RU2181864C1 - Способ охлаждения рабочего тела и устройство для его осуществления - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано для снабжения холодом хладокомбинатов, для получения электрической и механической энергии. В компрессоре с электрическим приводом рабочее тело адиабатически сжимают, при этом оно нагревается без изменения энтропии. Через теплообменник рабочее тело поступает в многоступенчатый турбодетандер. Ступени турбодетандера сообщены друг с другом через теплообменники. В турбодетандере производят распределенное расширение рабочего тела без изменения энтропии. Турбодетандер сочленен с потребителем. Группа теплообменников, установленных после каждой ступени турбодетандера, объединены в контур теплоносителя, проходящего через градирню. Вторая группа теплообменников объединена в контур теплоносителя, проходящего через теплообменник за компрессором. Использование изобретения позволит расширить функциональные возможности, повысить коэффициент преобразования механической энергии. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к термодинамическим системам, например, в частном случае, к тепловым насосам получения тепла и холода, и может быть использовано для энергоснабжения жилых и производственных помещений, снабжения холодом хладокомбинатов, а также может найти широкое применение в различных энергетических системах и устройствах для получения электрической энергии из низкопотенциального тепла окружающей среды (воздуха, воды различных источников, грунта Земли), получения механической энергии для экологически чистых транспортных средств средней и большой грузоподъемности, таких как грузовой автотранспорт, железнодорожный и водный транспорты.

Известна работа теплового насоса в режиме нулевой хладопроизводительности (см. , например, а.с. 1280281, МПК F 25 В 25/13, 29/60, 13/00, 1986) путем сжатия паров хладагента в компрессоре, их охлаждения и конденсации с утилизацией выделяющегося тепла, подачи конденсата в конденсатор воздушного охлаждения, его дросселирования, испарения в процессе теплообмена с наружным воздухом и возврата образовавшихся паров на сжатие в компрессор. Испарение конденсата после дросселирования осуществляют в конденсаторе воздушного охлаждения. Недостатком известного технического решения является незначительный коэффициент теплопреобразования, что исключает возможность дополнительного производства механической энергии без применения энергетических затрат из вне. Кроме того, большая часть энергии из цикла теплового насоса безвозвратно теряется в конденсаторе воздушного охлаждения, что снижает эксергию тепловых потоков, циркулирующих в каналах известного устройства.

Известны также способ и устройство одновременного получения холода и тепла (см. , например, патент США 4041726, НКИ 62-238, 1978), по которому с помощью компрессионной холодильной машины с испарителем и конденсатором подача промежуточного рабочего тела осуществляется от испарителя к потребителю холода и от конденсатора к потребителю тепла. Недостатком такого известного способа и устройства, его реализующего, также является невозможность дополнительного получения механической энергии без дополнительных энергозатрат из-за недостаточного для этих дополнительных целей коэффициента преобразования.

Известны способ и устройство, его реализующее, для одновременного получения холода и тепла (см., например, а.с. СССР 1229532, МПК F 25 В 13/00, 29/00, 1986). В этом изобретении с помощью компрессионной холодильной машины с испарителем и конденсатором путем подачи промежуточного рабочего тела от испарителя к потребителю холода и от конденсатора к потребителю тепла с целью повышения экономичности путем использования избыточного тепла и холода дополнительно измеряют температуру промежуточного рабочего тела на выходе из потребителя холода и тепла и при снижении температуры после потребителя тепла ниже температуры после потребителя холода промежуточное рабочее тело направляют от потребителя тепла в испаритель, а от потребителя холода в конденсатор. Рассмотренные способ и устройство также не пригодны для получения дополнительной механической энергии без увеличения дополнительных энергозатрат и решают частную задачу частичного улучшения качества работы за счет применения рационального регулирования потоками тепла и холода.

Известны также способ и устройство, его реализующее, для обеспечения объекта теплом и холодом (см., например, а.с. СССР 803591, МПК F 25 В 29/00, 1981) путем адиабатического нагрева воздуха в процессе его сжатия, предварительного охлаждения внешней средой и окончательного охлаждения посредством источника холода. Предварительное охлаждение сжатого воздуха осуществляют ступенчато до температуры 0÷5^oС с отделением влаги на каждой ступени, а окончательное охлаждение ведут до температуры точки росы, причем на последней ступени влагу отделяют с помощью адсорбента, внешней средой воздух охлаждают только на первой ступени, а на второй охлаждение ведут воздухом, выходящим из источника холода, с одновременным его нагревом, после чего часть этого воздуха дополнительно подогревают сжатым воздухом перед его подачей в первую ступень с одновременным подохлаждением.

Этот способ также решает по своей сути частную задачу повышения эксплуатационной надежности работы установки путем отделения влаги от воздуха вполне известными приемами и принципиально не может быть применен для преобразования низкопотенциального тепла окружающей среды в механический вид энергии в промышленных масштабах из-за недостаточной эксергии рабочего вещества, циркулирующего в рабочем цикле.

Известен также еще один способ охлаждения рабочего тела (а.с. СССР 591667, МПК F 25 В 25/00, F 01 К 25/10, F 25 В 11/00, 1978), принятый за прототип, в котором путем использования тепла охлаждаемого тела для производства работы перед охлаждением в охладительном цикле температуру рабочего тела снижают до температуры более высокой, чем температура окружающей среды и полученное тепло используют во вспомогательном расширительном цикле с получением работы.

Однако этому способу присущи существенные недостатки, заключающиеся в том, что при получении механической энергии осуществляется работа остаточным теплом рабочего тела после его снижения отводом части тепла в окружающую среду. При этом большая доля тепла согласно устройству, реализующему известный способ, отводится без совершения работы в окружающую среду и безвозвратно теряется, в результате чего рабочее тело обладает недостаточной эксергией для получения в ощутимых размерах механической энергии, пригодной для использования внешними потребителями, а полученной механической энергии хватит в основном для внутренних нужд, т.е. на потребление собственным приводом и обеспечения самохода. Кроме того, работа получается только лишь за счет отбора той незначительной тепловой энергии, заключенной в охлаждаемом предмете и которая имеет малую величину и ограниченный запас, а снижение температуры рабочего тела до более высокой, чем температура окружающей среды, полностью исключает возможность использования низкопотенциальной энергии окружающей среды. Кроме указанных недостатков прототипу присущ еще один существенный недостаток, заключающийся в том, что перед преобразованием рабочего тела в механическую работу потоки с разными температурами, идущими из холодильника и после отвода тепла в окружающую среду, смешиваясь, еще более снижают энергию полученной смеси, что еще больше снижает эффективность работы преобразования тепла в механическую работу. Т.е. самому главному отводится второстепенная, вспомогательная задача, а за основу взято получение энергии из тепла, ранее запасенного в нагретых телах, подвергающихся охлаждению, что и наложило существенный недостаток и сузило его возможности применения, обеспечив тем самым узкую область применения лишь в качестве самоходного холодильника.

На основании сопоставительного анализа известных технических решений можно сделать вывод, что рассмотренные известные технические решения в основном рационализируют, улучшают известные способы и изобретения, которые в основном предназначены для получения тепла и холода из окружающей среды.

Задачей изобретения является разработка способа и устройства для охлаждения рабочего тела путем расширения функциональной возможности, повышения коэффициента преобразования механической энергии из низкопотенциального тепла окружающей среды в масштабах, приемлемых для промышленного использования, за счет искусственного получения значительного перепада температур выше и ниже окружающей среды и его преобразования в механическую энергию.

Техническими результатами, которые могут быть достигнуты при использовании изобретения, являются для способа:
- повышение эффективности работы;
- преобразование тепловой энергии окружающей среды в холод и в дополнительную механическую энергию;
- расширение функций;
и для устройства:
- повышение эффективности преобразования низкопотенциального тепла окружающей среды в дополнительную механическую работу и холод;
- повышение термического КПД преобразования низкопотенциального тепла окружающей среды и внутренней энергии, накапливаемой в устройстве, в дополнительную механическую работу и холод;
- расширение области применения.

Поставленная задача и достижение вышеперечисленных результатов решается тем, что в способе охлаждения рабочего тела, включающем адиабатное сжатие рабочего тела и нагрев его выше температуры окружающей среды, которую отбирают, охлаждая рабочее тело жидким теплоносителем до температуры более высокой, чем температура окружающей среды, и полученное тепло используют во вспомогательном расширительном цикле для получения работы и холода, избыточное давление адиабатно сжатого рабочего тела понижают ступенчато до давления не выше давления перед его адиабатным сжатием, это рабочее тело, адиабатно сжатое, предварительно в два этапа охлаждают, отбирая и накапливая произведенное тепло в жидком теплоносителе до температуры окружающей среды на первом этапе, затем с последующим дополнительным охлаждением на втором этапе в основном расширительном цикле, а произведенный перепад температур между температурой дополнительно охлажденного рабочего тела и температурой окружающей среды совместно с перепадом температур нагретого жидкого теплоносителя и окружающей среды преобразовывают в основном рабочем расширительном цикле рабочего тела в механическую энергию, часть которой используют для адиабатного сжатия и нагрева рабочего тела, а оставшуюся часть произведенной механической энергии, предварительно преобразовав в другой вид энергии, направляют внешнему потребителю, расширение рабочего тела в основном расширительном цикле осуществляют ступенчато, распределенно в каждой ступени многоступенчатого основного расширительного цикла, перепуская рабочее тело от каждой предыдущей ступени в последующую с совместным подводом тепла сначала из окружающей среды с последующим увеличением температуры ранее нагретым жидким теплоносителем от адиабатно сжатого рабочего тела, причем ступенчатое понижение температуры осуществляют ниже температуры окружающей среды, а рабочее тело, выводя из каждой предыдущей ступени основного расширительного цикла, сначала нагревают до температуры окружающей среды, а затем дополнительно нагревают до температуры выше окружающей среды тепловой энергией, ранее отобранной от адиабатно сжимаемого рабочего тела, и подают затем на расширение в каждую последующую ступень основного расширительного цикла, производя дополнительную механическую энергию. Дополнительный нагрев рабочего тела выше температуры окружающей среды перед совершением им механической работы осуществляют жидким теплоносителем, нагретым теплом адиабатно сжатого рабочего тела. Предварительный нагрев рабочего тела, охлажденного по совершению им механической работы до температуры окружающей среды перед его дополнительным нагревом выше температуры окружающей среды, осуществляют жидким теплоносителем, нагретым теплом окружающей среды. Рабочее тело выводят из последней ступени основного расширительного цикла после совершения им механической работы и направляют в область с температурой ниже 0^oС, а затем возвращают на адиабатное сжатие, которое осуществляют за счет полученной дополнительной механической энергии. Подвод тепловой энергии к рабочему телу из окружающей среды и затем от ранее отобранного тепла при адиабатном сжатии рабочего тела в основном расширительном цикле осуществляют жидким теплоносителем, тепловые потоки которого разъединяют на параллельные в соответствии с количеством ступеней основного расширительного цикла.

Для устройства решение поставленной задачи и достижение вышеперечисленных технических результатов решается также тем, что в устройстве охлаждения рабочего тела, содержащем источник низкопотенциального тепла с компрессором для сжатия рабочего тела с электрическим приводом, снабженного электрическим пускателем с источником электрической энергии, а также турбодетандер, который кинематически соосно своими валами сочленен между собой, циркуляционный насос, теплообменники отбора тепла, содержащие нагревающие и нагреваемые каналы, а выход компрессора через нагревающий канал теплообменника сообщен с входом турбодетандера, при этом устройство дополнительно снабжено коллектором, хладокамерой с теплообменником, при этом турбодетандер выполнен из ступеней не менее трех, выходные каналы каждой предыдущей ступени соединены с входными каналами каждой последующей ступени нагреваемыми каналами соответственно выходных и входных теплообменников, нагревающие каналы которых, в свою очередь, сообщены с источниками тепла через циркуляционные насосы, снабженные жидкими теплоносителями, а вал турбодетандера другим своим вылетом кинематически соосно сочленен с потребителем вырабатываемой дополнительной энергии, привод компрессора выполнен пусковым, соединенным через электрический пускатель с источником электрической энергии, при этом нагревающие каналы выходных теплообменников каждой предыдущей ступени турбодетандера параллельно сообщены через коллектор и циркуляционный насос с источником для отбора низкопотенциального тепла окружающей среды, а нагревающие каналы входных теплообменников каждой последующей ступени турбодетандера параллельно сообщены через коллектор и циркуляционный насос с нагреваемым каналом теплообменника компрессора, при этом выходной канал последней ступени турбодетандера через канал теплообменника хладокамеры сообщен с входом компрессора. Количество выходных теплообменников на одну единицу меньше, чем количество ступеней турбодетандера. Нагревающие каналы выходных теплообменников каждой предыдущей ступени турбодетандера параллельно сообщены через коллектор и циркуляционный насос с источником низкопотенциального тепла, в качестве которого применена градирня.

Преимуществом предлагаемого способа является то, что производство искусственным путем перепада температур выше температуры окружающей среды адиабатным сжатием рабочего тела и ниже температуры окружающей среды - отбором ранее произведенного тепла у сжатого рабочего тела с последующим его расширением в многоступенчатом турбодетандере, когда рабочее тело, расширяясь в секции турбодетандера, охлаждается ниже температуры окружающей среды, обеспечило возможность протекать процессу расширения рабочего тела с совершением работы в условиях подвода тепла из окружающей среды, когда ее температура оказалась выше температуры рабочего тела и подводить тепло, ранее отобранное у рабочего тела при его адиабатическом сжатии, компенсируя ранее затраченную энергию на адиабатическое сжатие рабочего тела, а подвод тепла осуществлять в моменты перетока рабочего тела из предыдущих ступеней в последующие. Такой режим расширения рабочего тела в турбодетандере с одновременным подводом тепла из двух источников позволяет преобразовывать работу расширения рабочего тела в секциях турбодетандера в механическую энергию с высоким термическим коэффициентом полезного действия (КПД), с одновременным производством и "холода" на производственные нужды, отбирая его у рабочего тела при его выходе из последней ступени турбодетандера, что в целом обеспечивает дополнительную эффективность рабочего цикла.

Изобретение иллюстрируют чертежом, на котором изображен общий вид устройства охлаждения рабочего тела, и примером конкретного исполнения.

Изложенный способ с большим термическим КПД (так как процесс расширения рабочего тела с совершением работы идет с одновременным распределенным подводом тепла) по заявленному способу реализуется устройством охлаждения рабочего тела. Устройство содержит компрессор 1, например, адиабатного сжатия рабочего тела, снабженного пусковым электрическим приводом 2 с электрическим пускателем 3, соединенным с внешним источником электрической энергии 4, турбодетандер 5, кинематически соосно сочлененный с электрическим приводом 2 и генератором электрической энергии 6, силовые цепи которого подключены к потребителю электрической энергии 7. Турбодетандер 5 состоит из секций (например, не менее трех) 8, 9, 10,..., n. Каждая предыдущая секция 8, 9, 10, . . . , n турбодетандера 5 выходным каналом соединена с входным каналом последующей секции через нагреваемые каналы выходных теплообменников 11, 12, . . ., (n-1), которые в свою очередь через нагреваемые каналы входных теплообменников 13, 14, 15,..., n сообщены с входными каналами ступеней 8, 9, 10, . .., n турбодетандера 5, выход которого (выход последней n-й ступени) через теплообменник 16 хладокамеры 17 сообщается с входным каналом компрессора 1.

В свою очередь, нагревающие каналы входных теплообменников 13, 14, 15,.. . , n параллельно своими выходами через коллектор сообщены через нагреваемый канал теплообменника 18 компрессора 1, циркуляционный насос 19 с входами нагревающих каналов входных теплообменников 13, 14, 15,..., n также параллельно посредством другого входного коллектора, а теплообменник компрессора 18 своим нагревающим каналом через нагреваемый канал входного теплообменника 13 сообщает выходной канал компрессора 1 с входом первой ступени 8 турбодетандера 5, а нагревающие каналы выходных теплообменников 11, 12,..., (n-1) своими входными и выходными каналами параллельно через свои коллектора и циркуляционный насос 20 сообщены с источником отбора низкопотенциального тепла окружающей среды 21, например градирней 22.

Устройство, реализующее заявленный способ, работает следующим образом. Электрическим пускателем 3 от источника электрической энергии 4 пусковым, например, электрическим приводом 2 запускают в работу компрессор 1, которым адиабатно сжимают рабочее тело, например воздух, до давления Р_сж, вследствие чего последний разогревается до температуры Т_сж и поступает в нагревающий канал теплообменника компрессора 18, где произведенное компрессором 1 тепло отбирают теплоносителем, прогоняемым циркуляционным насосом 19 через нагреваемый канал теплообменника компрессора 18 и через параллельно соединенные нагревающие каналы входных теплообменников 13, 14, 15,..., n, отдает полученное тепло рабочему телу, поступающему на входы ступеней 8, 9, 10,..., n турбодетандера. Одновременно охлажденное рабочее тело за счет отбора у него тепла теплоносителем циркулирует в каналах входных теплообменников охлажденным до температуры окружающей среды и вновь нагретое входным теплообменником 13 первой ступени 8 турбодетандера, по сути пониженной температурой t_вх, но выше температуры окружающей среды, поступает на вход первой ступени.

Аналогично нагретое до температуры t_вх рабочее тело через нагреваемые каналы входных теплообменников 14, 15,..., n теплом, отбираемым у ранее нагретого рабочего тела, через теплообменник 18 компрессора 1 также поступает на все входы остальных ступеней 9, 10,..., n турбодетандера 5, где, расширяясь, изменяет свои параметры: давление, температуру, совершая в каждой ступени 8, 9, 10,..., n механическую работу, которая объединяется турбодетандером 5 и распределяется между компрессором 1 для вращения его вала и электрическим генератором 6, посредством которого произведенную избыточную механическую энергию преобразовывают в электрическую энергию и отдают потребителю 7. При этом рабочее тело, расширяясь в секциях 8, 9, 10,..., n турбодетандера, охлаждают до температуры ниже температуры окружающей среды, которая по отношению к охлажденному рабочему телу становится "горячей".

А согласно первому закону термодинамики, когда тепло может "перетекать" от горячего тела к менее горячему, т.е. "холодному", то происходит переток низкопотенциальной тепловой энергии из окружающей среды к рабочему телу устройства посредством теплоносителя, циркулирующего по нагревающим каналам выходных теплообменников 11, 12, . .., (n-1), нагревая его до температуры окружающей среды через градирню 22. Уже подогретое рабочее тело, ранее охлажденное за счет расширения в турбодетандере 5 до температуры, практически равной температуре окружающей среды (так как ее практический запас неограничен), нагревают дополнительно ранее отобранным теплом, произведенным компрессором 1 в процессе адиабатного сжатия рабочего тела, через, как уже было показано, нагреваемые каналы входных теплообменников 13, 14, 15,..., n, которые через нагреваемые каналы выходных теплообменников сообщают выходы предыдущих секций с входами последующих секций 8, 9, 10,..., n турбодетандера 5.

Изобретение позволяет получить дополнительную механическую энергию в масштабах, приемлемых для использования внешними потребителями из низкопотенциального тепла окружающей среды. Рабочее тело, нагретое адиабатным сжатием, охлаждают до температуры ниже температуры окружающей среды, а перепад температур между температурой охлажденного рабочего тела и окружающей средой совместно с перепадом температур нагретого адиабатным сжатием рабочего тела и окружающей средой преобразовывают тепловой машиной, например турбодетандером, в механическую энергию. Только часть произведенной механической энергии используют для адиабатного сжатия и нагрева рабочего тела, а излишки произведенной механической энергии, предварительно преобразовав в электрическую энергию, направляют внешнему потребителю. При этом расширение рабочего тела в турбодетандере осуществляют с совместным подводом тепла из окружающей среды и от нагретого адиабатным сжатием рабочего тела, а избыточное давление рабочего тела понижают турбодетандером до давления не выше давления перед его сжатием. Причем понижение давления рабочего тела осуществляют ступенчато, например, равномерно в каждой ступени многоступенчатого турбодетандера с одновременным понижением температуры рабочего тела в каждой отдельно взятой ступени турбодетандера осуществляют ниже температуры окружающей среды, а рабочее тело при выходе из каждой предыдущей ступени турбодетандера нагревают до температуры окружающей среды перед его подачей в каждую последующую ступень турбодетандера и при выходе из каждой предыдущей ступени турбодетандера дополнительно нагревают до температуры выше температуры окружающей среды и подают в каждую последующую ступень турбодетандера. Дополнительный нагрев рабочего тела перед его расширением в последующих ступенях турбодетандера осуществляют тепловой энергией рабочего тела, ранее нагретого адиабатным сжатием, а при выходе из каждой предыдущей ступени турбодетандера и нагревом рабочего тела до температуры окружающей среды перед его подачей в каждую последующую ступень турбодетандера осуществляют жидким теплоносителем, нагреваемым тепловой энергией окружающей среды, и перед подачей рабочего тела в каждую последующую ступень турбодетандера дополнительный нагрев рабочего тела выше температуры окружающей среды осуществляют другим жидким теплоносителем, нагреваемым тепловой энергией от адиабатного сжатия рабочего тела, тем самым компенсируют энергию, ранее затраченную на адиабатное сжатие рабочего тела, и рабочее тело при его выходе из последней ступени турбодетандера направляют в хладокамеру, а затем на адиабатное сжатие. Причем тепловую энергию отбирают у рабочего тела жидким теплоносителем, который разъединяют на параллельные тепловые потоки количеством, равным количеству ступеней турбодетандера, и нагревают рабочее тело, вводимое в каждую ступень турбодетандера.

Так совершается новый термодинамический цикл распределенного расширения рабочего тела с распределенным подводом ранее отобранного тепла у того же рабочего тела и распределенным подводом тепла, отбираемого у низкопотенциального тепла окружающей среды.

Преобразование произведенного компрессором тепла выше температуры окружающей среды и одновременный отбор низкопотенциального тепла окружающей среды рабочим телом, имеющего температуру гораздо ниже температуры окружающей среды в расширительном цикле с подводом тепла, позволяет получить высокий термический КПД турбодетандера.

Пример 1. Температура окружающей среды 273 К (0^oС) (температура окружающей среды может быть в пределах от -60^oС до +40^oС), согласно которой рабочее тело поступает на вход компрессора, рабочее тело - воздух с выхода турбодетандера через теплообменник хладокамеры с температурой Т_вх=220 К (-53^oС) с секундным расходом G₁, например, 100 кг/с, компрессором адиабатно сжимают от давления Р_вх= 10⁵ Н/м² до давления сжатия Р_сж=30•10⁵ Н/м, вследствие чего его нагревают до температуры сжатия Т_сж:
Т_сж=(P_сж/Р_вх)^(к1-1)/к1•Т_вх,
где к₁≈1,37 - показатель адиабаты сжатия, тогда
Т_сж=(30•10⁵/10⁵)^{(1,37 1)/1,37}•220≈2,5•220≈550 К (277^oС).

При адиабатическом сжатии на работу компрессора затрачивают энергию W_к:
W_к= G₁•c_p•T_вх•[(P_сж/P_вх)^(к1-1)/к1-1]/η_к, Вт,
где с_р≈1010 Дж/(кг•рад) - удельная теплоемкость рабочего тела при постоянном давлении;
η_к≈ 0,98 - КПД осевого компрессора (при этом не учитывают КПД привода компрессора, так как работа привода затрачивается в период пуска с последующим отключением при выводе компрессора на рабочий режим).

Тогда
W_к=100•1010•220•[30^0,27-1]/0,98≈34•10⁶ Вт=34 МВт.

Затраченную энергию W_к≈34 МВт на сжатие рабочего тела компрессором возвращают турбодетандером путем отбора произведенного тепла от адиабатического сжатия рабочего тела через теплообменник компрессора теплоносителем, циркулирующим через нагреваемый канал теплообменника и нагревающие каналы входных теплообменников ступеней турбодетандера. Затраченную энергию W_к≈34 МВт на сжатие рабочего тела компрессором компенсируют турбодетандером, а такое энергетическое разделение требуется, чтобы охладить рабочее тело при расширении в турбодетандере ниже температуры окружающей среды. Такой переброс произведенного компрессором тепла в ступени турбодетандера распределит произведенное компрессором тепло по входам ступеней с температурой входа t_вх рабочего тела в каждую ступень турбодетандера через нагреваемые каналы входных теплообменников, определяемой так:
t_вх=G₂•с_ж•[t_вх0-(t_охл.тн-t_ос)]/(G₁•с₁),
где G₂=G_тн/n=25/10=2,5 кг/с - весовой секундный расход нагретого теплоносителя, проходящего через нагреваемый канал теплообменника компрессора;
G_тн=25 кг/с - весовой секундный расход нагретого теплоносителя, циркулирующего через нагревающие каналы входных теплообменников ступеней турбодетандера;
n= 10 - количество ступеней турбодетандера, по которым распределяется тепловая энергия теплоносителя через n входных теплообменников;
с_ж= 4190 Дж/(кг•град) - удельная теплоемкость теплоносителя, циркулирующего через нагревающие каналы входных теплообменников;
t_вх0=250^oС - температура теплоносителя, нагретого через нагреваемый канал теплообменника компрессора и поступающего на входы нагревающих каналов входных теплообменников ступеней турбодетандера, определяется также через тепловой баланс тепловых потоков рабочего тела и теплоносителя, циркулирующих через каналы теплообменника компрессора;
t_охл.тн= 8^oС - температура теплоносителя на входе из нагревающего канала входного(ых) теплообменника(ов) ступени(ей) турбодетандера;
t_ос=0^oС - температура теплоносителя на входе в нагреваемый канал входного теплообменника турбодетандера, принимает низкопотенциальную температуру окружающей среды через выходные теплообменники и градирню, отбирающие тепло из окружающей среды, а так как запасы тепла в окружающей среде практически неограниченны, то температура t_ос принимает значение, равное температуре окружающей среды, посредством выходных теплообменников ступеней турбодетандера, через нагревающие каналы которых циркулирует другой теплоноситель, отбирающий тепло через градирню у окружающей среды.

G₁= 100 кг/с - весовой секундный расход рабочего тела через ступени турбодетандера (согласно чертежу);
с₁=1010 Дж/(кг•град) - удельная теплоемкость рабочего тела.

Тогда температура входа t_вх рабочего тела в каждую ступень турбодетандера составит:
t_вх=2,5•4190•[250-(8-0)]/(100•1010)≈25,1^oС.

Рабочее тело с секундным расходом G₁=100 кг/с и температурой t_вх=25,1^oС поступает на входы каждой ступени турбодетандера, в которых расширяется, трансформируясь в механическую энергию. При этом давление Р_сж=30•10⁵ Н/м² падает до давления входа Р_вх=10⁵ Н/м², например, равномерно распределяя падение давления на каждой ступени турбодетандера:
P_ст=Р_сж/n=30•10⁵/10=3•10⁵ Н/м².

Вследствие адиабатного расширения рабочего тела в ступенях турбодетандера и падения давления сжатия температура рабочего тела также понижается до t_вых, определяемой по формуле:
t_вых=(273+t_вх)/(Р_ст/Р_вх)^(к2-1)/к2-273,
где к₂≈1,39 - показатель адиабаты расширения.

Тогда t_вых принимает величину:
t_вых=(273+25,1)/3^0,39/1,39-273=298,1/1,36-273≈-53,8^oС.

С такой температурой t_вых=-53,8^oС рабочее тело выходит с выхода каждой ступени турбодетандера и температура оказывается ниже (холоднее) температуры окружающей среды, которая становится "горячей" по отношению к температуре рабочего тела, выходящего из ступеней турбодетандера. Через нагреваемые каналы выходных теплообменников ступеней турбодетандера рабочее тело нагревают до температуры окружающей среды t_oc≈0^oC (273 К) и направляют на входы нагреваемых каналов входных теплообменников, где его нагревают теплоносителем, отбирающим тепло от адиабатного сжатия рабочего тела, посредством теплообменника компрессора до температуры t_вх= 25,1^oС. Таким образом, на каждой ступени происходит перепад температур:
Δt_ст= 25,1-(-53,8) ≈ 78,9^°C.
При таких изменениях параметров рабочего тела на ступени турбодетандера (определенных выше) произойдет преобразование тепловой энергии рабочего тела на одной ступени (и каждой ступени турбодетандера) в механическую энергию W_ст, определяемую по выражению:
W_ст= G₁•c₂•Δt_ст•η_ст,
где с₂≈1000 Дж/(кг•град) - удельная теплоемкость рабочего тела при расширении при постоянном давлении;
η_ст= 0,98 - КПД ступени турбодетандера.

Тогда
W_ст=100•1000•78,9•0,98 ≈ 7,7•10⁶ Вт=7,7 МВт.

С учетом затраченной энергии компрессором на адиабатное сжатие рабочего тела и количества ступеней турбодетандера дополнительно произведенная механическая энергия из низкопотенциальной температуры окружающей среды 0^oС (273 К) определится:
W_Σ = (W_ст•n-W_к)•η_t,
где η_t= 0,75 - термический КПД тепловой машины при расширении рабочего тела с распределенным по ступеням подводом тепла из вне. Тогда
W_Σ = (7,7•10-34)•0,75 ≈ 33 МВт.
Произведенная механическая энергия из низкопотенциального тепла окружающей среды электрическим генератором с η_эл≈ 0,95 развивает электрическую мощность посредством электрического генератора:
W_э= W_Σ•η_эл= 33•0,95 ≈ 31,35 МВт,
которая поступает потребителю электрической энергии.

Как видно из приведенного описания функционирования предложенного устройства производится экологически чистая электрическая энергия мощностью 31,35 МВт из низкопотенциальной среды - воздуха с температурой 0^oС (273 К) по следующему термодинамическому циклу - адиабатное сжатие и разогрев рабочего тела без изменения энтропии - охлаждение путем отбора произведенного тепла у рабочего тела с уменьшением энтропии - распределенное расширение охлажденного рабочего тела без изменения энтропии - распределенное расширение охлажденного рабочего тела без изменения энтропии - распределенный подвод ранее отобранного тепла и тепла из окружающей среды с увеличением энтропии рабочего тела.

Таким образом, получают способ и устройство по существу теплового двигателя, преобразующего низкопотенциальное тепло окружающей среды в механическую (электрическую) энергию.

Claims (8)

1. Способ охлаждения рабочего тела, включающий адиабатное сжатие рабочего тела и нагрев его выше температуры окружающей среды, которую отбирают, охлаждая рабочее тело жидким теплоносителем до температуры более высокой, чем температура окружающей среды, и полученное тепло используют во вспомогательном расширительном цикле для получения работы и холода, отличающийся тем, что избыточное давление адиабатно сжатого рабочего тела понижают ступенчато до давления не выше давления перед его адиабатным сжатием, рабочее тело, адиабатно сжатое, предварительно в два этапа охлаждают, отбирая и накапливая произведенное тепло в жидком теплоносителе до температуры окружающей среды на первом этапе, затем с последующим дополнительным охлаждением на втором этапе в основном расширительном цикле, а произведенный перепад температур между температурой дополнительно охлажденного рабочего тела и температурой окружающей среды совместно с перепадом температур нагретого жидкого теплоносителя и окружающей среды преобразовывают в основном рабочем расширительном цикле рабочего тела в механическую энергию, часть которой используют для адиабатного сжатия и нагрева рабочего тела, а оставшуюся часть произведенной механической энергии, предварительно преобразовав в другой вид энергии, направляют внешнему потребителю, расширение рабочего тела в основном расширительном цикле осуществляют ступенчато, распределенно в каждой ступени многоступенчатого основного расширительного цикла, перепуская рабочее тело от каждой предыдущей ступени в последующую с совместным подводом тепла сначала из окружающей среды с последующим увеличением температуры ранее нагретым жидким теплоносителем от адиабатно сжатого рабочего тела, причем ступенчатое понижение температуры осуществляют ниже температуры окружающей среды, а рабочее тело, выводя из каждой предыдущей ступени основного расширительного цикла, сначала нагревают до температуры окружающей среды, а затем дополнительно нагревают до температуры выше окружающей среды тепловой энергией, ранее отобранной от адиабатно сжимаемого рабочего тела, и подают затем на расширение в каждую последующую ступень основного расширительного цикла, производя дополнительную механическую энергию.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительный нагрев рабочего тела выше температуры окружающей среды перед совершением им механической работы осуществляют жидким теплоносителем, нагретым теплом адиабатно сжатого рабочего тела.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предварительный нагрев рабочего тела, охлажденного по совершению им механической работы до температуры окружающей среды перед его дополнительным нагревом выше температуры окружающей среды осуществляют жидким теплоносителем, нагретым теплом окружающей среды.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что рабочее тело выводят из последней ступени основного расширительного цикла после совершения им механической работы и направляют в область с температурой ниже 0^oС, а затем возвращают на адиабатное сжатие, которое осуществляют за счет полученной дополнительной механической энергии.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подвод тепловой энергии к рабочему телу из окружающей среды и затем от ранее отобранного тепла при адиабатном сжатии рабочего тела в основном расширительном цикле осуществляют жидким теплоносителем, тепловые потоки которых разъединяют на параллельные в соответствии с количеством ступеней основного расширительного цикла.

6. Устройство охлаждения рабочего тела, содержащее источник низкопотенциального тепла с компрессором для сжатия рабочего тела с электрическим приводом, снабженным электрическим пускателем с источником электрической энергии, а также турбодетандер, которые кинематически соосно своими валами сочленены между собой, циркуляционный насос, теплообменники отбора тепла, содержащие нагревающие и нагреваемые каналы, при этом выход компрессора через нагревающий канал теплообменника сообщен с входом турбодетандера, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено коллектором, хладокамерой с теплообменником, при этом турбодетандер выполнен из ступеней не менее трех, выходные каналы каждой предыдущей ступени соединены с входными каналами каждой последующей ступени нагреваемыми каналами соответственно выходных и входных теплообменников, нагревающие каналы которых, в свою очередь, сообщены с источниками тепла через циркуляционные насосы, снабженные жидкими теплоносителями, а вал турбодетандера другим своим вылетом кинематически соосно сочленен с потребителем вырабатываемой дополнительной энергии, привод компрессора выполнен пусковым, соединенным через электрический пускатель с источником электрической энергии, при этом нагревающие каналы выходных теплообменников каждой предыдущей ступени турбодетандера параллельно сообщены через коллектор и циркуляционный насос с источником для отбора низкопотенциального тепла окружающей среды, а нагревающие каналы входных теплообменников каждой последующей ступени турбодетандера параллельно сообщены через коллектор и циркуляционный насос с нагреваемым каналом теплообменника компрессора, при этом выходной канал последней ступени турбодетандера через канал теплообменника хладокамеры сообщен с входом компрессора.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что количество выходных теплообменников на одну единицу меньше, чем количество ступеней турбодетандера.

8. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что нагревающие каналы выходных теплообменников каждой предыдущей ступени турбодетандера параллельно сообщены через коллектор и циркуляционный насос с источником низкопотенциального тепла, в качестве которого применена градирня.