Криогенная электрогенерирующая установка Российский патент 2024 года по МПК F25B19/00 F01D13/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к тепловым электростанциям, преобразующим тепловую энергию, выделяющуюся при охлаждении любого жидкого (за исключением жидкого гелия) или газообразного вещества в электроэнергию с высоким коэффициентом преобразования тепловой энергии в электрическую энергию (90% и более) без угрозы теплового, химического и радиационного загрязнения окружающей среды. Криогенная электрогенерирующая установка (КРЭУ) может использоваться как мобильная электрогенерирующая установка под названием «Криогенный электрогенератор» (КРЭГ) либо в качестве стационарной электрогенерирующей установки под названием «Криогенная электростанция» (КРЭС). КРЭУ является бинарной электрогенерирующей установкой с преимущественно замкнутым обращением рабочего тела (РТ) внутри установки по цепочке «жидкость-газ-жидкость».

КРЭУ являются когенерационными установками, которые производят и электроэнергию, и холод, и могут выполнять функции промышленного холодильника или промышленного кондиционера с одновременным получением электроэнергии. КРЭУ одновременно могут выполнять функции накопителя (аккумулятора) электроэнергии.

Изобретение охватывает конструкцию и принцип работы криогенной электрогенерирующей установки (КРЭУ), конструкцию и принцип работы турбины КРЭУ, описание принципа работы термо – гидродинамического цикла КРЭУ.

Широко известны бинарные тепловые электрогенерирующие установки водного цикла Ренкина, применяемые как тепловые (конденсационные) (ТЭС) и атомные (АЭС) электростанции. ТЭС и АЭС преобразуют в электроэнергию тепловую энергию только высокотемпературных теплоносителей (как правило, с температурой более +200°С). Электрический КПД данных электростанций, как правило, не превышает 40% (для «паросилового цикла») или 55% (для «парогазового цикла»), их работа сопровождается тепловым, химическим и радиационным загрязнением окружающей среды.

Широко известны также бинарные электрогенерирующие установки органического цикла Ренкина (установки ORC), применяемые как геотермальные электростанции при охлаждении природных водных геотермальных источников с температурой +70 - +100°С. В качестве рабочего тела в установках ORC применены органические вещества (например, пентан, фреоны). Установки ORC лишены недостатков, связанных с загрязнением окружающей среды, но их электрический КПД не превышает 20%.

Из уровня техники известна криогенная электрогенерирующая станция (RU 2129213 C1, опубл. 20.04.1999 г. Автор Корнеев В.В.), работающая по азотному циклу Ренкина и содержащая емкость для хранения жидкого рабочего тела (РТ) – азота, трубчатый цилиндрический котел для испарения рабочего тела, активную турбину с генератором, систему нагрева и охлаждения РТ, включающую вентилятор, насос, конденсатор с трубопроводами и воздуховодами, оборудованными запорно-регулирующей арматурой. В данном решении применена газовая турбина и конденсация азота осуществляется за ее пределами в конденсаторе при теплообмене с более холодным телом – хладагентом в виде жидкого воздуха с температурой -205°С. Производство жидкого воздуха осуществляется внутри установки посредством применения измененного криогенного регенеративного цикла (цикла Линде) с применением компрессора высокого давления из части потока охлажденного вначале процесса воздуха. Преимуществом данной электрогенерирующей станции по отношению к ТЭС, АЭС и установкам ORC является возможность преобразования в электрическую энергию тепловой энергии теплоносителей с низкой температурой (до -150°С), в том числе тепловой энергии воздуха окружающей среды при любой естественной температуре, зафиксированной на планете Земля. Однако недостатками данной станции являются низкая энергетическая эффективность ее цикла, большое количество оборудования и необходимость в его постоянном ремонте и обслуживании, в результате чего себестоимость электроэнергии, производимой данной установкой, является существенной. Поэтому данная установка не нашла практического применения.

Низкий коэффициент преобразования тепловой энергии в электрическую на указанных выше электрогенерирующих установках водного, органического и азотного цикла Ренкина делает экономически неэффективным создание внутри данных энергоустановок системы накопления (аккумулирования) энергии.

Задачей настоящего изобретения является создание криогенной электрогенерирующей установки (КРЭУ), в которой устранены недостатки указанных выше электрогенерирующих установок, а именно:

1) резко (до значений в 90% и более) повышен коэффициент преобразования тепловой энергии в электрическую энергию без возникновения угрозы теплового, химического и радиационного загрязнения окружающей среды;

2) обеспечена возможность преобразования в электрическую энергию тепловой энергии, полученной от любого газообразного или жидкого (за исключением жидкого гелия) первичного теплоносителя при любой температуре, превышающей -260°С;

3) создана эффективная система внутреннего накопления (аккумулирования) электроэнергии.

Указанный результат достигается прежде всего за счет применения термо-гидродинамического цикла КРЭУ, ключевым элементом которого является применение турбины КРЭУ специальной конструкции, представляющей собой каскад из двух турбин на одном валу вертикального (по оси) расположения, при этом одна из турбин газовая (ковшового типа), а другая – жидкостная турбина типа «сегнерово колесо». В цикле КРЭУ рабочее тело (РТ) совершает работу в газовой фазе в газовой турбине, конденсируется внутри турбины способом дросселирования, и совершает дополнительную работу в жидкой фазе в жидкостной турбине.

Кроме турбины криогенная электрогенерирующая установка содержит последовательно соединенные емкость для хранения жидкого рабочего тела, испаритель с каналами подвода и отвода первичного теплоносителя, сопловой блок, генератор, находящийся на одном валу с турбиной, приемное устройство для жидкого РТ, связанное с ёмкостью хранения жидкого РТ. Все перечисленные элементы размещены внутри герметичного теплоизолированного корпуса с установленным вакуумом и рабочей температурой внутри не выше температуры кипения РТ при давлении 1 бар.

В качестве рабочего тела КРЭУ могут быть применены фреоны, в состав которых входит только одно химически инертное вещество (например, фреон r134a – тетрафторэтан, r11, r22 и др.), азот, или инертный газ из списка: криптон, ксенон, аргон, неон, гелий. Тип применяемого в КРЭУ РТ зависит от рабочих температур охлаждения первичного теплоносителя (например, фреон r134a применим при охлаждении первичных теплоносителей в диапазоне температур от -10°С до +150°С, азот (жидкий азот) – температур от -140°С и выше, аргон (жидкий аргон) – температур от -140°С и выше, неон (жидкий неон) - температур от -240°С до +100°С, гелий (жидкий гелий) - температур от -260°С до -140°С). Рабочее тело КРЭУ должно представлять собой однородное вещество максимально высокой степени очистки (например, азот высокой степени очистки с содержанием чистого вещества 99,9% и более).

Изобретение поясняется с помощью фиг.1-4.

На фиг.1 показана общая схема КРЭУ.

На фиг.2 схематично изображена турбина для КРЭУ, вид сверху.

На фиг.3 схематично изображена турбина для КРЭУ с движением РТ, вид сбоку.

На фиг.4 изображены детали соединения ковша газовой турбины и дроссельных трубок жидкостной турбины через переходное устройство.

Криогенная электрогенерирующая установка (фиг.1) содержит герметичный теплоизолированный корпус (1), внутри которого создан вакуум, например, 0,03 бар, и установлена температура не выше температуры кипения рабочего тела при давлении 1 бар. В корпусе (1) установлены и последовательно соединены емкость (2) для хранения жидкого РТ с клапаном (12) для его подачи и удаления, испаритель (3), снабженный регулировочными вентилями теплоносителя на каналах его подвода (9) и отвода (10), сопловой блок (4), турбина (5) с генератором (6) и приемное устройство (7) для жидкого РТ, связанное с емкостью (2) для его хранения. При этом между приемным устройством (7) и емкостью для хранения (2) установлен регулировочный вентиль (11), а между емкостью для хранения (2) и испарителем (3) установлен обратный клапан (13).

Корпус (1) фреонной КРЭУ может быть выполнен в виде металлической емкости, облицовочной теплоизолирующим материалом. В корпусе КРЭУ на азоте или на инертных газах применима только вакуумная теплоизоляция (сосуд Дьюра), при этом корпус КРЭУ на азоте или на инертных газах должен состоять из двух частей – двух сосудов Дьюара. Причем в нижней части корпуса будет расположен только испаритель, а в верхней части – остальные элементы установки. Это связано с большой разницей температур, которая устанавливается в рабочем режиме эксплуатации КРЭУ на азоте или на инертных газах внутри верхней и нижней части корпуса, и температурой окружающей среды.

Емкость для хранения жидкого РТ (2) представляет собой металлическую сферическую ёмкость с клапаном (12) подачи и удаления. К ёмкости присоединяются два трубопровода - снизу для подачи РТ в испаритель, а наискосок сверху – для приема РТ после приемного устройства.

Испаритель (3) размещается внизу установки и представляет собой теплообменный аппарат. В испаритель подается первичный теплоноситель, (например, вода с температурой не менее +15°С, воздух окружающей среды), который обеспечивает испарение жидкого РТ и перегрев газообразного РТ для небольшого увеличения давления. Трубопровод для транспортировки газообразного РТ связывает испаритель с сопловым блоком, расположенным в верхней части установки.

Сопловой блок (4) содержит не менее трех прямых сопел с регулировочными вентилями, расположенными по периметру газовой турбины на равном расстоянии друг от друга под углом 120° и направленных на верхнюю часть турбины – ковшовую газовую турбину.

Приемное устройство (7) выполняется в виде спиральных трубок, расположенных по периметру турбины и входящих в одну общую трубу, соединенную с емкостью для хранения жидкого РТ. Приемное устройство изготавливается таким образом, чтобы частицы жидкого РТ, вылетая из реактивных сопел нижней части турбины, не ударялись о стенки, а попадали в трубки устройства и при движении задевали стенки трубок по касательной. При такой конструкции скорость движения жидкого РТ и его кинетическая энергия теряются минимально. Количество трубок приемного устройства может быть исчисляться в десятках, сотнях или тысячах штук.

Турбина (5) для КРЭУ (фиг.2-4) представляет собой каскад из двух турбин, расположенных на одном вертикальном валу. Верхняя турбина является простой ковшовой газовой турбиной, содержащей предпочтительно шесть ковшей (16).

Нижняя выполнена в виде реактивной турбины «сегнерово колесо», в которой трубки турбины одновременно являются дроссельными устройствами, в которых происходит конденсация газообразного РТ методом дросселирования. Нижняя турбина содержит конусную основу (19) и закрепленные на ней дроссельные трубки (17) изогнутой формы, оканчивающиеся реактивными соплами (18). Количество трубок зависит от мощности турбины и составляет, как правило, от 6 до 6000 единиц (фиг.3).

Верхняя и нижняя турбины соединены переходным устройством (20) в виде изогнутого конуса, обеспечивающего переход рабочего тела из ковша (16) газовой турбины в дроссельные трубки (17) (фиг.4).

Применение турбины (5) данной конструкции позволяет увеличить механическую энергию ее вращения за счет кинетической энергии движения РТ в газовой форме в верхней газовой турбине ковшового типа и за счет кинетической энергии движения РТ в жидкой форме в нижней турбине типа «сегнерово колесо». Таким образом, почти вся тепловая энергия, которая затрачивается на испарение РТ и на его перегрев в газообразном состоянии для увеличения давления, преобразуется в механическую энергию вращения турбины 5, и далее в электрическую энергию, за исключением технологических потерь на уровне около 10%.

Предлагаемая нормативная скорость вращения турбины составляет 3000 (3600) об/мин, что обеспечивает выработку генератором КРЭУ переменного тока нормативной частоты 50 Гц (60 Гц). Турбина может быть изготовлена полностью из алюминия, учитывая низкие значения давления и температуры процесса. Важнейшей ее особенностью является то, что это турбина относительно большого диаметра. Диаметр турбины зависит от длины дроссельных трубок, которая, в свою очередь, зависит от значения удельной теплоты конденсации применяемого РТ. Диаметр турбины, в которой рабочими телами являются фреоны, азот или аргон, может достигать значений до 5 м и более.

В фреонных КРЭУ в качестве генератора (6) могут быть применены традиционные генераторы с щеточной или тиристорной системой возбуждения и механическими подшипниками. В КРЭУ на азоте или инертных газах, применимы генераторы только с возбуждением от постоянных магнитов без применения механических подшипников (например, с подпятниками или магнитными подшипниками).

Все аппараты размещаются внутри установки КРЭУ с учетом того, что рабочее тело в газовой фазе должно самостоятельно подниматься вверх, а рабочее тело в жидкой фазе, под действием силы тяжести должно самостоятельно двигаться вниз. Поэтому испаритель располагается в нижней точке корпуса, трубопровод к сопловому блоку направляется строго вверх. Сопловой блок располагается по горизонтали напротив газовой части турбины. Газовая турбина располагается выше жидкостной турбины. В жидкостной турбине конденсируемое РТ движется по конусу вниз и от центра турбины к периферии. Приемное устройство располагается напротив реактивных сопел жидкостной турбины. В приемном устройстве РТ в жидкой фазе по трубопроводам движется вниз к емкости хранения. Из емкости хранения РТ в жидкой фазе движется вниз к испарителю.

Принцип работы КРЭУ (фиг.1) заключается в следующем.

Перед вводом в эксплуатацию внутренняя поверхность корпуса (1) и всех аппаратов установки вымораживается до температуры чуть ниже (например, на 1°С) температуры кипения РТ при давлении 1 бар (например, при использовании в качестве РТ фреона r134a – посредством прокачки жидкого азота до температуры -27°С, при использовании в качестве РТ аргона – посредством прокачки жидкого азота до температуры -187°С, при использовании в качестве РТ азота – посредством прокачки жидкого неона до температуры -197°С). Далее внутри корпуса (1) установки создается вакуум, (например, на уровне в 0,03 – 0,04 бар), путем выкачивания газовой среды вакуумным насосом через клапан (12) емкости хранения (2).

Далее в емкость хранения (2) заливается жидкое РТ с температурой равной или чуть ниже температуры кипения РТ при давлении 1 бар, (например, с температурой -27°С для фреона r134a, -187°С для аргона, -196°С для азота, -247°С для неона, -270°С для гелия). Пуск установки в работу осуществляется посредством открытия входного вентиля (9) и подачи в испаритель (3) первичного теплоносителя в жидкой или газообразной форме с начальной температурой выше температуры кипения РТ. В результате теплообмена в испарителе происходит испарение и нагрев газообразного РТ при одновременном увеличении его газового давления до нормативного уровня (например, 4-6 бар).

Газообразное РТ под давлением поднимается в сопловой блок (4). Его вентили открывают, и газообразное РТ подается на приемные ковши верхней газовой части турбины (5). Турбина начинает вращение.

В результате совершения работы в верхней газовой турбине КРЭУ снижается давление и температура газообразного РТ, далее РТ на выходе из ковша газовой турбины (16) через переходное устройство (20) попадает в большое количество дроссельных устройств (17) в виде дроссельных трубок с внутренним диаметром не более 0,8 мм на конусной основе (19) нижней турбины, где под действием остаточного давления и центробежной силы движется к их реактивным соплам (18), и, при этом, конденсируется в результате процесса дросселирования.

Жидкое РТ вылетает из реактивного сопла нижней турбины типа «сегнерово колесо», автоматически увеличивая скорость её вращения, и после вылета попадает в неподвижное приемное устройство (7) в виде большого числа спиральных алюминиевых трубок. В приемном устройстве жидкое РТ из большого числа трубопроводов стекает в один трубопровод, по которому оно через регулируемый вентиль (11) возвращается обратно в емкость хранения (2), откуда оно через обратный клапан (13) стекает в испаритель (3), тем самым цикл оборота РТ КРЭУ замыкается.

Таким образом, тепловая энергия теплоносителя преобразуется в механическую энергию вращения турбины (5), и далее посредством генератора (6) в электрическую энергию.

В момент вылета жидкого РТ из турбины до момента его попадания в приемное устройство жидкость пролетает очень небольшое расстояние (2-3 мм) внутри среды корпуса установки с глубоким вакуумом. В момент нахождения в этих условиях жидкое РТ начнет частично испаряться, что, с одной стороны, приведет к повышению давления внутри корпуса, а, с другой стороны, за счет испарения обеспечит сохранение внутри корпуса нормативной температуры. Тем самым будет нивелирована тенденция к повышению внутренней температуры, так как потери тепловой энергии в процессе работы будут накапливаться внутри установки.

Для сохранения нормативной температуры внутри корпуса могут быть применены следующие меры:

1. Частично снижен уровень подачи первичного теплоносителя, при условии не снижения энергии вращения турбины. В этом случае для сохранения энергии вращения используется тепловая энергия, оставшаяся внутри установки от предыдущего цикла.

2. Производится откачка испаренного РТ из ёмкости хранения (2) через клапан (12) с помощью внешнего вакуумного насоса.

3. В емкость хранения (2) через клапан (12) заливается новая партия жидкого РТ с температурой ниже температуры кипения при давлении 1 бар.

Заполнение емкости (2) при работе установки не должно превышать 60-70%. Емкость, помимо функции компенсации потерь РТ при обращении в КРЭУ, способна автоматически выполнять функцию конечного конденсатора в отношении тех молекул, которые не сконденсировались внутри турбины. Поэтому масса РТ, заливаемого в емкость, должна быть больше массы РТ, участвующего в обороте в процессе работы установки.

КРЭУ обеспечивает высокий КПД преобразования тепловой энергии в электрическую (около 90%) за счет преобразования в механическую энергию вращения турбины кинетической энергии движения потока газового РТ в верхней газовой турбине и кинетической энергии движения потока жидкого РТ в нижней жидкостной турбине. Кинетическая энергия движения РТ в газовой фазе обеспечивается за счет тепловой энергии, полученной от перегрева газовой фазы РТ для увеличения давления газа в испарителе, а кинетическая энергия движения РТ в жидкой фазе обеспечивается за счет перехода тепловой энергии, выделившейся внутри дроссельной трубки при конденсации РТ методом дросселирования, в кинетическую энергию движения конденсата.

Учитывая, что размер тепловой энергии, выделяющейся при конденсации РТ равен размеру тепловой энергии, полученной в испарителе при испарении РТ, то возникает основной энергетический поток цикла КРЭУ: тепловая энергия – испарение РТ в испарителе – конденсация РТ в дроссельных трубках турбины – переход тепловой энергии в кинетическую энергию движения потока конденсата – переход кинетической энергии движения конденсата в механическую энергию вращения турбины при вылете из реактивного сопла – производство электроэнергии. По данной цепочке идет 80-90% энергетического потока КРЭУ.

Дополнительным вспомогательным энергетическим потоком КРЭУ является обычный энергетический поток традиционных тепловых электростанций (ТЭС, АЭС, установок ORC): тепловая энергия – нагрев газообразного РТ в котле (испарителе) для увеличения газового давления –переход кинетической энергии движения РТ в газовой фазе в механическую энергию вращения газовой турбины – производство электроэнергии. По данной цепочке идет 10-20% энергетического потока КРЭУ. Роль данной цепочки заключается в запуске КРЭУ в работу.

КПД КРЭУ существенно превышает КПД традиционных тепловых электростанций, так как основная выработка электроэнергии осуществляется в жидкостной нижней турбине, которая является гидротурбиной, не относящейся к «тепловым двигателям». Процесс конденсации РТ в дроссельных трубках жидкостной турбины и преобразование кинетической энергии потока РТ в жидкой фазе в механическую энергию вращения турбины КРЭГ происходит при одной постоянной температуре, равной температуре конденсации РТ при давлении в 1 бар. При конденсации РТ методом дросселирования не происходит излучения тепловой энергии в окружающую среду, так как процесс дросселирования – это адиабатический процесс. При конденсации РТ методом дросселирования тепловая энергия, выделяющаяся при конденсации, переходит в кинетическую энергию движения конденсата в соответствии с законами гидродинамики в связи с резким (в сотни раз) увеличением плотности РТ (в соответствии с уравнением Бернулли). При вылете конденсата из реактивного сопла турбины типа «сегнерово колесо», кинетическая энергия движения потока конденсата переходит в механическую энергию вращения турбины и далее в электрическую энергию. Таким образом, в термо-гидродинамическом цикле КРЭУ исключаются потери тепловой энергии, выделяемой при конденсации РТ за пределами турбины в конденсаторе посредством прямого теплообмена с более холодной внешней средой, что характерно для традиционных тепловых электростанций, работающих по циклу Ренкина.

Цикл КРЭУ является не термодинамическим, а термо-гидродинамическим, поскольку рабочее тело КРЭУ совершает полезную работу не только в газовой фазе в соответствии с законами термодинамики, но и в жидкой фазе в соответствии с законами гидродинамики.

Учитывая, что в КРЭУ рабочее тело в жидкой фазе вылетает из турбины с большой скоростью, и далее движется вниз с малыми гидравлическими потерями и большим перепадом высот, применение питательного насоса для подачи жидкого РТ в испаритель не является необходимым условием работы установки. Это обстоятельство не исключает возможности применения питательного насоса для увеличения скорости движения жидкого РТ в отдельных вариантах КРЭУ (например, в фреонных КРЭУ большой мощности).

Отдельно стоит отметить, что высокий коэффициент преобразования тепловой энергии в электрическую энергию в цикле КРЭУ позволяет создать систему внутреннего накопления электроэнергии при снижении внешнего спроса на электроэнергию. Эта система заключается в монтаже тепловых электрических нагревателей (ТЭНов) (15) внутри испарителя (3). Таким образом, при снижении внешнего потребления, вырабатываемая генератором (6) электроэнергия направляется распределительным устройством (14) на ТЭНы (15) в испарителе (3), при этом пропорционально снижается подача в испаритель (3) первичного теплоносителя через входящий вентиль (9). Благодаря применению такой системы внутреннего накопления электроэнергии, КРЭУ может всегда работать в режиме постоянной нормативной мощности, при этом автоматически обеспечивается соблюдение нормативной частоты переменного тока.

Из-за высокого КПД цикла КРЭУ значение коэффициента потерь энергии при использовании внутреннего накопления (аккумулирования) электроэнергии КРЭУ по цепочке: «электроэнергия – тепловая энергия (ТЭН) – электроэнергия» будет существенно меньше, чем при использовании системы накопления электроэнергии гидроаккумулирующими электростанциями (ГАЭС) либо химическими аккумуляторными батареями.

В гелиевых, неонных, азотных и аргонных КРЭУ возможно применение способа накопления (аккумулирования) электроэнергии посредством использования свойства сверхпроводимости ряда металлов и сплавов при криогенных температурах (например, свинца (температура перехода в сверхпроводимость 7 К (-266,2°С)) для гелиевого КРЭУ, или сплава YBa₂Cu₃O₇ (температура перехода в сверхпроводимость 93 К (-179,2°С)) для неонного, азотного или аргонного КРЭУ).

Таким образом, использование предложенного изобретения позволяет достичь технического результата.

Примеры использования КРЭУ:

1. Фреонная КРЭС мощностью до 100 МВт, используемая для производства электроэнергии на тепловых и атомных электростанциях при одновременном выполнении функции конденсатора водяного пара после паровой турбины ТЭС (АЭС) и охлаждения воды до нормативной температуры (+25°С).

Ориентировочные расчетные характеристики:

Мощность – 100 МВт

Перепад температур первичного теплоносителя (водяного пара и воды) – от +65°С до +25°С, при выделении тепловой энергии в процессе конденсации водяного пара;

Расход первичного теплоносителя (воды) – 90,3 кг/сек;

Рабочее тело – фреон r134a (температура кипения -26°С при давлении 1 бар, удельная теплота испарения – 217 кДж/кг);

Расход РТ – 660 кг/сек;

Диаметр сечения дроссельной трубки – 0,71 мм;

Длина дроссельной трубки – 3,55 м;

Расход фреона в 1 дроссельной трубке – 0,15 кг/сек;

Количество дроссельных трубок в турбине – 4404 шт.

Диаметр турбины – 5,1 м.

Скорость вылета конденсата из турбины – 20,8 м/сек

Объем теплообменника испарителя – более 100 м³

2. Автономная воздушно-азотная КРЭС мощностью 130 кВт, используемая в качестве промышленного холодильника при одновременном производстве электроэнергии при охлаждении воздуха окружающей среды.

Ориентировочные расчетные характеристики:

Мощность – 130 кВт

Перепад температур первичного теплоносителя (воздуха окружающей среды) (∆t) = 22,5°C (например, от +25°С до + 2,5°С);

Расход первичного теплоносителя (воздуха) – 6,66 кг/сек;

Рабочее тело – азот (температура кипения -195,8°С при давлении 1 бар, удельная теплота испарения – 199 кДж/кг);

Расход РТ (азота) – 0,6 кг/сек;

Диаметр сечения дроссельной трубки – 0,6 мм;

Длина дроссельной трубки – 3 м;

Расход азота в 1 дроссельной трубке – 0,1 кг/сек;

Количество дроссельных трубок в турбине – 6 шт.

Диаметр турбины – 4,4 м.

Скорость вылета конденсата из турбины – 19,5 м/с

Объём теплообменника испарителя – 14 м³

Производство холода – 130 кДж/сек

Затраты электроэнергии на производство холода с учетом работы вентилятора мощностью 13 кВт, направляющего поток холодного воздуха в заданном направлении - -117 кВт/сек (то есть плюсом производится 117 кВт/сек электроэнергии).

3. Неонная КРЭГ для электромобиля мощностью 130 кВт с применением в качестве буферного теплоносителя воды в теплый период (с рабочими температурами от +20°С до +60°С), и фреона r11 (температура плавления (замерзания) -110°С, температура кипения при давлении 1 бар - +23,6°С) в холодный период.

Ориентировочные расчетные характеристики:

Мощность – 130 кВт

Перепад температур первичного теплоносителя (воды) - (∆t) = 15°C (например, от +20°С до +5°С);

Расход первичного теплоносителя (воды) – 2,39 кг/сек;

Рабочее тело – неон (температура кипения -246°С при давлении 1 бар, удельная теплота испарения 86 кДж/кг);

Расход РТ – 1,3 кг/сек;

Диаметр сечения дроссельной трубки – 0,4 мм;

Длина дроссельной трубки – 0,354 м;

Расход неона в 1 дроссельной трубке – 0,043 кг/сек;

Количество дроссельных трубок в турбине – 30 шт.

Диаметр турбины – 0,524 м

Скорость вылета конденсата из турбины -13,2 м/с

Объём теплообменника испарителя – 0,07 м³.

Криогенная электрогенерирующая установка (КРЭУ) является бинарной тепловой электростанцией с высоким КПД преобразования тепловой энергии в электрическую энергию. КРЭУ одновременно может выполнять функции накопителя электроэнергии, а также функции промышленного холодильника или кондиционера. Криогенная электрогенерирующая установка обеспечивает преобразование в электроэнергию тепловой энергии жидких и газообразных первичных теплоносителей с температурой выше температуры -260°С, содержит последовательно соединенные по рабочему телу (РТ): емкость для хранения жидкого РТ, испаритель с каналами подвода и отвода теплоносителя с начальной температурой выше температуры кипения РТ, турбину на одном валу с генератором, а также приемное устройство, связанное с емкостью для хранения жидкого РТ, которые размещены внутри герметичного теплоизолированного корпуса с установленным вакуумом внутри и внутренней температурой не выше температуры кипения РТ при давлении 1 бар. При этом в емкости для хранения жидкого РТ выполнен клапан для откачки из нее испаренного РТ и залива в нее нового жидкого РТ с температурой ниже температуры кипения, причем масса РТ, заливаемого в емкость, больше массы РТ, участвующего в обороте в процессе работы установки. КРЭУ позволяет преобразовывать тепловую энергию в электрическую по мере накопления тепла внутри емкости для хранения жидкого РТ. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Криогенная электрогенерирующая установка (КРЭУ), обеспечивающая преобразование в электроэнергию тепловой энергии жидких и газообразных первичных теплоносителей с температурой выше температуры -260°С, содержащая последовательно соединенные по рабочему телу (РТ): емкость (2) для хранения жидкого РТ, испаритель (3) с каналами подвода и отвода теплоносителя с начальной температурой выше температуры кипения РТ, турбину (5) на одном валу с генератором, а также приемное устройство (7), связанное с емкостью для хранения жидкого РТ, которые размещены внутри герметичного теплоизолированного корпуса с установленным вакуумом внутри и внутренней температурой не выше температуры кипения РТ при давлении 1 бар, отличающаяся тем, что в емкости (2) для хранения жидкого РТ выполнен клапан (12) для откачки из нее испаренного РТ и залива в нее нового жидкого РТ с температурой ниже температуры кипения, причем масса РТ, заливаемого в емкость, больше массы РТ, участвующего в обороте в процессе работы установки.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что является когенерационной установкой, которая может одновременно выполнять функции производства электроэнергии и холода.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что работает по термогидродинамическому циклу КРЭУ, в котором рабочее тело совершает полезную работу в газовой фазе в газовой турбине и в жидкой фазе в жидкостной турбине, при этом фазовый переход «газ-жидкость» (конденсация) осуществляется внутри турбины методом дросселирования без излучения тепловой энергии, выделяющейся в процессе конденсации, в окружающую среду.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что рабочее тело в установке находится в обороте по цепочке «жидкость-газ-жидкость» и представляет собой односоставное вещество высокой степени очистки из указанного списка: фреон r134a либо иной фреон, состоящий из одного химически инертного вещества, азот, криптон, ксенон, аргон, неон, гелий; при этом выбор рабочего тела для КРЭУ определяется условием, что температура кипения рабочего тела при давлении 1 бар должна быть ниже температуры первичного теплоносителя.

5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что турбина установки представляет собой каскад из двух турбин, расположенных на одном валу вертикального (по оси) расположения, включающая верхнюю газовую турбину ковшового типа и нижнюю жидкостную турбину типа «сегнерово колесо», при этом конструкция турбины типа «сегнерово колесо» включает конусную основу и закрепленные на ней дроссельные трубки изогнутой формы, оканчивающиеся реактивными соплами; обе турбины соединены переходным устройством в виде изогнутого конуса, обеспечивающим переход рабочего тела из газовой турбины в дроссельные трубки, в которых происходит конденсация рабочего тела методом дросселирования.

6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что включает систему внутреннего накопления (аккумулирования) электроэнергии либо посредством теплового аккумулирования по цепочке «электроэнергия – тепло (ТЭН) – электроэнергия», либо посредством использования свойства сверхпроводимости металлов и сплавов в условиях криогенных температур.