СПОСОБ РАБОТЫ ДВУХКОНТУРНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2021 года по МПК F02C7/00 F03G7/00 F01K27/00 

Заявленное решение относится к энергетике, в частности к устройствам, преобразующим энергию рабочего тела в механическую или электрическую энергию.

Заявленное решение может использоваться в электроэнергетике, теплоэнергетике, в станкостроении, в автомобилестроении.

Известна теплосиловая установка кандидата технических наук П. Шелеста, включающая два контура: вспомогательный и основной, работающая за счет обмена тепловой энергией во встречном конденсаторе, между рабочим телом вспомогательного контура и рабочим телом основного контура, и преобразования тепловой энергии основного контура в механическую, при этом первый вспомогательный контур является разомкнутым, а его рабочим телом является воздух из окружающей среды.

Недостатками данного решения является то, что работа устройства основана на постоянном пополнении рабочего тела вспомогательного контура, заборе воздуха из окружающей среды и выбросе отработанного рабочего тела обратно в окружающую среду (см. Шелест П. Полувековой юбилей одной идеи. Наука и жизнь. - 1993, №2, с. 152, 153).

Известна теплосиловая установка RU 2013135699 «ЭНЕРГОУСТАНОВКА С ЗАКРЫТЫМИ КОНТУРАМИ», подключенная к источнику возобновляемой энергии, содержащая основной теплообменник, паровую турбину на низкокипящем рабочем теле, теплообменный конденсатор и циркуляционный насос, при этом содержит первый закрытый контур, дополненный пароперегревателем перед паровой турбиной, и второй закрытый контур, состоящий из испарителя – по первому контуру конденсатор, нагнетателя (компрессора) и конденсатора – по первому контуру пароперегреватель, при этом первый и второй закрытые контуры имеют общую точку смешения рабочих тел.

Недостатком данного решения является то, что вспомогательный контур работает на рабочем теле с повышенным давлением, для парообразования требуется перегревание. Для движения рабочего тела в основном контуре требуется насос.

Задачей заявленного решения является разработка такого способа работы двухконтурной энергетической установки, при котором не требуется перегрев рабочего тела и при котором не требуется постоянного пополнения рабочего тела во вспомогательном контуре, что исключает отходы в виде выбросов отработанного рабочего тела.

Раскрытие изобретения

Поставленные задачи достигаются за счет разработанного способа работы двухконтурной энергетической установки.

Заявленный способ (фиг. 1) включает взаимодействие двух контуров, вспомогательного и основного, внутри которых по кругу параллельно в разных направлениях циркулируют рабочие тела, осуществляя передачу тепловой энергии рабочего тела вспомогательного контура рабочему телу основного контура и преобразование энергии рабочего тела основного контура в механическую.

В отличие от аналогов в заявленном решении оба контура формируют замкнутыми и в качестве рабочего тела используют легкокипящую жидкость. Работу в контурах осуществляют параллельно в разных направлениях по кругу. При этом взаимодействие между контурами осуществляют не только при помощи встречного конденсатора, но и при помощи встречного испарителя, в которых происходит обмен энергией между рабочими телами обоих контуров.

В частном случае исполнения в основном контуре дополнительно осуществляют теплообмен за счет взаимодействия потоков рабочего тела и при помощи встречного теплообменника, а именно между потоком, идущим от компрессора, и потоком, идущим от турбины.

Также в частном случае исполнения дополнительно осуществляют теплообмен в основном контуре при помощи дополнительных промежуточных теплообменников (2.2.1), (2.2.2), а именно снятие холода рабочего тела основного контура при помощи промежуточного теплообменника (2.2.1) перед встречным конденсатором вспомогательного контура и снятие тепла после турбины при помощи второго промежуточного теплообменника (2.2.2). В качестве теплообменников используют воздушные теплообменники и/или в частном случае исполнения встречные теплообменники, взаимодействующие с дополнительными контурами.

В рамках данного решения рабочий температурный режим следует считать в диапазоне от -70°С до +200°С.

Заявленный способ позволяет преобразовать энергию рабочего тела в механическую, при этом не требуется пополнения рабочего тела, не имеет отходов в виде выбросов, не требует для постоянной работы использования органического топлива.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 – схема осуществления заявленного способа при использовании теплосиловой установки.

Краткое описание конструктивных элементов:

1 – вспомогательный контур;

1.1 – компрессор вспомогательного контура;

1.2 – конденсатор;

1.3 – устройство понижения давления;

1.4 – испаритель;

1.5 – воздушный теплообменник-конденсатор;

1.6 – воздушный теплообменник-испаритель;

2 – основной контур;

2.1 – компрессор основного контура;

2.2.1 – промежуточный теплообменник после компрессора основного контура;

2.2.2 – промежуточный теплообменник после турбины;

2.3 – турбина.

Принцип работы

По заявленному способу осуществляют следующий порядок действий (фиг. 1).

При помощи компрессора (1.1) вспомогательного контура сжимают пары рабочего тела вспомогательного контура, повышая его давление и температуру до показателя «горячий», и проталкивают рабочее тело вспомогательного контура во встречный конденсатор (1.2), в котором протекает процесс фазового перехода рабочего тела вспомогательного контура из парообразного состояния в жидкое за счет отвода тепла более холодным теплоносителем, в качестве которого выступает рабочее тело основного контура, при этом меняет температуру рабочего тела вспомогательного контура до «теплый», а температуру рабочего тела основного контура до температуры «горячий»;

далее рабочее тело вспомогательного контура с температурой «окружающей среды» или «теплый» направляют в воздушный теплообменник – конденсатор (1.5), в котором дополнительно осуществляют процесс конденсации рабочего тела вспомогательного контура, которое не полностью сконденсировалось в конденсаторе (1.2), и снижение его температуры до температуры «окружающей среды»;

рабочее тело вспомогательного контура с температурой «окружающей среды» пропускают через устройство, понижающее давление (1.3), и направляют во встречный испаритель (1.4), где происходит испарение рабочего тела вспомогательного контура, при этом рабочее тело отнимает тепло у рабочего тела основного контура и отбираемая теплота расходуется на кипение и переход в газообразное состояние рабочего тела вспомогательного контура, далее рабочее тело вспомогательного контура направляют в воздушный теплообменник-испаритель (1.6). В случае если рабочее тело не полностью испарилось в испарителе (1.4), в теплообменнике (1.6) происходит его доиспарение, при этом рабочее тело основного контура остужается до температуры «холодный», далее рабочее тело направляют в компрессор (1.1) вспомогательного контура и процесс повторяется.

Параллельно с работой вспомогательного контура начинают работу основного контура.

При помощи компрессора (2.1) основного контура засасывают рабочее тело основного контура, остуженное в испарителе (1.4) до температуры «холодный», сжимают его, повышая давление и температуру до температуры «окружающей среды», далее поток рабочего тела основного контура, идущий от компрессора (2.1), направляют во встречный конденсатор (1.2), где разогревают до температуры «горячий» за счет конденсации рабочего тела вспомогательного контура, после чего разогретое рабочее тело основного контура подают в турбину (2.3), в которой происходит преобразование тепловой энергии рабочего тела основного контура в механическую с потерей его температуры до значения «теплый», далее рабочее тело основного контура остужают в испарителе (1.4) до температуры «холодный» и направляют его поток в компрессор (2.1) основного контура и процесс повторяется.

В частном случае исполнения рабочее тело основного контура после компрессора (2.1) основного контура направляют в промежуточный теплообменник (2.2.1), а после турбины во второй промежуточный теплообменник (2.2.2). Процесс протекает следующим образом: поток рабочего тела основного контура, идущий от компрессора, в воздушном промежуточном теплообменнике (2.2.1) нагревается с температуры «чуть теплой» до «теплой», при этом осуществляют снятие холода. Поток, идущий от турбины, более эффективно остывает с температуры «теплый» до «окружающей среды», при этом осуществляют снятие тепла. В качестве промежуточного теплообменника используют воздушный и/или встречный теплообменники.

Обращаем внимание, что в рамках данного описания следует принимать во внимание температурные показатели:

«окружающей среды» – это показания температуры среды, которая окружает работающую теплосиловую установку;

«холодный» – это показания температуры ниже температурного показателя «окружающей среды»;

«чуть теплый» – это показания температуры несущественно выше температурного показателя «окружающей среды»;

«теплый» – это показания температуры незначительно выше температурного показателя «окружающей среды»;

«горячий» – это показания температуры значительно выше температурного показателя «окружающей среды».

Изобретение относится к области теплоэнергетики. Предложен способ работы двухконтурной энергетической установки, включающий взаимодействие двух замкнутых контуров вспомогательного 1 и основного 2, работающих параллельно в разных направлениях. При помощи компрессора 1.1 вспомогательного контура 1 сжимают рабочее тело вспомогательного контура 1 и повышают его давление и температуру, передают тепловую энергию рабочего тела вспомогательного контура 1 рабочему телу основного контура 2, отбирают механическую работу с основного контура 2 при помощи турбины 2.3. Во вспомогательном контуре 1 перед встречным испарителем 1.4 понижают давление рабочего тела в устройстве понижения давления 1.3, взаимодействие между контурами осуществляют при помощи встречного испарителя 1.4, расположенного во вспомогательном контуре после устройства понижения давления 1.3, а в основном контуре – перед компрессором 2.1, и встречного конденсатора 1.2, расположенного во вспомогательном контуре 1 после компрессора 1.1, а в основном 2 контуре – после компрессора 2.1. Заявленный способ позволяет преобразовать тепловую энергию, подводимую в основной и дополнительный контуры, в механическую с помощью турбины, при этом не требуется пополнения рабочего тела, не имеет отходов в виде выбросов, не требует для постоянной работы использования органического топлива. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ работы двухконтурной энергетической установки, включающий взаимодействие двух замкнутых контуров, вспомогательного и основного, работающих параллельно в разных направлениях, а именно при помощи компрессора вспомогательного контура сжимают рабочее тело вспомогательного контура и повышают его давление и температуру, передают тепловую энергию рабочего тела вспомогательного контура рабочему телу основного контура, отбирают механическую работу с основного контура при помощи турбины, отличающийся тем, что во вспомогательном контуре перед встречным испарителем понижают давление рабочего тела в устройстве понижения давления, взаимодействие между контурами осуществляют при помощи встречного испарителя, расположенного во вспомогательном контуре после устройства понижения давления, а в основном контуре – перед компрессором, и встречного конденсатора, расположенного во вспомогательном контуре после компрессора, а в основном контуре – после компрессора.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в основном контуре дополнительно осуществляют снятие холода рабочего тела основного контура при помощи промежуточного теплообменника перед встречным конденсатором вспомогательного контура и снятие тепла после турбины при помощи второго промежуточного теплообменника.