RU2162161C2 - Low-temperature heat energy-to-mechanical work conversion method - Google Patents

Low-temperature heat energy-to-mechanical work conversion method Download PDF

Info

Publication number
RU2162161C2
RU2162161C2 RU98107977A RU98107977A RU2162161C2 RU 2162161 C2 RU2162161 C2 RU 2162161C2 RU 98107977 A RU98107977 A RU 98107977A RU 98107977 A RU98107977 A RU 98107977A RU 2162161 C2 RU2162161 C2 RU 2162161C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
working medium
flow
energy
source
additional
Prior art date
Application number
RU98107977A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU98107977A (en
Inventor
И.И. Самхан
Original Assignee
Самхан Игорь Исаакович
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 Самхан Игорь Исаакович filed Critical Самхан Игорь Исаакович
Priority to RU98107977A priority Critical patent/RU2162161C2/en
Publication of RU98107977A publication Critical patent/RU98107977A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2162161C2 publication Critical patent/RU2162161C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: power engineering. SUBSTANCE: method includes expansion of subsonic operating medium flow with supply of heat from external source of energy at higher temperature level, expansion of flow with taking off of mechanical work, and compression of operating medium by changing flow velocity and exposure to action of energy from additional energy source at lower temperature level. When flow is acted upon by energy from additional source, additional energy or agent is supplied to operating medium flow. Method can be used at operating medium temperatures lower than those ambient medium. EFFECT: increased efficiency of heat-mechanical conversions, enlarged sphere of application. 8 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к способам, использующим рабочую среду в газообразной или жидкой фазах для получения механической энергии из теплоты внешнего источника, предпочтительно низкотемпературного источника. The invention relates to a power system, in particular to methods using a working medium in a gaseous or liquid phase to obtain mechanical energy from the heat of an external source, preferably a low-temperature source.

Широко известны способы преобразования тепловой энергии в работу в паротурбинных агрегатах, работающих по циклу Ренкина. В этих способах производится сжатие рабочей жидкости, ее нагревание от внешнего теплового источника с образованием пара, расширение пара с получением механической энергии (работы), охлаждение и конденсация пара до жидкого состояния в процессе теплового взаимодействия пара с дополнительным тепловым источником, в качестве которого используется окружающее пространство [1]. Widely known are methods of converting thermal energy into operation in steam turbine units operating on the Rankine cycle. In these methods, the working fluid is compressed, heated from an external heat source to form steam, the steam is expanded to produce mechanical energy (work), the steam is cooled and condensed to a liquid state during the thermal interaction of steam with an additional heat source, which is used as the surrounding space [1].

Известен способ преобразования теплоты в работу [2], в котором выработку механической энергии проводят расширением в турбине двухфазной рабочей среды (смеси пара и жидкости), а для замыкания цикла рабочую среду после турбины разделяют на паровую и жидкую составляющие, первую из которых охлаждают и конденсируют при тепловом контакте с дополнительным источником энергии окружающей средой, причем давление общего потока рабочей среды повышают смешением разогнанного до сверхзвуковых скоростей потока пара рабочей среды и потока ее нагретого жидкого компонента. There is a method of converting heat into work [2], in which mechanical energy is generated by expanding a two-phase working medium in the turbine (a mixture of steam and liquid), and to close the cycle, the working medium after the turbine is divided into steam and liquid components, the first of which is cooled and condensed during thermal contact with an additional source of energy, the environment, and the pressure of the total flow of the working medium is increased by mixing accelerated to supersonic speeds the flow of steam of the working medium and the flow of its heated idkogo component.

Известен способ [3] преобразования тепловой энергии внешнего источника теплоты в механическую работу, позволяющий повысить коэффициент полезного действия теплового агрегата до значений, близких к единице, т.е. до полного превращения теплоты рабочей среды в механическую работу. В этом способе, включающем нагревание рабочей среды, ее расширение с получением механической работы и сжатие, столь высокая эффективность достигается разделением рабочей среды в центробежном поле сверхзвукового закрученного потока на "горячие" и "холодные" составляющие, первую из которых используют для регенерации теплоты и повторного расширения, а вторую перед нагреванием предварительно сжимают в компрессоре. The known method [3] converts the thermal energy of an external heat source into mechanical work, which allows to increase the efficiency of the thermal unit to values close to unity, i.e. until the complete conversion of the heat of the working medium into mechanical work. In this method, which includes heating the working medium, expanding it to obtain mechanical work and compressing, such a high efficiency is achieved by dividing the working medium in a centrifugal field of a supersonic swirling flow into “hot” and “cold” components, the first of which is used for heat recovery and reuse expansion, and the second before heating is pre-compressed in the compressor.

Известен способ преобразования тепловой энергии внешнего источника теплоты в механическую работу, выбранный в качестве аналога, наиболее близкого к предлагаемому изобретению по совокупности признаков (прототип), заключающийся в получении механической работы в бескомпрессорном цикле замкнутой газотурбинной установки [4]. Он состоит в следующем. В подогреваемом дозвуковом канале газ (рабочую среду) разгоняют до скорости звука. Статистическая температура газа при этом поддерживается постоянной за счет повышения скорости потока при изменении площади канала. Далее газ поступает на колесо активной турбины, где расширяется с понижением скорости и совершает работу. После турбины газовый поток расширяют в сверхзвуковом теплоизолированном сопле. Затем для замыкания цикла газ подают в сверхзвуковой охлаждаемый диффузор, в котором давление газа повышается (газ сжимают) при постоянной температуре и энтальпии потока за счет изменения геометрии сопла и передачи части тепловой энергии потока дополнительному источнику энергии - холодильнику. После этого цикл замыкают торможением газа (рабочей среды) в теплоизолированном сопле с преобразованием кинетической энергии движения потока в потенциальную энергию рабочей среды. A known method of converting the thermal energy of an external heat source into mechanical work, selected as an analogue closest to the proposed invention by the totality of features (prototype), which consists in obtaining mechanical work in an unpressor cycle of a closed gas turbine plant [4]. It consists of the following. In a heated subsonic channel, the gas (working medium) is accelerated to the speed of sound. The statistical gas temperature is maintained constant by increasing the flow rate with a change in the channel area. Then the gas enters the wheel of the active turbine, where it expands with decreasing speed and does the job. After the turbine, the gas flow is expanded in a supersonic thermally insulated nozzle. Then, to close the cycle, gas is supplied to a supersonic cooled diffuser, in which the gas pressure rises (gas is compressed) at a constant temperature and flow enthalpy due to a change in the nozzle geometry and transfer of a part of the flow thermal energy to an additional energy source - a refrigerator. After this, the cycle is closed by braking the gas (working medium) in a heat-insulated nozzle with the conversion of the kinetic energy of the flow into the potential energy of the working medium.

Известный способ обладает эффективностью цикла Карно, а благодаря регулированию скорости потока рабочей среды как дополнительного параметра процесса в этом цикле удается обойтись без применения компрессора для замыкания цикла. The known method has the effectiveness of a Carnot cycle, and thanks to the regulation of the flow rate of the working medium as an additional process parameter in this cycle, it is possible to do without using a compressor to close the cycle.

Недостатком известного способа является невозможность достаточно эффективного преобразования теплоты в работу, т.к. и в этом способе значительная часть подводимой тепловой энергии теряется в холодильнике (дополнительном источнике энергии). Особенно большие потери тепловой энергии (до 80%) возникают в этом случае при использовании внешних тепловых источников с температурой 100-150oC.The disadvantage of this method is the impossibility of a sufficiently effective conversion of heat into work, because and in this method, a significant part of the supplied heat energy is lost in the refrigerator (an additional source of energy). Especially large losses of thermal energy (up to 80%) occur in this case when using external heat sources with a temperature of 100-150 o C.

Целью предлагаемого изобретения является повышение коэффициента полезного действия теплового агрегата за счет полного преобразования теплоты рабочей среды, получаемой от внешнего источника, в механическую работу. The aim of the invention is to increase the efficiency of a thermal unit due to the complete conversion of the heat of the working medium received from an external source into mechanical work.

Указанная цель достигается тем, что и способе преобразования тепловой энергии внешнего источника теплоты в механическую работу, включающем нагревание (повышение энергии) дозвукового потока рабочей среды передачей ему теплоты от внешнего источника, расширение потока с выполнением механической работы, изменение скорости движения потока регулированием геометрии сопел или каналов и энергообмена с дополнительным источником энергии, а также сжатие рабочей среды путем торможения потока с преобразованием его кинетической энергии движения в потенциальную, энергообмен между потоком рабочей среды и дополнительным источником энергии, осуществляемый при изменении скорости потока, проводят с подведением к рабочей среде потоков энергии и/или массы (вещества). This goal is achieved by the fact that the method of converting the thermal energy of an external heat source into mechanical work, including heating (increasing energy) of a subsonic flow of a working medium by transferring heat from an external source to it, expanding the flow with performing mechanical work, changing the speed of the flow by adjusting the geometry of the nozzles or channels and energy exchange with an additional energy source, as well as compression of the working medium by braking the flow with the conversion of its kinetic energy of motion potential energy exchange between the flow of the working medium and an additional source of energy, carried out by changing the flow rate, is carried out with the flow of energy and / or mass (substance) to the working medium.

Технический результат усиливается, если после расширения потока его скорость увеличивают до значений больших скорости звука. The technical result is enhanced if, after expanding the flow, its speed is increased to values greater than the speed of sound.

Кроме того, особенностями предлагаемого способа, приводящими к достижению технического результата, являются:
- использование в качестве дополнительного источника энергии источника механической работы (вместо теплового источника в прототипе);
- использование в качестве дополнительного источника энергии части общего потока рабочей среды повышенной плотности, которую предварительно выделяют из общего потока рабочей среды после его расширения с помощью гравитационного и/или центробежного полей, а затем впрыскивают (вводят) в ускоренный поток другой части рабочей среды пониженной плотности;
- применение в качестве рабочей среды смеси компонентов с различными температурами кипения;
- использование в качестве рабочих сред смесей жидких и газообразных веществ;
- проведение многоступенчатого нагревания и расширения рабочей среды;
- проведение непосредственно перед нагреванием рабочей среды ее дополнительного сжатия.
In addition, the features of the proposed method, leading to the achievement of a technical result, are:
- use as an additional source of energy a source of mechanical work (instead of a heat source in the prototype);
- the use as part of an additional energy source of a part of the total flow of the working medium of increased density, which is preliminarily isolated from the general flow of the working medium after its expansion using gravitational and / or centrifugal fields, and then injected (injected) into the accelerated flow of another part of the working medium of low density ;
- the use as a working medium of a mixture of components with different boiling points;
- use as working media mixtures of liquid and gaseous substances;
- conducting multi-stage heating and expansion of the working environment;
- conducting immediately before heating the working environment of its additional compression.

В заявленном способе в отличие от известного способа процесс сжатия рабочей среды в сверхзвуковом диффузоре, проводимый снижением скорости движения потока с отбором тепловой энергии, заменяют процессом сжатия рабочей среды в канале переменного сечения с подводом вещества или энергии, например механической. In the claimed method, in contrast to the known method, the process of compressing the working medium in a supersonic diffuser, carried out by reducing the speed of the flow with the selection of thermal energy, is replaced by the process of compressing the working medium in a channel of variable cross-section with the supply of matter or energy, for example mechanical.

В предлагаемом способе для замыкания цикла сжатие потока рабочей среды при совершении работы проводят с одновременным и энергетически эквивалентным повышением скорости движения потока. В этом случае процесс повышения давления рабочей среды может протекать при постоянных значениях энтальпии и температуры потока. In the proposed method for closing the cycle, the compression of the flow of the working medium when performing work is carried out with a simultaneous and energy equivalent increase in the speed of flow. In this case, the process of increasing the pressure of the working medium can occur at constant values of enthalpy and flow temperature.

Это положение поясняется с использованием выражения закона сохранения энергии для потока
ΔH = Q+A+W, (1)
определяющего зависимость изменения энтальпии ДН вещества как от величин потоков теплоты Q и работы A, так и от величины кинетической энергии движения среды W. Из (1) следует, что для традиционного статического идеального газового цикла Карно, протекающего бесконечно медленно (W = 0), сжатие или расширение рабочей среды в изотермических (T = const) и изоэнтальпических (H = const) процессах возможно лишь при одновременном обмене рабочей среды и источников энергии эквивалентными количествами тепловой Q, и механической Аi энергии на каждом температурном уровне Ti т.е. при постоянной температуре имеет место равенство
ΔHi= Qi+Ai= 0 и ±Qi= ∓Ai.
В известном способе (прототипе) изотермическое сжатие (и расширение) рабочей среды осуществляют лишь при одной форме взаимодействия рабочей среды с источниками энергии, а именно при тепловом взаимодействии, в то время как обмен механической энергией (работой) при этом отсутствует (A = 0) (т.е. цикл бескомпрессорный). Постоянство энтальпии и температуры рабочей среды в этом случае достигается отбором от потока тепловой энергии (охлаждением потока) и снижением его скорости при сжатии рабочей среды и нагревом потока с повышением его скорости при расширении, или иначе при A = 0 выражение (1) преобразуется к виду
ΔHi= Qi+Wi= 0 и ±Qi= ∓Wi.
В заявленном способе предлагается (в случае газового цикла) проводить изотермическое (и изоэнтальпическое) сжатие рабочей среды после турбины при передаче потоку энергии, например, путем совершения механической работы, и повышение его скорости за счет изменения геометрических размеров сопел (каналов), т.е. в этом случае
ΔHi= Ai+Wi= 0 и -Ai= Wi.
Особенностями энергетического баланса предлагаемого способа являются
- возможность практически полного преобразования тепловой энергии рабочей среды Qout, получаемой от внешнего теплового источника, в механическую энергию Aout, передаваемую внешнему потребителю;
- использование двух источников тепловой энергии для передачи расширяющемуся потоку рабочей среды тепловой энергии Q1 на верхнем температурном уровне T1 цикла, одним из которых является внешний тепловой источник теплоты с тепловым потоком Qout, а другой - внутренним с тепловым потоком Qin, выделяющимся преобразованием части скоростного напора потока в работу трения (внутренняя работа) и равным количеству энергии A2, затраченной при сжатии потока на нижнем температурном уровне T2 цикла (Q1 = Qout + Qin = Qout + A2).
This position is explained using the expression of the law of conservation of energy for the flow
ΔH = Q + A + W, (1)
determining the dependence of the change in the enthalpy of the substance DN both on the values of heat fluxes Q and work A, and on the value of the kinetic energy of the medium W. From (1) it follows that for the traditional static ideal Carnot gas cycle proceeding infinitely slowly (W = 0), compression or expansion of the working medium in isothermal (T = const) and isoenthalpic (H = const) processes is possible only with the simultaneous exchange of the working medium and energy sources with equivalent amounts of thermal Q, and mechanical A i energy at each temperature level T i i.e. at constant temperature, the equality
ΔH i = Q i + A i = 0 and ± Q i = ∓ A i .
In the known method (prototype) isothermal compression (and expansion) of the working medium is carried out only with one form of interaction of the working medium with energy sources, namely, thermal interaction, while there is no exchange of mechanical energy (work) (A = 0) (i.e. uncompressed cycle). The constancy of the enthalpy and temperature of the working medium in this case is achieved by taking away heat energy from the flow (cooling the flow) and decreasing its speed during compression of the working medium and heating the flow with increasing its speed during expansion, or otherwise, at A = 0, expression (1) is transformed to
ΔH i = Q i + W i = 0 and ± Q i = ∓W i .
In the claimed method, it is proposed (in the case of a gas cycle) to carry out isothermal (and isoenthalpic) compression of the working medium after the turbine when transferring energy to the flow, for example, by performing mechanical work, and increasing its speed by changing the geometric dimensions of the nozzles (channels), i.e. . in this case
ΔH i = A i + W i = 0 and -A i = W i .
Features of the energy balance of the proposed method are
- the possibility of almost complete conversion of thermal energy of the working medium Q out received from an external heat source into mechanical energy A out transmitted to an external consumer;
- the use of two sources of thermal energy for transmitting to the expanding flow of the working medium heat energy Q 1 at the upper temperature level T 1 of the cycle, one of which is an external heat source of heat with a heat flux Q out , and the other is an internal heat source Q in , distinguished by conversion part of the flow velocity head into the friction work (internal work) and equal to the amount of energy A 2 expended during compression of the flow at the lower temperature level T 2 of the cycle (Q 1 = Q out + Q in = Q out + A 2 ).

Применительно к идеальному газовому циклу с изотермическими процессами сжатия и расширения количественные соотношения между работой Aout, передаваемой внешнему потребителю, тепловой энергией Qout, полученной потоком от внешнего теплового источника при температуре T1, количеством энергии A2, полученной потоком при сжатии на температурном уровне T2 и общим количеством теплоты Q1 = (Qout + A2), подведенным к потоку при температуре T1, определяется выражением

Figure 00000002

формально похожим на температурную зависимость коэффициента полезного действия цикла Карно.In relation to an ideal gas cycle with isothermal compression and expansion processes, the quantitative relations between the work A out transferred to an external consumer, the thermal energy Q out received by the stream from an external heat source at a temperature T 1 , the amount of energy A 2 received by the stream under compression at a temperature level T 2 and the total amount of heat Q 1 = (Q out + A 2 ), supplied to the flow at a temperature T 1 , is determined by the expression
Figure 00000002

formally similar to the temperature dependence of the efficiency of the Carnot cycle.

Однако, в отличие от цикла Карно и способа прототипа, в заявляемом способе количество потребляемой тепловой энергии Qout практически полностью преобразуется в отводимую механическую энергию Aout, т.е. Aout = Qout независимо ни от значений температур, ни от величины температурного диапазона ΔT = T1-T2. Температурный диапазон определяет лишь производительность цикла, т. е. количественные значения потоков Qout и Aout. Причем, как следует из (2), работоспособность цикла возрастает с увеличением его температурного диапазона ΔT = T1-T2, которое так же как в способе прототипа может быть достигнуто повышением скорости потока до сверхзвуковых значений.However, unlike the Carnot cycle and the prototype method, in the inventive method, the amount of consumed thermal energy Q out is almost completely converted into the extracted mechanical energy A out , i.e. A out = Q out regardless of the temperature or the value of the temperature range ΔT = T 1 -T 2 . The temperature range determines only the productivity of the cycle, i.e., the quantitative values of the flows Q out and A out . Moreover, as follows from (2), the efficiency of the cycle increases with an increase in its temperature range ΔT = T 1 -T 2 , which, as in the prototype method, can be achieved by increasing the flow rate to supersonic values.

Общее количество вырабатываемой в таком цикле механической энергии A1 определяется, как обычно, алгебраической суммой потоков энергии верхнего и нижнего температурного (энергетического) уровней цикла, т.е.The total amount of mechanical energy A 1 generated in such a cycle is determined, as usual, by the algebraic sum of the energy flows of the upper and lower temperature (energy) levels of the cycle, i.e.

A1 = Q1 = Qout + A2 > Aout.A 1 = Q 1 = Q out + A 2 > A out .

Часть вырабатываемой при этом механической энергии, равной A2, используют в качестве внутреннего, регенеративного дополнительного источника энергии, а остальную часть Aout = Qout отводят внешнему потребителю.A part of the generated mechanical energy equal to A 2 is used as an internal, regenerative additional energy source, and the rest of A out = Q out is allocated to an external consumer.

По достигаемой степени преобразования потока тепловой энергии внешнего источника в механическую энергию заявленный способ, значительно превосходящий цикл Карно и, соответственно, способ прототипа, фактически эквивалентен аналогичному способу [3] с регенерацией тепловой энергии потока рабочей среды низкого энергетического уровня с применением центробежных полей. Однако, в отличии от известного аналога [3], предлагаемый способ может быть проще в осуществлении из-за отсутствия многоступенчатой системы регенерации и допускает использование низкотемпературных тепловых источников из-за отсутствия ограничений температурного диапазона цикла уровнем окружающей среды. According to the degree of conversion of the heat flux of an external source into mechanical energy, the claimed method, significantly superior to the Carnot cycle and, accordingly, the prototype method, is actually equivalent to the similar method [3] with the regeneration of thermal energy of a low-energy working medium flow using centrifugal fields. However, in contrast to the known analogue [3], the proposed method may be easier to implement due to the lack of a multi-stage regeneration system and allows the use of low-temperature heat sources due to the absence of restrictions on the temperature range of the cycle to the ambient level.

Заявляемый способ может быть также реализован с применением рабочих сред в виде сложных многофазных парогазожидкостных смесей. В этом случае повышение давления рабочей смеси после турбины, необходимое для замыкания цикла, проводят с использованием более плотной жидкой фазы в качестве дополнительного источника энергии и вещества. При этом повышение давления рабочей среды происходит за счет снижения ее внутренней энергии. Процесс осуществляют следующим образом. Поток рабочей среды после турбины разделяют в сепараторе на жидкую (более плотную) и газообразную (менее плотную) составляющие (фазы). Газообразную составляющую общего потока разгоняют до сверхзвуковых скоростей с помощью сопла Лаваля. При этом энергия теплового (хаотического) движения газовых молекул в значительной степени преобразуется в кинетическую энергию движения потока, а внутренняя энергия (и статистическая температура среды) понижается. Далее в сверхзвуковой газовый поток вводят поток выделенной в сепараторе жидкости. При смешении потоков изменяется показатель изоэнтропы (адиабаты) смеси, снижается местная скорость звука и происходит скачок уплотнения с преобразованием кинетической энергии потока в потенциальную энергию сжатия, сопровождающийся конденсацией паровой фазы. По своему физическому смыслу возникающие в этом случае эффекты обратны известному процессу дросселирования Джоуля-Томсона. The inventive method can also be implemented using working media in the form of complex multiphase vapor-gas-liquid mixtures. In this case, an increase in the pressure of the working mixture after the turbine, necessary to close the cycle, is carried out using a denser liquid phase as an additional source of energy and substance. In this case, an increase in the pressure of the working medium occurs due to a decrease in its internal energy. The process is as follows. The flow of the working medium after the turbine is separated in the separator into liquid (more dense) and gaseous (less dense) components (phases). The gaseous component of the total flow is accelerated to supersonic speeds using a Laval nozzle. In this case, the energy of the thermal (chaotic) motion of gas molecules is significantly converted into the kinetic energy of the flow, and the internal energy (and the statistical temperature of the medium) decreases. Next, a stream of liquid separated in the separator is introduced into the supersonic gas stream. When the flows are mixed, the isoentropic (adiabatic) index of the mixture changes, the local speed of sound decreases, and a shock wave occurs with the conversion of the kinetic energy of the stream into potential compression energy, accompanied by condensation of the vapor phase. In their physical sense, the effects arising in this case are inverse to the well-known Joule-Thomson throttling process.

Кроме того, в предлагаемом способе наряду с указанными выше процессами (операциями) возможно также применение традиционных приемов для дальнейшего повышения работоспособности цикла, например дополнительное сжатие рабочей среды в компрессоре непосредственно перед ее нагреванием, и применение многоступенчатого нагревания и расширения рабочей среды. In addition, in the proposed method, along with the above processes (operations), it is also possible to use traditional techniques to further improve the efficiency of the cycle, for example, additional compression of the working medium in the compressor immediately before its heating, and the use of multi-stage heating and expansion of the working environment.

На фиг. 1, 2 и 3 изображены в координатах T-S диаграммы идеальных газовых теплотехнических циклов: соответственно машины Карно (фиг. 1), агрегата, работающего по способу прототипа (фиг. 2) и агрегата, работающего по заявляемому способу (фиг. 3). На фиг. 4 изображена в координатах T-S диаграмма идеального теплотехнического цикла агрегата, работающего по заявленному способу с использованием парожидкостной смеси в качестве рабочей среды. На фиг. 5 и 6 показаны принципиальные схемы установок для осуществления заявляемого способа соответственно в варианте использования в качестве рабочей среды газообразного вещества и парожидкостной смеси. In FIG. 1, 2 and 3 are depicted in T-S coordinates diagrams of ideal gas thermotechnical cycles: respectively, the Carnot machine (Fig. 1), an aggregate operating according to the prototype method (Fig. 2) and an aggregate operating according to the claimed method (Fig. 3). In FIG. 4 shows in T-S coordinates a diagram of the ideal heat engineering cycle of a unit operating according to the claimed method using a vapor-liquid mixture as a working medium. In FIG. 5 and 6 are schematic diagrams of installations for implementing the inventive method, respectively, in the embodiment of the use of a gaseous substance and a vapor-liquid mixture as a working medium.

Диаграммы на фиг. 1, 2 и 3 поясняют особенности предлагаемого способа по сравнению с циклом Карно (фиг. 1) и способом прототипа (фиг. 2). Здесь все указанные циклы изображены в виде одинаковых прямоугольников 1-2-3-4. Горизонтальными участками диаграмм 1-2 и 3-4 представлены соответственно изотермические (T = const) и изоэнтальпические (H = const) процессы расширения и сжатия идеального газа. Эти процессы протекают при обмене энергией рабочей среды (газа) с внешним источником энергии (уровень T1 и H1) и дополнительным источником энергии (уровень T2 и H2). В случае квазистатического цикла Карно, для которого скорость и кинетическая энергия потока равны нулю, процессы изоэнтальпического расширения и сжатия газа протекают при наличии как теплового, так и эквивалентного механического взаимодействия рабочей среды и источников энергии на каждом уровне Ti и Hi, т.е. если подводится (отводится) тепловая энергия, то одновременно отводится (подводится) равная по величине механическая энергия и наоборот.The diagrams in FIG. 1, 2 and 3 explain the features of the proposed method compared to the Carnot cycle (Fig. 1) and the prototype method (Fig. 2). Here, all these cycles are depicted in the form of identical rectangles 1-2-3-4. The horizontal sections of diagrams 1-2 and 3-4 show, respectively, isothermal (T = const) and isoenthalic (H = const) processes of expansion and contraction of an ideal gas. These processes occur during the exchange of energy of the working medium (gas) with an external energy source (level T 1 and H 1 ) and an additional energy source (level T 2 and H 2 ). In the case of a quasistatic Carnot cycle, for which the velocity and kinetic energy of the flow are equal to zero, the processes of isoenthalpic expansion and compression of the gas proceed in the presence of both thermal and equivalent mechanical interaction of the working medium and energy sources at each level T i and H i , i.e. . if thermal energy is supplied (removed), then at the same time mechanical energy of equal magnitude is removed (supplied) and vice versa.

В способе прототипа (фиг. 2), учитывающем влияние скорости, идеальные газовые процессы изоэнтальпического сжатия (3-4, фиг. 2) и расширения (1-2, фиг. 2) проводят лишь при одной (а именно тепловой) форме взаимодействия с источниками энергии, охлаждая сверхзвуковой поток при сжатии и нагревая дозвуковой поток при расширении. При этом характерное для цикла Карно обязательное механическое взаимодействие в этих процессах отсутствует. In the prototype method (Fig. 2), taking into account the influence of speed, ideal gas processes of isoenthalpic compression (3-4, Fig. 2) and expansion (1-2, Fig. 2) are carried out only with one (namely thermal) form of interaction with energy sources, cooling the supersonic stream during compression and heating the subsonic stream during expansion. Moreover, the obligatory mechanical interaction characteristic of the Carnot cycle is absent in these processes.

В предлагаемом способе, как показано на фиг. 3, процесс изоэнтальпического сжатия 3-4 проводят с передачей потоку дополнительной энергии, форма которой соответствует сжатию потока в дозвуковой или сверхзвуковой областях движения, например, механической работы. Геометрию сопла (поперечного сечения потока) при этом регулируют (подбирают) таким образом, чтобы скорость (и кинетическая энергия) потока и давление рабочей среды возрастали, а энтальпия (температура) оставались постоянными. Особенностью процесса 1-2 фиг. 3 изоэнтальпического расширения потока является то, что от внешнего теплового источника подводится лишь часть необходимой для расширения (нагрева) тепловой энергии Qout, а другую часть этой энергии Qin выделяют от внутреннего источника (регенеративно) преобразованием избыточного скоростного напора потока в его тепловую энергию путем трения (дросселирования).In the proposed method, as shown in FIG. 3, the process of iso-enthalpic compression 3-4 is carried out with the transfer of additional energy to the stream, the shape of which corresponds to the compression of the stream in subsonic or supersonic areas of motion, for example, mechanical work. In this case, the nozzle geometry (flow cross section) is controlled (selected) so that the velocity (and kinetic energy) of the flow and the pressure of the working medium increase, and the enthalpy (temperature) remains constant. A feature of the process is 1-2 of FIG. 3 of the isentalpic expansion of the flow is that only part of the thermal energy Q out necessary for expansion (heating) is supplied from the external heat source, and another part of this energy Q in is extracted from the internal source (regeneratively) by converting the excess velocity head of the flow into its thermal energy by friction (throttling).

Процессы 2-3 и 4-1 на диаграммах фиг. 1, 2 и 3 характеризуют переход рабочей среды (газа) с одного изоэнтальпического уровня на другой. Причем, если в цикле Карно такой переход сопровождается обязательным отбором (при расширении) и потреблением (при сжатии) механической энергии, то в способах прототипа и предлагаемого способа сжатие рабочей среды (процессы 4-1) может быть осуществлено в тепло- и механически изолированных соплах преобразованием кинетической энергии потока в потенциальную, приводящую к повышению энтальпии и температуры вещества при постоянстве общей энергии потока рабочей среды. Processes 2-3 and 4-1 in the diagrams of FIG. 1, 2 and 3 characterize the transition of the working medium (gas) from one isentalpic level to another. Moreover, if in the Carnot cycle such a transition is accompanied by mandatory selection (during expansion) and consumption (during compression) of mechanical energy, then in the methods of the prototype and the proposed method, the compression of the working medium (processes 4-1) can be carried out in heat and mechanically isolated nozzles the conversion of kinetic energy of the flow into potential, leading to an increase in the enthalpy and temperature of the substance with a constant total energy of the flow of the working medium.

Кроме того, в заявленном способе нагревание потока рабочей среды возможно проводить не только изотермически, но и при других условиях, например изобарически P = const, что изображается кривой 1-2' фиг. 3. Отрезки 1-5 изотермы 1-2 и 1-5' изобары 1-2' фиг. 3 характеризуют области внутреннего (регенеративного) нагрева потока рабочей среды. In addition, in the inventive method, it is possible to heat the working medium stream not only isothermally, but also under other conditions, for example, isobarically P = const, which is depicted by the curve 1-2 'of FIG. 3. Segments 1-5 of the isotherm 1-2 and 1-5 'of the isobar 1-2' of FIG. 3 characterize the area of internal (regenerative) heating of the flow of the working medium.

Фиг. 4 иллюстрирует вариант заявляемого способа с использованием парожидкостной смеси в качестве рабочей среды. В этом случае предварительно сжатую рабочую среду в жидком состоянии расширяют и испаряют в изобарном процессе 1-2 с подводом теплоты Qout от внешнего теплового источника. Образовавшийся мокрый или сухой пар далее расширяют по адиабате 2-3 в турбине (детандере) с отбором внешней работы. В процессе этого расширения температура потока рабочей среды уменьшается и происходит образование конденсированной (жидкой) фазы. После турбины мокрый пар разделяют в сепараторе, например, с помощью гравитационного или центробежного полей, на паровую и жидкую составляющие. Этот процесс на фиг. 4 представлен штриховой линией 7-3-4-, точки 7 и 4 которой расположены соответственно на ветвях жидкости и пара кривой насыщения. Затем паровую составляющую потока рабочей среды разгоняют в сопле Лаваля (процесс 4-5 на фиг. 4) до сверхзвуковых скоростей, например до чисел Маха M = 2-5. При таком повышении скорости энергия теплового движения молекул среды преобразуется в кинетическую энергию движения потока, температура и внутренняя энергия рабочей среды понижаются. Процесс 5-6 диаграммы фиг. 4 иллюстрирует сжатие рабочей среды преобразованием кинетической энергии потока в его потенциальную энергию. Это преобразование осуществляют торможением сверхзвукового потока пара введением в него жидкой (более плотной) составляющей, приводящим к резкому снижению местной скорости звука в парожидкостной смеси и возникновению скачков уплотнения с многократным повышением давления рабочей среды. Более подробные сведения о скачках уплотнения приведены в [2, 5]. Кроме того, на фиг. 4 изображены следующие процессы:
6-1 - дополнительное сжатие парожидкостной рабочей среды в компрессоре с совершением механической работы, равной Ain;
7-8 и 8-6 - первоначальное охлаждение и последующее нагревание жидкой составляющей рабочей среды при ее смешении со сверхзвуковым потоком пара.
FIG. 4 illustrates a variant of the proposed method using a vapor-liquid mixture as a working medium. In this case, the precompressed working medium in the liquid state is expanded and evaporated in an isobaric process 1-2 with the supply of heat Q out from an external heat source. The resulting wet or dry steam is further expanded by adiabat 2-3 in the turbine (expander) with selection of external work. In the process of this expansion, the temperature of the working fluid stream decreases and a condensed (liquid) phase forms. After the turbine, wet steam is separated in a separator, for example, using gravitational or centrifugal fields, into steam and liquid components. This process in FIG. 4 is represented by a dashed line 7-3-4-, points 7 and 4 of which are located respectively on the branches of the liquid and the vapor of the saturation curve. Then the vapor component of the flow of the working medium is accelerated in the Laval nozzle (process 4-5 in Fig. 4) to supersonic speeds, for example, to Mach numbers M = 2-5. With this increase in speed, the energy of the thermal motion of the molecules of the medium is converted into kinetic energy of the flow, the temperature and internal energy of the working medium decrease. The process 5-6 of the diagram of FIG. 4 illustrates the compression of a working medium by converting the kinetic energy of a stream into its potential energy. This transformation is carried out by braking the supersonic steam stream by introducing a liquid (denser) component into it, leading to a sharp decrease in the local sound velocity in the vapor-liquid mixture and the occurrence of shock waves with a multiple increase in the pressure of the working medium. More detailed information on shock waves is given in [2, 5]. In addition, in FIG. 4 shows the following processes:
6-1 - additional compression of the vapor-liquid working medium in the compressor with the completion of mechanical work equal to A in ;
7-8 and 8-6 - initial cooling and subsequent heating of the liquid component of the working medium when it is mixed with a supersonic steam stream.

В этом варианте заявляемого способа для идеального цикла также характерно полное преобразование потока теплоты Qout, получаемой рабочей средой от внешнего теплового источника, в поток работы Aout, передаваемый внешней нагрузке, т.е. Qout = Aout. Общее количество механической энергии A, вырабатываемой турбиной, определяется энергетическим балансом A = Qout + Ain.In this embodiment of the proposed method, a perfect conversion of the heat flux Q out received by the working medium from an external heat source to the work flow A out transmitted to an external load is also typical for an ideal cycle, i.e. Q out = A out . The total amount of mechanical energy A generated by the turbine is determined by the energy balance A = Q out + A in .

Заявляемый способ преобразования тепловой энергии в механическую может быть осуществлен с помощью замкнутой газотурбинной установки, схема которой представлена на фиг. 5. Она состоит из подогреваемого сопла 1, турбины 2 с электрогенератором, сверхзвукового теплоизолированного сопла 3, диффузора 4, снабженного механизмом (крыльчаткой) 5 для сжатия потока, и теплоизолированного диффузора 6. Стрелками на фиг. 5 обозначены потоки тепловой и механической энергии. The inventive method of converting thermal energy into mechanical energy can be carried out using a closed gas turbine installation, the scheme of which is presented in FIG. 5. It consists of a heated nozzle 1, a turbine 2 with an electric generator, a supersonic thermally insulated nozzle 3, a diffuser 4 provided with a mechanism (impeller) 5 for compressing the flow, and a thermally insulated diffuser 6. The arrows in FIG. 5 shows the flows of thermal and mechanical energy.

Способ также может быть реализован с применением другого устройства, представленного в виде схемы фиг. 6. Это устройство представляет собой замкнутый пароконденсационный цикл, включающий нагреватель 1, турбину с электрогенератором 2, сепаратор 3, сопло Лаваля 4, насос 5, смеситель 6 и компрессор 7, приводимый в действие турбиной 2. The method can also be implemented using another device, presented in the form of a diagram of FIG. 6. This device is a closed vapor condensation cycle, including a heater 1, a turbine with an electric generator 2, a separator 3, a Laval nozzle 4, a pump 5, a mixer 6, and a compressor 7 driven by a turbine 2.

Из представленных схем на фиг. 5 и 6 следует, что установки для реализации заявляемого способа сравнительно просты и могут быть выполнены при существующем уровне техники. From the diagrams shown in FIG. 5 and 6 it follows that the installation for implementing the proposed method is relatively simple and can be performed with the current level of technology.

Предлагаемый способ по сравнению с прототипом имеет ряд преимуществ: 1) повышает КПД тепломеханических преобразований до значений, близких к единице; 2) позволяет использование низкотемпературных источников тепловой энергии и снижение температурного диапазона цикла за пределы уровня окружающей среды. The proposed method in comparison with the prototype has several advantages: 1) increases the efficiency of thermomechanical transformations to values close to unity; 2) allows the use of low-temperature sources of thermal energy and a decrease in the temperature range of the cycle beyond the limits of the environment.

Достижение положительных эффектов в предлагаемом способе становится возможным благодаря применению специальной системы регенерации тепловой энергии рабочей среды, расширенной после совершения механической работы. Эта система регенерации осуществляется первоначально преобразованием внутренней (тепловой) энергии рабочей среды в кинетическую энергию движения потока при сравнительно низких температурах, а затем преобразованием кинетической энергии в другие формы энергии (потенциальную, тепловую и механическую) при повышенных температурах. Такая регенерация практически не требует затрат внешней энергии и позволяет достигнуть высокой степени преобразования тепловой энергии внешнего источника в механическую энергию. Achieving positive effects in the proposed method becomes possible due to the use of a special system for the regeneration of thermal energy of the working environment, expanded after mechanical work. This regeneration system is carried out initially by converting the internal (thermal) energy of the working medium into kinetic energy of the flow at relatively low temperatures, and then converting the kinetic energy into other forms of energy (potential, thermal and mechanical) at elevated temperatures. Such regeneration practically does not require external energy consumption and allows to achieve a high degree of conversion of the thermal energy of an external source into mechanical energy.

Использованные источники
1. Теплоэнергетика /А.Б. Баскаков, Б.В. Берг, О.К. Витт и др. - М.: Энергоиздат, 1991. - 224 с., ил. 61.
Used sources
1. Heat power engineering / A.B. Baskakov, B.V. Berg, O.K. Witt et al. - M .: Energoizdat, 1991 .-- 224 p., Ill. 61.

2. Фисенко В.В. Сжимаемость теплоносителя и эффективность работы контуров циркуляции ЯЭУ. - М: Энергоатомиздат, 1987, с. 108. 2. Fisenko V.V. The compressibility of the coolant and the efficiency of the circuits of nuclear power plants. - M: Energoatomizdat, 1987, p. 108.

3. Способ преобразования тепловой энергии внешнего источника тепла в механическую работу. Пат. 2078253 RU МКИ 6 F 03 G 7/06. /Смирнов Л.Н. Заявл. 28.07.94; Опубл. 27.04.97. 3. A method of converting thermal energy from an external heat source into mechanical work. Pat. 2078253 RU MKI 6 F 03 G 7/06. / Smirnov L.N. Claim 07/28/94; Publ. 04/27/97.

4. Леонтьев А.И., Шмидт К.Л. Бескомпрессорный идеальный цикл замкнутой газотурбинной установки// Известия РАН. Энергетика. - 1997. - N 3. - С. 132-141. 4. Leontiev A.I., Schmidt K.L. Uncompressed ideal cycle of a closed gas turbine plant // Bulletin of the Russian Academy of Sciences. Energy - 1997. - N 3. - S. 132-141.

5. Фисенко В. В. Критические двухфазные потоки. - М.: Атомиздат, 1978, 160 с. 5. Fisenko VV Critical two-phase flows. - M.: Atomizdat, 1978, 160 p.

Claims (8)

1. Способ преобразования низкотемпературной тепловой энергии в механическую работу, включающий расширение потока рабочей среды подводом к нему теплоты от внешнего источника энергии, расширение потока с отбором механической работы, сжатие рабочей среды изменением скорости потока и воздействия на него дополнительным источником энергии, отличающийся тем, что при воздействии на поток дополнительным источником энергии к потоку рабочей среды подводят дополнительную энергию и/или вещество. 1. A method of converting low-temperature thermal energy into mechanical work, including expanding the flow of the working medium by supplying heat from an external energy source, expanding the flow with the selection of mechanical work, compressing the working medium by changing the flow rate and exposing it to an additional energy source, characterized in that when the flow is affected by an additional energy source, additional energy and / or substance is supplied to the flow of the working medium. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после расширения потока рабочей среды с отбором работы скорость потока увеличивают до значений больших скорости звука. 2. The method according to claim 1, characterized in that after expanding the flow of the working medium with the selection of work, the flow rate is increased to values of high speed of sound. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что при воздействии дополнительного источника энергии поток сжимают, совершая механическую работу. 3. The method according to PP.1 and 2, characterized in that when exposed to an additional energy source, the stream is compressed, performing mechanical work. 4. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве дополнительного источника энергии используют часть общего потока рабочей среды повышенной плотности, которую предварительно выделяют с помощью гравитационного и/или центробежного полей из общего потока рабочей среды после его расширения, а затем возвращают обратно после ускорения другой части рабочей среды. 4. The method according to claims 1 and 2, characterized in that as an additional source of energy use part of the total flow of the working medium of high density, which is preliminarily isolated using gravitational and / or centrifugal fields from the total flow of the working medium after its expansion, and then return back after accelerating another part of the working environment. 5. Способ по пп.1 - 4, отличающийся тем, что в качестве рабочей среды используют смесь компонентов с различными критическими температурами. 5. The method according to claims 1 to 4, characterized in that a mixture of components with different critical temperatures is used as the working medium. 6. Способ по пп.1 - 5, отличающийся тем, что в качестве рабочей среды используют многофазные смеси, например смеси жидких и газообразных веществ. 6. The method according to claims 1 to 5, characterized in that multiphase mixtures, for example mixtures of liquid and gaseous substances, are used as the working medium. 7. Способ по пп. 1 - 6, отличающийся тем, что непосредственно перед нагреванием рабочую среду дополнительно сжимают. 7. The method according to PP. 1 to 6, characterized in that immediately before heating, the working medium is additionally compressed. 8. Способ по пп.1 - 7, отличающийся тем, что проводят многоступенчатое нагревание и расширение рабочей среды. 8. The method according to claims 1 to 7, characterized in that multistage heating and expansion of the working medium are carried out.
RU98107977A 1998-04-20 1998-04-20 Low-temperature heat energy-to-mechanical work conversion method RU2162161C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU98107977A RU2162161C2 (en) 1998-04-20 1998-04-20 Low-temperature heat energy-to-mechanical work conversion method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU98107977A RU2162161C2 (en) 1998-04-20 1998-04-20 Low-temperature heat energy-to-mechanical work conversion method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU98107977A RU98107977A (en) 2000-01-27
RU2162161C2 true RU2162161C2 (en) 2001-01-20

Family

ID=20205304

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU98107977A RU2162161C2 (en) 1998-04-20 1998-04-20 Low-temperature heat energy-to-mechanical work conversion method

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2162161C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004046546A1 (en) * 2002-11-21 2004-06-03 Khemka, Shiv Vikram Method for converting thermal energy into useful work
WO2013034976A2 (en) 2011-09-07 2013-03-14 Solaris Holdings Limited Method for converting thermal energy into useful work

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. ЛЕОНТЬЕВ А.И., ШМИДТ К.Л. Бескомпрессорный идеальный цикл замкнутой газотурбинной установки. Известия РАН. - Энергетика. 1997. N 3, с.132 - 141. 2. *
3. ФИСЕНКО В.В. Сжимаемость теплоносителя и эффективность работы контуров циркуляции ЯЭУ. - М.: Энергоатомиздат. 1987, с.108. 4. БАСКАКОВ А.Б., БЕРГ Б.В., ВИТТ О.К. и др. - Теплоэнергетика, 1991, с.224. 5. ФИСЕНКО В.В. Критические двухфазные потоки. - М.: Атомиздат. 1978, с.160. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004046546A1 (en) * 2002-11-21 2004-06-03 Khemka, Shiv Vikram Method for converting thermal energy into useful work
US7640747B2 (en) 2002-11-21 2010-01-05 Solaris Holdings Limited Method for converting thermal energy into useful work
WO2013034976A2 (en) 2011-09-07 2013-03-14 Solaris Holdings Limited Method for converting thermal energy into useful work

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US3376706A (en) Method for obtaining mechanical energy from a thermal gas cycle with liquid phase compression
CN101449029B (en) Method and system for generating power from a heat source
US4463567A (en) Power production with two-phase expansion through vapor dome
Xia et al. Thermodynamic and economic analysis and multi-objective optimization of a novel transcritical CO2 Rankine cycle with an ejector driven by low grade heat source
AU2004320390A1 (en) Highly efficient heat cycle device
US3006146A (en) Closed-cycle power plant
Liu et al. Performance study of an enhanced ejector refrigeration cycle with flash tank economizer for low-grade heat utilization
US4218891A (en) Cooling and heat pump systems and methods
Zhao et al. Performance analysis of a self-condensation compressed carbon dioxide energy storage system with vortex tube
Kheiri et al. Thermodynamic modeling and performance analysis of four new integrated organic Rankine cycles (A comparative study)
Yu et al. A theoretical study of a novel regenerative ejector refrigeration cycle
Yang et al. Thermodynamic analysis of a combined power and ejector refrigeration cycle using zeotropic mixtures
Bergander Refrigeration cycle with two-phase condensing ejector
Li et al. Energy distributing and thermodynamic characteristics of a coupling near-isothermal compressed air energy storage system
RU2162161C2 (en) Low-temperature heat energy-to-mechanical work conversion method
Simões-Moreira Fundamentals of thermodynamics applied to thermal power plants
Śmierciew et al. Thermodynamic analysis of two-phase injector for various working fluids
Angelino et al. Thermodynamic optimization of ejector actuated refrigerating cycles
US3667215A (en) Heat engines
RU2078253C1 (en) Process of conversion of thermal energy of external heat source to mechanical work
JPS61237804A (en) Power system
Abdellaoui et al. Thermodynamic analysis of a new dual evaporator CO 2 transcritical refrigeration cycle
Aphornratana Theoretical study of a steam-ejector refrigerator
Kim Comparative exergy analysis of organic flash cycle with and without regeneration using low-grade heat source
Angelino et al. Ejector-assisted liquid metal topping cycles