CZ2011179A3

CZ2011179A3 - Exploitation method of low-temperature energy sources

Info

Publication number: CZ2011179A3
Application number: CZ20110179A
Authority: CZ
Inventors: Rosecký@František
Original assignee: Rosecký@František
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2012-10-10

Abstract

Zpusob využití nízkoteplotních energetických zdroju spocívá v tom, že pracovní medium expanduje z teploty, která je nižší než teplota nízkoteplotního zdroje, pricemž se oddelí led, sníh, nebo kapalina, od plynu. Led nebo kapalina prijme teplo z teplonosného media a dopraví se na pocátek expanze napájecím zarízením, prípadne s mezichlazením a je opet pripraven k expanzi, zatímco plyn projde jednostupnovou nebo vícestupnovou kompresí, prípadne s mezichlazením, a je rovnež znovu pripraven k expanzi. Tento zpusob umožnuje využít odpadní teplo z tepelných elektráren a tepelnou energii vod i vzduchu.The method of using low-temperature power sources is that the working medium expands from a temperature that is lower than the temperature of the low temperature source, separating ice, snow, or liquid from the gas. Ice or liquid receives heat from the heat transfer medium and is conveyed to the onset of expansion by a feed device, optionally with intermediate cooling, and is again ready for expansion, while the gas passes through a single or multi-stage compression, optionally with cooling, and is also ready for expansion again. This method makes it possible to utilize waste heat from thermal power plants and heat energy of both water and air.

Description

Vynález se týká způsobu využití nízkoteplotních energetických zdrojů, zejména odpadního tepla tepelných elektráren a dále pak tepelné kapacity vod a atmosféry.The invention relates to a method of utilizing low-temperature energy sources, in particular waste heat of thermal power stations, and also thermal capacity of water and atmosphere.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

U průmyslové výroby energie se vyskytuje značné množství odpadního tepla, které se doposud hromadně nevyužívá. Tepelná kapacita vod a atmosféry se rovněž široce nevyužívá pro výrobu elektrické energie. Používané oběhy tepelných motorů a strojů, to jsou oběhy parních turbin, pístových spalovacích motorů s vnějším a vnitřním spalováním a plynových turbin, nejsou schopny efektivně využívat nízkoteplotní energetické zdroje na výrobu elektrické energie.In industrial power generation, there is a considerable amount of waste heat, which is not yet widely used. The thermal capacity of water and the atmosphere is also not widely used for electricity generation. The used circulations of heat engines and machines, such as those of steam turbines, external and internal combustion piston engines and gas turbines, are unable to efficiently use low-temperature energy sources to generate electricity.

Jako příklad lze uvést spalovací motor s vnitřním spalováním. Pracovní medium se nejprve stlačuje adiabaticky. Spálení paliva je nahrazeno dvojicí stavových změn, izochorickou a izobarickou, provázených přívodem tepla. Následuje adiabatická expanze a výfuk spalin do atmosféry.An internal combustion engine is an example. The working medium is first compressed adiabatically. Fuel combustion is replaced by two state changes, isochoric and isobaric, accompanied by heat supply. This is followed by adiabatic expansion and flue gas exhaust into the atmosphere.

Ze známých způsobů a zařízení využívajících nízkoteplotní zdroje energie lze uvést například řešení podle spisu WO 2004055352. Jde o způsob využití nízkoteplotního tepelného zdroje, jako atmosférického vzduchu, kdy tepelná energie ze slunečního kolektoru nebo jiného zdroje energie se použije k ohřátí vzduchu následně dodávaného turbíně nebo tlakové komoře pístového motoru v systému, který pohání generátor. Vzduch z okolí je dodávaný a nejprve předehřátý v případě turbíny ve výměníku tepla a poté dodáván kolektoru. V případě pístového motoru je vzduch z okolí před vstupem do slunečního kolektoru dodávaný a zahřátý přes chladicí část motoru. Vzduch z turbíny je veden do výměníku, kde odevzdá zbytkovou energii atmosférickému vzduchu, a poté ze soustavy odchází.Known methods and apparatuses using low temperature energy sources include, for example, WO 2004055352. It is a method of utilizing a low temperature heat source, such as atmospheric air, where thermal energy from a solar collector or other energy source is used to heat the air of a downstream turbine or the piston engine chamber in the system that drives the generator. Ambient air is supplied and first preheated in the case of a turbine in the heat exchanger and then supplied to the collector. In the case of a piston engine, ambient air is supplied and heated through the engine cooling section before entering the solar collector. The air from the turbine is led to the exchanger, where it transfers the residual energy to the atmospheric air and then leaves the system.

Ze spisu CN 101476496 je známa soustava zahrnující generátor, oběžné zařízení a obíhající pracovní médium. Oběžné zařízení má turbínu spojenou s generátorem, vzduchové chladicí zařízení, oběhové čerpadlo a parní generátor pro odebírání energie nízkoteplotního zdroje tepla; chladicí zařízení, oběhové čerpadlo a parní generátor jsou připojené sériově na výstup turbíny a výstup parního generátoru je spojený se vstupem turbíny pro uzavření oběžného okruhu, v němž je pracovním médiem kysličník uhličitý.From CN 101476496 a system is known comprising a generator, an impeller and a circulating working medium. The impeller has a turbine coupled to a generator, an air cooling device, a circulating pump, and a steam generator to extract energy from a low temperature heat source; the cooling device, the circulation pump and the steam generator are connected in series to the turbine outlet, and the steam generator outlet is connected to the turbine inlet to close a circulating circuit in which the working medium is carbon dioxide.

Ze spisu JP 7091213 je známa binární energetická soustava pro redukci absorpčního tlaku a kondenzačního tlaku za účelem zvětšení generovaného výkonu. Tepelný cyklus jeJP 7091213 discloses a binary power system for reducing absorption pressure and condensation pressure in order to increase the power generated. The thermal cycle is

-τ···· * ·« ·«·· ·· * «* « * · ···· • · · · · ·· *·· · · · · ·· *< ··· ·· ·· ······ vytvořený s neziotropickou směsí sloužící jako pracovní médium, a je provedený s absorbérem pro pohlcování páry ještě nezkondenzované na výstupu kondenzátoru. Když se komponenta s vysokou teplotou varu se oddělí pomocí odpařovacího přístroje od komponenty s nízkou teplotou varu, je užitá jako absorbční kapalina v absorbéru . Po absorpci kapaliny je teplo vyměněno se zkondenzovanou kapalinou předehřívačem, teplota absorpční kapaliny je dále snížená dalším chlazením zdrojem a to chladičem k přivedení absorpční kapaliny k absorbéru.-τ ···· · · «« «« «« «« <<<<<<<<<<<<<<< Formed with a non -ziotropic mixture serving as a working medium, and is provided with a vapor absorber not yet condensed at the condenser outlet. When the high boiling component is separated from the low boiling component by means of an evaporator, it is used as an absorbing liquid in the absorber. After the liquid absorption, the heat is exchanged with the condensed liquid by the preheater, the temperature of the absorption liquid is further reduced by further cooling by the source through a condenser to bring the absorption liquid to the absorber.

Zařízení podle spisu JP 61149507 se týká zařízení pro zvětšení efektivity rekuperace teplaz látky relativně nízké teploty, pomocí množství Rankinových cyklů, uspořádaných a zapojených sériově s ohledem na zdroj tepla. Například dvojité zařízení má dvě turbínové energetické systémy. V každém je odpařovač pro ohřev a odpařování pracovní látky, parní turbína, kondenzátor a čerpadlo pro oběh odpařené pracovní látky skrz systém, přičemž parní turbína pohání generátor. Odpařovač a chladič jsou uspořádané tak , že kapalné tepelné medium (zdroj tepelný a zdroj chlazení) jsou zapojené sériově, čímž i oba systémy jsou uspořádané v sérii. S tímto uspořádáním je možné zvětšit efektivitu rekuperace tepla.The device of JP 61149507 relates to a device for increasing the efficiency of the heat recovery of a relatively low temperature substance by means of a plurality of Rankine cycles arranged and connected in series with respect to the heat source. For example, a dual plant has two turbine power systems. In each there is an evaporator for heating and evaporating the working medium, a steam turbine, a condenser and a pump for circulating the evaporated working medium through the system, the steam turbine driving the generator. The evaporator and cooler are arranged so that the liquid thermal medium (heat source and cooling source) are connected in series, whereby both systems are arranged in series. With this arrangement, it is possible to increase the efficiency of heat recovery.

Ze spisu CN 101520254 je znám adsorpční způsob generování energie z nízkoteplotních zdrojů jako je sluneční energie, geotermální energie, energie biomasy nebo různé průmyslové odpadní teplo. Pracovním médiem je dvousložkové pracovní médium. V tepelném oběhu je složka s nízkou teplotou varu měněná do plynného stavu pro turbínu, která jí přeměňuje v práci a generuje elektřinu, a kapalná část dvousložkového pracovního média uvolňuje teplo v adsorpčním chladiči. Plynné pracovní medium na výstupu z turbíny je zpětně vstřebáno kapalným pracovním médiem tekoucím z výstupu adsorpčního chladiče aby byl ukončen pracovní cyklus. Zařízení kombinuje nízkoteplotní Rankine cyklus a adsorpční chladicí cyklus, a trvalý (spojitý) objem elektrické energie a chladné energie když spodní úroveň tepelné energie je spojitě recyklovaný, a tím je realizováno generování energie a chlazení využitím odpadního tepla o nízké teplotě.From CN 101520254 an adsorption method for generating energy from low-temperature sources such as solar energy, geothermal energy, biomass energy or various industrial waste heat is known. The working medium is a two-component working medium. In the thermal cycle, the low boiling component is changed to a gaseous state for the turbine, which converts it into work and generates electricity, and the liquid portion of the two-component working medium releases heat in the adsorption cooler. The gaseous working medium at the turbine outlet is re-absorbed by the liquid working medium flowing from the adsorption cooler outlet to terminate the duty cycle. The device combines a low temperature Rankine cycle and an adsorption cooling cycle, and a continuous (continuous) volume of electrical energy and cold energy when the lower level of thermal energy is continuously recycled, thereby generating energy and cooling using low temperature waste heat.

Ze spisu WO 2004070173 je znám termodynamický cyklus pro převádění energie z nízkoteplotního proudícího, externího zdroje do formy použití schopné energie pomocí pracovní látky ze směsi komponenty s nízkým bodem varu a komponenty s vyšším bodem varu a tlakových obvodů s nižším a vyšším tlakem. Efektivita získávání energie je dána recirkulací části kapalného toku před chlazením. Tento termodynamický cyklus je zvláště vhodný pro geotermální nízkoteplotní zdroje.WO 2004070173 discloses a thermodynamic cycle for converting energy from a low-temperature flowing, external source into a form of energy-efficient use of a working medium from a mixture of a low-boiling component and a high-boiling component and lower and higher pressure pressure circuits. The energy recovery efficiency is given by recirculating a portion of the liquid stream prior to cooling. This thermodynamic cycle is particularly suitable for geothermal low temperature sources.

Jsou známy i způsoby využití nízko Či středně teplotních tepelných zdrojů, jako je geotermální voda, olej, kouřové plyny či odpadní voda.Methods of using low or medium temperature heat sources such as geothermal water, oil, flue gases or waste water are also known.

« · · · • • «· · · • • • · • · • w • · • w • · ·· · · • • ·· · · • • • · • · • • * • • • * • • · • · * · * · • · • · • • ·· ·· ·* · * • · • · • · ♦ • · ♦ ·· · ·· ·

'Z*'OF*

Geotermální voda se užívá jako zdroj předehřívací jednotky pracovní látky (vody) v tradiční parní vodní elektrárně.Geothermal water is used as a source of preheating unit of the working substance (water) in a traditional steam hydro power plant.

Řešení pro využití entalpie nízko a středně teplotního tepelného zdroje a přetvoření tepla do elektrické energie je známo ze spisu GB 2162583. Jde o tzv. kaskádovou elektrárnu, kde teplo zdroje je užito pro ohřev či odpaření pracovní látky v první jednotce, poté toto teplo zásobuje druhou jednotku a následující. Každá jednotka vytváří stejný druh tepla.A solution for utilizing the enthalpy of a low and medium temperature heat source and converting heat into electrical energy is known from GB 2162583. It is a so-called cascade power plant where the heat of the source is used to heat or evaporate the working medium in the first unit. unit and following. Each unit generates the same kind of heat.

Ze spisu WO 2009045117 je znám způsob využití nízko a středně teplotních tepelných zdrojů, spočívající v předehřátí pracovní látky pomocí tepelného zdroje v nižším cyklu oběhového energetického systému, zahrnujícího dva (i více) tepelné pracovní cykly navzájem spojené přinejmenším jedním výměníkem tepla, kde pracovní látka v nižším cyklu je substance s nízkou vypařovací a relativně vysokou předehřívací entalpií, výhodně organická látka. Jako pracovní medium je ve vyšším cyklu použita voda, přičemž vysokoteplotní zdroj tepla jsou užíván pro předehřátí, vypařovaní a přehřátí pracovní látky v horním cyklu. Horní a nižší cykly jsou spojené výměníkem tepla, v němž pracovní látka z horního cyklu je zkapalněná a pracovní látka z nižšího cyklu se vypařuje.WO 2009045117 discloses a method of utilizing low and medium temperature heat sources by preheating a working medium by a heat source in a lower cycle of a circulating power system comprising two (or more) thermal working cycles connected to each other by at least one heat exchanger. The lower cycle is a substance with low evaporation and relatively high preheating enthalpy, preferably an organic substance. Water is used as the working medium in a higher cycle, and a high temperature heat source is used to preheat, evaporate and overheat the working medium in the upper cycle. The upper and lower cycles are connected by a heat exchanger in which the working cycle from the upper cycle is liquefied and the working cycle from the lower cycle evaporates.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Cílem vynálezu je nalézt způsob, který by umožnil využít odpadní teplo a tepelnou energii vod a vzduchu.The object of the invention is to find a method which makes it possible to utilize waste heat and thermal energy of water and air.

Princip je založen na tom, že tepelný oběh je schopen pracovat pod teplotou daného energetického zdroje, tedy jako energetický zdroj je možné využít i vzduch a vodu s běžnými teplotami.The principle is based on the fact that the heat circulation is able to work below the temperature of the given energy source, ie air and water at normal temperatures can also be used as the energy source.

Pracovní médium, které může existovat ve formě ledu sněhu, kapaliny, mokré páry suché páry (plynu) expanduje z teploty, která je nižší než teplota okolního nízkoteplotního zdroje. Na konci expanze se oddělí led,sníh, kapalina od suché páry (plynu).The working medium, which may exist in the form of ice of snow, liquid, wet steam of dry steam (gas), expands from a temperature that is below the temperature of the surrounding low-temperature source. At the end of the expansion, the ice, snow, liquid are separated from the dry steam (gas).

Led, sníh, kapalina se vede přes mezichladič a výměník, který přivede teplo z nízkoteplotního zdroje , napájecím zařízením zpět na počátek expanze.Ice, snow, liquid is passed through the intercooler and exchanger, which brings heat from the low-temperature source through the feed device back to the beginning of expansion.

Suchá pára (plyn) se případně přes mezichladič dopraví jednostupňovou či vícestupňovou kompresí na začátek expanze. Po kompresi se smíchá se složkou, která konci expanze byla ledem,sněhem nebo kapalinou.The dry steam (gas) is eventually transported through the intercooler by single or multi-stage compression to the beginning of the expansion. After compression, it is mixed with the component that was ice, snow or liquid at the end of the expansion.

Způsob podle vynálezu je účinný a spolehlivý, má vysokou efektivitu.The process according to the invention is efficient and reliable, has high efficiency.

Přehled obrázků na výkresech obr. 1 - znázorňuje schematicky dvojitý parní tepelný oběh.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 schematically shows a double steam heat cycle.

-1^--1 ^ -

• • ··· · ··· · 4 4 * * 4« 4 « • · • · 4 4 4 « 4 « 4 4 4 4 • • 4 4 4 4 • • • • 4 4 * * • • • 4 • 4 • • 4 4 4 4 4 4 • * • * 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 «4 «4 ··· ··· ·* · * 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 44 44

obr. 2 - znázorňuje p,i diagram oxidu uhličitého s dvojitým parním tepelným oběhem.Fig. 2 is a diagram of a dual steam heat cycle carbon dioxide.

Příklad provedení vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Na obr. 1 je znázorněn schematicky dvojitý parní tepelný oběh. Pracovní médium je v tomto příkladě oxid uhličitý.FIG. 1 schematically shows a double steam heat cycle. The working medium in this example is carbon dioxide.

Oxid uhličitý expanduje v turbíně. Expanze se zúčastní veškeré množství oxidu uhličitého. Na obr. 1 je expanze z bodu A do bodu Ba identicky z bodu 1 do bodu 2.The carbon dioxide expands in the turbine. All carbon dioxide will participate in the expansion. In Fig. 1, the expansion from point A to point Ba is identical from point 1 to point 2.

Ke konci expanze oxid uhličitý přejde fázovou hranici. Ve fázovém rozdělovači se led a sníh oxidu uhličitého oddělí od plynného oxidu uhličitého. Led a sníh oxidu uhličitého projde výměníkem z bodu C do bodu D a bodu E a změní se na kapalinu. Ve výměníku se směšovačem projde z bodu E do bodu F a do bodu A, přijme teplo z teplonosného média a je v bodě A opět připraven k expanzi.At the end of the expansion, carbon dioxide crosses the phase boundary. In the phase divider, the ice and snow of carbon dioxide are separated from the gaseous carbon dioxide. The ice and snow of carbon dioxide pass through the exchanger from point C to point D and point E and turn into liquid. In the mixer exchanger, it passes from point E to point F and point A, receives heat from the heat transfer medium and is ready to expand at point A again.

Plynný oxid uhličitý se začne komprimovat z bodu 3 do bodu 4 a v mezichladiči dosáhne bodu 5. Ve směšovači s výměníkem se smísí s oxidem uhličitým, který byl ledem, sněhem, kapalinou je opět připraven k expanzi. V tomto příkladě se po expanzi v oddělovači polovina oxidu uhličitého přemění ve sníh a suchý led a druhá polovina je ve formě plynného kysličníku uhličitého. Expanze se zúčastní veškeré množství oxidu uhličitého a kompresí projde jen polovina kysličníku uhličitého. Expanzní práce je tedy větší než je práce kompresní a práce napáječky.The gaseous carbon dioxide begins to compress from point 3 to point 4 and reaches point 5 in the intercooler. In the exchanger mixer, it is mixed with carbon dioxide, which was ice, snow, and the liquid is ready to expand again. In this example, after expansion in the separator, half of the carbon dioxide is converted to snow and dry ice, and the other half is in the form of carbon dioxide gas. Expansion involves all the amount of carbon dioxide and only half of the carbon dioxide is compressed. Thus, the expansion work is greater than the compression work and the drinker work.

Claims

PATENT CLAIMS

A method of utilizing low-temperature energy sources, characterized in that the working medium, which can exist as a gas, liquid, ice, snow, wet steam, dry steam, is expanded in a heat machine to a gas-liquid mixture or gas / ice / snow mixture. which is lower than the temperature of the low temperature source, at the end of the expansion, the ice, snow, working medium liquid is separated from the working medium gas and passed through a heat exchanger where it is heated to generate wet steam for expansion and admitted into the mixing vessel into which also enters the aforementioned gas after at least one-stage compression and is transferred from the mixing vessel again to the heat machine where it expands.