PL172839B1

PL172839B1 - Sposób i uklad do wytwarzania energii PL PL

Info

Publication number: PL172839B1
Application number: PL93307477A
Authority: PL
Inventors: Thomas Kakovitch
Original assignee: Millennium Tech Inc
Priority date: 1992-08-14
Filing date: 1993-08-12
Publication date: 1997-12-31
Also published as: IL106648A; CN1083564A; EP0655101A1; CN1057585C; DK0655101T3; NZ255699A; IL106648A0; CA2142289A1; ES2111178T3; FI950633A7; HU9500415D0; EP0655101B1; GB2269634B; DE69314798T2; PL307477A1; KR950703116A; FI950633A0; JPH08500171A; MD784G2; RU95106594A

Abstract

1. Sposób wytwarzania energii, w którym energie cieplna, wystarczajaca do przeksztalcenia plynu roboczego w postaci cieklej w postac pary, doprowadza sie do plynu roboczego w urzadzeniu grzewczym i przepuszcza sie plyn roboczy w postaci pary do turbiny, w której nastepuje przeksztalcanie zawartej w parze energii w pare mechaniczna, z rozprezeniem i redukcja temperatury plynu robo- czego, a nastepnie zawraca sie rozprezony plyn roboczy w postaci skroplin o zredukowanej tempe- raturze do urzadzenia grzewczego, znamienny tym, ze do plynu roboczego w urzadzeniu grzewczym, dodaje sie gaz majacy mase czasteczkowa nie wie- ksza niz przyblizona masa czasteczkowa plynu ro- boczego, i poza urzadzeniem grzewczym oddziela sie gaz z plynu roboczego, po przejsciu plynu robo- czego i gazu przez turbine. F IG . 7 PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ do wytwarzania energii stosowany szczególnie w siłowniach parowych.

Dla wykonania użytecznej pracy, musi zaistnieć zmiana postaci energii, to jest z potencjalnej na kinetyczną, cieplnej na mechaniczną, mechanicznej na elektryczną, elektrycznej na mechaniczną, i tak dalej. Eksperymentalnie demonstrowana równoznaczność wszystkich postaci energii prowadzi do uogólnienia pierwszej zasady termodynamiki, stwierdzającego, że energia nie może być wytwarzana lub tracona, lecz jest zawsze zachowywana w takiej lub innej postaci. Tak więc, przy przekształcaniu energii z jednej postaci do innej, można zwiększać sprawność procesu dla maksymalizowania

172 839 wytwarzania pożądanej postaci energii, przy jednoczesnym minimalizowaniu strat energii w innych postaciach.

Wynalazek dotyczy przemiany energii cieplnej na energię mechaniczną, a w zzególności na wytwarzanie mocy elektrycznej, który to proces sprawia największe problemy ze względu na sprawność.

Ponieważ płyn roboczy stanowi istotny czynnik obiegu przemiany termodynamicznej, zatem znane są liczne procesy, w których płyn roboczy jest modyfikowany w celu zwiększenia pracy, która może być uzyskana z tego procesu. Przykładowo, patent USA nr 4 439 988 ujawnia obieg Rankina wykorzystujący ejektor do wtryskiwania gazowego płynu roboczego do turbiny. Poprzez stosowanie strumienicy do wtryskiwania lekkiego gazu do płynu roboczego, po ogrzaniu płynu roboczego i odparowaniu, turbina przetwarza dostępną energię przy mniejszym spadku ciśnienia niż byłoby to w przypadku stosowania jedynie głównego płynu roboczego, i występuje znaczny spadek temperatury płynu roboczego, umożliwiający pracę turbiny w środowisku o niskiej temperaturze. Lekkim gazem, który jest stosowany, może być wodór, hel, azot, powietrze, para wodna lub związek organiczny mający masę cząsteczkową mniejsza niż płyn roboczy.

Patent USA nr 4196 594 ujawnia wtryskiwanie gazu rzadkiego, takiego jak argon lub hel, do gazowego płynu roboczego, takiego jak para wodna stosowana do wykonywania pracy mechanicznej w silniku cieplnym. Dodawana para ma niższą wartość H niż płyn roboczy, gdzie wartość H oznacza Cp/Cv, gdzie Cp jest ciepłem właściwym przy stałym ciśnieniu, a Cv jest ciepłem właściwym przy stałej objętości.

Patent USA nr 4 876 855 ujawnia płyn roboczy do siłowni pracującej w oparciu o obieg Rankina, zawierający związek polarny i związek niepolarny, przy czym związek polarny ma masę cząsteczkową mniejszą niż masa cząsteczkowa związku niepolamego.

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania energii, w którym energię cieplną, wystarczającą do przekształcenia płynu roboczego z postaci ciekłej w postać pary, doprowadza się do płynu roboczego w urządzeniu grzewczym i przepuszcza się płyn roboczy w postaci pary do turbiny, w której następuje przekształcanie zawartej w parze energii w pracę mechaniczną, z rozprężeniem i redukcją temperatury płynu roboczego, Rozprężony płyn roboczy w postaci skroplin o zredukowanej temperaturze zawraca się do urządzenia grzewczego.

Istota wynalazku polega na tym, że do płynu roboczego w urządzeniu grzewczym dodaje się gaz mający masę cząsteczkową nie większą niż przybliżona masa cząsteczkowa płynu roboczego. Poza urządzeniem grzewczym oddziela się gaz z płynu roboczego, po przejściu płynu roboczego i gazu przez turbinę.

Oddzielony gaz zawraca się do urządzenia grzewczego, przy czym płyn roboczy stanowi wodę, a dostarczany gaz to wodór albo hel.

Gaz dodaje się do płynu roboczego w ilości około 0,1-9% wagowo, a korzystnie w ilości około 3-9% wagowo.

Płyn roboczy przenosi się do turbiny w temperaturze i ciśnieniu zbliżonym do krytycznej temperatury i ciśnienia płynu roboczego, przy czym płyn roboczy stanowi woda ogrzewana w urządzeniu grzewczym do około 647 K.

Przedmiotem wynalazku jest również układ do wytwarzania energii, zawierający urządzenie grzewcze na płyn roboczy i palnik do ogrzewania płynu roboczego w urządzeniu grzewczym, do postaci pary. Do urządzenia grzewczego podłączona jest turbina parowa, oraz skraplacz do chłodzenia i skraplania rozprężonego płynu roboczego w postaci pary, połączony z turbiną.

Istota wynalazku polega na tym, że urządzenie grzewcze zawiera zbiornik do doprowadzania gazu do płynu roboczego w urządzeniu grzewczym i przewód do zawracania ochłodzonego, skroplonego płynu roboczego do urządzenia grzewczego, oraz skraplacz do oddzielania gazu z ochłodzonego, skroplonego płynu roboczego.

Korzystnie, między skraplaczem a urządzeniem grzewczym układ zawiera dodatkowo przewód do zawracania oddzielonego gazu do urządzenia grzewczego, a wspomniany

172 839 zbiornik do doprowadzania gazu do płynu roboczego w urządzeniu grzewczym, zawiera wodór albo hel, przy czym urządzenie grzewcze zastosowane w układzie stanowi kocioł.

Praktycznym efektem dodania gazu do płynu roboczego w urządzeniu grzewczym jest znaczne zwiększenie entalpii, a tym samym ekspansji, której podlega płyn roboczy przy tym samym cieple i ciśnieniu.

Zgłaszający stwierdził, że przez połączenie pary wodnej z niewielką ilością, to jest 5 % wagowo gazu katalitycznego znacznej zmianie podlega współczynnik ściśliwości otrzymywanego gazu.

W efekcie dodanie niewielkiej ilości substancji katalitycznej do pary wodnej powoduje, że para pracuje znacznie zbliżona do stanu gazu idealnego, i może powodować znaczne zwiększenie dostępnej energii wyjściowej przy danym zakresie temperatur.

W poniższym równaniu, oznacznik a dotyczy własności towarzyszących samej parze wodnej, zaś oznacznik W reprezentuje własności towarzyszące parze wodnej z dodatkiem substancji katalitycznej, takie jak ciśnienie, objętość, masa cząsteczkowej i stałej (R). Na określenie współczynnika ściśliwości występuje zależność:.

₇ _ PVa Z^a - R_aT oraz

Z= “ R_WT

Powyższe równania mogą być połączone następująco;

Zw _ Pv_wZa - RwR Pv_aRaT (2) (3) (4) i jeżeli P i R są takie same w obydwu układach, wówczas wypadają z równania, które przybiera postać:

Zw _ Ra^w

Za -a Ι^νν W

Jednakże już pokazano, że teoretycznie Zw jest większe lub równe Za, a zatem:

RaVw lub o >1

Rw^a

RaVw > RwVa

Jednakże, wiemy również, że:

Ra =

Ma (6) (7)

())

Rw —

R

Mw (9) przez połączenie tych zależności z równaniem C uzyskujemy:

M_a ^VW - M_w ^Va (10)

172 839 lub

Wiemy również, że:

_v M_a ^Vw	> V_a	(11)
	V_a
V_a =	m_a	(12)
V_w =	Vw mm,	(13)

gdzie Va stanowi standardową ekspansję objętościową pary wodnej, a Vw stanowi ekspansję objętościową pary wodnej z dodatkiem substancji katalitycznej. Możemy zatem przepisać nierówność jako:

Mw Vw Vą M_a m_w m_a (14) lub

Mw

M_a _χ_ m_w

V_w > Va (15) m_a

W szczególnym rozważanym układzie, para wodna z dodatkiem 5% wagowo helu, masa cząsteczkowa (Ma) wody wynosi 18 i:

mm = i + 0,05 = 1,05 m_a ’ ’

Poprzez analizę określono, że Mwjest równe 15,4286, a zatem:

15,4)(85 (18) (1,05)

V_w > V_a (17)

Równanie 17 redukuje się do następującej nierówności:

V_w > 1,225 Va

Równania powyższe pokazują, że w danym zestawie warunków, ekspansja objętościowa połączenia pary wodnej i helu i/lub wodoru jest znacznie większa niż ekspansja objętościowa samej pary wodnej. Przez zwiększenie ekspansji objętościowej pary wodnej w danych warunkach można znacznie zwiększyć ilość pracy wykonanej przez tę parę.

Rozważania te udowodniono teoretycznie przez dokonanie koniecznych obliczeń entalpii dla danych układów. Dla określenia entalpii resztkowej płynu roboczego w szczególnym zakresie temperatur, konieczne jest stosowanie funkcji, która łączy ze sobą entalpię idealną i aktualną układu do uogólnionej funkcji ściśliwości:

h* — h Tc

R T©^ Pr · dhT_r (1) gdzie lewa strona równania stanowi entalpię resztkową gdy ciśnienie wzrasta od zera do danego ciśnienia przy stałej temperaturze.

Przeprowadzono również obliczenia dotyczące zmiany entalpii dla danych zmian temperatury i ciśnienia. Po dodaniu do pary wodnej 5% helu, zmiana entalpii wzrasta w każdym przypadku o około 30 kJ na kilogram masy wody.

172 839

Teoria ta została zastosowana dla uwalniania entalpii z pary wodnej, jednakże tak samo nadaje się do dowolnego i każdego płynu roboczego, który jest ogrzewany do stanu gazowego i który podlega rozprężeniu i ochłodzeniu dla wykonania pracy mechanicznej, Tak więc, dodanie do tego rodzaju płynu roboczego w urządzeniu grzewczym, gazu o mniejszej masie cząsteczkowej powoduje zwiększenie ilości wykonanej pracy przy tym samym cieple wejściowym.

Przedmiot wynalazkujest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia wykres współczynnika ściśliwości Z w funkcji zredukowanego ciśnienia dla samej pary wodnej i połączeń pary wodnej z rozmaitymi gazami, fig. 2 powiększoną część wykresu z fig. 1, fig. 3 - wykres współczynnika ściśliwości Z w funkcji temperatury i ciśnienia samej pary wodnej, pary wódnej z helem i pary wodnej z wodorem, fig. 4 - wykres zmiany entalpii w funkcji temperatury i w funkcji ciśnienia pary wodnej, fig. 5 - wykres zmiany entalpii w funkcji temperatury i w funkcji ciśnienia dla pary wodnej z 5% helu, fig. 6 - wykres zmiany entalpii w funkcji temperatury i w funkcji ciśnienia dla pary wodnej samej i pary wodnej z 5% helu, fig. 7 - schemat układu do wytwarzania energii z zastosowaniem wody jako płynu roboczego, fig. 8 - wykres temperatury w funkcji czasu dla rozmaitych substancji ogrzewanych w układzie pokazanym na fig. 7, fig. 9 - wykres ciśnienia w funkcji czasu dla rozmaitych materiałów ogrzewanych w układzie z fig. 7.

Na figurze 2 pokazano współczynniki ściśliwości Z dla mieszanin pary i innych gazów. Zmiana ściśliwości mieszaniny jest szczególnie znaczna, gdy doda się do pary wodór lub hel.

To zwiększenie wartości Z jest również pokazane na fig. 3, zawierającej wykres komputerowy w trzech wymiarach w funkcji zarówno zredukowanego ciśnienia, jak i zredukowanej temperatury. Poprzez pracę w zakresie przekraczającym zarówno temperaturę krytyczną, jaki ciśnienie krytyczne, wzrost Zjest nawet bardziej znaczący.

Na figurze 4 pokazano zmianę entalpii dla samej pary, zaś fig. 5 przedstawia zmianę entalpii przy dodaniu do pary 5% helu. Wykresy te są nałożone na siebie na fig. 6 i wykazują znaczący rezultat.

W układzie wykonanym jak pokazano na fig. 7 zastosowano urządzenie grzewcze 12 w postaci kotła służącego do ogrzewania płynu roboczego, w tym przypadku wody. Do kotła jest podłączony zbiornik 14 dla doprowadzania do płynu roboczego gazu. Wyjście kotła jest połączone z turbiną 16, która wytwarza energię mechaniczną pobieraną przez generator 18. Płyn roboczy rozprężający się w turbinie 16 jest gromadzony przez zbiornik 20 i skraplany z powrotem do postaci płynu w skraplaczu 22. Skraplacz 22 oddziela dodany gaz od ciekłego płynu roboczego, który jest następnie zawracany przewodem 23, do kotła, a oddzielony gaz zawracany jest przewodem 24. Przy zastosowaniu odpowiedniej technologii, gaz może również być oddzielony od pary wodnej przed turbiną.

Praktycznie, zastosowany kocioł stanowi dostępne przemysłowo urządzenie, sprzedawane pod nazwą handlową BABY GIANT, Model BG-3.3 przez The Electro Steam Generator Corporation z Aleksandrii, Virginia. Kocioł jest ogrzewany przez grzejnik zanurzeniowy wykonany ze stali nierdzewnej, pobierający 3,3 kW i wytwarzający około 10 kJ energii cieplnej na godzinę. Kocioł zawierał mierniki temperatury i ciśnienia odczytujące temperaturę i ciśnienie w kotle. Do układu dodano dodatkowe mierniki dla odczytywania temperatury pary wodnej i ciśnienia za kotłem. Do kotła dodano również zawory dla umożliwiające dodawanie gazów do płynu roboczego w kotle.

Rolę turbiny pełniła 12-woltowa prądnica samochodowa, mająca przyspawane żeberka.

Rezultaty rozmaitych przebiegów są pokazane w tabelach 1 i 2. Podstawowy płyn roboczy stanowiła woda, oraz woda z dodatkami 5% helu, 5% neonu, 5% tlenu i 5% ksenonu. Odczytów temperatury i ciśnienia dokonywano początkowo przy włączonym układzie, i w czasach 30, 60 i 90 minut, zarówno dla wody jak i pary wodnej.

172 839

Tabela 1

Temperatura K

	Para wodna	Para wodna & hel	Para wodna & neon	Para wodna & tlen	Para wodna & ksenon
Podstawowa	294,1	291,3	294,1	294,1	294,1
30 minut	355,2	349,6	352,4	355,2	355,2
60 minut	403	391,3	398	400,8	403
90 minut	464,1	427,4	456,3	460,8	464,1

Tabela 2

Ciśnienie, PMa

	Para wodna	Para wodna & hel	Para wodna & neon	Para wodna & tlen	Para wodna & ksenon
Podstawowa	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1
30 minut	0,103	0,103	0,103	0,103	0,103
60 minut	0,225	0,256	0,232	0,228	0,228
90 minut	0,471	0,509	0,471	0,471	0,471

Dane w tabelach 1 i 2 stanowią wartości przeciętne uzyskane dla wielu przebiegów.

Dane temperaturowe z tabeli 1 są przedstawione na fig. 8, zaś dane ciśnieniowe z tabeli 2 są zestawione na fig. 9. Rezultaty pokazane na tych wykresach są dość znaczne. Po 90 minutach, temperatura pary wodnej z dodatkiem helu jest najniższa z wszystkich płynów roboczych, i wynosi przeciętnie około 427,4 K. Temperatura pary wodnej z dodatkiem neonu jest trochę wyższa, około 456 K, niż pary wodnej z dodatkiem tlenu jest około 460, 8 K, zaś temperatury samej pary wodnej i pary wodnej z ksenonem wynoszą około 464,1 K.

Stwierdzono, że ta sama zależność daje się zastosować w ogólności do temperatury wody w kotle, przy kombinacji wody z helem wynoszącej około 366,3 K po 90 minutach, i wody z neonem około 374,6 K. Wszystkie inne kombinacje miały około 383 K.

Odnośnie ciśnienia, stwierdzono zastosowanie przeciwstawnej relacji. Para wodna z dodatkiem helu miała najwyższe ciśnienie, około 0,5 MPa. Wszystkie inne kombinacje miały w przybliżeniu to samo ciśnienie, przy czym zmierzone ciśnienie pary wodnej wynosiło około 0,471 MPa.

Ponadto do wyjścia prądnicy podłączono woltomierz. Odczyt dla samej pary wodnej wynosił 12 woltów. Dla pary wodnej + hel wyjście wynosiło do 18 woltów.

Tak więc jasne jest, że przez dodanie do kotła niewielkiej ilości helu, otrzymana temperatura po 90 minutach jest stosunkowo niska, zaś ciśnienie uzyskanej przy tej niskiej temperaturze jest stosunkowo wysokie. Jako rezultat tego wyższego ciśnienia, może być wykonane więcej użytecznej pracy przy tej samej energii wejściowej.

Do płynu roboczego może być dodana substancja 'katalityczna w szerokim zakresie, przykładowo około 0,1 do 50% wagowo. Im bliższa masa cząsteczkowa płynu roboczego, tym większa ilość substancji katalitycznej, która będzie konieczna. Tam gdzie płynem roboczym jest woda, jako dodatek zalecane jest 3-9% wagowo H2 lub He.

Zarówno wodór jak i hel zwiększają aktualną entalpię płynu roboczego i zwiększają współczynnik ściśliwości, zwiększając rozprężenie i umożliwiając wykonanie większej pracy mechanicznej. Ponadto, stwierdzono, że hel rzeczywiście ochładzał kocioł, redukując zużycie paliwa i zanieczyszczenie.

172 839

Wzrost entalpii i współczynnika ściśliwości są najbardziej znaczne, gdy praca przebiega przy krytycznej temperaturze i ciśnieniu płynu roboczego, dla wody 647 K i 22,12 MPa. Jakkolwiek do pracy przy tego rodzaju wysokich ciśnieniach są wymagane szczególne pojemniki, to jednak wyposażenie tego rodzaju jest dostępne i stosowane, przykładowo przy wytwarzaniu mocy z zastosowaniem reaktorów atomowych.

FIG. 1

172 839

optymalizacja pary wodnej, He, H2 5 procent (z)

tylko para

FIG. 3 entotpia

172 839 ίί>

is = >005 Para

α c

m

LO e>

u.

172 839 porównanie (0 (U

O

Ll

172 839

Temp,

co o

u» *ϊ* (>» > σ> r-4

Γ sr «4¹

CM σ» co

ΓΟ <£) ro ro uo <£>

co o

«-Η ro ro oo <N

172 839

MPa

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 4,00 zł

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania energii, w którym energię cieplną, wystarczającą do przekształcenia płynu roboczego w postaci ciekłej w postać pary, doprowadza się do płynu roboczego w urządzeniu grzewczym i przepuszcza się płyn roboczy w postaci pary do turbiny, w której następuje przekształcanie zawartej w parze energii w parę mechaniczną, z rozprężeniem i redukcją temperatury płynu roboczego, a następnie zawraca się rozprężony płyn roboczy w postaci skroplin o zredukowanej temperaturze do urządzenia grzewczego, znamienny tym, że do płynu roboczego w urządzeniu grzewczym, dodaje się gaz mający masę cząsteczkową nie większą niż przybliżona masa cząsteczkowa płynu roboczego, i poza urządzeniem grzewczym oddziela się gaz z płynu roboczego, po przejściu płynu roboczego i gazu przez turbinę.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że oddzielony gaz zawraca się do urządzenia grzewczego.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że płyn roboczy stanowi wodę.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że gaz stanowi wodór albo hel.
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że gaz dodaje się do płynu roboczego w ilości około 0,1-9% wagowo.
6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że gaz dodaje się w ilości około 3-9% wagowo.
7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że płyn roboczy przenosi się do turbiny w temperaturze i ciśnieniu blisko krytycznej temperatury i ciśnienia płynu roboczego.
8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że płyn roboczy stanowi woda ogrzewana w urządzeniu grzewczym do około 647 K.
9. Układ do wytwarzania energii, zawierający urządzenie grzewcze na płyn roboczy, palnik do ogrzewania płynu roboczego w urządzeniu grzewczym do postaci pary, przy czym do urządzenia grzewczego podłączona jest turbina parowa, oraz skraplacz do chłodzenia i skraplania rozprężonego płynu roboczego w postaci pary, połączony z turbiną, znamienny tym, że zawiera zbiornik (14) do doprowadzania gazu do płynu roboczego w urządzeniu grzewczym (12), przewód (23) do zawracania ochłodzonego, skroplonego płynu roboczego do urządzenia grzewczego, i skraplacz (22) do oddzielania gazu z ochłodzonego, skroplonego płynu roboczego.
10. Układ według zastrz. 9, znamienny tym, że między skraplaczem (22) i urządzeniem grzewczym (12), zawiera dodatkowo przewód (24) do zawracania oddzielonego gazu do urządzenia grzewczego (12).
11. Układ według zastrz. 9, znamienny tym, że zbiornik (14) zawiera wodór albo hel.
12. Układ według zastrz. 9, znamienny tym, że urządzenie grzewcze (12) stanowi kocioł.