PL203744B1

PL203744B1 - Urządzenie termodynamiczne

Info

Publication number: PL203744B1
Application number: PL351586A
Authority: PL
Inventors: Michael Noel Wendt; Patrick Joseph Glynn
Original assignee: Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation; Commw Scient Ind Res Org
Priority date: 1999-04-28
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2009-11-30
Also published as: EP1180208A4; CN1359447A; JP2002543323A; EA200101136A1; CA2371453C; US6629413B1; BR0010158A; EP1180208A1; CN1154791C; PL351586A1; EA002868B1; WO2000065213A1; CA2371453A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie termodynamiczne, wyposażone w układ odzyskiwania ciepła złożony z kompresora sprężającego ośrodek roboczy, z komory sprężania stanowiącej korzystnie turbinę gazową do rozprężania tego ośrodka, jak również w wymiennik ciepła połączony z kompresorem i komorą rozprężania, a zasilany ciepłem z oddzielnego źródła ciepła

Ze stanu techniki znane są od wielu lat urządzenia termodynamiczne pracujące w cyklu zamkniętym, na przykład silniki, pompy grzewcze, chłodnice itp. Urządzenia te charakteryzują się następującymi korzystnymi cechami:

- brak utleniania lub karbonizacji oś rodka wewną trz urządzenia,

- możliwość użycia różnych, zarówno standardowych, jak i niestandardowych paliw, na przykład zarówno węgla, jak i paliwa nuklearnego,

- możliwość użycia jako ośrodka roboczego gazu obojętnego, na przykład azotu lub helu,

- moż liwość uż ycia jako oś rodka roboczego gazów o duż ej wartoś ci ciepł a wł aś ciwego, zwię kszającego wydajność urządzenia,

- moż liwość zastosowania wysokich ciśnień sprężanego ośrodka roboczego (do wartości 20x10⁵ Pa) umożliwiających zmniejszenie wymiarów urządzenia,

- eliminacja koniecznoś ci filtracji oś rodka roboczego na wlocie do urzą dzenia,

- w przypadku rozprężarki stanowią cej turbinę wyeliminowanie erozji ł opatek turbiny,

- możliwość ograniczenia zużycia paliwa w przypadku pracy poniżej pełnej mocy urządzenia przez sterowanie ciśnienia wejściowego kompresora w zależności od temperatury wyjściowej kierownicy.

Efektywność pracy znanych urządzeń termodynamicznych pracujących w cyklu zamkniętym jest jednakże ograniczona do efektywności pracy silników gazowych pracujących w cyklu otwartym, nawet jeżeli są one wyposażone w rekuperatory do odzyskania części ciepła z gazów spalinowych.

Z uwagi na wymagania stawiane wymiennikom ciepł a urzą dzeń pracują cych w cyklu zamknię tym oraz związane z tym koszty i możliwość wykonywania prac konserwacyjnych korzystne jest stosowanie silników pracujących w cyklu otwartym.

Znane są również urządzenia termodynamiczne wyposażone w komorę rozprężania oraz w dodatkową komorę spalania, przystosowaną do określonego, zwykle wysokogatunkowego paliwa. Urządzenia tego typu nie mogą jednak być zasilane różnymi, między innymi niskogatunkowymi paliwami. Natomiast na rynku dostępne są po niskich cenach niskogatunkowe paliwa, takie jak niskogatunkowy węgiel, biomasy i nieprzerabialne odpady, zwłaszcza śmieci miejskie, które są zwykle pozostawiane na otwartej przestrzeni tworząc niepożądane wysypiska.

Celem wynalazku jest opracowanie konstrukcji takiego urządzenia termodynamicznego, zwłaszcza pracującego w cyklu zamkniętym, które wyeliminuje niedogodności znanych dotychczas podobnych urządzeń i będzie dostosowane do niskogatunkowych źródeł energii.

Cel wynalazku zrealizowano w konstrukcji urządzenia termodynamicznego według wynalazku, które charakteryzuje się tym, że jest dodatkowo wyposażone w układ akumulacji ciepła, połączony z jednej strony z wymiennikiem ciepł a zasilanym ciepł em z innego ź ródł a, na przykł ad zespoł u komór spalania, z drugiej zaś z wymiennikiem ciepła, drugostronnie włączonym w układ zamknięty ośrodka roboczego między kompresor a komorę rozprężania.

Układ akumulacji ciepła ma korzystnie postać zbiornika z wężownicą, przez którą przepływa materiał zmienno-fazowy w fazie ciekłej, połączoną z jednej strony z wymiennikiem ciepła zasilanym z dodatkowego źródła ciepła, z drugiej zaś z wymiennikiem ciepła zamkniętego układu wymiany ciepła wypełnionego ośrodkiem roboczym przepływającym z kompresora do komory rozprężania, przy czym zbiornik akumulacji ciepła jest wypełniony materiałem o wysokiej wartości ciepła właściwego.

Układ akumulacji ciepła jest korzystnie wyposażony w pompę materiału zmienno-fazowego włączoną między wymienniki ciepła.

Materiał zmienno-fazowy w układzie akumulacji ciepła stanowi korzystnie stop ołów-cyna Pb/Sn.

Materiałem o dużej wartości ciepła właściwego wypełniającym zbiornik układu akumulacji ciepła jest korzystnie chlorek sodu NaCI.

Ośrodkiem roboczym wypełniającym układ odzyskiwania ciepła jest korzystnie powietrze.

Ośrodkiem roboczym wypełniającym układ odzyskiwania ciepła jest korzystnie azot.

Ośrodkiem grzewczym przepływającym przez wymiennik ciepła są korzystnie gazy spalinowe.

Wężownica zbiornika układu akumulacji ciepła jest korzystnie bezpośrednio połączona z wężownicą ogniwa słonecznego, spełniającą rolę wymiennika ciepła.

PL 203 744 B1

Kierunek przepływu ośrodka przewodzącego, zwłaszcza gazów spalinowych, w wymienniku ciepła jest korzystnie przeciwny względem kierunku przepływu materiału zmienno-fazowego w układzie akumulacji ciepła.

Kierunek przepływu ośrodka roboczego w wymienniku ciepła układu odzyskiwania ciepła jest korzystnie przeciwny w stosunku do kierunku przepływu materiału zmienno-fazowego w układzie akumulacji ciepła.

Wymiennik ciepła jego układu akumulacji ciepła jest korzystnie zasilany gazami spalinowymi doprowadzanymi z zespołu komór spalania.

Zespół komór spalania jest korzystnie połączony z wlotem suszarki paliwa stałego.

Wymiennik ciepła jest korzystnie wyposażony w osadzony w nim przewód dopływu paliwa gazowego doprowadzający je do komory spalania względnie zespołu komór spalania.

Wymienniki ciepła są korzystnie wyposażone w kanał przepływu ośrodka roboczego oraz w kanał przepływu ośrodka przenoszenia ciepła.

Obydwa kanały przepływu wymienników ciepła są korzystnie do siebie równoległe i wzajemnie oddzielone przynajmniej jedną wspólną ścianką.

Układ akumulacji ciepła jest korzystnie wyposażony w zespół regulacji natężenia przepływu ośrodka przenoszenia ciepła stanowiącego materiał zmienno-fazowy.

Wymiennik ciepła jest korzystnie umieszczony na wylocie ośrodka roboczego z turbiny gazowej i ma postać obudowy wylotu tej turbiny z podwójnymi ś ciankami, mię dzy którymi przepł ywa oś rodek roboczy doprowadzany do turbiny, przy czym wewnątrz tej obudowy znajduje się przewód przepływu fazy ciekłej materiału zmienno-fazowego łączący zbiornik zawierający materiał o wysokiej wartości ciepła właściwego z pompą tego układu.

Wymiennik ciepła jest korzystnie umieszczony w rozszerzonej komorze między wlotem a wylotem gazów spalinowych doprowadzanych z zespołu komór spalania.

Układ wymiany ciepła wypełniony ośrodkiem roboczym i złożony z kompresora, wymiennika ciepła oraz komory rozprężania stanowiącej korzystnie turbinę gazową, jak również układ akumulacji ciepła z przepływającą w nim fazą ciekłą materiału zmienno-fazowego stanowią korzystnie układy zamknięte.

Układ zasilania w ciepło wymienników ciepła jest korzystnie układem otwartym.

Urządzenie według wynalazku jest korzystnie wyposażone w zespół komór spalania względnie w komorę spalania przystosowaną do spalania paliwa niskogatunkowego, zwłaszcza miału węglowego, biomasy lub odpadów.

Zespół komór spalania ma korzystnie postać pieca obrotowego.

Zespół komór spalania jest korzystnie wyposażony w zasobnik do dodawania do paliwa kamienia wapiennego.

Zespół komór spalania jest korzystnie przystosowany do spalania gazu kopalnianego o niewielkiej zawartości metanu.

Zespół grzewczy stanowi korzystnie ogniwo słoneczne przekształcające energię promieniowania słonecznego na ciepło i wyposażone w wężownicę połączoną przewodem z układem akumulacji ciepła.

Wymiennik ciepła stanowi korzystnie wymiennik zintegrowany z ogniwem akumulacji ciepła zawierającym stopiony chlorek sodu, przy czym wymiennik ciepła stanowi zespół rur, przez które przepływa ośrodek roboczy częściowo umieszczonych wewnątrz zbiornika zawierającego stopiony NaCI, a częściowo wewnątrz obudowy, przez którą przepływają gazy spalinowe z zespołu komór roboczych.

Badania eksploatacyjne wykazały, że urządzenie termodynamiczne według wynalazku, pracujące w cyklu zamkniętym, ma wyższą sprawność cieplną w stosunku do znanych podobnych urządzeń, gdyż odzyskuje część ciepła, które w innych urządzeniach jest ciepłem traconym. Urządzenie według wynalazku może teoretycznie przekształcić prawie 100% energii cieplnej w energię mechaniczną, podczas gdy sprawność znanych turbin częściowo odzyskujących ciepło odlotowe wynosi zaledwie 60%.

Ponadto cykl spalania jest w urządzeniu według wynalazku oddzielony od cyklu cyrkulacji ośrodka roboczego, wskutek czego paliwo może przebywać stosunkowo w długim czasie w komorze spalania, zapewniając jego całkowite spalenie, co nie jest możliwe w konwencjonalnych turbinach lub innych urządzeniach. Jako źródła ciepła w urządzeniu według wynalazku mogą być stosowane zarówno standardowe paliwa, na przykład gaz ziemny, ropa naftowa lub węgiel, jak i niestandardowe, na

PL 203 744 B1 przykład paliwo nuklearne. Natomiast ośrodkiem przekazującym ciepło może być powietrze, gazy kopalniane, woda lub inny stosowny płyn.

Badania eksploatacyjne opisanego wyżej urządzenia termodynamicznego wykazały, że uzyskuje ono sprawność przynajmniej o kilkanaście procent wyższą w stosunku do podobnych znanych urządzeń.

Urządzenie termodynamiczne według wynalazku jest uwidocznione w przykładowym rozwiązaniu konstrukcyjnym na rysunku, na którym: fig. 1 przedstawia schemat blokowy urządzenia przystosowanego do napędu turbiny i pracującego w cyklu zamkniętym; fig. 2 - schemat urządzenia według fig. 1; fig. 3 - schemat blokowy urządzenia termodynamicznego ze spalaniem pośrednim; fig. 4 -schemat blokowy odmiany urządzenia według fig. 3 przystosowanego do zasilania niskogatunkowym węglem lub gazem kopalnianym; fig. 5 -schemat blokowy innej odmiany urządzenia termodynamicznego ze spalaniem pośrednim, wyposażonego w układ akumulacji ciepła; fig. 6 - schemat układu akumulacji ciepła urządzenia przedstawionego na fig. 4 i 5; fig. 7 - schemat kolejnej odmiany urządzenia termodynamicznego ze spalaniem pośrednim, wyposażonego w kolektor promieniowania słonecznego jako dodatkowy układ grzewczy; fig. 8 - schemat blokowy urządzenia termodynamicznego według fig. 3, wyposażonego w układ odzyskiwania ciepła, a fig. 9 - schemat odmiany układu akumulacji ciepła urządzenia według fig. 6.

Urządzenie termodynamiczne 10 według wynalazku, przedstawione na fig. 1, przystosowane do napędu turbiny pracuje w cyklu zamkniętym. Jest ono wyposażone w kompresor 12 sprężający ośrodek roboczy, na przykład azot doprowadzany ze zbiornika 14 ośrodka roboczego o temperaturze początkowej T1 = 50°C. W trakcie sprężania temperatura ośrodka roboczego wzrasta i na wyjściu z kompresora 12 wynosi T2 = 280°C. Urządzenie termodynamiczne 10 jest również wyposażone w komorę rozprężania 16 połączoną z kompresorem 12 za pośrednictwem wymiennika ciepła 18.

Drugostronnie komora rozprężania 16 jest połączona z wlotem z kompresora 12 za pośrednictwem wymiennika ciepła 20, przez który w przeciwprądzie przepływa powietrze.

Dostarczony do komory rozprężania 16, sprężony w kompresorze 12 azot w temperaturze T2 ulega w niej rozprężeniu napędzając nieuwidocznioną na rysunku turbinę i wykonując pracę mechaniczną. Obieg azotu w urządzeniu termodynamicznym 10 jest zamknięty, co oznacza, że przepływa on całkowicie wewnątrz tego urządzenia.

Urządzenie termodynamiczne 10 jest ponadto wyposażone w komorę spalania 22, której jeden z wlotów jest połączony za pośrednictwem wymiennika ciepła 24 z wlotem paliwa, drugi zaś - za pośrednictwem wymiennika ciepła 20 z wlotem ośrodka przenoszenia ciepła, stanowiącego powietrze atmosferyczne. Powietrze atmosferyczne na wlocie wymiennika ciepła 20 ma temperaturę T5 równą temperaturze otoczenia, zaś po przepłynięciu przez wymiennik ciepła ogrzewa się od przepływającego przez ten wymiennik gorącego azotu do temperatury T6 = 440°C, w której to temperaturze powietrze jest wprowadzane do komory spalania 22.

Wypływający z kompresora 12 sprężony azot o temperaturze T2 = 280°C przepływa przez wymiennik ciepła 18, w którym w przeciwprądzie płyną spaliny - ogrzewa się w tym wymienniku do temperatury T3 = 1200°C, przy czym w komorze rozprężania 16 azot ten ulega rozprężeniu, a jego temperatura spada do wartości T4 = 470°C. Spadek ciśnienia i temperatury ośrodka roboczego, jakim jest azot, jest wynikiem wykonania pracy mechanicznej przez turbinę mającą na schemacie (fig. 1) postać komory rozprężania 16.

Po spaleniu paliwa w komorze spalania 22, spaliny mające temperaturę T7 = 1250°C przepływają naprzód przez wymiennik ciepła 18, w wyniku czego temperatura ta spada do wartości T8 = 330°C, a po przejściu przez wymiennik ciepła 24 uzyskuje temperaturę T9.

W przeciwprądzie do gazów spalinowych przepływa przez wymiennik 24 paliwo gazowe, którego temperatura T5 na wlocie jest w przybliżeniu równa temperaturze otoczenia, zaś na wylocie wymiennika 24 wynosi T10 = 315°C. Ogrzane do temperatury T10 = 315°C paliwo gazowe, korzystnie LPG, oraz ogrzane do temperatury T6 = 440°C powietrze przyczyniają się do całkowitego spalenia paliwa w komorze spalania 22.

Dzięki opisanej konstrukcji urządzenie termodynamiczne 10 odzyskuje ciepło we wszystkich trzech wymiennikach ciepła: 18, 20 i 24, odpowiednio zmniejszając ilość paliwa gazowego dostarczanego do komory spalania 22 i zapewniając w ten sposób odpowiednio wysoką sprawność cieplną urządzenia.

W całkowitym bilansie ciepła urządzenia tracona jest tylko ta ilość ciepła, która wynika z różnicy temperatur, a mianowicie temperatury T9 na wylocie gazów spalinowych i temperatury otoczenia T5

PL 203 744 B1 na wlocie powietrza do wymiennika ciepła 20, czyli temperaturą otoczenia. Zgodnie z określeniem sprawności cyklu Carnota maksymalna teoretyczna sprawność urządzenia termodynamicznego 10 według wynalazku wynosi:

T4 - T1 T3 - T2 = 98%

Fig. 2 przedstawia schemat przykładowego rozwiązania konstrukcyjnego urządzenia termodynamicznego 10 według wynalazku. Urządzenie termodynamiczne 10 składa się z następujących podstawowych zespołów: z kompresora 12, z komory rozprężnej 16, utworzonej przez turbinę silnika turbośmigłowego Allison 250B, z komory spalania 22, z trzech wymienników ciepła 18, 20 i 24 oraz z generatora mocy 26, napędzanego przez turbinę stanowiącą komorę rozprężną 16.

Poszczególne zespoły urządzenia są ze sobą wzajemnie połączone przewodami, tak jak na schemacie blokowym przedstawionym na fig. 1, tworząc dwa oddzielne obiegi, a mianowicie: obieg azotu stanowiącego ośrodek roboczy oraz obieg powietrza i gazu LPG, czyli paliwa gazowego oraz gazów spalinowych wytworzonych w komorze spalania 22. Obydwa obiegi są ze sobą sprzężone w wymienniku ciepła 18.

Działanie urządzenia termodynamicznego 10 przedstawionego na fig. 1 i 2 opisano poniżej:

Dostarczony ze zbiornika 14 (fig. 1) azot stanowiący ośrodek roboczy zostaje sprężony w osiowym, odśrodkowym kompresorze 12 do odpowiednio wysokiego ciśnienia, przy czym temperatura azotu wzrasta równocześnie na wejściu do turbiny do wartości około 1200°C. Wewnątrz dwustopniowej osiowej turbiny azot rozpręża się, przetwarzając równocześnie energię cieplną na energię mechaniczną wirnika turbiny, przy czym podczas tej konwersji temperatura azotu spada do wartości około 470°C. Rozprężony azot o tej temperaturze jest następnie doprowadzany w przeciwprądzie do wymiennika ciepła 20, w którym zostaje dalej ochłodzony przez wprowadzane do tego wymiennika powietrze atmosferyczne o temperaturze otoczenia. Wymiennik ciepła 20 stanowi konstrukcję ze spawanymi płytkami i ma sprawność około 95%. Przepływające przez ten wymiennik w przeciwprądzie do azotu powietrze atmosferyczne zostaje ogrzane do temperatury około 440°C, a następnie wprowadzane jako źródło tlenu do komory spalania 22. Drugostronnie wprowadzane jest do komory spalania 22 paliwo w postaci niskokalorycznego gazu kopalnianego LPG, które łącząc się w procesie spalania z tlenem z powietrza powoduje wzrost temperatury gazów spalinowych do wartości około 1250°C. Gorące gazy spalinowe przepływają w przeciwprądzie kolejno przez wymiennik ciepła 18, ogrzewając ośrodek roboczy, czyli azot (o czym była wyżej mowa), a następnie w przeciwprądzie w stosunku do wprowadzanego paliwa gazowego LPG przez wymiennik ciepła 24, ogrzewając w nim przepływające paliwo gazowe od temperatury otoczenia do temperatury około 315°C. Tak ogrzane paliwo doprowadzane jest do komory spalania 22, podnosząc odpowiednio temperaturę gazów spalinowych. Wymiennik ciepła 24 ma postać konwencjonalnego wymiennika płytkowego.

Ilość ciepła odzyskana zarówno w wymienniku ciepła 18 z gorących gazów spalinowych, jak i w wymienniku ciepła 24 z częściowo oziębionych gazów spalinowych, oraz w wymienniku ciepła 20 z rozprężonego rozgrzanego azotu odpowiednio obniża ilość paliwa niezbędnego dla podgrzania zarówno powietrza, jak i paliwa gazowego, zapewniając tym samym wysoką sprawność cieplną urządzenia termodynamicznego według wynalazku.

W celu minimalizacji strat ciepła wszystkie opisane wyżej zespoły urządzenia, jak również łączące je przewody mogą być izolowane cieplnie. Ilość ciepła traconego w ogólnym bilansie cieplnym urządzenia jest wprost proporcjonalna do różnicy temperatur odlotowych gazów spalinowych i temperatury otoczenia.

W przypadku częściowego zużycia mocy przez generator mocy 26, zużycie paliwa może być ograniczone przez regulację ciśnienia wejściowego azotu stanowiącego ośrodek roboczy i doprowadzonego ze zbiornika 14 do kompresora 12, co umożliwia zachowanie odpowiedniej temperatury wyjściowej spalinowych gazów odlotowych z wymiennika ciepła 24.

Fig. 3 przedstawia schemat blokowy urządzenia termodynamicznego 100 według wynalazku ze spalaniem pośrednim. Urządzenie to jest wyposażone w kompresor 112, służący do sprężania ośrodka roboczego, na przykład powietrza atmosferycznego, które w stanie sprężonym doprowadzane jest do komory rozprężania 114 stanowiącej turbinę gazową, na przykład turbinę Allison 250-C18 o mocy 250 kW. Turbinę tę zmodyfikowano przez usunięcie komory spalania i połączenie jej wlotu z wymiennikiem ciepła 116. Dzięki temu sprężone w kompresorze 112 powietrze przepływa w przeciwprądzie w wymienniku ciepła 116 z gazami spalinowymi doprowadzanymi do tego wymiennika

PL 203 744 B1 z zespołu komór spalania 122. Sprężone powietrze podgrzane w wymienniku ciepła 116 podlega rozprężeniu w turbinie gazowej 114, a jego energia cieplna przekształca się w energię mechaniczną napędzającą generator elektryczny 120 sprzężony z wałem tej turbiny 114. Drugostronnie wał turbiny jest sprzężony z kompresorem 112, nadając mu ruch obrotowy.

W odmianie konstrukcyjnej urządzenia termodynamicznego według wynalazku, przedstawionej na fig. 4, zespół komór spalania 122 ma postać pieca obrotowego zasilanego niskogatunkowym miałem węglowym, którego ziarna mają wymiary od 6 mm do 8 mm oraz ewentualnie dodatkowo odpadowym metanem kopalnianym. Jako czynnik utleniający doprowadzone jest do pieca obrotowego 122 powietrze odlotowe z turbiny gazowej 114, mające temperaturę około 470°C. Piec obrotowy 122 ma stosunkowo dużą powierzchnię roboczą, zapewniając całkowite spalenie metanu odpadowego oraz przynajmniej częściowe spalenie miału węglowego. Produkt wyjściowy z pieca obrotowego jest przekazywany do suszarki węgla, stanowiącej również wymiennik ciepła 124 i zasilanej przez częściowo ochłodzone w wymienniku ciepła 116 gazy spalinowe z pieca obrotowego, które na wylocie tego wymiennika mają temperaturę około 250°C. W przeciwprądzie przepływa przez wymiennik 116 sprężone powietrze z kompresora, mające temperaturę około 200°C, zaś na wylocie tego wymiennika 116, a przed wlotem do turbiny gazowej 114 - temperaturę około 1150°C. Podgrzane do tak wysokiej temperatury sprężone powietrze rozpręża się w turbinie gazowej 114, przekształcając swą energię cieplną na energię mechaniczną napędzającą sprzężony z tą turbiną generator elektryczny 120, jak również drugostronnie sprzężony z nią kompresor 112.

Popiół ze spalonego miału węglowego, odprowadzany z pieca obrotowego 122, może zostać korzystnie przetworzony na granulat mający zastosowanie jako lekki materiał budowlany, dodawany na przykład do żwiru. Do pieca obrotowego 122 względnie do suszarki węgla 124 może być dodawany kamień wapienny, przekształcający zawarte w węglu związki siarki w siarczan wapnia.

Urządzenie termodynamiczne 100, którego schemat blokowy jest przedstawiony na fig. 5, różni się od urządzenia termodynamicznego przedstawionego na fig. 3 tym, że prócz układu spalania pośredniego w postaci zespołu komór spalania 122 jest wyposażone w układ akumulacji ciepła 128, wypełniony materiałem akumulującym ciepło o wysokiej wartości ciepła właściwego. Układ akumulacji ciepła 128 jest ponadto wyposażony w dwa wymienniki ciepła 116A i 116B, wypełnione w systemie zamkniętym ośrodkiem przenoszenia ciepła, przy czym wymiennik 116A jest zasilany w przeciwprądzie gazami spalinowymi odprowadzanymi z zespołu komór spalania 122, zaś wymiennik ciepła 116B współpracuje w przeciwprądzie z przepływającym przez niego sprężonym i ogrzewanym w nim powietrzem przepływającym z wylotu kompresora 112 do wlotu turbiny gazowej 114.

Układ akumulacji ciepła 128, przedstawiony oddzielnie na fig. 6, ma postać izolowanego zbiornika wyposażonego w ogniwo NaCI o mocy 50 kW z przepływającym przez niego stopem eutektycznym Pb/Sn, utrzymywanym w fazie ciekłej przez podgrzewanie w wymienniku 116A gazem spalinowym doprowadzanym z zespołu komór spalania 122. Pompa 130 dostarcza ciekły stop eutektyczny Pb/Sn do układu akumulacji ciepła 128, przy czym znajdujące się wewnątrz tego układu przewody, przez które przepływa stop, mają postać zwojów, dzięki czemu do ogniw NaCI akumulujących ciepło przez krystalizację fazy ciekłej stopu w fazę stałą może być przekazana odpowiednio większa ilość ciepła. Natężenie przepływu stopionego stopu eutektycznego Pb/Sn przez połączony z układem akumulacji ciepła 128 wymiennik ciepła 116B może być sterowane za pomocą pompy 120, zapewniając kontrolę ilości ciepła przekazywanego do ośrodka przenoszącego ciepło, na przykład powietrza atmosferycznego.

Jeszcze inna odmiana urządzenia termodynamicznego według wynalazku, przedstawiona na fig. 7, jest wyposażona w ogniwo słoneczne 132, zastępujące zespół komór spalania 122 w rozwiązaniu konstrukcyjnym przedstawionym na fig. 6. Ogniwo słoneczne 132 stanowi przy tym część składową wymiennika ciepła odpowiadającego wymiennikowi 116A na fig. 6.

Odmiana rozwiązania konstrukcyjnego urządzenia termodynamicznego 100, której schemat jest przedstawiony na fig. 8, różni się od urządzenia według fig. 5 tym, że turbina gazowa 114 jest połączona zwrotnie z kompresorem 112 urządzenia za pośrednictwem dwóch dodatkowych wymienników ciepła 136 i 138. w których rozprężone lecz ogrzane powietrze odprowadzane z turbiny gazowej 114 służy do podgrzania strumienia powietrza atmosferycznego doprowadzanego do zespołu komór spalania 122, a ponadto układ akumulacji ciepła 128 jest zaopatrzony w dodatkowy wymiennik 134, którym wpływające do zespołu komór spalania 122 paliwo gazowe jest podgrzewane przez częściowo oziębione, ale jeszcze gorące gazy spalinowe odprowadzane z wymiennika ciepła 116A. Dzięki tej konstrukcji uzyskuje się dalsze podniesienie sprawności urządzenia termodynamicznego.

PL 203 744 B1

Fig. 9 przedstawia odmianę rozwiązania konstrukcyjnego wymiennika ciepła oraz układu akumulacji ciepła 140, którego ogniwo, o konstrukcji podobnej jak ogniwo akumulacji ciepła przedstawione na fig. 6, zawiera stopioną sól NaCI i jest wyposażone w układ rur 146 tworzących wymiennik ciepła 142, spełniający rolę wymiennika 116B urządzenia według fig. 5 i 6. Układ akumulacji ciepła 140 może stanowić oddzielny moduł względem wymiennika ciepła dla powietrza atmosferycznego stanowiącego ośrodek roboczy.

Opisane wyżej przykładowe rozwiązania konstrukcyjne urządzenia termodynamicznego według wynalazku mogą być oczywiście odpowiednio zmodyfikowane i zmienione, spełniając cel wynalazku i jego budowę określoną w zastrzeżeniach patentowych.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Urządzenie termodynamiczne, wyposażone w układ odzyskiwania ciepła złożony z kompresora sprężającego ośrodek roboczy, z komory sprężania stanowiącej korzystnie turbinę gazową do rozprężania tego ośrodka, jak również w wymiennik ciepła połączony z kompresorem i komorą rozprężania, a zasilany ciepłem z oddzielnego źródła ciepła, znamienne tym, że jest dodatkowo wyposażone w układ akumulacji ciepła (128), połączony z jednej strony z wymiennikiem ciepła (116A) zasilanym ciepłem z innego źródła, na przykład zespołu komór spalania (122), z drugiej zaś z wymiennikiem ciepła (116B), drugostronnie włączonym w układ zamknięty ośrodka roboczego między kompresor (112) a komorę rozprężania (114).
2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że układ akumulacji ciepła (128) ma korzystnie postać zbiornika z wężownicą, przez którą przepływa materiał zmienno-fazowy w fazie ciekłej, połączoną z jednej strony z wymiennikiem ciepła (116A) zasilanym z dodatkowego źródła ciepła (122, 132), z drugiej zaś z wymiennikiem ciepła (116B) zamkniętego układu wymiany ciepła wypełnionego ośrodkiem roboczym przepływającym z kompresora (112) do komory rozprężania (114), przy czym zbiornik akumulacji ciepła jest wypełniony materiałem akumulującym ciepło.
3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że układ akumulacji ciepła (128) jest wyposażony w pompę (130) materiału zmienno-fazowego włączoną między wymiennik ciepła (116B) i wymiennik ciepła (116A).
4. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że materiał zmienno-fazowy w układzie akumulacji ciepła (128) stanowi stop ołów-cyna Pb/Sn.
5. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że materiałem akumulującym ciepło, wypełniającym zbiornik układu akumulacji ciepła (128) jest chlorek sodu NaCI.
6. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że ośrodkiem roboczym wypełniającym układ odzyskiwania ciepła jest powietrze.
7. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że ośrodkiem roboczym wypełniającym układ odzyskiwania ciepła jest azot.
8. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że ośrodkiem grzewczym przepływającym przez wymiennik ciepła (116A) są gazy spalinowe.
9. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że wężownicą zbiornika układu akumulacji ciepła (128) jest bezpośrednio połączona z wężownicą ogniwa słonecznego (132), spełniającą rolę wymiennika ciepła (116A).
10. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że kierunek przepływu ośrodka przewodzącego, zwłaszcza gazów spalinowych, w wymienniku ciepła (116A) jest przeciwny względem kierunku przepływu materiału zmienno-fazowego w układzie akumulacji ciepła (128).
11. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że kierunek przepływu ośrodka roboczego w wymienniku ciepła (116B) układu odzyskiwania ciepła jest przeciwny w stosunku do kierunku przepływu materiału zmienno-fazowego w układzie akumulacji ciepła (128).
12. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że wymiennik ciepła (116A) jego układu akumulacji ciepła (128) jest zasilany gazami spalinowymi doprowadzanymi z zespołu komór spalania (122).
13. Urządzenie według zastrz. 12, znamienne tym, że zespół komór spalania (122) jest połączony z wlotem suszarki (124) paliwa stałego.
14. Urządzenie według zastrz. 12, znamienne tym, że jego wymiennik ciepła (116A, 24) jest wyposażony w osadzony w nim przewód dopływu paliwa gazowego doprowadzający je do komory spalania (22) względnie zespołu komór spalania (122).

PL 203 744 B1
15. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że jego wymienniki ciepła (116A, 116B, 18, 20, 24) są wyposażone w kanał przepływu ośrodka roboczego oraz w kanał przepływu ośrodka przenoszenia ciepła.
16. Urządzenie według zastrz. 15, znamienne tym, że obydwa kanały przepływu wymienników ciepła (116A, 116B, 18, 20, 24) są do siebie równoległe i wzajemnie oddzielone przynajmniej jedną wspólną ścianką.
17. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że jego układ akumulacji ciepła (128) jest wyposażony w zespół regulacji natężenia przepływu ośrodka przenoszenia ciepła stanowiącego materiał zmienno-fazowy.
18. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że jego wymiennik ciepła (116B) jest umieszczony na wylocie ośrodka roboczego z turbiny gazowej (114) i ma postać obudowy wylotu tej turbiny z podwójnymi ściankami, między którymi przepływa ośrodek roboczy doprowadzany do turbiny, przy czym wewnątrz tej obudowy znajduje się przewód przepływu fazy ciekłej materiału zmienno-fazowego łączący zbiornik zawierający materiał akumulujący ciepło z pompą (130) tego układu.
19. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że jego wymiennik ciepła (116A) jest umieszczony w rozszerzonej komorze między wlotem a wylotem gazów spalinowych doprowadzanych z zespołu komór spalania (122).
20. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że jego układ wymiany ciepła wypełniony ośrodkiem roboczym i złożony z kompresora (112), wymiennika ciepła (116B, 18) oraz komory rozprężania stanowiącej korzystnie turbinę gazową (114), jak również układ akumulacji ciepła (128) z przepływającą w nim fazą ciekłą materiału zmienno-fazowego stanowią układy zamknięte.
21. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że jego układ zasilania w ciepło wymienników ciepła (18, 24) oraz (116A) jest układem otwartym.
22. Urządzenie według zastrz. 21, znamienne tym, że jego układ zasilania w ciepło wymienników ciepła (18, 24) oraz (116A) jest wyposażony w zespół komór spalania (122) względnie w komorę spalania (22) przystosowaną do spalania paliwa niskogatunkowego, zwłaszcza miału węglowego, biomasy lub odpadów.
23. Urządzenie według zastrz. 22, znamienne tym, że jego zespół komór spalania (122) ma postać pieca obrotowego.
24. Urządzenie według zastrz. 22, znamienne tym, że jego zespół komór spalania (122) jest wyposażony w zasobnik do dodawania do paliwa kamienia wapiennego.
25. Urządzenie według zastrz. 22, znamienne tym, że jego zespół komór spalania (122) jest przystosowany do spalania gazu kopalnianego.
26. Urządzenie według zastrz. 21, znamienne tym, że jego układ zasilania w ciepło wymienników ciepła (18, 24) oraz (116A) stanowi ogniwo słoneczne (132) przekształcające energię promieniowania słonecznego na ciepło i wyposażone w wężownicę połączoną przewodem z układem (128) akumulacji ciepła.
27. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że jego wymiennik ciepła (116A, 116B, 18, 20, 24) stanowi wymiennik (142) zintegrowany z ogniwem akumulacji ciepła (126) zawierającym stopiony chlorek sodu, przy czym wymiennik ciepła (142) stanowi zespół rur (146), przez które przepływa ośrodek roboczy częściowo umieszczonych wewnątrz zbiornika zawierającego stopiony NaCI, a częściowo wewnątrz obudowy, przez którą przepływają gazy spalinowe z zespołu komór roboczych (122).