CZ344798A3

CZ344798A3 - Způsob přeměny tepla horkého plynného média na mechanickou energii a zařízení k jeho provádění

Info

Publication number: CZ344798A3
Application number: CZ19983447A
Authority: CZ
Inventors: Zdeněk Heřman
Original assignee: Zdeněk Heřman
Priority date: 1998-10-27
Filing date: 1998-10-27
Publication date: 2000-05-17

Abstract

Do horkého plynného média se vstřikuje kondenzát, kteiý se odpaří avzniklá směs páry a horkého plynného média expanduje na tlak nižší než atmosférický tím, že vyexpandovaná paroplynová směs se ochlazuje a vlhká pára obsažená v úplně vyexpandované paroplynové směsi vzniklé odpařenímkondenzátu a ochlazením přehřáté vodní páiy obsažené ve spalináchjako oxid vodíku, zkondenzuje a vzniklý kondenzát, oddělený od plynných složek, se vstřikuje do horkého plynného média a do vyexpandované paroplynové směsi. Zařízení pracující tímto způsobemje tvořeno zdrojem (1) horkého plynného média, např. spalovací turbínou nebo , pístovým spalovacímmotorem a expanzním strojem (2), např. expanzní turbínou, mezi nimižje vytvořen směšovací prostor (4) pro vstřik kondenzátuvstřikovacímventilem (5). Ve výfukovémpotrubí (7) expanzního stroje (2)je zařazen vstřikovací kondenzátor (13) a odlučovač (8) kondenzátu, jehož odpadní potrubí (9)je napojeno na vstřikovací čerpadlo (6).

Description

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu přeměny tepla jakéhokoliv horkého plynného média např. výfukových plynů spalovacích turbín nebo spalovacích motorů na mechanickou energii a zařízení k jeho provádění.

Dosavadní stav techniky

Energetická zařízení,např. spalovcí turbíny využívají tepelný spád horkého plynného média jen částečně. Známý způsob zařazení klasického parního zařízení za spalovací turbínu zlepší využití tepelného spádu spalin, avšak toto zařízení je složité, rozměrné a těžké, což je nevýhodné. Jsou rovněž známé tzv. integrální paroplynové cykly, které využívají teplo výfukových plynů spalovací turbíny pro vytvoření vodní páry, která pak společně se spalinami expanduje přímo ve spalovací turbíně. Nevýhodou těchto cyklů je velká spotřeba vody a značná technologická náročnost a nelze je tudíž použít u mobilních a malých spalovacích turbín.

Podstata vynálezu

Uvedené nevýhody odstraňuje způsob přeměny tepla horkého plynného média na mechanickou energii, jehož podstata spočívá v tom, že do horkého plynného média se vstřikuje kondenzát, který se odpaří a

9'9 ♦ · · · fr ·· ·· • fr * ι > '·

9 9 99

9 999 · ·

9 9 9 » ·< ·« vzniklá směs páry a horkého plynného média expanduje na tlak nižší než atmosferický tím, že vyexpandovaná paroplynová směs se ochlazuje a vlhká pára obsažená ve vyexpandované paroplynové směsi vzniklá odpařením kondenzátu a ochlazením přehřáté vodní páry obsažené ve spalinách jako oxid vodíku, zkondenzuje a vzniklý kondenzát oddělený od plynných složek se vstřikuje do horkého plynného média a do vyexpandované paroplynové směsi. Výhody způsobu podle vynálezu spočívají v tom, že pára vytvořená z kondenzátu zvětší množství pracovní látky, která pak expanduje v expanzním stroji na tlak nižší než atmosferický, čímž se zvýší jeho výkon (bez zvýšení spotřeby paliva) a tím i účinnost celého soustrojí. Oproti známému STIGu (vstřikování vody nebo páry do spalovací komory spalovací turbíny) je možno vstřikovat tak velké množství vody, aby teplota paroplynové směsi po expanzi v expanzním stroji byla v celém rozsahu zatížení cca 100 C. Množství odpadního tepla se tak sníží na minimum a vlhkou páru obsaženou ve vyexpandované paroplynové směsi je pak možno jednoduchým způsobem zkondenzovat. Pro provoz zařízení není potřeba trvalého zdroje vody a při úplném zkondenzování veškeré páry obsažené v paroplynové směsi při použití horkého plynného média, které vzniklo spalováním uhlovodíkových paliv, může naopak určité množství vody vyprodukovat, což je výhodné v oblastech s nedostatkem vody. Teplo obsažené v kondenzátu se vrací do pracovního oběhu (regenerace). Do jisté míry se využije spalné teplo paliva (horní výhřevnost) tím, že oxid vodíku vzniklý spálením paliva je zkondenzován. Určitou nevýhodou je nutnost odstranit z kondenzátu nežádoucí produkty spalování.

• ft ftftft· ftft ftft » ftft <

Přehled obrázků na výkresech

Na připojených výkresech jsou znázorněna zařízení k provádění způsobu podle vynálezu, kde na obr.l je zařízení podle vynálezu zařazené za spalovací turbínu. Na obr.2 je zařízení zařazeno za jakýkoliv pístový spalovací motor a na obr.3 je malá spalovací turbína vhodná pro pohon automobilů se zařízením podle vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Jak je patrno z obr.l je zařízení pro provádění způsobu podle vználezu tvořeno zdrojem horkého plynného média, např. spalovací turbínou a expanzním strojem,např. expanzní turbínou, přičemž mezi zdrojem i horkého plynného média a expanzním strojem 2 je vytvořen směšovací prostor 4 pro vstřik kondenzátu do horkého plynného média, ve kterém je umístěn vstřikovací ventil 5. napojený potrubím 10 na vstřikovací čerpadlo 6. V některých případech je výhodné umístit do směšovacího prostoru 4 jednoduchý protiproudý výměník 3, přičemž vstřikovací ventil 5. je uspořádán v úvrati obou proudů protiproudého výměníku 3.. Jednoduchý výměník 3. zajistí dokonalé odpaření kondenzátu a promísení vzniklé paroplynové směsi, aby na lopatky expanzního stroje 2 nedopadaly neodpařené kapky kondenzátu a aby teplota proudu expandující paroplynové směsi byla stejnoměrná. Na obou stranách teplosměnných ploch protiproudého výměníku 3. je stejný tlak a proudí stejné médium, mohou proto teplosměnné plochy mít minimální tloušťku a nemusí být hermeticky

utěsněné jak je to nutné u energetických zařízení s oddělenými pracovními médii. Protože odpařeným kondenzátem se zvětší množství pracovní látky expandující v expanzním stroji 2., má tento větší průtokový průřez než by odpovídalo druhému expanznímu stupni normální spalovací turbíny. Ve výfukovém potrubí 7 expanzního stroje 2. je umístěn vstřikovací kondenzátor 13 s ejektorem pro odsávání plynných složek jehož vstřikovací ventil 5 je napojený potrubím 10 na vstřikovací čerpadlo 6.. Pro oddělení kondenzátu od plynných složek je do výfukového potrubí 7. zařazen odlučovač 8. kondenzátu, jehož odpadní potrubí 9 je napojeno na vstřikovací čerpadlo 6. Pro případné úplné zkondenzování veškeré páry je nutné vyexpandovanou paroplynovou směs intenzivněji ochladit, proto je vhodné do vstřikovacího potrubí 10 přivádějícího kondenzát ke vstřikovacímu ventilu 5' vstřikovacího kondenzátu 13 zařadit chladič 11, zatím co do horkého plynného média se vstřikuje neochlazený kondenzát, případně kondenzát předehřívaný např. teplem vyzařovaným horkými částmi spalovací turbíny. Kondenzát získaný ochlazením paroplynové směsi může být s výhodou využit pro způsob zvyšování výkonu spalovací turbíny vstřikováním vody do sání kompresoru nebo do spalovací komory, přičemž množství vstřikované vody je neomezené, což je výhodné u mobilních spalovacích turbín a zejména u leteckých turbovrtulových motorů.

· · · • ·

Průmyslové využití

Zařízení podle vynálezu lze zařadit za jakýkoliv zdroj neúplně vyexpandovaného horkého plynného média, například za spalovací turbínu, a může tak nahradit dosavadní složitá a rozměrná parní zařízení pro využití odpadního tepla spalovacích turbín. Vzhledem k tomu, že zařízení podle vynálezu tvořené spalovací turbínou bude lehké a kompaktní, nebude potřebovat trvalý zdroj vody, ani rozměrné a těžké výměníky tepla, může být využito jako pohonná jednotka dopravních prostředků a to i jako turbovrtulový motor pro pohon dopravních letadel.

Horkým plynným médiem může být jakákoliv odpařená kapalina a proto lze zařízení použít v různých technologiích, např. v chemickém průmyslu.

Claims

PATENTOVÉ

NÁROKY

1.

Způsob přeměny tepla horkého plynného média na mechanickou energii vyznačený tím, že do horkého plynného média se vstřikuje kondenzát, který se odpaří a vzniklá směs páry a horkého plynného média expanduje na tlak nižší než atmosferický tím, že vyexpandovaná paroplynová směs se ochlazuje a vlhká pára obsažená ve vyexpandované paroplynové směsi vzniklá odpařením kondenzátu a ochlazením přehřáté vodní páry obsažené ve spalinách jako oxid vodíku, zkondenzuje a vzniklý kondenzát oddělený od plynných složek se vstřikuje do horkého plynného média a do vyexpandované paroplynové směsi.
2 Zařízení k provádění způsobu podle bodu 1. tvořené zdrojem horkého plynného média a expanzním strojem vyznačené tím, že mezi zdrojem (1) horkého plynného média a expanzním strojem (2) je vytvořen směšovací prostor (4) pro vstřik kondenzátu, ve kterém je umístěn vstřikovací ventil (5) napojený potrubím (10) na vstřikovací čerpadlo (6) a ve výfukovém potrubí (7) expanzního stroje (2) je umístěn vstřikovací kondenzátor (13) jehož vstřikovací ventil (5) je napojený potrubím (10) na vstřikovací čerpadlo (6) a za vstřikovacím kondenzátorem (13) je zařazen odlučovač (8) kondenzátu, jehož odpadní potrubí (9) je napojeno na vstřikovací čerpadlo (6).
3 .

Zařízení podle bodu 2. vyznačené tím, že ve směšovacím prostoru (4) pro vstřik kondenzátu je umístěn protiproudý výměník (3), přičemž vstřikovací ventil (5) je umístěn v úvrati obou proudů výměníku (3) .
4 .

Zařízení podle bodu 2. vyznačené tím, že do vstřikovacího potrubí (10') přivádějícího kondenzát ke vstřikovacímu ventilu (5') vstřikovacího kondenzátorů (13) je vřazen chladič (11) kondenzátu.
5.

Zařízení podle bodu 2. vyznačené tím, že do vstřikovacího potrubí (10) přivádějícího kondenzát do směšovacího prostoru (4) je zařazen předehřívák (12) kondenzátu.