RU2113599C1 - Способ преобразования теплоты в электроэнергию - Google Patents

Способ преобразования теплоты в электроэнергию Download PDF

Info

Publication number
RU2113599C1
RU2113599C1 RU97107924A RU97107924A RU2113599C1 RU 2113599 C1 RU2113599 C1 RU 2113599C1 RU 97107924 A RU97107924 A RU 97107924A RU 97107924 A RU97107924 A RU 97107924A RU 2113599 C1 RU2113599 C1 RU 2113599C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
heat
working fluid
humidifier
supercharger
working medium
Prior art date
Application number
RU97107924A
Other languages
English (en)
Other versions
RU97107924A (ru
Inventor
Николай Николаевич Степанов
Original Assignee
Николай Николаевич Степанов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Николай Николаевич Степанов filed Critical Николай Николаевич Степанов
Priority to RU97107924A priority Critical patent/RU2113599C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2113599C1 publication Critical patent/RU2113599C1/ru
Publication of RU97107924A publication Critical patent/RU97107924A/ru

Links

Images

Landscapes

  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

Изобретение предназначено для использования в области теплоэнергетики, в частности, может быть использовано для получения электроэнергии с помощью низкопотенциальной теплоты, а также теплоты, аккумулированной в химическом и органическом топливе. В способе преобразования теплоты в электроэнергию, при котором сжимают с помощью нагнетателя газообразное рабочее тело с последующим его расширением и переходом его энергии сжатия в работу, протекающим с понижением температуры рабочего тела, а затем восстанавливают теплоту рабочего тела с помощью внешнего теплоносителя, в рабочее тело с помощью распылителя вводят жидкий увлажнитель, который сжимают совместно с рабочим телом при непрерывном распылении и насыщении последнего парами увлажнителя, завершающемся перед началом упомянутого расширения, которое осуществляют в силовой турбине с одновременной конденсацией паров увлажнителя и превращением их скрытой теплоты в механическую работу и далее в электроэнергию для внешнего потребителя и компенсации потерь. Теплоту рабочего тела восстанавливают за счет теплоносителя, циркулирующего через теплообменник, или за счет сжигания водорода. Для привода нагнетателя используют энергию силовой турбины. Способ позволяет повысить мощность и эффективность преобразования. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для получения электроэнергии с помощью теплоты внешнего теплоносителя, а также теплоты, аккумулированной в химическом и органическом топливе.
Уровень техники характеризуется тем, что известен способ преобразования теплоты, при котором сжимают с помощью нагнетателя газообразное рабочее тело с последующим его расширением и переходом его энергии сжатия в работу, протекающим с понижением температуры рабочего тела, а затем восстанавливают теплоту рабочего тела с помощью внешнего теплоносителя.
Недостатками известного способа является неэффективность преобразования скрытой теплоты рабочего тела, что снижает эффективность преобразования теплоты в целом и ограничивает величину получаемой мощности, а также сложность оптимизации параметров процесса преобразования.
Технической задачей изобретения является расширение арсенала способов преобразования теплоты и создание при этом универсального способа получения электроэнергии, позволяющего наиболее эффективно использовать теплоту любых низкопотенциальных теплоносителей различных источников (в частности, холодильников, парогенераторов, промышленной вентиляции, геотермальных источников и т.п.), газов сгорания такого химического топлива, как водород, газов сгорания органического топлива - за счет преобразования их скрытой теплоты в механическую работу, что для современных тепловых двигателей, из-за их высокой температуры рабочего тела, препятствующей его полному увлажнению, недостижимо. При этом решается задача повышения мощности, а также эффективного и наиболее полного преобразования соответствующей работы в электроэнергию с одновременной оптимизацией параметров процесса преобразования.
Сущность изобретения заключается в том, что в способе преобразования теплоты, при котором сжимают с помощью нагнетателя газообразное рабочее тело с последующим его расширением и переходом его энергии сжатия в работу, протекающим с понижением температуры рабочего тела, а затем восстанавливают теплоту рабочего тела с помощью внешнего теплоносителя, для расширения поставленной задачи в рабочее тело с помощью распылителя вводят жидкий увлажнитель, который сжимают совместно с рабочим телом при непрерывном распылении и насыщении последнего парами увлажнителя, завершающемся перед началом упомянутого расширения, которое осуществляют в силовой турбине с одновременной конденсацией паров увлажнителя и превращением их скрытой теплоты в дополнительную механическую работу и далее в электроэнергию для внешнего потребителя и компенсации потерь. Кроме вышеизложенной совокупности признаков:
теплоту рабочего тела восстанавливают за счет теплоносителя, циркулирующего через теплообменник, последовательно включенный перед распылителем,
в качестве внешнего теплоносителя используют газ, например воздух,
для работы нагнетателя используют энергию силовой турбины, при этом в качестве рабочего тела используют атмосферный воздух, а в качестве увлажнителя - воду. Нагнетатель и силовая турбина могут быть выполнены в виде осевых компрессоров, освоенных промышленностью.
Сущность изобретения заключается также в том, что в способе преобразования теплоты, при котором сжимают с помощью нагнетателя газообразное рабочее тело с последующим его расширением и переходом его энергии сжатия в работу, протекающим с понижением температуры рабочего тела, а затем восстанавливают теплоту рабочего тела с помощью внешнего теплоносителя, для решения поставленной задачи в рабочее тело с помощью распылителя вводят жидкий увлажнитель, который сжимают совместно с рабочим телом при непрерывном распылении и насыщении последнего парами увлажнителя, завершающемся перед началом упомянутого расширения, которое осуществляет в силовой турбине с одновременной конденсацией паров увлажнителя и превращением их скрытой теплоты в дополнительную механическую работу и далее в электроэнергию для внешнего потребителя и компенсации потерь, причем теплоту рабочего тела восстанавливают за счет введения в рабочее тело продуктов сжигания водорода в атмосферном воздухе, с последующей циркуляцией в замкнутом контуре и попутным получением для промышленности кислорода и азота.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.
На чертеже изображена принципиальная схема устройства для реализации способа преобразования теплоты в электроэнергию.
Устройство содержит контур рабочего тела, в котором имеются нагнетатель 1, силовая турбина 2 и электрогенератор 3, связанные между собой общим валом (не изображено), а также теплообменник 4 для восстановления теплоты теплоносителя за счет низкопотенциальных тепловыделений или теплоты сгорания органического топлива и распылитель 5. В контуре подачи увлажнителя имеются бак 6 увлажнителя и конденсатный насос 7, всасыванием подключенный к баку 6, а нагнетанием - к распылителю 5. Перед теплообменником 4 к контуру рабочего тела подключена камера 8 сгорания водорода (H2), в которую дутьевым вентилятором 9 может подаваться атмосферный воздух. Устройство содержит также задвижки 10, 11, 12 и вентили 13 - 16. Вентиль 14 служит для подвода воды (H2O), например, из водопровода, вентиль 15 - для подачи водорода (H2), вентиль 16 - для выпуска газа (азота или воздуха). Канал 17 предназначен для забора воздуха в контур.
Нагнетатель 1 целесообразно выполнить в виде осевого компрессора, силовую турбину 2 - в виде многступенчатой газовой турбины.
По принципу конструкции своего лопаточного аппарата осевой компрессор и многоступенчатая газовая турбина одинаковы. Отличаются они лишь направлением движения рабочего тела по лопаткам своей диаметральной противоположностью. Из сказанного следует, что эти машины обратимы, в связи с чем, при одинаковых параметрах рабочего тела по температуре, давлению и скорости, любой осевой компрессор может быть использован в качестве турбины, но с тем преимуществом, что работа последней при рассматриваемом способе будет отличаться поддержанием температуры и давления в каждой ступени своего рабочего колеса за счет преобразования скрытой теплоты рабочего тела в явную, соответственно увеличивая этим ее мощность. Одновременно, газовая турбина известного газотурбинного двигателя в устройстве, т.е. машинном агрегате для реализации рассматриваемого способа, преобразуется без каких-либо конструктивных изменений в турбину газоконденсатную.
Способ преобразования теплоты в электроэнергию осуществляется, например, следующим образом.
Для оптимальной реализации способа теплоту рабочего тела восстанавливают (нагревают) за счет теплоносителя, циркулирующего через теплообменник 4. В качестве теплоносителя могут применяться различные по составу газы, в том числе атмосферный воздух, в частности, из вытяжной или приточной вентиляции, а также любые газы, рассеивающие низкопотенциальные тепловыделения различных источников (холодильников, тепловых двигателей, парогенераторов и т.д.).
Таким образом может обеспечиваться оптимальная температура горячего источника на входе в нагнетатель 1 (tа), позволяющая получить при данной реализации способа наибольшую отдачу электроэнергии.
Перед началом работы контур рабочего тела заполнен воздухом, например, с параметрами, характерными для средней полосы России; удельным весом γ = 1,2 кг/м3, влагосодержанием χa =7,6 г/кг, температурой ta= 20oC, относительной влажности η =50%. Для пуска устройства электрогенератор 3 начинает (кратковременно) работу в двигательном режиме (как электродвигатель) и раскручивает турбину 2 с нагнетателем 1.
При необходимости начальное раскручивание турбины 2 и нагнетателя 1 может быть осуществлено с помощью вспомогательного двигателя, не изображенного на чертеже.
Конденсатным насосом 7 или из водопровода (через вентиль 14) в распылитель 5 подается вода, которая вводится в рабочее тело в распыленном состоянии. В результате работы нагнетателя 1 газообразное рабочее тело с увлажнителем сжимают при непрерывном продолжающемся распылении и насыщении рабочего тела парами увлажнителя до влагосодержания χи =24,42 г/кг при температуре tи= 27,65oC, завершающемся перед началом расширения сжатого рабочего тела в силовой турбине 2. В процессе испарения увлажнителя происходит переход заключенной в рабочем теле явной теплоты в скрытую теплоту паров (воды). При расширении рабочего тела происходит переход его энергии сжатия в работу с понижением температуры и, одновременно, конденсация паров увлажнителя и превращение их скрытой теплоты в дополнительную механическую работу и далее в электроэнергию, так как при развитии оборотов до нормальных электрогенератор 3 переходит из двигательного в генераторный режим для электропитания внешнего потребителя и компенсации потерь.
Рабочее тело (воздух), циркулирующее через задвижку 11, поступает на вход теплообменника 4, предназначенного для восстановления теплоты рабочего тела (нагрева) с помощью внешнего теплоносителя, а охлажденный конденсат увлажнителя при температуре холодного источника (температуре
Figure 00000002
конденсации) отбирают и, при необходимости, возвращают к насосу 7.
Работа многих потребителей электроэнергии характеризуется неравномерностью энергопотребления, протекающего со значительными временными интервалами. Во время интервалов электропотребления вырабатываемая электрогенератором электроэнергия может быть целесообразно использована, например, для выработки водорода и кислорода электролизом воды. Полученный кислород может использоваться в промышленности, а водород может быть запасен в качестве химического аккумулятора теплоты и использован в период наибольшего потребления электроэнергии. Для этого при реализации способа формируется замкнутый контур рабочего тела путем открытия вентиля 15 и задвижек 11, 12, а также закрытия задвижки 10. Водород через вентиль 15 поступает в камеру 8 сгорания. В нее же дутьевым вентилятором 9 направляется атмосферный воздух. Водород, сгорая в кислороде воздуха, образует воду, а остальной воздух, лишенный кислорода и состоящий в результате только из азота (и примесей воздуха) с температурой около 1500oC, поступает в контур рабочего тела, где его теплота преобразуется с помощью увлажнителя в электроэнергию, как описано выше. Поскольку при такой реализации способа образуется значительное количество азота, последний отбирают из контура через вентиль 16, т.е. этот случай реализации способа сопровождается получением азота, т.е. ценного промышленного сырья. Количество получаемого для промышленности азота может составлять до 85 кг на 100 кВт•ч выработанной электроэнергии.
При всех случаях для работы нагнетателя 1 используют энергию силовой турбины 2, что сокращает потери энергии.
В процессе реализации способа нагнетатель 1 изолирован от внешней среды, работает в адиабатном режиме с показателем адиабаты к = 1,4 и сжимает рабочее тело, поступающее при атмосферном давлении P = 1•104 кг/см2 до давления P2 = 1,53•104 кг/см2. КПД серийного нагнетателя (осевого компрессора) при этом обычно составляет η = 0,78.
Теплосодержание рабочего тела на выходе из нагнетателя 1 определяется уравнением:
Qн = Qа + AdL', (1)
где
Qа - теплосодержание воздуха, поступающего в нагнетатель 1, AdL' - тепловой эквивалент работы нагнетателя 1.
Теплосодержание рабочего тела на входе в турбину 2 определяется уравнением:
QТ-AdL''+Qэф+Qх, (2)
где
QТ= Qн, AdL'' - тепловой эквивалент работы турбины 2 (компенсирующий работу нагнетателя 1), Qэф - теплота рабочего тела, преобразуемая турбиной 2 во внешнюю работу, Qх - вынос теплоты из турбины в атмосферу.
Так как AdL'=AdL'', из (1) и (2) следует: Qэф=Qа-Qх, а эффективная мощность составляет:
Nэф= Qэф/0,24 кВт.
При
Nэф < 0 электрогенератор 3 работает в двигательном режиме, а при Nэф > 0 - в генераторном режиме.
Следует отметить, что Qа=Q'Я+Q'с, Qх=Q''я+Q''с, где: Q'Я, Q''Я - явная теплота рабочего тела на входе в нагнетатель 1 и на выходе из турбины 2, соответственно, Q'с, Q''с - скрытая теплота рабочего тела на входе в нагнетатель 1 и на выходе турбины 2, соответственно.
Поскольку теплосодержание рабочего тела перед увлажнением состоит из явной и скрытой теплоты в количествах одного порядка, а последняя передается увлажнителю при увлажнении рабочего тела и переносится с ним до турбины 2, при конденсации парой увлажнителя реализуется переход этой скрытой теплоты в явную с соответствующим увеличением получаемой полезной мощности.
Для оценки получаемой удельной мощности на G=1 кг рабочего тела можно провести следующие вычисления:
Figure 00000003
,
при указанных выше значениях параметров
Nнагнетателя= 47,5кВт.
Повышение температуры Δt′ рабочего тела при сжатии его нагнетателем 1:
Figure 00000004

где
T = 273 K;
Δt′ =37,8oC.
Повышение температуры Δt″ рабочего тела за счет потерь нагнетателя 1:
Figure 00000005

где теплоемкость c = 0,241 ккал•г/град,
Δt″ = 10,45oC.
Температура tн на выходе из нагнетателя 1:
tн= ta+Δt′+Δt″ = 68,25°C.
Теплосодержание Qн рабочего тела до увлажнения:
Qн= tнC+χai,
где теплота испарения увлажнителя i = 0,559 (см. HUTTE. Справочник, ОНТИ, 1963, с.603 и 606).
Qн=20,85 ккал/с.
Теплосодержание Qи после увлажнения (на входе турбины 2):
Qи= tиC+χиi,
где
i=0,580 (tи= 27,65oC - температура на входе в турбину после увлажнения). При такой температуре полное влагосодержание
χи= 24,42 г/кг,
Qи=20,86 ккал/с.
Количество χис испаряемой жидкости (увлажнителя):
χис= χиa= 16,82 г/кг.
Температура
Figure 00000006
рабочего тела на выходе из лопаточного аппарата турбины 2:
Figure 00000007

Влагосодержание χx на выходе из лопаточного аппарата турбины 2 (при полном насыщении)
χx= 4 г/кг.
Количество χк пара, конденсируемого в турбине 2 (при понижении температуры до
Figure 00000008
):
χк= χиx= 20,42 г/кг.
Теплота Qк конденсируемого пара, поддерживающая давление рабочего тела на лопатки турбины, которая переходит в дополнительную механическую работу (кроме потерь ≈ 10%):
Qк= χкi,
где
i=0,595
Qк = 12,18 ккал/с
Итоговая температура
Figure 00000009
на выходе из турбины составляет:
Figure 00000010

Теплосодержание Qа на 1 кг рабочего тела (воздуха):
Qa= tac+χai,
где
i=0,584.
Qа = 9,28 ккал/с.
Теплосодержание Qх на 1 кг рабочего тела на выходе из турбины:
Figure 00000011

где
i=0,592.
Qх=3,59 ккал/с.
Согласно (3):
Figure 00000012

Суммарная мощность турбины 2:
Nт=Nэф+Nнагнетателя= 71,2 кВт.
Коэффициент ηэф = эффективности использования теплоты воздуха (горячего источника):
Figure 00000013

Аналогично могут быть рассчитаны показатели для различных начальных условий, представленные в таблице.
С ростом температуры рабочего тела до ≈ 60oC на входе в нагнетатель 1 растет удельная мощность устройства. Давление P2 по сравнению с паровыми турбинами ниже ≈ в 400 раз при снижении удельной мощности лишь ≈ в 10 раз.
В результате применения настоящего изобретения расширен арсенал способов и технических средств преобразования теплоты, обеспечена возможность преобразования ее в универсальный вид энергии - электроэнергию из низкопотенциальных тепловыделений различных источников, а также из энергии, аккумулированной в химическом топливе (водороде) с попутной выработкой для промышленности кислорода и азота. Скрытая теплота рабочего тела не выбрасывается в тепловые отходы, а служит для увеличения получаемой энергии. При реализации способа снижается уровень рабочих давлений, повышается получаемая мощность, снижается металлоемкость и стоимость оборудования и общие инвестиции в строительство электростанций.

Claims (5)

1. Способ преобразования теплоты в электроэнергию, при котором сжимают с помощью нагнетателя газообразное рабочее тело с последующим его расширением и переходом его энергии сжатия в работу, протекающим с понижением температуры рабочего тела, а затем восстанавливают теплоту рабочего тела с помощью внешнего теплоносителя, отличающийся тем, что в рабочее тело с помощью распылителя вводят жидкий увлажнитель, который сжимают совместно с рабочим телом при непрерывном распылении и насыщении последнего парами увлажнителя, завершающимся перед началом упомянутого расширения, которое осуществляют в силовой турбине с одновременной конденсацией паров увлажнителя и превращением их скрытой теплоты в дополнительную механическую работу и далее в электроэнергию для внешнего потребления и компенсации потерь.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что теплоту рабочего тела восстанавливают за счет теплоносителя, циркулирующего через теплообменник, последовательно включенный перед распылителем.
3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве внешнего теплоносителя используют газ, например воздух.
4. Способ по любому из пп. 1 - 3, отличающийся тем, что для работы нагнетателя используют энергию силовой турбины, при этом в качестве рабочего тела используют атмосферный воздух, а в качестве увлажнителя - воду.
5. Способ преобразования теплоты в электроэнергию, при котором сжимают с помощью нагнетателя газообразное рабочее тело с последующим его расширением и переходом его энергии сжатия в работу, протекающим с понижением температуры рабочего тела, а затем восстанавливают теплоту рабочего тела с помощью внешнего теплоносителя, отличающийся тем, что в рабочее тело с помощью распылителя вводят жидкий увлажнитель, который сжимают совместно с рабочим телом при непрерывном распылении и насыщении последнего парами увлажнителя, завершающимся перед началом упомянутого расширения, которое осуществляют в силовой турбине с одновременной конденсацией паров увлажнителя и превращением их скрытой теплоты в дополнительную механическую работу и далее в электроэнергию для внешнего потребителя и компенсации потерь, причем теплоту рабочего тела восстанавливают за счет введения в рабочее тело продуктов сжигания водорода в атмосферном воздухе с последующей циркуляцией в замкнутом контуре и попутным получением для промышленности кислорода и азота.
RU97107924A 1997-05-14 1997-05-14 Способ преобразования теплоты в электроэнергию RU2113599C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU97107924A RU2113599C1 (ru) 1997-05-14 1997-05-14 Способ преобразования теплоты в электроэнергию

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU97107924A RU2113599C1 (ru) 1997-05-14 1997-05-14 Способ преобразования теплоты в электроэнергию

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2113599C1 true RU2113599C1 (ru) 1998-06-20
RU97107924A RU97107924A (ru) 1998-11-10

Family

ID=20192963

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU97107924A RU2113599C1 (ru) 1997-05-14 1997-05-14 Способ преобразования теплоты в электроэнергию

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2113599C1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2560115C2 (ru) * 2013-07-17 2015-08-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный минерально-сырьевой университет "Горный" Волновой пьезодвигатель
CN113803125A (zh) * 2021-09-18 2021-12-17 黎彬健 一种动力输出方法及装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2560115C2 (ru) * 2013-07-17 2015-08-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный минерально-сырьевой университет "Горный" Волновой пьезодвигатель
CN113803125A (zh) * 2021-09-18 2021-12-17 黎彬健 一种动力输出方法及装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2215165C2 (ru) Способ регенерации тепла выхлопных газов в преобразователе органической энергии с помощью промежуточного жидкостного цикла (варианты) и система регенерации тепла выхлопных газов
US5555738A (en) Ammonia absorption refrigeration cycle for combined cycle power plant
US3772879A (en) Heat engine
US20080047271A1 (en) Wind turbine system
US20080050234A1 (en) Wind turbine system
US20100154381A1 (en) Combined brayton - rankine cycle
US4271665A (en) Installation for generating pressure gas or mechanical energy
US6530226B1 (en) Multistep steam power operating method for generating electric power in a cycle and device for the implementation thereof
CN1036414C (zh) 改进的回热并联复合双流体燃气轮机装置及其操作方法
RU2113599C1 (ru) Способ преобразования теплоты в электроэнергию
Srinivas et al. Parametric simulation of steam injected gas turbine combined cycle
EP0605159A1 (en) Method for utilizing liquified natural gas as a heat sink for a gas turbine inlet chiller
JPS61201831A (ja) 動力発生法
GB824492A (en) Process and apparatus for the generation of power
RU2476690C2 (ru) Способ работы парогазовой установки
RU2620610C1 (ru) Способ работы парогазовой установки электростанции
RU2146768C1 (ru) Система преобразования низкопотенциального тепла
SU909238A1 (ru) Энергоустановка с глубоким охлаждением отработанных газов
SU974067A1 (ru) Комбинированна теплохладоэнергетическа установка
RU2806868C1 (ru) Энергетический комплекс выработки тепловой и электрической энергии и способ его работы (варианты)
RU2774008C1 (ru) Установка для выработки тепловой и механической энергии и способ ее регулирования
RU61797U1 (ru) Энергетическая газотурбинная установка комбинированного цикла
IL107530A (en) Method and device for increasing the power produced by gas turbines
RU2799694C1 (ru) Комбинированная энергетическая установка с рекуперацией отходящего тепла
RU2779349C1 (ru) Рекуперационная энергетическая установка