ЭНЕРГОУСТАНОВКА С ГИДРОКОМПРЕССОРОМ Российский патент 2008 года по МПК F04F5/08 

Изобретение относится к устройствам для преобразования энергии, конкретно к компрессорам, и может быть использовано для получения сжатого воздуха.

Известна энергоустановка с гидрокомпрессором (заявка РФ 94036397, опублик. 1996).

Изобретение используется для сжатия различных газов, где требуется высоконадежная система компримирования, в особенности агрессивных сред. Основная задача изобретения - повышение степени сжатия гидрокомпрессора - решена тем, что в гидрокомпрессор введена ступень предварительного сжатия, которая может быть выполнена в виде газового или парогазового эжектора или в виде дополнительного струйного гидрокомпрессора, а также путем оптимизации геометрических размеров струйных аппаратов, введенных в устройство. Благодаря такому исполнению степень сжатия гидрокомпрессора повышается почти в 2 раза. Струйный гидрокомпрессор содержит жидкостно-газовый эжектор, бак-ресивер с разделительной перегородкой, жидкостный насос с теплообменником, ступень предварительного сжатия газа, состоящую из газового или парогазового эжектора или дополнительного струйного гидрокомпрессора.

Однако данное изобретение не позволяет добиться повышенного коэффициента полезного действия.

Была поставлена задача создания такой энергоустановки с гидрокомпрессором, которая обеспечила бы повышенный коэффициент полезного действия. Данная задача была решена настоящим изобретением.

Энергоустановка с гидрокомпрессором согласно данному изобретению содержит трубопровод для подачи жидкости из первой емкости или хранилища, во вторую емкость или хранилище, расположенные таким образом, что верхний уровень жидкости в первой выше верхнего уровня жидкости во второй, вход трубопровода выполнен с возможностью соединения с первой емкостью, а выход соединен с входом расширяющегося канала, выход которого расположен в месте расположения входа ресивера, установленного охватывающим данный канал, а также содержащим выход трубопровода, при этом внутри ресивера расположен воздушный трубопровод таким образом, что его вход связан с атмосферой, а выход расположен во входе канала в месте соединения его с выходом трубопровода для подачи жидкости, причем ресивер имеет выход для сжатого воздуха.

Вход воздушного трубопровода предпочтительно связан с атмосферой посредством дозирующего вентилятора.

Выход ресивера для сжатого воздуха предпочтительно связан со входом регенератора, выход которого соединен с камерой сгорания, а выход последней соединен с газовой турбиной, вал которой соединен с валом генератора, при этом выхлопной патрубок турбины соединен с регенератором.

Вышеприведенная совокупность признаков позволяет обеспечить достижение следующего технического эффекта: пузыри воздуха быстро отдают в процессе сжатия тепло воде, имеющей температуру, равную или близкую температуре окружающей среды. Большая поверхность теплообмена в сочетании с расходом воды, на три порядка превышающим расход воздуха, позволяет осуществить процесс сжатия, близкий к изотермическому, что в конечном счете приводит к повышению коэффициента полезного действия устройства.

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.

На фиг.1 показана общая схема энергоустановки с гидрокомпрессором.

На фиг.2 - эквивалентная схема энергоустановки.

На фиг.3 показаны T-S диаграммы работы энергоустановки: 1 - параметры входа воздуха, 2 - параметры воздуха после сжатия, 3 - параметры воздуха после его нагрева в реальном регенераторе, 4 - параметры воздуха после его нагрева в идеальном регенераторе, 5 - параметры газа на выходе из камеры сгорания, 6 - параметры газа на выходе реальной турбины, 7 - параметры газа на выходе идеальной турбины, 8 - параметры газа на выхлопе в атмосферу, 9 (1) - параметры выхлопа при идеальном регенераторе.

На фиг.4 - данные по КПД термодинамических циклов.

Устройство, изображенное на фиг.1, включает плотину 1, основание 2, трубопровод, подающий воду к компрессору, состоящему из смесителя 3 с дозирующим вентилятором 4, канала компрессора 5, отделителя сжатого воздуха 6 и ресивера 7. Объем ресивера трубопроводом 8 соединяется с холодным входом регенератора 9, горячий выход соединяется с камерой сгорания 10, в которую подается топливо 11. Выход камеры сгорания соединяется с газовой турбиной 12, вал которой соединен с валом генератора 13. Выхлопной патрубок турбины соединяется с регенератором 9. Выход регенератора соединяется с системой выхлопа.

Работает устройство следующим образом. Атмосферный воздух сжимается в изотермическом компрессоре (процесс т.1-т.2 в T-S диаграмме фиг.3), причем выделенное тепло снимается потоком воды, сжимающим воздух. Сжатый воздух нагревается в регенераторе 9 (т.2-т.3) и поступает в камеру сгорания 10, где за счет сгорания топлива 11 (т.3-т.5) образуются нагретые газы, далее подаваемые в газовую турбину 12. При расширении газов в турбине производится механическая работа (т.5-т.6), используемая для вращения генератора 13 и производства электроэнергии. Горячие выхлопные газы поступают в регенератор 9, где передают тепло сжатому воздуху. Охлажденные практически до температуры среды (т.8) выхлопные газы сбрасываются в атмосферу. При идеальном регенераторе температура выхлопных газов точно равняется температуре воздуха (т.1=т.9), выходящего из изотермического компрессора, что свидетельствует о том, что все тепло, выделенное топливом, полностью переходит в механическую работу. Соответственно полностью отсутствуют сбросы тепла, выделенного топливом в окружающую среду.

При реальном регенераторе сброс тепла будет происходить, но его величина примерно на порядок меньше теплосбросов существующих энергоустановок.

Изотермический компрессор (фиг.1) работает следующим образом: вода из водохранилища по трубопроводу поступает к смесителю 3, в котором за счет локального сужения проходного сечения скорость потока воды возрастает, давление снижается до атмосферного и в поток вводится воздух. Воздух подается вентилятором 4, обеспечивающим заданный расход, использование добавочного вентилятора позволяет выровнять скорости воды и вдуваемого воздуха, что снижает потери смешивания. Расход энергии на привод вентилятора минимален, так как требуемый напор близок к нулю.

Далее воздухо-водяная смесь в виде пены и пузырей движется вниз по каналу 5, в котором за счет роста гидростатического давления и восстановления давления в расширяющемся канале компрессора 5 происходит увеличение давления воздуха в пузырях и пене. Выделенное при сжатии воздуха тепло затрачивается на нагрев воды, с которой соприкасается сжимаемый воздух. Большая поверхность теплообмена в сочетании с расходом воды, на три порядка превышающего расход воздуха, позволяет осуществить процесс сжатия, близкий к изотермическому. Следует также учесть, что температура воды в реках изменяется в пределах +4...+20 град. С при любых температурах окружающего воздуха. Сравнительно низкая и стабильная температура сброса тепла увеличивает КПД и стабильность работы энергоустановки. Скорость потока выбирается значительно более высокой, чем скорость всплывания газовых пузырей. На выходе канала устанавливается отделитель воздуха 6, в котором поток поворачивается в горизонтальную плоскость и тормозится в диффузоре, нижняя стенка которого выполнена из металла, а верхняя - поверхность контакта воды со сжатым воздухом (аналог водолазного колокола). При снижении скорости потока происходит разрушение пены и всплывание пузырей воздуха.

Вода выходит сквозь окна в придонный слой и далее в русло речного потока, а воздух заполняет ресивер 9, из которого поступает в теплоэнергетическую часть установки, как описано ранее.

Давление сжатого воздуха определяется высотой столба воды над отделителем воздуха 6 и может превышать давление на дне водохранилища. Верхняя часть ресивера должна выступать над поверхностью воды для исключения попадания воды в теплоэнергетическую часть установки в процессе пуска.

Расчеты показали, что оптимальной степенью сжатия является 2, то есть глубина размещения отделителя 6-10 м.

На фиг.2 показана эквивалентная схема компрессора. Принято: H1 - высота столба воды от поверхности водохранилища до смесителя (плотность γ=1), Н2 - высота столба пены (γ - величина переменная, менее 1), Н3 - высота столба воды от нижнего бьефа до плоскости разделения отделителя сжатого воздуха 6. После отделения воздуха γ=1.

Условием равновесия является:

Н1·γ1+Н2·γ2=Н3·γ1

При превышении величины левой части уравнения над правой поток начинает движение и происходит непрерывная подача сжатого газа потребителю.

На фиг.4 показаны графические зависимости для КПД термодинамических циклов.

Здесь же приведены расчетные величины КПД для циклов с учетом потерь в реальных машинах. Из данного чертежа видно достижение заявленного технического результата.

Изобретение относится к устройствам для преобразования энергии и может быть использовано для получения сжатого воздуха. Энергоустановка с гидрокомпрессором содержит трубопровод (Т) для подачи жидкости из первой емкости или хранилища во вторую емкость или хранилище, расположенные таким образом, что верхний уровень жидкости в первой емкости выше верхнего уровня жидкости во второй. Вход Т выполнен с возможностью соединения с первой емкостью, а выход соединен с входом расширяющегося канала, выход которого расположен в месте расположения входа ресивера (Р). Р установлен с охватом канала и содержит выход Т. Внутри Р расположен воздушный Т. Вход воздушного Т связан с атмосферой, а выход расположен во входе канала в месте соединения его с выходом Т для подачи жидкости. Р имеет выход для сжатого воздуха. Изобретение направлено на повышение КПД установки. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Энергоустановка с гидрокомпрессором, содержащая трубопровод для подачи жидкости из первой емкости или хранилища во вторую емкость или хранилище, расположенные таким образом, что верхний уровень жидкости в первой выше верхнего уровня жидкости во второй, вход трубопровода выполнен с возможностью соединения с первой емкостью, а выход соединен с входом расширяющегося канала, выход которого расположен в месте расположения входа ресивера, установленного охватывающим данный канал, а также содержащим выход трубопровода, при этом внутри ресивера расположен воздушный трубопровод таким образом, что его вход связан с атмосферой, а выход расположен во входе канала в месте соединения его с выходом трубопровода для подачи жидкости, причем ресивер имеет выход для сжатого воздуха.2. Энергоустановка по п.1, в которой вход воздушного трубопровода связан с атмосферой посредством дозирующего вентилятора.3. Энергоустановка по п.1 или 2, в которой выход ресивера для сжатого воздуха связан со входом регенератора, выход которого соединен с камерой сгорания, а выход последней соединен с газовой турбиной, вал которой соединен с валом генератора, при этом выхлопной патрубок турбины соединен с регенератором.