Энергетическая установка Советский патент 1992 года по МПК F01K27/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к газотурбинным или паротурбинным энергетическим установкам с разомкнутым контуром рабочего тела и ограниченным его запасом, и может быть использовано для преобразования тепловой энергии высокотемпературною источника, например ядерного реактора или солнечного концентратора, в электрическую энергию, преимущественно на транспортных средствах.

Известна энергетическая установка с открытым контуром рабочего тела, включающая магистрали входа рабочего тела, устройство для повышения давления рабочего тела, которое связано далее магистралью рабочего тела с теплообменником-регенератором, высокотемпературным источником тепла и турбиной, которая приводит в . действие генератор электрического тока;

выход турбины связан магистралью отработанного рабочего тела через упомянутый теплообменник-регенератор с окружающей средой.

Недостатком известной установки является малая продолжительность ее работы при ограниченном запасе рабочего тела, поскольку рабочее тело используется в контуре установки однократно.

Наиболее близкой к изобретению является энергоустановка, содержащая последовательно соединенные по ходу рабочего тела емкость рабочего тела, устройство повышения давления, связанные магистралью высокого давления теплообменник-регенератор и высокотемпературный теплообменник, турбину с генератором, выхлоп которой через теплообменник-регенератор и распределительное устройство сообщен с емкостью и окружающей средой, а также

о XI ю

компрессор, подключенный своим входом к распределительному устройству, а выходом - к магистрали высокого давления перед высокотемпературным теплообменником.

Данная энергетическая установка работает следующим образом.

Рабочее тело поступает в устройство повышения давления (компрессор или насос), где происходит повышение давления рабочего тела. Затем рабочее тело поступает в теплообменник-регенератор, где к нему подводится тепло от отработавшего на турбине рабочего тела. Далее газообразное ра- бочее тело нагревается в высокотемпературном теплообменнике от внешнего источника тепла и подается на турбину, где совершает работу, отводимую на генератор электрического тока и компрессор. Отработавшее на турбине рабочее тело отдает энергию в форме тепла рабочему телу высокого давления в теплообменни- ке-регенераторе и поступает в распределительное устройство. Часть рабочего тела из распределительного устройства отводится в окружающую среду. Другая часть по газовой магистрали поступает в компрессор, где происходит повышение давления рабочего тела до давления на входе в высокотемпературный теплообменник, и далее - в магистраль рабочего тела высокого давления перед высокотемпературным теплообменником, где смешивается с основным потоком рабочего тела, поступающего из теплообменника-регенератора. Третья часть рабочего тела из распределительного устройства по газовой магистрали поступает в емкость, где оно охлаждается за счет холода, которым обладает запас рабочего тела. Далее процессы повторяются до полной выработки рабочего тела в емкости.

Недостатком устройства-прототипа является низкая эффективность из-за больших затрат мощности на сжатие рабочего тела в компрессоре, поскольку температура газа, поступающего в компрессор, достаточно высока.

Цель изобретения - повышение эффективности энергоустановки путем уменьшения затрат мощности на сжатие газа в компрессоре.

Для этого энергетическая установка, содержащая последовательно соединенные по ходу рабочего тела емкость рабочего тела, устройство повышения давления, связанные магистралью высокого давления теплообменник-регенератор и высокотемпературный теплообменник, турбину с гене- ратором, выхлоп которой через теплообменник-регенератор и распределительное устройство сообщен с емкостью и

окружающей средой, а также компрессор, подключенный своим выходом к магистрали высокого давления, дополнительно содержит распределительное устройство, установленное на выхлопе турбины, а теплообменник-регенератор выполнен двухступенчатым с входом и выходом греющей среды в каждой ступени, причем входы ступеней подключены к дополнительному

0 распределительному устройству, выход первой по ходу рабочего тела - к входу компрессора, а выход второй - к основному распределительному устройству, при этом компрессор подключен своим выходом к ма5 гистрали высокого давления между ступенями теплообменника-регенератора.

Поскольку в предлагаемом устройстве в первой ступени теплообменника-регенератора охлаждается только часть рабочего те0 ла, т. е, только то количество, которое потом идет на компрессор, то это рабочее тело охлаждается до более низкой температуры. Мощность, затрачиваемая на сжатие газа в компрессоре, прямо пропорциональна тем5 пературе газа, Поскольку температура газа на входе в компрессор понижается, то уменьшается и мощность, затрачиваемая на сжатие этого газа.

На чертеже изображена предложенная

0 установка.

Энергетическая установка состоит из емкости 1, предназначенной для хранения запаса рабочего тела в шугообразном. жидком или газообразном состоянии. К емкости

5 подключено устройство2 повышения давления (насос или компрессор), которое подает рабочее тело в первую ступень теплообменника-регенератора 3, предназначенную для охлаждения отработанного рабочего тела,

0 поступающего в компрессор 10 Первая ступень теплообменника-регенератора 3 соединена магистралью рабочего тела высокого давления с его второй ступенью 4, предназначенной для нагрева рабочего те5 ла высокого давления за счет тепла встречного потока отработанного рабочего тела. Далее по магистрали высокого давления установлены высокотемпературный теплообменник 5, предназначенный для нагрева

0 рабочего тела от высокотемпературного источника тепла, и турбина 6, служащая для преобразования энергии рабочего тела в электрическую посредством генератора электрического тока 7. На выходе из турби5 ны установлено дополнительное распределительное устройство 8 для регулируемого разделения потока отработанного рабочего тела на две части, одна из которых направляется через первую ступень теплообменника-регенератора 3 в компрессор 10

служащий для сжатия рабочего тела до давления в магистрали высокого давления, причем выход компрессора 10 подключен к этой магистрали после первой ступени теплообменника-регенератора 3. Второй выход распределительного устройства 8 соединен через вторую ступень теплообменника-регенератора 4 с основным распределительным устройством 9, которое регулирует выброс рабочего тела по одной магистрали в окружающую среду, а по другой магистрали - возвращение рабочего тела в емкость 1.

Энергетическая установка работает следующим образом.

Рабочее тело, в качестве которого может быть использован водород, гелий или гелиево-ксенонрвая смесь, предварительно охлажденное до температуры более низкой чем низшая температура цикла (температура перед устройством повышения давления), поступает в устройство 2 повышения дав ления. Затем рабочее тело высокого давления поступает в первую ступень теплооб- менника-регенератора 3, где оно нагревается от потока обратного рабочего тела, охлаждая его. Долее рабочее тело высокого давления нагревается во второй ступени теплообменника-регенератора 4 от встречного потока отработанного рабочего тела, а затем нагревается в высокотемпературном теплообменнике 5 от высокотемпературного источника тепла и подается на турбину 6, где совершает работу, отводимую на генератор 7 электрического тока, и компрессор 10. Отработавшее на турбине рабочее тело разделяется в дополнительном распределительном устройстве на два потока, один из которых направляется в первую ступень теплообменника-регенератора 3, где охлаждается, отдавая тепло рабочему телу высокого давления, а затем сжимается в компрессоре 10 до давления рабочего тела в магистрали высокого давления и подается в магистраль высокого давления после первой ступени теплообменника-регенератора 3. Другой поток отработанного рабочего тела из дополнительного распределительного устройства подается во вторую ступень теплообменника-регенератора 4, где отдается свое тепло на нагрев рабочего тела высокого давления, а затем - в распределительное устройство 9. Одна регулируемая часть рабочего тела из устройства 9 выбрасывается в окружающую среду, а другая поступает в емкость, где она охлаждается за счет холода, которым обладает запас рабочего тела. Далее процессы повторяются.

В процессе работы установки количество рабочего тела в емкости 1 уменьшается, поскольку часть рабочего тела отводится через распределительное устройство 9 в окру- 5 жающую среду. Температура рабочего тела в емкости растет за счет подвода тепла,по- ступающего в емкость отработанного рабочего тела. Как только температура рабочего тела в емкости 1 достигнет заданной вели10 чины (при использовании в качестве устройства 2 повышения давления насоса эта величина должна быть ниже температуры кипения рабочего тела, а при использовании компрессора эта величина определяет15 ся расчетным путем, исходя из располагаемой работы, затрачиваемой на сжатие газа в компрессоре)распределитель- ное устройство перекрывает полностью поступление отработанного рабочего тела в

0 емкость 1. После выработки запаса рабочего тела в емкости 1 установка останавливается.

При расположении установки на транспортном средстве емкость 1 заполняется на

5 заправочной станции. В качестве высокотемпературных источников тепла могут использоваться ядерные реакторы, радиоизотопные источники, солнечные концентраторы, а в качестве генераторов холо0 да - различные криогенные машины.

Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в повышении эффективности (КПД) энергоустановки. Это обеспечивается следующим образом. В

5 прототипе весь поток рабочего тела после турбины охлаждается в регенераторе 4, а затем только часть его направляется на компрессор. В предлагаемом устройстве сразу после турбины отделяется та часть потока

0 рабочего тела, которую необходимо охладить как можно более значительно. Такое охлаждение осуществляется в первой ступени теплообменника-регенератора 3. Поскольку по линии высокого давления этой

5 ступени регенератора массовый расход больше, чем по линии низкого давления, то отработанное рабочее тело охлаждается в ней до требуемых низких температур.

0 В прототипе температура отработанного рабочего тела на выходе из теплообменника-регенератора будет выше, поскольку массовые расходы рабочего тела по обеим линиям одинаковы. Таким образом темпе5 ратура отработанного рабочего тела на входе в компрессор 10 ниже, чем в прототипе, а потому мощность, затрачиваемая на сжатие газа в компрессоре 10, меньше, а КПД (эффективность) предлагаемой энергоустановки соответственно выше.

Формулаизобретения Энергетическая установка, содержащая последовательно соединенные по ходу рабочего тела емкость рабочего тела, устройство повышения давления, связанные магистралью высокого давления теплообменник-регенератор и высокотемпературный теплообменник, турбину с генератором, выхлоп которой через теплообменник-регенератор и распределительное устройство сообщен с емкостью и окружающей средой, а также компрессор, подключенный своим выходом к магистрали высокого давления, отличающаяся тем,

0

5

что, с целью повышения эффективности, она содержит дополнительное распреде- лительное устройство, установленное на выхлопе турбины, а теплообменник-регенератор выполнен двухступенчатым с входом и выходом греющей среды в каждой ступени, причем входы ступеней подключены к дополнительному распределительному устройству, выход первой по ходу рабочего тела - к входу компрессора, а выход второй - к основному распределительному устройству, при этом компрессор подключен к магистрали высокого давления между ступенями теплообменника-регенератора.

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к газотурбинным и паротурбинным энергетическим установкам с разомкнутым контуром рабочего тела и ограниченным его запасом, преимущественно для транспортных средств. Установка содержит дополнительно распределительное устройство, установленное на выхлопе турбины, а теплообменник-регенератор выполнен двухступенчатым с входом и выходом греющей среды в каждой ступени, причем входы ступеней подключены к дополнительному распределительному устройству, выход первой по ходу рабочего тела подключен к входу компрессора, а выход второй - к основному распределительному устройству, при этом компрессор своим выходом подключён к магистрали высокого давления между ступенями теплообменника-регенератора. В результате обеспечивается низкая температура газа на входе в компрессор и за счет.этого уменьшение мощности, затрачиваемой на сжатие в нем газа, а в итоге - повышение эффективности установки. 1 ил.