Pierwszenstwo: BIBlIOTEKA Ur**du Patentowego }*\\t\ mczfpnspil.lei UioiilJ Opublikowano: 17. IV 1968 54984 KI. 40 f, 5/0fr y Fo4\l 2$/o& MKP F *3^c UKD Twórca wynalazku: prof. dr inz. Robert Szewalski Wlasciciel patentu: Polska Akademia Nauk (Instytut Maszyn Przeply¬ wowych) Gdansk (Polska) Uklad obiegu termodynamicznego gazowo-parowego Przedmiotem wynalazku jest uklad obiegu ter¬ modynamicznego gazowo-parowego, polegajacy na wykorzystaniu ciepla gazów wylotowych silnika spalinowego, w szczególnosci zas turbiny gazowej, do generacji pary czynnika niskowrzacego, pracu¬ jacego w zamknietym obiegu parowym.Znane i stosowane dotychczas uklady obiegu turbiny gazowej, przy ograniczonej temperaturze gazów na wlocie, nie pozwalaja na realizacje wy¬ sokich sprawnosci tych turbin. Droga do wyso¬ kich sprawnosci prowadzi zatem albo przez reali¬ zacje obiegu zlozonego — poprzez uzycie wiekszej liczby sprezarek, turbin, komór spalania i chlod¬ nic, albo tez poprzez zastosowanie regeneracji.W jednym i drugim przypadku wzrasta znacznie koszt inwestycyjny turbiny odniesiony do jedno¬ stki mocy, przy czym wzrastaja równiez znacznie gabaryty calego urzadzenia oraz materialochlon¬ nosc i pracochlonnosc gotowego wyrobu. Wymiary regeneratora rosna bardzo szybko ze wzrostem stopnia regeneracji, a wiec w miare coraz lepszego wykorzystywania ciepla gazów wylotowych z tur¬ biny, co sprawia, ze regenerator (regeneracyjny wymiennik ciepla) wymiarami swymi i ciezarem moze przewyzszac wszystkie pozostale elementy turbiny, razem wziete. Stad niewielkie, jak dotad zastosowanie turbiny gazowej.Celem wynalazku jest bardziej efektywne wy¬ korzystanie ciepla zawartego w gazach wyloto¬ wych z turbiny i uzyskanie mozliwie wysokiej sprawnosci turbiny przy mozliwie malej wielko¬ sci powierzchni wymiany ciepla w wymienniku.Cel ten zostal osiagniety przez skojarzenie obie¬ gu turbiny gazowej z obiegiem turbiny parowej 5 na czynnik niskowrzacy (freon, amoniak itp.), któ¬ re sa polaczone wspólnym walem, przy czym po¬ miedzy obydwie turbiny jest wlaczony wymien¬ nik, przekazujacy cieplo gazów wylotowych z tur¬ biny gazowej freonowi wzglednie innemu czynni- 10 kowi niskowrzacemu w zamknietym obiegu nisko¬ temperaturowym. Obieg taki nadaje sie szczegól¬ nie do porównania z obiegiem turbiny gazowej z regeneracja. W miejsce rekuperatora wykorzy¬ stujacego cieplo gazów wylotowych przeznaczo- 15 nych do podgrzewania sprezonego powietrza przed wejsciem do komory spalania, zastosowano wy¬ miennik, wytwarzajacy pare odpowiedniego czyn¬ nika niskowrzacego, który nastepnie rozpreza sie i oddaje moc uzyteczna w równolegle pracujacej 20 turbinie parowej. Z kolei czynnik niskowrzacy skrapla sie w skraplaczu, skad w stanie cieklym podawany jest, za pomoca pompy zasilajacej, z powrotem do wymiennika ciepla w celu kolej¬ nego odparowania. 25 Dzieki lepszym warunkom przechodzenia ciepla oraz stosunkowo duzym róznicom temperatury po¬ miedzy czynnikami przeplywajacymi przez wy¬ miennik, wymiennik ten jest gabarytowo znacznie mniejszy od znanych rekuperatorów, stosowanych 30 w obiegu turbiny gazowej z regeneracja o rów- 5498454984 3 4 norzednej sprawnosci, natomiast turbina parowa na czynnik niskowrzacy oraz skraplacz stanowia urzadzenia o niewielkich wymiarach, lekkie, pro¬ ste i niedrogie w wykonaniu.Uklad obiegu termodynamicznego gazowo-paro- wego wedlug wynalazku bedzie blizej opisany na podstawie rysunku, na którym przedstawiono przy¬ kladowo schemat tego ukladu.Czesc wysokotemperaturowa urzadzenia w ukla¬ dzie wedlug wynalazku stanowi konwencjonalna turbina gazowa GT, pracujaca w obiegu prostym.Gazy wylotowe z turbiny GT przechodza do wy¬ miennika ciepla WC, gdzie odpowiednio schladza¬ ja sie, przenoszac "cieplo na czynnik niskowrzacy, znajdujacy sie w wymienniku WC, przy czym czynnik niskowrzacy w stanie cieklym podgrzewa sie, a nastepnie odparowuje, a wytworzona para rozpreza sie w turbinie parowej FT, oddajac moc uzyteczna w zamknietym obiegu parowym. Obieg turbiny gazowej GKT moze byc przy tym zarówno obiegiem otwartym jak i obiegiem zamknietym.Calosc urzadzenia w ukladzie wedlug wynalazku obejmuje znana turbine gazowa, zlozona z ele¬ mentu sprezarkowego K, komory spalania KS i elementu turbinowego GT, gabarytowo mala turbine parowa FT na czynnik niskowrzacy oraz stosunkowo maly wymiarowo w porównaniu z wy¬ miennikiem regeneracyjnym konwencjonalnej tur¬ biny gazowej, wymiennik ciepla WC, a ponadto skraplacz pary SP.Czynnik niskowrzacy krazy w obiegu zamknie¬ tym, obejmujacym wymiennik ciepla WC, turbine parowa FT oraz skraplacz SP, przy czym obieg taki moze byc równiez podlaczony do dowolnego urza¬ dzenia energetycznego wydalajacego gorace gazy spalinowe, na przyklad do silnika wysokoprez¬ nego.Sposób dzialania urzadzenia w ukladzie obiegu termodynamicznego gazowo-parowego wedlug wy¬ nalazku jest podany ponizej.Obydwie turbiny, to jest turbina gazowa GT i turbina parowa FT sa ze soba sprzezone termicz¬ nie i przelotowo poprzez wymiennik ciepla WC, przy czym pracuja one z ta sama predkoscia obro¬ towa poprzez wspólny wal napedowy.Sprezarka powietrzna K tloczy powietrze do ko¬ mory spalania KS, do której doprowadzane jest równiez paliwo. Gazy spalania rozprezaja sie, od¬ dajac prace w turbinie gazowej GT. Gazy spalino¬ we na wylocie z turbiny GT sa kierowane do wy¬ miennika ciepla WC, do którego dochodzi z drugiej strony w stanie cieklym czynnik niskowrzacy. Go- 5 race gazy z turbiny GT po podgrzaniu cieklego czynnika niskowrzacego do temperatury wrzenia i po jego odparowaniu uchodza w obiegu otwartym do komina, natomiast w obiegu zamknietym, po¬ przez wymiennik ciepla wysokiej temperatury 10 z powrotem do turbiny gazowej GT.Podgrzany czynnik niskowrzacy — w postaci pary kieruje sie do turbiny parowej FT, przy czym para czynnika niskowrzacego po wylocie z turbiny parowej FT zostaje skierowana do 15 skraplacza SP, skad za pomoca pompy zasilajacej P ciekly czynnik niskowrzacy jest przetlaczany do wymiennika ciepla WC.Obieg termodynamiczny gazowo-parowy w ukla¬ dzie wedlug wynalazku odznacza sie stosunkowo 20 wysoka sprawnoscia, niskim jednostkowym roz¬ chodem powietrza, a przede wszystkim stosunko¬ wo mala powierzchnia wymiany ciepla w wymien¬ niku, znacznie mniejsza, niz w znanej turbinie ga¬ zowej, pracujacej z regeneracja. 25 PL