта, изолированного от теплового контура, повышает надежность работы элементов энергопреобразователей (турбин, теплообменников и пр.).

На тепловых электростанциях с газотурбинными установками использование ВНУ для сжатия и подачи питательного воздуха высвобождает около 50% полезной мощности газовых турбин, потребляемой компрессорами, что повышает КПД турбин.

Устройство предназначено для выработки электроэнергии. Электростанция содержит воздухонапорное устройство и турбину электрогенератора. Воздухонапорное устройство выполнено в виде змеевика, состоящего из восходящих в теплонепроницаемых оболочках труб и нисходящих в теплопроницаемых оболочках труб, параллельно проложенных, например, по склонам гор и последовательно соединенных между собой на вершинах. При этом на входных участках восходящих труб установлены воздухонагреватели с температурой нагрева выше температуры окружающей змеевик среды, а на входных участках нисходящих труб установлены теплообменники с охлаждающими теплоносителями окружающей среды или потребителей вторичных энергоресурсов. Входной конец змеевика соединен параллельно с воздухозаборником и воздушным нагнетателем давления через запорные задвижки, на выходе из змеевика для управления потоком установлен регулировочный вентиль, а турбина электрогенератора снабжена подогревателем и подсоединена к воздушному тракту со стороны выхода воздухонапорного устройства. Конструкция устройства позволяет повысить мощность и эффективность работы электростанций, использующих разность давлений атмосферного воздуха. 1 ил.

Электростанция, содержащая воздухонапорное устройство в виде восходящей трубы, входной конец которой соединен с воздухонагревателем, и турбину электрогенератора, отличающаяся тем, что воздухонапорное устройство выполнено в виде змеевика, состоящего из восходящих в теплонепроницаемых оболочках труб и нисходящих в теплопроницаемых оболочках труб, параллельно проложенных, например по склонам гор, и последовательно соединенных между собой на вершинах, при этом на входных участках восходящих труб установлены воздухонагреватели с температурой нагрева выше температуры окружающей змеевик среды, а на входных участках нисходящих труб установлены теплообменники с охлаждающими теплоносителями окружающей среды или потребителей вторичных энергоресурсов, входной конец змеевика соединен параллельно с воздухозаборником и воздушным нагнетателем давления через запорные задвижки, на выходе из змеевика для управления потоком установлен регулировочный вентиль, а турбина электрогенератора снабжена подогревателем и подсоединена к воздушному тракту со стороны выхода воздухонапорного устройства.