PL200000B1

PL200000B1 - Sposób oraz urządzenie do zamiany energii cieplnej na pracę mechaniczną

Info

Publication number: PL200000B1
Application number: PL359030A
Authority: PL
Inventors: Andreas Emmel; Dragan Stevanovic
Original assignee: Atz Evus
Priority date: 2000-08-11
Filing date: 2001-08-07
Publication date: 2008-11-28
Also published as: EP1307641B1; SK1472003A3; HUP0303012A2; DK1307641T3; DE50104845D1; CZ2003328A3; SI1307641T1; DE10039246C2; US20040088980A1; DE10039246A1; CZ299234B6; US6799425B2; HU226324B1; CA2418842C; JP2004506832A; SK287637B6; WO2002014663A1; AU2001283785A1; CA2418842A1; ES2234873T3

Abstract

Opisano sposób zmiany energii cieplnej na prace mechaniczn a, przy czym do obiegu turbi- ny (T) wlaczany jest w tym celu naprzemiennie pierwszy (4) oraz drugi (9) zespó l przystosowa- ny do magazynowania energii cieplnej. Dla zwi ekszenia efektywno sci przedstawionego spo- sobu zaproponowano sch ladzanie spr ezonego gazu utleniaj acego (11) do temperatury T2 dru- giego cyklu pracy przed przepuszczeniem go przez pierwszy zespó l (4) przystosowany do magazynowania energii cieplnej i nast epnie przy jego przechodzeniu przez pierwszy zespó l (4), podwy zszenie w nast epnym etapie tempe- ratury do warto sci odpowiadaj acej temperaturze trzeciego stopnia T3 cyklu pracy. PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy sposobu zamiany energii cieplnej na prace mechaniczną, przy czym w celu zasilania w energię cieplną do obiegu turbiny naprzemiennie włączany jest przeznaczony do tego celu pierwszy oraz drugi zespół systemu. Ponadto, wynalazek dotyczy urządzenia do realizacji tego sposobu.

W dokumencie PL 164 615 opisano sposobu wytwarzania energii elektrycznej, w którym powietrze jest sprężane w kompresorze, a następnie schładzane w wymienniku ciepła i kierowane na turbinę napędzającą kompresor. W dalszym etapie gorące powietrze pod niskim ciśnieniem jest wprowadzane do ogniwa paliwowego, które wytwarza energię elektryczną.

Z kolei z DE 43 17 947 C1 znany jest sposób zamiany energii cieplnej gazu na pracę mechaniczną. W tym przypadku powietrze jest sprężane quasi-izotermicznie. Następnie sprężone powietrze ogrzewane jest izobarycznie przy zastosowaniu regeneratora (wymiennika) ciepła. Gorące sprężone powietrze podczas drugiego stadium jest z kolei nagrzewane za pomocą palnika i na koniec rozprężane w turbinie gazowej. Część strumienia gorącego sprężonego powietrza przed wlotem do palnika zostaje oddzielona i następnie wykorzystana do wstępnego podgrzania paliwa stosowanego w palniku.

Uchodzące z turbiny gazowej ciepłe powietrze doprowadzane jest przez drugi regenerator, który naprzemiennie włączany jest zamiast regeneratora pracującego w obiegu turbiny. Nagrzewanie sprężonego powietrza za pomocą regeneratora oraz umieszczonego za nim palnika wymaga nakładów. W przypadku zastosowania paliwa stałego przewidziano w tym rozwiązaniu zastosowanie urządzenia do jego gazyfikacji.

Z DE 44 26 356 A1 znane jest urzą dzenie do suszenia pasz zielonych, trocin itp., do wytwarzania energii cieplnej oraz energii elektrycznej. W tym rozwiązaniu w komorze spalania spalana jest biomasa. Gorący gaz spalinowy przepływa przez wymiennik cieplny. Tam oddaje on swoją energię cieplną do uprzednio sprężonego oraz już (wstępnie) podgrzanego powietrza. Gorące sprężone powietrze ulega rozprężeniu w turbinie gazowej. Ciepłe powietrze uchodzące z turbiny gazowej wykorzystywane jest do suszenia trocin, krajanek, paszy zielonej itp. Może ono być również doprowadzane jako wstępnie podgrzane powietrze do komory spalania. Urządzenie to stosowane jest w pierwszym rzędzie jako urządzenie do suszenia. Nie nadaje się ono do efektywnego wytwarzania energii elektrycznej. Współczynnik sprawności przy zamianie energii cieplnej na energię mechaniczną nie jest w tym przypadku szczególnie wysoki.

Z EP 0 654 591 A1 znane jest urządzenie do wytwarzania energii elektrycznej z zastosowaniem paliw. W tym przypadku sprężone powietrze ogrzewane jest za pomocą połączonych ze sobą szeregowo wymienników ciepła i na koniec doprowadzane do turbiny. Rozwiązanie to charakteryzuje się skomplikowaną konstrukcją i nie umożliwia osiągnięcia dużej efektywności.

W DE 39 31 582 A1 opisano sposób wykorzystywania wysokotemperaturowego ciepł a odpadowego. W tym przypadku stosuje się regeneracyjne akumulatory ciepła, które naprzemiennie przełączane są z układu odprowadzania gazów spalinowych do obiegu turbiny. Podobny sposób znany jest z Patent Abstracts of Japan JP 62085136 A jak również JP 61028726 A. Efektywność tego sposobu jest wyższa, nie jest jednak optymalna.

Celem niniejszego wynalazku jest wyeliminowanie wad występujących w rozwiązaniach znanych z dotychczasowego stanu techniki. W szczególności celem jest zapewnienie sposobu umożliwiającego efektywną zamianę energii cieplnej otrzymywanej ze spalania biomasy na pracę mechaniczną. Celem wynalazku jest ponadto dostarczenie ekonomicznego w wytwarzania i eksploatacji urządzenia do realizacji tego sposobu.

Przedmiotem wynalazku jest sposób zamiany energii cieplnej na pracę mechaniczną, charakteryzujący się tym, że do obiegu turbiny w celu magazynowania energii cieplnej naprzemiennie włącza się przeznaczony do tego pierwszy oraz drugi zespół turbiny, przy czym sposób składa się z następujących etapów:

a) sprężanie gazu utleniającego, przy czym jego temperatura podwyższana jest od temperatury otoczenia RT do temperatury T1 pierwszego stopnia, a jego ciśnienie podwyższane jest do wielkości przyjętej dla pierwszego stopnia sprężania,

b) schładzanie sprężonego gazu do temperatury T2 drugiego stopnia,

c) przepuszczanie sprężonego gazu przez pierwszy zespół turbiny w celu magazynowania energii cieplnej, przy czym temperatura gazu w tym etapie ulega podwyższeniu do temperatury T3 trzeciego stopnia,

PL 200 000 B1

d) rozprężanie gazu o ciśnieniu P1 w pierwszym etapie sprężania w turbinie gazowej do poziomu odpowiadającego w zasadzie ciśnieniu atmosferycznemu, przy czym gaz ulega schłodzeniu z temperatury T3 trzeciego stopnia do wartoś ci odpowiadają cej temperaturze T4 czwartego stopnia,

e) doprowadzenie gazów do komory spalania do spalania biomasy zainstalowanej odpowiednio w kierunku jego przepływu,

f) spalanie biomasy wraz z doprowadzonym gazem oraz

g) przepuszczenie gazu spalinowego przez drugi zespół służący do magazynowania w nim energii cieplnej.

W jednym z korzystnych wariantów realizacji sposobu według wynalazku schładzanie podczas etapu (b) realizuje się poprzez kontakt gazu z cieczą, w pierwszym rzędzie z wodą lub też przy zastosowaniu wymiennika cieplnego.

W innym korzystnym wariancie realizacji sposobu według wynalazku energię cieplną uzyskiwaną podczas etapu (b) w następstwie schładzania kumuluje się do wykorzystania w postaci ciepła użytkowego.

W jeszcze innym korzystnym wariancie realizacji sposobu według wynalazku podczas etapu (c) wydzieloną część strumienia gazu przepuszcza się przez przewód bocznikujący i doprowadza się do zespołów systemu w celu gromadzenia energii cieplnej.

W następnym korzystnym wariancie realizacji sposobu według wynalazku po etapie (d) część strumienia gazu oddziela się od strumienia głównego oraz kieruje w celu odprowadzenia z niej energii cieplnej do wymiennika cieplnego.

W dalszym korzystnym wariancie realizacji sposobu według wynalazku po etapie (d) część strumienia gazu oddziela się od strumienia głównego i doprowadza do biomasy w celu jej suszenia.

W kolejnym korzystnym wariancie realizacji sposobu według wynalazku z gazu spalinowego powstającego w procesie spalania oddzielane są cząstki stałe pyłu.

W innym korzystnym wariancie realizacji sposobu według wynalazku gazy spalinowe podczas etapu (d) schładzane są w czasie krótszym niż 200 ms do temperatury poniżej 150°C, a korzystnie do 90 - 110°C.

W jeszcze innym korzystnym wariancie realizacji sposobu według wynalazku dla temperatury gazów obowiązuje zależność: T2 < T1 < T4 < T3

W kolejnym korzystnym wariancie realizacji sposobu według wynalazku temperatura drugiego stopnia T2 jest niższa od 150°C, a korzystnie niższa od 100°C.

W nastę pnym korzystnym wariancie realizacji sposobu wedł ug wynalazku przez zespoł y sł u żące jako regeneratory zawierających granulowane złoże przeznaczone do magazynowania w nich energii cieplnej przepuszcza się naprzemiennie gaz oraz gaz spalinowy stykający się z granulatem o średnicy ziarna (Dmax), znajdującym się w przestrzeni o kształcie pierś cienia ograniczonej z jednej strony gorącym rusztem o kształcie cylindrycznym i z drugiej strony otaczającym go cylindrycznym rusztem zimnym, oraz przy czym w strefie dennej przestrzeni o kształcie pierścienia wykonany jest co najmniej jeden otwór wylotowy przeznaczony do wysypywania granulowanego złoża, przy czym podczas lub po przepuszczeniu gazu spalinowego wysypuje się z tej przestrzeni z góry ustaloną masę złoża granulowanego, w wyniku czego redukuje się naprężenia ściskające wywierane przez złoże na ruszt gorący oraz na ruszt zimny.

W dalszym korzystnym wariancie realizacji sposobu według wynalazku maksymalna średnica ziarna (Dmax) granulowanego złoża jest mniejsza niż 15 mm.

W innym korzystnym wariancie realizacji sposobu według wynalazku wysypywane złoże granulowane doprowadza się przy zastosowaniu transportującego je gazu do przestrzeni o kształcie pierścienia.

W jeszcze innym korzystnym wariancie realizacji sposobu według wynalazku po odseparowaniu granulowanego złoża od transportującego je gazu oddziela się frakcję pyłu zawartego w granulacie.

W następnym korzystnym wariancie realizacji sposobu według wynalazku do systemu włącza się naprzemiennie z pierwszym zespołem oraz z drugim zespołem trzeci zespół służący do magazynowania energii cieplnej w obiegu turbiny.

Przedmiotem wynalazku jest również urządzenie do zamiany energii cieplnej na pracę mechaniczną, charakteryzujące się tym, że jest zaopatrzone w obieg turbiny obejmujący

- sprężarkę służącą do sprężania zassanego gazu utleniającego,

- zespoły włączone zgodnie z kierunkiem przepływu strumienia gazów, służące do schładzania sprężonego gazu,

PL 200 000 B1

- jeden z zespołów włączony do systemu zgodnie z kierunkiem przepływu gazu, służący do schładzania pierwszego regeneratora z granulowanym złożem,

- turbinę gazową włączoną w kierunku przepł ywu gazu z regeneratora z granulowanym zł o ż em oraz w obieg podgrzewania wstępnego obejmujący - komorę spalania do spalania biomasy umieszczoną w linii przepływu gazu za pierwszym regeneratorem zawierającym granulowane złoże,

- drugi regenerator zawierający granulowane złoże umieszczonym w linii przepływu gazu za komorą spalania oraz

- zespoły służące do naprzemiennego włączania drugiego regeneratora do obiegu turbiny oraz pierwszego regeneratora zawierającego granulowane złoże.

W jednym z korzystnych wariantów realizacji urządzenia według wynalazku turbina gazowa, sprężarka oraz generator umieszczone są na wspólnym wale.

W innym korzystnym wariancie realizacji urządzenia według wynalazku za komorą spalania zainstalowane jest urządzenie do oczyszczania gazów spalinowych.

W jeszcze innym korzystnym wariancie realizacji urządzenia według wynalazku między turbiną gazową a komorą spalania zainstalowany jest wymiennik cieplny służący do odprowadzania energii cieplnej.

W kolejnym korzystnym wariancie realizacji urz ą dzenia wedł ug wynalazku w regeneratorze ze złożeni granulowanym uformowana jest przestrzeń w kształcie pierścienia ograniczoną cylindrycznym rusztem gorącym współosiowym z otaczającym go współosiowo rusztem zimnym, a w przestrzeni o kształcie pierścienia znajdującej się między rusztem gorącym a rusztem zimnym umieszczono złoże granulowane o maksymalnej wielkości ziarna (Dmax) oraz przy czym ruszt gorący oraz/lub ruszt zimny jest/są tak ukształtowane, że złoże granulowane podczas nagrzewania może zwiększać wymiar liniowy w kierunku promieniowym.

W następnym korzystnym wariancie realizacji urzą dzenia według wynalazku zespoły przeznaczone są do magazynowania w nich energii cieplnej przy zastosowaniu obiegu bocznikującego.

W dalszym korzystnym wariancie realizacji urządzenie według wynalazku zawiera trzeci regenerator ze złożem granulowanym oraz zespoły umożliwiające naprzemienne włączanie również trzeciego regeneratora ze złożem granulowanym, kwalifikującego się do stosowania zarówno w obiegu turbiny, jak i w obiegu podgrzewania wstępnego.

Jako gazy utleniające w sposobie według wynalazku bierze się pod uwagę powietrze, tlen, powietrze wzbogacone w tlen, itp. Gdy temperatura sprężonego gazu podwyższona zostanie w jednym etapie, tj. bez pośredniego przyłączania dalszego źródła ciepła do poziomu odpowiadającego wartości T3, wówczas wydajność sposobu jest szczególnie duża. Możliwy do osiągnięcia sumaryczny współczynnik sprawności kształtuje się w przybliżeniu na poziomie 74%.

Schładzanie na etapie b) może być realizowane przy użyciu środowiska ciekłego, przede wszystkim wody, względnie z zastosowaniem wymiennika ciepła. Energia cieplna uzyskana w następstwie schładzania podczas tego etapu cyklu może być wykorzystana w postaci ciepła użytkowego. Podwyższa to dodatkowo wydajność sposobu według wynalazku.

W ramach etapu c) część strumienia gazu można skierować, przez zastosowanie odpowiedniego przewodu bocznikującego, do ośrodka kumulującego energię cieplną. Można tym sposobem ograniczyć straty spowodowane odprowadzaniem gazów spalinowych.

Zgodnie z etapem d) część gazu jest celowo oddzielana i kierowana przez wymiennik ciepła w celu odprowadzenia energii cieplnej oraz/lub przepuszczana przez biomasę przeznaczoną do spalania w celu jej wysuszenia. Zgodnie z kolejną cechą zastosowanego rozwiązania, oddziela się pył zawarty w gazie spalinowym. Pył ten oddzielać można przykładowo za pomocą urządzenia odpylającego (cyklonu).

Szczególnie korzystne okazało się schładzanie w ramach etapu g) gazu spalinowego w czasie krótszym niż 200 ms do temperatury poniżej 150°C, a korzystniej 90 do 110°C, gdyż dzięki temu sposobem praktycznie wyklucza się powstawanie szkodliwych dioksyn oraz związków furanowych.

Dla temperatury gazu obowiązuje korzystna zależność:

T2 < T1 < T4 < T3

Druga temperatura T2 jest korzystnie niższa od 150°C, a w szczególności niższa od 100°C. Za pośrednictwem regeneratorów korzystnie gaz roboczy oraz gazy spalinowe przepuszczane są na przemian przez złoże, składające się z granulatu o maksymalnej średnicy ziarna, umieszczone

PL 200 000 B1 w przestrzeni zamknię tej o kształ cie pierś cienia, ograniczonej z jednej strony przez cylindryczny gorą cy ruszt oraz z drugiej strony przez otaczający go ruszt zimny, przy czym w dnie przestrzeni o kształcie pierścienia znajduje się co najmniej jeden otwór zsypowy przeznaczony do wysypywania granulatu, przy czym podczas, względnie po przepuszczeniu gazu spalinowego, odprowadzana jest z góry określona masa granulatu, w związku z czym następuje redukcja naprężeń ściskających wywieranych przez granulat na ruszt gorący oraz na ruszt zimny. Średnia wielkość ziarna granulatu tworzącego złoże jest korzystnie mniejsza niż 15 mm. Tak zwane regeneratory zasypowe, zawierające luźne złoże składające się z granulatu, pracujące z wykorzystaniem wyżej przedstawionego sposobu, są szczególnie wydajne w działaniu oraz wygodne z punktu widzenia łatwości ich napraw.

Wysypywane z regeneratora luźne złoże może być na powrót przeniesione do jego komory w kształcie pierścienia za pomocą strumienia gazu spełniającego funkcję czynnika transportowego. Równocześnie, po oddzieleniu materiału złoża (granulatu) od gazu użytego do jego transportu, usuwana jest jego frakcja w postaci pyłu. Funkcja złoża (zasypu), spełniającego rolę filtra odpylającego przepuszczany przezeń gaz procesowy, pozostaje w ten sposób zachowana. Ponadto, gaz transportowy odprowadzany do otoczenia nie ulega zanieczyszczeniu.

Aby możliwe było prowadzenie procesu w sposób quasi-ciągły, do obiegu turbiny można włączyć naprzemiennie z pierwszym względnie drugim zespołem trzeci zespół gromadzący energię cieplną.

W urzą dzeniu wedł ug wynalazku jako regeneratory wypeł nione granulowanym zł o ż em stosuje się korzystnie regeneratory znane z DE 42 36 619 C2 lub regeneratory znane z EP 0 908 692 A2. Odpowiednie fragmenty tych opisów włącza się niniejszym jako odnośniki. Zastosowanie tego rodzaju regeneratorów wypełnionych granulowanym złożem przyczynia się do uzyskiwania szczególnie wydajnego działania urządzenia.

Turbina gazowa, sprężarka oraz generator celowo umieszczone są na wspólnym wale, ponieważ dzięki bezpośredniemu wykorzystywaniu pracy mechanicznej, wykonywanej przez turbinę gazową w sprężarce i generatorze, unika się wówczas strat związanych z pokonywaniem sił tarcia.

Komora spalania może być usytuowana za urządzeniem służącym do oczyszczania gazowych produktów spalania (gazów spalinowych). Między turbiną gazową a komorą spalania może być ponadto zainstalowany wymiennik cieplny, służący do odprowadzania energii cieplnej. Rozwiązania te redukują poziom zanieczyszczania środowiska naturalnego, a także zwiększają wydajność urządzenia.

Jak wspomniano powyżej w szczególnie korzystnym wariancie realizacji urządzenia według wynalazku, w przypadku regeneratora wypełnionego granulowanym złożem, ruszt gorący o kształcie zasadniczo cylindrycznym otoczony jest współosiowo przez ruszt zimny, a w przestrzeni utworzonej między rusztem gorącym a zimnym, o kształcie pierścienia, umieszczone jest złoże w postaci granulatu o maksymalnej wielkości ziarna Dmax, przy czym ruszt gorący oraz/lub ruszt zimny ukształtowany jest w ten sposób, że złoże podczas nagrzewania może zwiększać wymiar długościowy w kierunku promieniowym. Tego rodzaju regenerator wypełniony granulowanym złożem odznacza się szczególnie dużą trwałością eksploatacyjną. Dane dotyczące szczegółów wykonania znaleźć można w opisie EP 0 908 692 A2. Regeneratory działające w oparciu o zastosowanie granulowanego złoża odznaczają się szczególnie małymi stratami energii oraz wysokimi wskaźnikami odzysku energii cieplnej.

Przy zastosowaniu urządzenia według wynalazku uzyskiwać można również wysokie współczynniki sprawności elektrycznej przy małych mocach elektrycznych, tj. poniżej 2 MW. Poza tym, za pomocą urządzenia według wynalazku możliwe jest odprowadzanie części energii cieplnej oraz przyłączanie odrębnego obiegu służącego np. do pozyskiwania ciepła użytkowego wykorzystywanego do suszenia.

Urządzenie według wynalazku w przykładach realizacji pokazano na rysunku, na którym: fig. 1 przedstawia schemat pierwszego wariantu obiegu czynników roboczych fig. 2 przedstawia schemat drugiego wariantu obiegu czynników roboczych fig. 3 przedstawia schemat trzeciego wariantu obiegu czynników roboczych oraz fig. 4 przedstawia schemat czwartego wariantu obiegu czynników roboczych.

Na fig. 1 przedstawiono pierwsze rozwiązanie konstrukcyjne urządzenia służącego do zamiany energii cieplnej na pracę mechaniczną.

W obiegu turbiny T zainstalowano spr ężarkę 1 z generatorem 2, umieszczoną na wale turbiny gazowej 3. Na linii przewodu prowadzącego od sprężarki 1 do pierwszego regeneratora 4 zainstalowano pierwszy wymiennik cieplny 5. Od pierwszego regeneratora 4 poprowadzony jest przewód do turbiny gazowej 3. Wychodzące z turbiny gazowej 3 odprowadzane z niej powietrze skierowane jest przez kolejny przewód do komory spalania 6 jako podgrzane wstępnie powietrze, służące w procesie

PL 200 000 B1 spalania. Komora spalania 6 stanowi zespół składowy obiegu podgrzewania wstępnego, oznaczonego na wykazie oznaczeń symbolem V. Jako następny surowiec wyjściowy, używany w procesie spalania w komorze spalania, stosowana jest biomasa, oznaczona na wykazie oznaczeń numerem 7. Wytworzony gaz spalinowy 19 poddawany jest oczyszczaniu z zastosowaniem urządzenia służącego do jego odpylania, np. cyklonu 8 i następnie doprowadzany jest do drugiego regeneratora 9. Ochłodzony gaz spalinowy 19 przepływa na koniec z drugiego regeneratora 9 do komina 10. Korzystnym rozwiązaniem dla pierwszego regenerator 4 i drugiego regenerator 9 jest zastosowanie granulowanego złoża, stanowiącego ich wypełnienie.

Działanie wyżej opisanego urządzenia jest następujące: powietrze oznaczone symbolem 11, o temperaturze otoczenia RT ok. 15°C zasysane jest przez sprężarkę oraz sprężane do ciśnienia P1 odpowiadającego pierwszemu stopniowi sprężania wynoszącego ok. 4 bary (400 kPa). Wzrasta przy tym temperatura powietrza 11 do temperatury T1 pierwszego stopnia, wynoszącej 200°C. W pierwszym wymienniku cieplnym 5 sprężone powietrze 11 ulega ochłodzeniu do temperatury T2 drugiego stopnia wynoszącej ok. 90°C. Ciśnienie odpowiadające pierwszemu stopniowi sprężania P1 pozostaje przy tym zasadniczo stałe. Wynosi ono na wejściu do pierwszego regeneratora 4 ok. 3,9 bara (390 kPa). Powietrze 11 kierowane jest przez pierwszą komorę o kształcie pierścieniowym pierwszego regeneratora 4, w której umieszczony jest gorący granulat, np. Al2O3 w postaci kulek o średnicy ok. 8 mm spełniający rolę akumulatora ciepła. W wyniku przepuszczania powietrza 11 przez gorący granulat temperatura tego powietrza wzrasta do trzeciego stopnia temperatury, wynoszącej ok. 825°C. Ciśnienie sprężonego powietrza 11 pozostaje zasadniczo nie zmienione. Wynosi ono na wlocie do turbiny gazowej 3 ok. 3,85 bara (385 kPa). Gorące sprężone powietrze 11 ulega następnie rozprężeniu w turbinie gazowej 3 i w konsekwencji wykonuje ono tym samym pracę mechaniczną. Rozprężone powietrze wydostaje się z turbiny gazowej 3 przy temp. ok. 560°C oraz ciśnieniu zbliżonym do atmosferycznego, wynoszącym 1,06 bara (106 kPa). Zostaje ono doprowadzone do komory spalania, jako służące w procesie spalania wstę pnie podgrzane powietrze 14. Nadmiar wstępnie podgrzanego powietrza 14 można oddzielić oraz jego energię cieplną wykorzystać jako ciepło użytkowe z zastosowaniem do tego celu drugiego wymiennika cieplnego 13. Podczas spalania biomasy 7 z zastosowaniem wstępnie podgrzanego powietrza niezbędnego w procesie jej spalania 14 powstają gorące gazy spalinowe 19 o temperaturze ok. 870°C. Gorące gazy spalinowe 19 poddawane są odpylaniu w urządzeniu zastosowanym do ich oczyszczania 8. Odprowadza się je następnie przez komorę pierścieniową 15 drugiego regeneratora 9 i po ochłodzeniu do ok. 110°C usuwa się je przez komin 10 do otoczenia.

Przy zastosowaniu nie pokazanego tu urządzenia regeneratory: pierwszy 4 oraz drugi 9 pracować mogą na przemian w obwodzie turbiny T, względnie w obwodzie podgrzewania wstępnego V.

W przypadku rozwiązania konstrukcyjnego urządzenia pokazanego na fig. 2 zamiast pierwszego wymiennika ciepła 5 zastosowano zespół 16 służący do wtryskiwania cieczy przez dyszę do obiegu turbiny T. Za pomocą tego zespołu możliwe jest wyregulowanie temperatury T2 na poziomie ok. 70°C. Tym samym możliwe jest uzyskiwanie szczególnie wysokiej sprawności turbiny gazowej 3. Współczynnik sprawności wytwarzania prądu (energii elektrycznej) może w ten sposób wzrosnąć do 34,4%. Równocześnie sumaryczny wskaźnik sprawności, z uwagi na zmniejszenie się sprawności cieplnej, obniża się do ok. 53%.

Jak pokazano na fig. 3, w pierwszym regeneratorze 4 włączonym do obiegu turbiny T magazynować można energię cieplną z zastosowaniem wyższych temperatur, dochodzących do 1100°C. W tym przypadku temperatura wstę pnie podgrzanego powietrza pierwszego regeneratora wynosi ok. 1055°C. Musi ono być przed wprowadzeniem do turbiny gazowej 3 za pomocą przewodu bocznikującego 17 ochłodzone strumieniem części powietrza pochodzącego z pierwszego wymiennika ciepła 5. Za pomocą zaworu regulacyjnego 18 temperaturę powietrza na wlocie do turbiny gazowej ustalić można na poziomie 825°C. W drugim regeneratorze 9 można w ten sposób osiągnąć mniejsze natężenie przepływu, przy czym masa gazu spalinowego ulega zredukowaniu 19. Ograniczone zostają straty, wynikające z odprowadzenia ciepła zawartego w gazie spalinowym oraz straty kominowe. Zwiększa to współczynnik sprawności sposobu według wynalazku.

Figura 4 przedstawia urządzenie, w którym oprócz regeneratora pierwszego 4 oraz regeneratora drugiego 9 przewidziano zastosowanie regeneratora trzeciego 20. Trzeci regenerator 20 może być włączany do obiegu turbiny T lub obiegu podgrzewania wstępnego V naprzemiennie z regeneratorem pierwszym 4 oraz z regeneratorem drugim 9. Zastosowano w tym celu umieszczone w odpowiednich przewodach zawory przełączające 21 do 32.

PL 200 000 B1

Wykaz oznaczeń na rysunku:

Sprężarka

Generator

Turbina gazowa

Pierwszy regenerator

Pierwszy wymiennik ciepł a

Komora spalania

Biomasa

Cyklon

Drugi regenerator

Komin

Powietrze

Pierwsza przestrzeń o kształcie pierścienia

Drugi wymiennik ciepła

Powietrze stosowane do spalania

Druga przestrzeń o kształcie pierścienia

Urządzenie do rozpylania wody przez dyszę

Przewód bocznikujący

Zawór regulacyjny

Gaz spalinowy

Trzeci regenerator

21-32 Zawory przełączające

T Obwód turbiny

V Obwód podgrzewania wstę pnego

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób zamiany energii cieplnej na pracę mechaniczną, znamienny tym, że do obiegu turbiny (T) w celu magazynowania energii cieplnej naprzemiennie włącza się przeznaczony do tego pierwszy (4) oraz drugi (9) zespół turbiny, przy czym sposób składa się z następujących etapów:

a) sprężanie gazu utleniającego (11), przy czym jego temperatura podwyższana jest od temperatury otoczenia RT do temperatury T1 pierwszego stopnia, a jego ciśnienie podwyższane jest do wielkości przyjętej dla pierwszego stopnia sprężania,

b) schładzanie sprężonego gazu (11) do temperatury T2 drugiego stopnia,

c) przepuszczanie sprężonego gazu (11) przez pierwszy zespół turbiny (4) w celu magazynowania energii cieplnej, przy czym temperatura gazu (11) w tym etapie ulega podwyższeniu do temperatury T3 trzeciego stopnia,

d) rozprężanie gazu o ciśnieniu P1 w pierwszym etapie sprężania w turbinie gazowej (3) do poziomu odpowiadającego w zasadzie ciśnieniu atmosferycznemu, przy czym gaz (11) ulega schłodzeniu z temperatury T3 trzeciego stopnia do wartości odpowiadającej temperaturze T4 czwartego stopnia,

e) doprowadzenie gazów (11, 14) do komory spalania (6) do spalania biomasy (7) zainstalowanej odpowiednio w kierunku jego przepływu,

f) spalanie biomasy (7) wraz z doprowadzonym gazem (14) oraz

g) przepuszczenie gazu spalinowego (19) przez drugi zespół (9) służący do magazynowania w nim energii cieplnej.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że schładzanie podczas etapu (b) realizuje się poprzez kontakt gazu (11) z cieczą, w pierwszym rzędzie z wodą lub też przy zastosowaniu wymiennika cieplnego.
3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że energię cieplną uzyskiwaną podczas etapu (b) w następstwie schładzania kumuluje się do wykorzystania w postaci ciepła użytkowego.
4. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że podczas etapu (c) wydzieloną część strumienia gazu (11) przepuszcza się przez przewód bocznikujący i doprowadza się do zespołów systemu (4, 9) w celu gromadzenia energii cieplnej.

PL 200 000 B1
5. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że po etapie (d) część strumienia gazu (14) oddziela się od strumienia głównego oraz kieruje w celu odprowadzenia z niej energii cieplnej do wymiennika cieplnego (13).
6. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że po etapie (d) część strumienia gazu (14) oddziela się od strumienia głównego i doprowadza do biomasy (7) w celu jej suszenia.
7. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że z gazu spalinowego (19) powstającego w procesie spalania oddzielane są czą stki stał e pył u.
8. Sposób wedł ug zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, ż e gazy spalinowe (19) podczas etapu (d) schładzane są w czasie krótszym niż 200 ms do temperatury poniżej 150°C, a korzystnie do 90 - 110°C.
9. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że dla temperatury gazów (11, 14) obowiązuje zależność: T2 < T1 < T4 < T3
10. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że temperatura drugiego stopnia T2 jest niższa od 150°C, a korzystnie niższa od 100°C.
11. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że przez zespoły (4, 9) służące jako regeneratory zawierających granulowane złoże przeznaczone do magazynowania w nich energii cieplnej przepuszcza się naprzemiennie gaz oraz gaz spalinowy stykający się z granulatem o średnicy ziarna (Dmax), znajdującym się w przestrzeni o kształcie pierścienia (12, 15) ograniczonej z jednej strony gorącym rusztem o kształcie cylindrycznym i z drugiej strony otaczającym go cylindrycznym rusztem zimnym, oraz przy czym w strefie dennej przestrzeni o kształcie pierścienia (12, 15) wykonany jest co najmniej jeden otwór wylotowy przeznaczony do wysypywania granulowanego złoża, przy czym podczas lub po przepuszczeniu gazu spalinowego (19) wysypuje się z tej przestrzeni z góry ustaloną masę złoża granulowanego, w wyniku czego redukuje się naprężenia ściskające wywierane przez złoże na ruszt gorący oraz na ruszt zimny.
12. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że maksymalna średnica ziarna (Dmax) granulowanego złoża jest mniejsza niż 15 mm.
13. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że wysypywane złoże granulowane doprowadza się przy zastosowaniu transportującego je gazu do przestrzeni o kształcie pierścienia (12, 15).
14. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że po odseparowaniu granulowanego złoża od transportującego je gazu oddziela się frakcję pyłu zawartego w granulacie.
15. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że do systemu włącza się naprzemiennie z pierwszym zespołem (4) oraz z drugim zespołem (9) trzeci zespół służący do magazynowania energii cieplnej w obiegu turbiny (T).
16. Urządzenie do zamiany energii cieplnej na pracę mechaniczną, znamienne tym, że jest zaopatrzone w obieg turbiny (T) obejmujący sprężarkę (1) służącą do sprężania zassanego gazu utleniającego (11), zespoły (5, 16) włączone zgodnie z kierunkiem przepływu strumienia gazów, służące do schładzania sprężonego gazu (11), jeden z zespołów (5, 16) włączony do systemu zgodnie z kierunkiem przepływu gazu, służący do schładzania pierwszego regeneratora z granulowanym złożem (4), turbinę gazową (3) włączoną w kierunku przepływu gazu z regeneratora z granulowanym złożem (4), oraz w obieg podgrzewania wstępnego (V) obejmujący komorę spalania (6) do spalania biomasy (7) umieszczoną w linii przepływu gazu za pierwszym regeneratorem (4) zawierającym granulowane złoże, drugi regenerator (9) zawierający granulowane złoże umieszczonym w linii przepływu gazu za komorą spalania (6) oraz zespoły (21 - 32) służące do naprzemiennego włączania drugiego regeneratora (9) do obiegu turbiny (T) oraz pierwszego regeneratora (4) zawierającego granulowane złoże.
17. Urządzenie według zastrz. 15, znamienne tym, że turbina gazowa (3), sprężarka (1) oraz generator (2) umieszczone są na wspólnym wale.
18. Urządzenie według zastrz. 16 albo 17, znamienne tym, że za komorą spalania (6) zainstalowane jest urządzenie do oczyszczania gazów spalinowych (8).
19. Urządzenie według zastrz. 16 albo 17, znamienne tym, że między turbiną gazową (3) a komorą spalania (6) zainstalowany jest wymiennik cieplny (13) służący do odprowadzania energii cieplnej.

PL 200 000 B1
20. Urządzenie według zastrz. 16 albo 19, znamienne tym, że w regeneratorze ze złożem granulowanym (4, 9) uformowana jest przestrzeń w kształcie pierścienia ograniczona cylindrycznym rusztem gorącym współosiowym z otaczającym go współosiowo rusztem zimnym, a w przestrzeni (12, 15) o kształcie pierścienia znajdującej się między rusztem gorącym a rusztem zimnym umieszczono złoże granulowane o maksymalnej wielkości ziarna (Dmax), oraz przy czym ruszt gorący oraz/lub ruszt zimny jest/są tak ukształtowane, że złoże granulowane podczas nagrzewania może zwiększać wymiar liniowy w kierunku promieniowym.
21. Urządzenie według zastrz. 16 albo 17, znamienny tym, że zespoły (4, 9) przeznaczone są do magazynowania w nich energii cieplnej przy zastosowaniu obiegu bocznikującego (17).
22. Urządzenie według zastrz. 16 albo 17, znamienne tym, że zawiera trzeci regenerator (20) ze złożem granulowanym oraz zespoły (21 - 32) umożliwiające naprzemienne włączanie również trzeciego regeneratora ze złożem granulowanym (9), kwalifikującego się do stosowania zarówno w obiegu turbiny (T), jak i w obiegu podgrzewania wstępnego (V).