RU2309291C1 - Воздухонапорное устройство - Google Patents
Воздухонапорное устройство Download PDFInfo
- Publication number
- RU2309291C1 RU2309291C1 RU2006114928/06A RU2006114928A RU2309291C1 RU 2309291 C1 RU2309291 C1 RU 2309291C1 RU 2006114928/06 A RU2006114928/06 A RU 2006114928/06A RU 2006114928 A RU2006114928 A RU 2006114928A RU 2309291 C1 RU2309291 C1 RU 2309291C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- air
- heat
- turns
- pipe
- coil
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
Abstract
Устройство относится к энергетике и предназначено для выработки сжатого воздуха и может быть использовано на тепловых и атомных электростанциях, работающих на сжатом воздухе. Воздухонапорное устройство выполнено в виде змеевикового воздушного тракта, состоящего из восходящих (теплоизолированных) и нисходящих труб, последовательно соединенных между собой и сгруппированных в регенеративные секции по нескольку витков в каждой. Путем подвода теплоты к рабочему воздуху в восходящих трубах и отвода теплоты в нисходящих трубах в витках змеевика формируются неравновесные горячие и холодные восходящие и нисходящие воздушные потоки, поступенчато сжимающие рабочий воздух до высоких статических давлений без применения каких-либо движущихся механизмов и промежуточных энергопреобразователей. При этом подвод и отвод теплоты внешними теплоносителями от источников теплообмена производятся соответственно только в крайних витках секции, а в смежных витках участки теплообмена соединены промежуточными теплоносителями, переносящими утилизированную теплоту охлаждаемого воздуха из нисходящей трубы к нагреваемому воздуху в восходящую трубу. Промежуточные теплоносители состоят из парового котла-утилизатора для выработки перегретого пара на теплоте охлаждаемого воздуха и соединенного с ним теплоизолированным паропроводом паровоздушного трубчатого нагревателя. Такое выполнение устройства позволяет значительно повысить его термический КПД при выработке сжатого воздуха. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к преобразователям тепловой энергии воздушного столба в энергию сжатого воздуха.
Известен преобразователь тепловой энергии воздушного столба в энергию воздушного потока [1]. Преобразователь содержит восходящую трубу, проложенную в толще горы. Входной и выходной концы трубы размещены в атмосфере, а ее нижняя часть, выполненная в виде петли, частично погружена в речную воду для использования в зимнее время ее плюсовой температуры. Нагретый в нижней части трубы воздух как более легкий вытесняется из трубы холодным более плотным атмосферным воздухом, образуя тем самым воздушный поток. К недостаткам такого преобразователя относятся низкие перепады давлений.
Известно воздухонапорное устройство (ВНУ) в составе теплоэлектростанции, работающей на сжатом воздухе [2], воздушный тракт которого выполнен в виде витков змеевика, состоящих из восходящих (теплоизолированных) и нисходящих труб, проложенных по склонам гор и последовательно соединенных на вершинах. Путем подвода теплоты от внешних источников тепловыделения и отбора теплоты окружающей средой в витках змеевика формируются неравновесные горячие и холодные восходящие и нисходящие воздушные потоки, поступенчато сжимащие рабочий воздух до высоких статических давлений, оцениваемых десятками МПа. Для перемещения сжатого воздуха и преодоления гидросопротивлений на входе в ВНУ установлен воздушный нагнетатель. Достоинством ВНУ является прямое преобразование тепловой энергии в энергию сжатого воздуха без применения каких-либо движущихся механизмов и энергопреобразователей. К недостаткам относятся низкая степень повышения давления в одной ступени (1,2-1,5), ограниченная высотой воздушного столба, и большие потери теплоты, уходящей с охлаждающими теплоносителями. Данное устройство принято за прототип.
Задачей изобретения является повышение термического КПД ВНУ за счет установки между охлаждаемыми и нагреваемыми воздушными потоками в змеевике энергосберегающих промежуточных теплоносителей.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном ВНУ, содержащем змеевиковый воздушный тракт из восходящих (теплоизолированных) и нисходящих труб, проложенных, например, по склонам гор и последовательно соединенных между собой на вершинах, на входе которого установлен воздушный нагнетатель, а на выходе регулировочный вентиль, а также воздухонагреватели от внешних источников тепловыделения (ИТВ) с температурой нагрева выше температуры окружающей среды и охлаждающие теплообменники с окружающей средой, змеевиковый воздушный тракт разделен на последовательно соединенные между собой регенеративные секции по несколько витков в каждой, в смежных витках которых входные участки нисходящих и восходящих труб снабжены промежуточными теплоносителями, переносящими утилизированную теплоту охлаждаемого воздуха из нисходящей трубы к нагреваемому воздуху в восходящую трубу. При этом воздухонагреватели от внешних источников тепловыделения устанавливаются только в первых витках регенеративных секций, а охлаждающие теплообменники с окружающей средой - в последних.
Указанный технический результат достигается и тем, что в качестве промежуточного теплоносителя используется паровой котел-утилизатор, аккумулирующий теплоту отработавшего воздуха в перегретом паре, и соединенный с ним теплоизолированным паропроводом паровоздушный трубчатый нагреватель с выходом конденсата в окружающую среду.
Применяемый котел-утилизатор может быть как прямоточного типа с принудительным потоком воды, пароводяной смеси и перегретого пара, так и циркуляционного типа с многократно принудительной циркуляцией пароводяной смеси в испарительном контуре [3].
На Фиг.1 приведена структурная схема воздухонапорного устройства, состоящая из двух основных комплексов - воздухонапорного и теплового. На Фиг.2 - зависимость степени повышения давления в витке от температуры и высоты воздушного столба.
Рассматриваемый воздухонапорный комплекс содержит две соединенные в змеевик регенеративные трехвитковые секции РС-1 и РС-2, состоящие из восходящих 1 и нисходящих 2 труб. На входном конце змеевика установлен воздушный нагнетатель низкого давления 3 для проталкивания воздушных потоков, на выходном - регулировочный вентиль 4, управляющий расходом сжатого воздуха. Тепловой комплекс содержит воздухонагреватели (ВН) 5, установленные на входных участках регенеративных секций и соединенные с внешним источником тепловыделения (ИТВ) 6. Входные участки нисходящих и восходящих труб смежных витков соединены промежуточными теплоносителями 7, состоящими из котла-утилизатора 8 и паровоздушного нагревателя 9. В последних витках секций установлены охлаждающие теплообменники 10 для удаления охлаждающего теплоносителя в атмосферу.
Работу сжатия в воздухонапорном комплексе можно проследить на работе одного витка. Поскольку увеличение высоты воздушного столба сопровождается падением давления и температуры, рассмотрим на примере первого витка РС-1 распределение параметров состояния в нижнем (а-а) и верхнем (б-б) соединительных сечениях восходящей трубы 1 (на участках теплообмена). Упрощая задачу, примем, что восходящая труба уже наполнена горячим воздухом, а выход из нисходящей трубы перед ПВН 9 второго витка перекрыт, что обеспечивает рассмотрение параметров в состоянии покоя. Тогда, из условия равновесия давление горячего столба внутри восходящей адиабатной трубы в нижнем соединительном сечении Рg
будет уравновешено с внешней стороны давлением холодного атмосферного воздуха Рα, описываемого уравнением политропы [4]
где Pgh и Рαh - давления горячего и холодного воздуха на уровне Н, Па;
Тα и Tg - температуры воздуха на входе и на выходе ВН, К; Н - высота воздушного столба, м; β - высотный градиент снижения температуры, град/м; К - показатель адиабаты; R - газовая постоянная, Дж/кг·К; g - ускорение свободного падения, м/с.
Из уравнений (1) и (2) следует, что давление Pgh над горячим столбом воздуха внутри трубы всегда превышает атмосферное на том же уровне вне трубы Pαh на величину разности веса воздушных столбов, что и представляет собой сущность статической компрессии. Другими словами, статическое сжатие воздуха в трубе происходит не за счет работы расширения его при нагреве, как это происходит обычно в закрытых термодинамических процессах, а за счет работы сжатия горячего столба внешней архимедовой силой, вызываемой неравновесностью сообщающихся столбов.
В верхнем соединительном сечении на участке теплообмена при постоянном давлении Pgh горячий воздух в восходящей трубе непосредственно сообщается через охлаждающее устройство с охлажденным воздухом в нисходящей трубе, сжимает его и будет находиться в равновесии с ним постоянно при Pgh=const. В нисходящей теплопроницаемой трубе при температуре, равной температуре окружающей среды, состояние рабочего воздуха также определяется по уравнению (2), где (сменив Рαh на Pgh, Pg=Pα по условию) давление сжатия Р1 на выходе из витка принимает наибольшее значение
или, после совмещения (3) с уравнением (1), имеем
При установившемся потоке воздуха в трубах происходит нарушение статического равновесия, однако сжатие воздуха по данной схеме остается прежним и производится последовательно во всех других витках секции с учетом изменяющихся параметров по давлению и температуре по формуле
где n - порядковый номер витка; Pn-1 - давление воздуха на выходе предыдущего витка, МПа; Тg - температура горячего воздуха в восходящей трубе n - витка, К.
В тепловом комплексе тепловой поток (Q1), приобретаемый рабочим воздухом в ВН 5 первого витка, рассчитывается по уравнению теплового баланса [3]
где Qp - располагаемый поток теплоты, подводимый от ИТВ, кВт; М - массовый расход воздуха, кг/с; (cp)" и (cp)' - теплоемкости при t и t', °C, кДж/кг·град; l' и lк - энтальпии горячего и охлажденного теплоносителя; η - КПД воздухонагревателя.
В свою очередь, Q1 можно разложить на составляющие баланса
где ∑QB - теплопотери в восходящей трубе через стенки, от влияния высотного градиента и уходящие с охлаждаемым воздухом; QК - теплота, передаваемая в котле-утилизаторе перегретому пару; ∑QП - сумма потерь в паропроводе и уходящих с конденсатом; QН - тепловой поток, отданный перегретым паром в ПВН 9 смежного витка.
Поскольку витки идентичны, теплоту, проходящую через них, удобно выражать через Qi первого витка, располагающего максимумом тепловой энергии, получаемой от ИТВ 6
где Qn - тепловой поток, проходящий через n - виток секции, кВт;
К=(1-∑QB)ηκ(1-∑QП)ηН - коэффициент передачи теплоты;
ηκ - КПД котла-утилизатора; ηН - КПД паровоздушного нагревателя n - витка.
Отсюда, располагаемый поток Qp можно представить в виде суммы тепловых затрат в витках PC по формуле
где ΔQ - теплота, удаляемая из от 10 в атмосферу.
Пользуясь тепловыми потоками по формуле (8) и уравнением теплового баланса (6) нетрудно рассчитать температуру горячего воздуха в любом из витков через разность энтальпий и использовать ее в уравнении (5) для определения промежуточных давлений.
На Фиг.2 изображена графическая зависимость степени повышения давления от температуры и высоты воздушного столба. Из графиков видно, что наибольшее влияние на величину λ в витке оказывает высота столба и значительно меньшее - температура. Таким образом, работа сжатия, выполняемая внешней силой, осуществляется практически при постоянной температуре, если не считать внутренних потерь теплоты через поверхности трубы и снижения температуры с высотой. В этой связи, учитывая большой тепловой потенциал уходящей из витка теплоты, повышение эффективности может рассматриваться только за счет дальнейшего использования этого потенциала, а термический КПД - как отношение количества теплоты, потребляемой всеми витками секции (а не одним витком как в прототипе) к подводимому располагаемому потоку
Так, например, для Н=5000 м в диапазоне потенциально используемых температур от 1000 до 400 К и потерях теплоты в витках, снижающих температуру потока в среднем до 200°С в PC, может быть установлено четыре витка с общей степенью повышения давления.
По расчетам, ожидаемый термический КПД лежит в пределах 60-90%, что в несколько раз превосходит КПД прототипа при одинаковых затратах Qp. ВНУ с одной регенеративной секцией могут выполняться для сжатия воздуха до 0,5-0,6 МПа. Для более высоких давлений змеевик должен составляться из нескольких секций с подводом теплоты от ИТВ к каждой секции в отдельности.
ВНУ работают на любых ИТВ (органическом или ядерном топливе, источниках искусственного или естественного происхождения окружающей среды). Основное назначение ВНУ - массовое производство сжатого воздуха, востребованного как энергетическое сырье для различных отраслей промышленности.
Широкое применение ВНУ могут найти в электроэнергетике, например, в составе энергоустановок тепловых и атомных электростанций, работающих на чистом сжатом воздухе. Использование сжатого воздуха в качестве рабочего тела с параметрами давлений на уровне паровых турбин (до 15-20) МПа, а рабочих температур до 800-900°С, что почти вдвое превышает температуры водяных паров, а также способность ТЭС работать на низкосортном топливе открывают хорошие перспективы для их развития.
Успешно ВНУ могут применяться и для создания длительных и непрерывных воздушно-газовых потоков с большими расходами и высокими давлениями для научно-исследовательских и экспериментальных целей, например, в аэродинамических испытательных центрах при оценке обтекаемости различных форм и моделей.
Источники информации
1. SU 1321906 А, 07.07.1987 (БИ N25, 1987).
2. RU 2235218 С2, 31.07.2002 (БИ N24, 2004).
3. Баскаков А.П. Теплотехника. М.: Энергоиздат, 1991 (с.106, 146).
4. Алексеев А.В. и др. Оптическая рефракция в земной атмосфере. Н.: Наука, 1982, (с.37).
Claims (2)
1. Воздухонапорное устройство, содержащее змеевиковый воздушный тракт из восходящих (теплоизолированных) и нисходящих труб, последовательно соединенных между собой на вершинах, на входе которого установлен воздушный нагнетатель, а на выходе - регулировочный вентиль, а также воздухонагреватели от внешних источников тепловыделения с температурой нагрева выше температуры окружающей змеевик среды и охлаждающие теплообменники с окружающей средой, отличающееся тем, что змеевиковый воздушный тракт разделен на последовательно соединенные между собой регенеративные секции по нескольку витков в каждой, в смежных витках которых входные участки нисходящих и восходящих труб снабжены промежуточными теплоносителями, переносящими утилизированную теплоту охлаждаемого воздуха из нисходящей трубы к нагреваемому воздуху в восходящую трубу, при этом воздухонагреватели от внешних источников тепловыделения устанавливаются только в первых витках регенеративных секций, а охлаждающие теплообменники с окружающей средой - в последних.
2. Воздухонапорное устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве промежуточного теплоносителя используется паровой котел-утилизатор, аккумулирующий теплоту отработавшего воздуха в перегретом паре и соединенный с ним теплоизолированным паропроводом паровоздушный трубчатый нагреватель с выходом конденсата в окружающую среду.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006114928/06A RU2309291C1 (ru) | 2006-05-03 | 2006-05-03 | Воздухонапорное устройство |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006114928/06A RU2309291C1 (ru) | 2006-05-03 | 2006-05-03 | Воздухонапорное устройство |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2309291C1 true RU2309291C1 (ru) | 2007-10-27 |
Family
ID=38955790
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006114928/06A RU2309291C1 (ru) | 2006-05-03 | 2006-05-03 | Воздухонапорное устройство |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2309291C1 (ru) |
-
2006
- 2006-05-03 RU RU2006114928/06A patent/RU2309291C1/ru not_active IP Right Cessation
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4405010A (en) | Sensible heat storage unit | |
CN108643980B (zh) | 超高压缸和高中压缸均带有附加回热级的二次再热机组 | |
US4215553A (en) | Energy conversion system | |
CN110392770B (zh) | 利用二氧化碳进行能量转换的方法和设备系统 | |
CN103244214A (zh) | 基于有机朗肯循环的烟气冷凝热回收热电联供系统 | |
EA014465B1 (ru) | Система теплового двигателя | |
Laković et al. | Impact of the cold end operating conditions on energy efficiency of the steam power plants | |
CN109447483B (zh) | 一种低温省煤器对汽轮机组热耗率影响量的计算方法 | |
CN113268887B (zh) | 一种煤电机组锅炉暖风器最佳热源确定系统及方法 | |
CN102287868B (zh) | 移动利用余热蒸汽的方法及供应蒸汽、热水的移动蓄热车 | |
CN201715544U (zh) | 烟气余热回收系统 | |
Rastegar et al. | Experimental investigation of the increasing thermal efficiency of an indirect water bath heater by use of thermosyphon heat pipe | |
RU2309291C1 (ru) | Воздухонапорное устройство | |
CN113051752B (zh) | 一种与煤电耦合的高压空气储能系统最优热源的确定方法 | |
Rosen et al. | Effect of altering combustion air flow on a steam power plant: Energy and exergy analysis | |
CN102162397A (zh) | 压水堆核动力燃汽轮机循环发电系统 | |
CN206874322U (zh) | 一种多压闪蒸有机朗肯循环余热发电的装置 | |
US20230347276A1 (en) | Carbon dioxide capture | |
CN110307129B (zh) | 地热能辅助燃煤互补发电系统的地热能发电量评估方法 | |
CN114659092A (zh) | 一种除氧器乏汽放空回收装置及其回收方法 | |
CN103115348B (zh) | 一种利用太阳能降低回热循环燃煤热耗的装置和方法 | |
CN202403257U (zh) | 闭循环式省煤器 | |
CN201991617U (zh) | 压水堆核动力燃气轮机循环发电系统 | |
CN202851100U (zh) | 一种紧凑式有机朗肯循环发电系统 | |
RU2235218C2 (ru) | Электростанция с воздухонапорным устройством |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130504 |