RO120353B1 - Procedeu de comprimare a unui gaz şi instalaţie pentru aplicarea procedeului - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un procedeu de comprimare a unui gaz şi la o instalaţie de aplicare a procedeului, în domeniul maşinilor termice şi acumulatorilor pneumatici. Procedeul conform invenţiei constă din două faze, şi anume, într-o primă fază, gazul de lucru este comprimat într-un compresor rotativ, cu piston sau turbocompresor, în timpul comprimării, gazul fiind simultan răcit de către partea rece a unei pompe de căldură, şi dintr-o a doua fază, în care gazul, deja comprimat, este încălzit de către partea caldă a pompei de căldură, cu căldura extrasă gazului în prima fază, cu căldura extrasă din cea reziduală a ciclului, precum şi cu căldura proprie a pompei de căldură. Instalaţia este formată dintr-un compresor (C) în care se comprimă un gaz de lucru, care, simultan, este răcit de schimbătoarele de căldură (5), răcitoare, amplasate în compresorul (C), în conducte ori în spaţii de stocare, unde are loc comprimarea gazului care, apoi, este încălzit de alte schimbătoare de căldură (7), încălzitoare, amplasate în spaţiile de stocare, de tranzit sau de destindere, ale gazului de lucru, transferul căldurii, de la schimbătoarele de căldură (5), răcitoare, la schimbătoarele de căldură (7), încălzitoare, fiind asigurat de către o pompă de căldură (6), de preferinţă cu absorbţie, funcţionând cu căldura reziduală a ciclului termodinamic. După ce este încălzit de schimbătorul de căldură (7), aflat într-un recuperator (8), gazul de lucru este introdus într-o cameră de ardere (10), unde mai este introdus şi un combustibil, de către o pompă (11), iar gazele arse, rezultate, se destind într-o turbină (12), cu producere de lucru mecanic.

Description

Invenția se referă la un procedeu de comprimare a unui gaz, precum și la o instalație care aplică acest procedeu, în domeniul mașinilor termice și acumulatorilor pneumatici.

Sunt cunoscute procedee de comprimare a gazelor, prin care agentul termodinamic, de exemplu, aerul este comprimat înainte de a ajunge în compresorul unei turbine cu gaze, cu ajutorul unor turbocompresoare, între care sunt intercalate niște răcitoare cu apă, astfel încât prin răcire intermediară să se reducă lucrul mecanic de comprimare. Căldura preluată de lichidul de răcire de la gazele comprimate este evacuată în atmosferă.

Principalul dezavantaj al unui asemenea procedeu constă în pierderea unei cantități însemnate de căldură, cu influențarea negativă a randamentului ciclului, precum și poluarea termică a mediului.

Se mai cunosc niște mașini termice rotative (RO 77965) care folosesc, ca procedeu de comprimare a unui gaz, o serie de transformări teoretic izocore, utilizând niște schimbătoare de căldură independente unul de altul, în fiecare schimbător agentul de lucru circulând intermitent și într-un singur sens, schimbătoare care sunt conectate și deconectate succesiv și ciclic cu volumul variabil al camerei de lucru astfel încât,în timpul în care nu există legătură între cameră și schimbător, să se asigure o evoluție izocoră a agentului de lucru din fiecare schimbător. Pentru aceasta, mașina termică rotativă este alcătuită dintr-un cilindru rotativ, în care se deplasează un piston cu dublu efect, iar statorul mașinii este alcătuit din două grupe de schimbătoare de căldură, prima grupă de schimbătoare independente răcite, pentru faza de compresie, și o a doua grupă de schimbătoare de căldură independente, încălzite, pentru faza de destindere, conectarea și deconectarea succesivă dintre fiecare schimbător independent și camera de lucru variabilă făcându-se prin intermediul unor ferestre practicate în pereții unui cilindru rotativ și al unor discuri de distribuție.

Principalul dezavantaj al procedeului și al mașinii termice utilizate constă în consumul mare de energie pentru obținerea unor presiuni relativ scăzute.

Problema tehnică, pe care o rezolvă invenția de față, este reducerea lucrului mecanic consumat în faza de comprimare a gazelor, prin realizarea unei comprimări cât mai apropiate de o izotermă și refolosirea căldurii de comprimare extrasă, în scop termodinamic.

Procedeul de comprimare a unui gaz, conform invenției, rezolvă problema tehnică și înlătură dezavantajele menționate anterior, prin aceea că se desfășoară în două faze, anume, într-o primă fază, gazul de lucru este comprimat într-un compresor rotativ, cu piston sau turbocompresor, în timpul comprimării gazul fiind simultan răcit de către partea rece a unei pompe de căldură și într-o a doua fază, în care gazul deja comprimat este încălzit de către partea caldă a pompei de căldură, cu căldura extrasă gazului în prima fază, cu căldura extrasă din cea reziduală a ciclului precum și cu căldura proprie a pompei de căldură.

Instalația de aplicare a procedeului conform invenției are în componență niște schimbătoare de căldură și un compresor în care se comprimă un gaz de lucru, care este răcit simultan de schimbătoarele de căldură răcitoare, amplasate în compresor, în conducte ori în spații de stocare, unde are loc comprimarea gazului care, apoi, este încălzit de schimbătoarele de căldură încălzitoare, amplasate în spațiile de stocare, de tranzit sau de destindere.

Transferul căldurii de la schimbătoarele de căldură răcitoare, la schimbătoarele de căldură încălzitoare, este asigurat de către o pompă de căldură, de preferință, cu absorbție, funcționând cu căldura reziduală a ciclului termodinamic.

într-o variantă de realizare, gazul de lucru, după ce este încălzit de schimbătorul de căldură aflat într-un recuperator, este introdus într-o cameră de ardere, amplasată după recuperator, împreună cu un combustibil, iar gazele arse rezultate destinzându-se într-o turbină care produce lucru mecanic.

RO 120353 Β1 într-o altă variantă de realizare, sub forma unui motor cu ardere internă, instalația1 este alcătuită dintr-o parte de comprimare separată de o parte de destindere, partea de comprimare având chiulasa răcită de un schimbător de căldură răcitor, aflat în circuitul unei3 pompe de căldură, care transferă căldura de comprimare către gazul deja comprimat, prin intermediul unui schimbător de căldură încălzitor, aflat într-un recuperator montat înaintea 5 camerei de ardere a părții de destindere.

într-o variantă de realizare, de asemenea, sub forma unui motor cu ardere internă,7 după răcirea părții de comprimare de către schimbătorul de căldură răcitor, căldura de comprimare este transferată gazului de lucru deja comprimat, într-un al doilea recuperator de9 către un alt schimbător de căldură încălzitor, după ce, în prealabil, a trecut prin primul recuperator unde a fost încălzit cu căldura extrasă din partea de destindere, de către un alt 11 schimbător de căldură răcitor, după care, gazul de lucru, împreună cu un combustibil, trece printr-un injector în camera de ardere a părții de destindere. 13 într-o altă variantă de realizare, în cadrul unor acumulatori pneumatici, instalația se compune dintr-o pompă care comprimă un gaz monoatomic în niște recipienți izolați termic, 15 pe timpul comprimării gazului, acesta fiind simultan răcit de niște schimbătoare de căldură, amplasate în recipienți, căldura fiind transferată de către o pompă de căldură, către un 17 schimbător de căldură încălzitor, aflat într-un recipient învecinat, în care se încălzește gazul deja comprimat, în vederea stocării energiei sau destinderii lui, cu producere de lucru meca- 19 nic util, într-un motor.

Prin aplicarea invenției, se obțin următoarele avantaje:21

- reducerea consumului de combustibil;

- reducerea noxelor termice și chimice emise în atmosferă;23

- creșterea randamentului termic.

Invenția va fi prezentată, în continuare, în legătură cu fig. 1 ...6, care reprezintă.25

- fig. 1, diagrama “p-v” a procedeului de comprimare, conform invenției;

- fig. 2, schema generală a unei instalații pentru aplicarea procedeului;27

- fig. 3, schema generală a unei variante a instalației din fig. 2, cu turbină cu gaze;

- fig. 4, schema generală a unei instalații într-o variantă ce cuprinde un motor cu29 ardere internă cu pistoane și cu o pompă de căldură cu compresor;

- fig. 5, schema generală a unei instalații din fig. 4, într-o variantă de realizare;31

-fig. 6, schema generală a unei instalații ce cuprinde niște acumulatoare de energie, în gaze comprimate.33

Procedeul de comprimare a gazelor, conform invenției, constă într-o primă fază de comprimare, în care gazul de lucru își reduce volumul fie în camera de compresie a unui35 compresor cu piston (sau rotativ, ori turbo), fie în continuare, într-o conductă de refulare ori chiar într-un rezervor tampon, gazul fiind simultan răcit pe toată durata comprimării.37 în fig. 1, izoterma 1 se poate menține prin extragerea de către o pompă de căldură, a căldurii echivalente lucrului mecanic consumat la comprimarea gazului, astfel încât para- 39 metrii punctului de pornire “a” sunt p_a, v_a, Ta, iar parametrii punctului “b” sunt p_b, v_b, T_a.

A doua fază a procedeului este încălzirea gazului cu căldura extrasă Q în prima fază41 și reprezentată pe diagrama “p-v”, printr-o izocoră 2, gazul ridicându-și temperatura și presiunea până la punctul “c” ai cărui parametri sunt p_c, v_b, T_c. Parametrii punctului “c” depind43 de eficiența pompei de căldură, care absoarbe căldura de comprimare a gazului din faza întâi și o redă gazului în faza a doua, după ce acesta a fost deja comprimat. Echivalentul ter- 45 mic al energiei consumate de către pompa de căldură se adaugă căldurii extrase de la gazul comprimat atunci când, în faza a doua, gazul deja comprimat este încălzit. Maxima eficiență 47 a procedeului se obține atunci când transferul de căldură de la faza întâi de compresie, la

RO 120353 Β1 faza a doua de încălzire, se face de către o pompă de căldură cu absorbție, care folosește, în procesarea agentului frigorific, întreaga căldură reziduală a proceselor termodinamice din mașina termică.

O instalație de aplicare a procedeului conform invenției, care execută faza de comprimare-răcire și faza de încălzire, fără consumator, este ilustrată în fig. 2, unde gazul de lucru este aspirat de o turbină C și este comprimat în instalația de comprimare 4, în care este răcit simultan de un schimbător de căldură 5 răcitor, agentul frigorific fiind procesat de către o pompă de căldură 6, care încălzește gazul de lucru deja comprimat, printr-un alt schimbător de căldură 7 încălzitor, aflat într-un alt recuperator 8 prin care trece sau se află stocat gazul deja comprimat. Ventilul de laminare 9 face parte din instalația pompei de căldură 6.

Schema unei variante de realizare a instalației ilustrată în fig. 2, pentru aplicarea procedeului de comprimare a gazului, conform invenției, în cadrul unui proces termodinamic complet, este ilustrată în fig. 3, în instalație regăsindu-se turbina C, instalația de comprimare 4, schimbătorul de căldură 5, pompa de căldură 6 și schimbătorul de căldură 7 din recuperatorul 8, amplasat înaintea unei camere de ardere 10. Gazul de lucru, după ce a fost comprimat și încălzit în recuperatorul 8, este introdus în camera de ardere 10, în care se introduce și un combustibil de către o pompă 11. Gazele arse, la presiune și temperatura ridicată, antrenează o turbină 12 prin destindere, cu producere de lucru mecanic util. Pompa 6 de căldură este constituită dintr-o turbină și are în circuitul frigorific un ventil 9 de laminare. Este preferabilă realizarea unei instalații la care pompa de căldură 6 să fie de tip cu absorbție, care să permită și utilizarea căldurii reziduale a turbinei 12.

într-o altă variantă de realizare, ilustrată în fig. 4, instalația de aplicare a procedeului de comprimare a gazelor, conform invenției, este compusă dintr-un motor termic cu pistoane sau rotativ, având partea de comprimare 13 a aerului, separată de partea de destindere 14 a gazelor. Compresorul C de aer este răcit pe tot traseul comprimării și anume în chiulasă, racord sau tampon de către un schimbător de căldură 15, răcitor, aflat în circuitul pompei de căldură 16 care transferă căldura extrasă pe timpul comprimării, către gazul deja comprimat, prin intermediul unui alt schimbător de căldură 17, încălzitor, amplasat într-un recuperator 18 aflat pe traseul gazului deja comprimat, înaintea camerei de ardere a părții de destindere 14, unde injectorul 19 introduce un combustibil. Ventilul de laminare 20 face parte din instalația pompei de căldură 16.

Deoarece funcționarea motorului este ciclică, camera recuperatorului 18 poate fi dotată cu supape, asigurând încălzirea la volum constant a gazului deja comprimat.

într-o altă variantă de realizare a instalației din fig. 4 și conform cu procedeul de comprimare, instalația cuprinde un motor termic, figurat schematic în fig. 5, la care răcirea gazului comprimat, în orice parte a compresorului C se face prin intermediul schimbătorului 15 de căldură răcitor, aflat într-un organ fix ori mobil, ori într-unul de transfer, ori de stocare al compresorului, agentul frigorific trecând printr-un alt schimbător de căldură 21, încălzitor, laminându-se într-un ventil 23 și apoi intrând în instalația de răcire a părții de destindere 14, printr-un schimbător de căldură 24, răcitor, încălzind apoi gazul deja comprimat în recuperatorul 17; după laminare în ventilul 20, gazul se reîntoarce în instalația pompei de căldură cu absorbție, nefigurată. Gazul de lucru comprimat în compresorul C și simultan răcit este încălzit în recuperatorul 17 cu căldura de comprimare și supraîncălzit în schimbătorul de căldură, 21 amenajat ca absorbitor, iar apoi, prin injectorul 19 de combustibil primește o nouă cantitate de căldură, după care se destinde în partea de destindere 14. O construcție completă, funcționând tot după procedeul conform invenției, constă dintr-un motor cu mai mulți cilindri, care permite funcționarea pompei de căldură cu absorbție după un ciclu intermitent

RO 120353 Β1 mai stabil și mai sigur decât cel prezentat aici. Fără modificări de principiu, procedeul se 1 poate aplica și mai bine motoarelor cu flux continuu, cum sunt cele rotative ori turbinelor cu gaze, funcționând în circuit închis cu gaze monoatomice presurizate. 3

O variantă de realizare a instalației de aplicare a procedeului de comprimare, variantă prezentată în fig. 6, este destinată stocării energiei. Un motor electric 25, alimentat pe timpul 5 nopții când oferta de energie este mult mai mare decât cererea, antrenează o pompă sau un compresor 26 ca, prin intermediul unui piston 27 liber, să comprime un gaz monoatomic 7

28, în niște recipienți 29 izolați termic, gazul 28 fiind răcit pe timpul comprimării, de către niște schimbătoare de căldură 30, răcitoare, amplasate în recipienții 29. Ziua, când cererea9 de energie este maximă, gazul deja comprimat și reîncălzit de niște schimbătoare 31 de căldură încălzitoare, amplasate tot în recipienți, este lăsat să se destindă în niște motoare 32,11 care antrenează niște generatoare 33 de electricitate. Transferul căldurii de la un recipient aflat în faza de comprimare, către un alt recipient deja comprimat, se face de către o pompă13 de căldură 34, în a cărei schemă figurează și un ventil de laminare 35. Mai mulți recipienți sunt astfel legați cu ajutorul unor vane 36, încât pe măsură ce unii sunt în faza de compri- 15 mare, alții să fie deja comprimați. Presurizarea inițială a gazului de lucru, ce poate comunica între recipienți prin niște conducte și ventile nefigurate, începe de la 10 la 100 bari, rapoar- 17 tele de comprimare pot merge până la 30 - 50, temperaturile inițiale fiind cele obișnuite de circa 300°K iar cele maxime pot depăși 1000°K. Singurele limite sunt, cele ale rezistenței 19 mecanice a recipienților, a rezistenței termice a schimbătoarelor și calitatea izolației.

Claims (6)

1. Revendicări

   1. Procedeu de comprimare a unui gaz, procesat în cadrul unui ciclu termodinamic, aplicabil mașinilor termice și acumulatorilor pneumatici, caracterizat prin aceea că se desfă- 25 șoară în două faze, și anume, într-o primă fază în care gazul de lucru este comprimat într-un compresor rotativ, cu piston sau turbocompresor, în timpul comprimării gazul fiind simultan 27 răcit de către partea rece a unei pompe de căldură și, într-o a doua fază, în care gazul deja comprimat este încălzit de către partea caldă a pompei de căldură, cu căldura extrasă 29 gazului în prima fază, cu căldura extrasă din cea reziduală a ciclului, precum și cu căldura proprie a pompei de căldură. 31
2. 2. Instalație pentru aplicarea procedeului de la revedicarea 1, având în alcătuire niște schimbătoare de căldură, caracterizată prin aceea că este formată dintr-un compresor (C), 33 în care se comprimă un gaz de lucru care, simultan, este răcit de schimbătoarele de căldură (5), răcitoare, amplasate în compresorul (C), în conducte ori în spații de stocare, unde are 35 loc comprimarea gazului care, apoi, este încălzit de alte schimbătoare de căldură (7), încălzitoare amplasate în spațiile de stocare, de tranzit sau de destindere ale gazului de lucru, 37 transferul căldurii de la schimbătoarele de căldură (5) răcitoare, la schimbătoarele de căldură (7) încălzitoare fiind asigurat de către o pompă de căldură (6), de preferință cu absorbție, 39 funcționând cu căldura reziduală a ciclului termodinamic.
3. 3. Instalație conform revendicării 2, caracterizată prin aceea că, într-o variantă de 41 realizare, gazul de lucru după ce este încălzit de schimbătorul de căldură (7) aflat într-un recuperator (8), este introdus într-o cameră de ardere (10) amplasată după recuperatorul (8), 43 în camera de ardere (10) fiind introdus un combustibil de către o pompă (11), iar gazele arse rezultate destinzându-se într-o turbină (12), care produce lucru mecanic. 45
4. 4. Instalație conform revendicărilor 2 și 3, caracterizată prin aceea că, într-o altă variantă de realizare, sub forma unui motor cu ardere internă, de orice fel, inclusiv rotativ, 47

   RO 120353 Β1

   1 este alcătuită dintr-o parte de comprimare (13), separată de o parte de destindere (14), partea de comprimare (13) având chiulasa răcită de un schimbător de căldură (15) răcitor,

   3 aflat în circuitul unei pompe de căldură (16) care transferă căldura de comprimare către gazul deja comprimat, prin intermediul unui schimbător de căldură (17) încălzitor, aflat într-un
5. 5 recuperator (18) montat înaintea camerei de ardere a părții de destindere (14).

   5. Instalație conform revendicării 4, caracterizată prin aceea că, într-o variantă de

   7 realizare, după răcirea părții de comprimare (13) de către schimbătorul de căldură (15) răcitor, căldura de comprimare este transferată gazului de lucru deja comprimat, într-un al

   9 doilea recuperator (22) de către un alt schimbător de căldură (21) încălzitor, după ce în prealabil a trecut prin primul recuperator (18) unde a fost încălzit cu căldura extrasă din partea 11 de destindere (14), de către un alt schimbător de căldură (24) răcitor, gazul de lucru, împreună cu un combustibil trece apoi printr-un injector (19) în camera de ardere a părții de 13 destindere (14).
6. 6. Instalație pentru aplicarea procedeului de la revendicarea 1. caracterizată prin 15 aceea că este alcătuită dintr-o pompă (26) care comprimă un gaz monoatomic (28) în niște recipienți (29) izolați termic, pe timpul comprimării gazului acesta fiind simultan răcit de niște 17 schimbătoare de căldură (30) amplasate în recipienții (29), căldura fiind transferată de către o pompă de căldură (34), către un schimbător de căldură (31), încălzitor aflat într-un recipient 19 învecinat, în care se încălzește gazul (28) deja comprimat în vederea stocării energiei, sau a destinderii, cu producere de lucru mecanic util într-un motor (32).