RU2747894C1 - Closed energy cycle - Google Patents
Closed energy cycle Download PDFInfo
- Publication number
- RU2747894C1 RU2747894C1 RU2020138358A RU2020138358A RU2747894C1 RU 2747894 C1 RU2747894 C1 RU 2747894C1 RU 2020138358 A RU2020138358 A RU 2020138358A RU 2020138358 A RU2020138358 A RU 2020138358A RU 2747894 C1 RU2747894 C1 RU 2747894C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- liquid
- working fluid
- cycle
- phase
- inert gas
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
- F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
- F01K25/06—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using mixtures of different fluids
Abstract
Description
Изобретение относится к области преобразования тепловой энергии в механическую с использованием в качестве рабочего тела смеси нерастворимых или малорастворимых друг в друге веществ, находящихся в равновесии в жидкой и газовой фазах.The invention relates to the field of converting thermal energy into mechanical energy using as a working fluid a mixture of insoluble or slightly soluble in each other substances in equilibrium in the liquid and gas phases.
Известен замкнутый энергетический цикл (по патенту RU2304722), в котором в качестве рабочего тела используется смесь веществ, состоящая из нескольких компонентов, находящихся в равновесии в жидкой и газовой фазах. В первой рабочей фазе при первоначальной температуре и первоначальном давлении рабочее тело расширяется с совершением работы и последующим отводом тепла. Расширение рабочего тела и последующий отвод тепла проводят до температуры, при которой рабочее тело разделяется на газовую фазу и жидкую фазу. Жидкую фазу рабочего тела отделяют от газовой фазы и раздельно сжимают. После сжатия жидкую фазу нагревают путем подвода тепла и смешивают с газовой фазой с образованием рабочего тела при первоначальной температуре. A closed energy cycle is known (according to patent RU2304722), in which a mixture of substances is used as a working fluid, consisting of several components in equilibrium in the liquid and gas phases. In the first working phase, at the initial temperature and initial pressure, the working fluid expands with the performance of work and the subsequent removal of heat. The expansion of the working fluid and the subsequent removal of heat is carried out to a temperature at which the working fluid is separated into a gas phase and a liquid phase. The liquid phase of the working fluid is separated from the gas phase and compressed separately. After compression, the liquid phase is heated by applying heat and mixed with the gas phase to form a working fluid at the initial temperature.
Известен замкнутый энергетический цикл (по патенту RU2114999) в котором, в рабочую жидкость, помещенную в резервуар, добавляют газ, молекулярная масса которого не превышает молекулярную массу рабочей жидкости, и сообщают этой жидкости тепловую энергию от устройства для нагрева рабочей жидкости до приведения ее в пар. Затем подают рабочую жидкость в парообразной фазе в устройство для преобразования энергии в механическую работу, с расширением рабочей жидкости и снижением температуры. Выделяют из расширенной и охлажденной рабочей жидкости газ. Циклически возвращают расширенную и охлажденную жидкость в жидкой фазе и выделенный газ в резервуар. В качестве рабочей жидкости используют воду, в которую в резервуаре нагревают до получения пара и добавляют в нее в количестве от 0,1 до 9 мас.% водород или гелий для образования смеси газа с паром, имеющей повышенные значения энтальпии и коэффициента сжимаемости. A closed energy cycle is known (according to patent RU2114999) in which, in the working fluid placed in the reservoir, a gas is added, the molecular weight of which does not exceed the molecular weight of the working fluid, and heat energy from the device for heating the working fluid before bringing it into steam is supplied to this fluid ... Then, the working fluid is supplied in the vapor phase to a device for converting energy into mechanical work, with the expansion of the working fluid and a decrease in temperature. Gas is separated from the expanded and cooled working liquid. The expanded and cooled liquid in the liquid phase and the separated gas are cyclically returned to the reservoir. Water is used as a working liquid, in which it is heated in a reservoir to obtain steam and hydrogen or helium is added to it in an amount of 0.1 to 9 wt% to form a gas-steam mixture having increased values of enthalpy and compressibility coefficient.
Общим недостатком известных решения является низкий термический КПД, связанный с тем, что сжатие двух рабочих тел происходит раздельно и не используется теплота, выделяющаяся при сжатии газа. A common disadvantage of the known solutions is the low thermal efficiency associated with the fact that the compression of the two working bodies occurs separately and the heat released during the compression of the gas is not used.
Известен незамкнутый энергетический цикл (по заявке US2005172623) в котором используется нагретый газ-носитель, который адиабатически сжимают, выделяющееся от сжатия тепло поглощается впрыскиваемой из резервуара закипающей жидкостью, которая расходуется в процессе работы. Нагнетают жидкость в постоянный объем газа-носителя, при этом, часть жидкости переходит в газовую фазу. Затем, выравнивают температуру смеси газов перед этапом быстрого расширения при постоянном объеме. Происходит передача тепловой энергии от газа-носителя к нагнетаемой жидкости. Если существует достаточная разница температур для передачи тепла, произойдет дальнейшее испарение жидкости. Затем, происходит адиабатическое расширение смеси в расширителе. Происходит истощение смеси, которая собирается в конденсатор для разделения смеси на компоненты. Затем, газ-носитель возвращается в начало цикла. Жидкость в процессе цикла расходуется и не может быть возвращена в его начало.Known open energy cycle (US2005172623) in which a heated carrier gas is used, which is adiabatically compressed, the heat released from compression is absorbed by the boiling liquid injected from the reservoir, which is consumed during operation. Liquid is injected into a constant volume of the carrier gas, while part of the liquid passes into the gas phase. Then, the temperature of the gas mixture is equalized before the rapid expansion step at constant volume. Thermal energy is transferred from the carrier gas to the pumped liquid. If there is a sufficient temperature difference to transfer heat, further evaporation of the liquid will occur. Then, adiabatic expansion of the mixture occurs in the expander. The mixture is depleted and is collected in a condenser to separate the mixture into components. Then, the carrier gas returns to the beginning of the cycle. The liquid is consumed during the cycle and cannot be returned to its beginning.
Известен замкнутый энергетический цикл (по патенту RU2148722), выбранный в качестве прототипа, в котором, в качестве рабочего вещества используется газожидкостный раствор бутана и азота, обладающий обратной растворимостью по температуре. В первой рабочей фазе объем камеры расширяется, давление падает, при расширении выполняется механическая работа, при увеличении объема и падении давления происходит выделение газовой фазы, которое сопровождается выделением тепла. При сжатии происходит растворение газа в жидкости, которое сопровождается поглощением тепла, поэтому работа сжатия уменьшается. Из-за ограниченной растворимости азота в бутане, требуется нагревать раствор на этапе сжатия, кроме того, бутан не меняет фазовое состояние в цикле. Оба этих фактора также снижают термический КПД цикла.Known is a closed energy cycle (according to patent RU2148722), selected as a prototype, in which, as a working substance, a gas-liquid solution of butane and nitrogen, which has a reverse solubility in temperature, is used. In the first working phase, the volume of the chamber expands, the pressure drops, during expansion, mechanical work is performed, with an increase in volume and a drop in pressure, the gas phase is released, which is accompanied by the release of heat. During compression, gas dissolves in liquid, which is accompanied by heat absorption, therefore, the compression work decreases. Due to the limited solubility of nitrogen in butane, it is required to heat the solution during the compression stage, in addition, butane does not change the phase state in the cycle. Both of these factors also reduce the thermal efficiency of the cycle.
Технической задачей изобретения является повышение термического КПД энергетического цикла.The technical objective of the invention is to increase the thermal efficiency of the power cycle.
Технический результат достигается в замкнутом энергетическом цикле, в котором в качестве рабочего тела используется смесь инертного газа и жидкости, находящейся в начале цикла в жидкой фазе. Под замкнутым энергетическом циклом мы понимаем термодинамический цикл, в котором термодинамические состояния рабочего тела, в нашем случае газо-жидкостной смеси, в начале и в конце совпадают. В том числе, в это понятие включаются те процессы, в которых допускается добавление или извлечение компонент рабочего тела, вследствие, например, потерь, утечек, или, при необходимости изменить состояние или режим работы тепловой машины, использующей этот цикл. Рабочее тело подают на фазу сжатия в соотношении, при котором происходит испарение жидкости за счет разогрева сжимаемого инертного газа, затем рабочее тело, находящееся в газовой фазе, нагревают и направляют в расширитель для совершения работы, после чего, рабочее тело посредством теплообмена доводится до первоначальной температуры и возвращается в начало цикла. Производят измерение температуры рабочего тела в конце фазы сжатия и, в зависимости от температуры регулируют соотношение инертного газа и жидкости при их подаче на фазу сжатия. В качестве инертного газа используют аргон, в качестве жидкости используют бутан. В качестве жидкости могут использовать фреон или предельный углеводород. The technical result is achieved in a closed energy cycle, in which a mixture of inert gas and liquid, which is in the liquid phase at the beginning of the cycle, is used as a working fluid. By a closed energy cycle, we mean a thermodynamic cycle in which the thermodynamic states of the working fluid, in our case, a gas-liquid mixture, at the beginning and at the end coincide. Including, this concept includes those processes in which it is allowed to add or remove components of the working fluid, due to, for example, losses, leaks, or, if necessary, change the state or mode of operation of the heat machine using this cycle. The working fluid is fed to the compression phase in a ratio at which the liquid is evaporated due to the heating of the compressed inert gas, then the working fluid, which is in the gas phase, is heated and sent to the expander to perform work, after which the working fluid is brought to the initial temperature by means of heat exchange and returns to the beginning of the loop. The temperature of the working fluid is measured at the end of the compression phase and, depending on the temperature, the ratio of inert gas and liquid is adjusted when they are supplied to the compression phase. Argon is used as an inert gas, butane is used as a liquid. Freon or saturated hydrocarbon can be used as a liquid.
Изобретение поясняется рисунками:The invention is illustrated by drawings:
фиг.1 – схема энергетического цикла;Fig. 1 is a diagram of a power cycle;
фиг.2 – фазовая диаграмма T – P для пары аргон – бутан.Fig. 2 is a T - P phase diagram for an argon - butane pair.
В замкнутом энергетическом цикле в качестве рабочего тела используется смесь инертного газа и жидкости, находящейся в начале цикла в жидкой фазе. Началом цикла мы называем состояние смеси перед подачей на фазу сжатия A-B – в компрессор 1. То есть, мы выбираем такую пару инертного газа и жидкости, и такие параметры энергетического цикла, при которых, инертный газ и жидкость находятся в конденсаторе 4, на фазе охлаждения смеси D-A, или, что то же самое, перед подачей в компрессор 1, в газообразной и жидкой фазах соответственно.In a closed energy cycle, a mixture of inert gas and liquid, which is in the liquid phase at the beginning of the cycle, is used as a working fluid. We call the beginning of the cycle the state of the mixture before entering the compression phase AB - into the
Использование химически инертного газа и скорость протекания процессов определяют то, что инертный газ и жидкость значимо для хода процесса не растворяются друг в друге, и установившееся термодинамическое равновесие на фазах цикла не смещается из-за растворения – в разных фазах цикла инертный газ и жидкость находятся либо в виде смеси газов, либо в виде смеси (а не раствора) газа и жидкости.The use of a chemically inert gas and the rate of progress of the processes determine that the inert gas and liquid do not dissolve in each other significantly for the course of the process, and the established thermodynamic equilibrium at the phases of the cycle does not shift due to dissolution - in different phases of the cycle the inert gas and liquid are either in the form of a mixture of gases, or in the form of a mixture (not a solution) of a gas and a liquid.
Рабочее тело подают на фазу сжатия A-B, в компрессор 1, в соотношении, при котором происходит разогрев сжимаемого инертного газа. За счет выделяющегося при этом тепла, происходит закипание и полное испарение жидкости. Процесс характеризуется малыми механическими затратами на сжатие, так как температура и энтальпия меняются незначительно, совершается малая работа. Могут использоваться циклические компрессоры объёмного сжатия (например, поршневые, винтовые), имеющие замкнутый объём для сжатия. В этот объём для сжатия одновременно подаются инертный газ и жидкость. В каждый цикл работы компрессора подается определённое количество инертного газа и жидкости с тем, чтобы тепло от сжатия инертного газа было равно теплу, необходимому жидкости для полного испарения. The working fluid is fed to the compression phase A-B, to the
Для повышения теплового КПД и для повышения стабильности тепловых характеристик энергетического цикла, производят измерение температуры рабочего тела в конце фазы сжатия A-B, на выходе из компрессора 1. В зависимости от измеренной температуры, регулируют соотношение инертного газа и жидкости при их подаче на фазу сжатия таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность фазы сжатия при установившемся рабочем режиме тепловой машины: избыток жидкости может привести к неполному испарению, избыток инертного газа приведет к потерям механической энергии на сжатие рабочего тела. В автоматическом режиме такой контроль и регулировка могут производится с использованием контроллера, соединенного с термометром и с устройствами дозированного впрыска.To increase the thermal efficiency and to increase the stability of the thermal characteristics of the power cycle, the temperature of the working fluid is measured at the end of the compression phase AB, at the outlet of the
Затем, рабочее тело, находящееся на выходе из компрессора 1 в газовой фазе, при постоянном давлении нагревают в нагревателе 2 (фаза энергетического цикла B-C) до расчетной температуры, в качестве которого может использоваться подогреваемая емкость.Then, the working fluid at the outlet of the
Расчетная температура выбирается таким образом, чтобы обеспечить максимальный тепловой КПД цикла: необходимо нагревать до такой температуры, чтобы при последующем расширении в расширителе 3, смесь газов остыла практически до точки росы для жидкости. Если капли жидкости появятся в полости расширителя 3, они перестают совершать полезную работу (недогрев). Если перегреть, то потребуется отнимать лишнее тепло в конденсаторе 4.The design temperature is selected in such a way as to ensure the maximum thermal efficiency of the cycle: it must be heated to such a temperature that during the subsequent expansion in the
После фазы нагрева, рабочее тело направляют в расширитель 3 для совершения механической работы (фаза расширения C-D), тепловая машина преобразует тепловую энергию в механическую (и далее, например, в электрическую). При этом, может использоваться любой из известных механизмов, например, турбина.After the heating phase, the working fluid is sent to the
После расширителя, рабочее тело подается на фазу охлаждения D-A, в конденсатор 4 (теплообменник), где, посредством теплообмена доводится до первоначальной температуры и возвращается в начало цикла.After the expander, the working fluid is fed to the cooling phase D-A, to the condenser 4 (heat exchanger), where, by means of heat exchange, it is brought to the initial temperature and returns to the beginning of the cycle.
В качестве примера, рассмотрим работу энергетического цикла на паре аргон – бутан.As an example, consider the operation of the energy cycle using argon-butane steam.
В цикле участвует 1 кг аргона и 0,1356 кг жидкого бутана. Начальное давление для такой смеси составляет 3 бар при температуре 30 0С. В компрессоре 1 происходит сжатие смеси (рабочего тела) до 8 бар с полным испарением бутана. На выходе из компрессора температура газообразного рабочего тела составит 69 °С. Далее, при постоянном давлении нагревают смесь до 100 °С и она совершает работу в расширителе 3, при этом давление понижается до 3 бар, температура до 31 °С. В конденсаторе 4, при незначительном понижении температуры до 30 °С, бутан переходит в жидкую фазу а аргон с жидким бутаном возвращаются в начало цикла. Расчётное тепловое КПД такого процесса составляет около 90%.The cycle involves 1 kg of argon and 0.1356 kg of liquid butane. The initial pressure for such a mixture is 3 bar at a temperature of 30 0 C. In
В качестве инертного газа очевидно могут использоваться и другие газы: криптон, ксенон, гелий, неон, имеющие сходные физические и физические свойства. Так, ниже приводится таблица параметров энергетического цикла с использованием таких газов.Other gases can obviously be used as an inert gas: krypton, xenon, helium, neon, which have similar physical and physical properties. So, below is a table of the parameters of the energy cycle using such gases.
В качестве жидкости может использоваться любая жидкость, которая может находится с инертным газом в виде смеси (является нелетучей, находящейся в жидкой фазе) в условиях конденсатора и испаряющейся в компрессоре. Наиболее подходящими жидкостями являются легкокипящие вещества (вещества с малой удельной теплотой парообразования), к ним, например, можно отнести, но не ограничивая только ими, все фреоны и предельные углеводороды. Очевидно, что таких веществ очень много и невозможно описать особенности энергетического цикла для всех пар инертный газ – жидкость. В качестве примеров, в таблице приведены параметры энергетического цикла для разных пар:As a liquid, any liquid can be used that can be present with an inert gas in the form of a mixture (non-volatile, in the liquid phase) under the conditions of the condenser and evaporating in the compressor. The most suitable liquids are low-boiling substances (substances with a low specific heat of vaporization), these include, for example, but not limited to all freons and saturated hydrocarbons. Obviously, there are a lot of such substances and it is impossible to describe the features of the energy cycle for all inert gas - liquid pairs. As examples, the table shows the power cycle parameters for different pairs:
Claims (4)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020138358A RU2747894C1 (en) | 2020-11-24 | 2020-11-24 | Closed energy cycle |
PCT/RU2021/050181 WO2022114996A1 (en) | 2020-11-24 | 2021-06-24 | Closed power cycle |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020138358A RU2747894C1 (en) | 2020-11-24 | 2020-11-24 | Closed energy cycle |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2747894C1 true RU2747894C1 (en) | 2021-05-17 |
Family
ID=75920003
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020138358A RU2747894C1 (en) | 2020-11-24 | 2020-11-24 | Closed energy cycle |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2747894C1 (en) |
WO (1) | WO2022114996A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2778186C1 (en) * | 2022-03-17 | 2022-08-15 | Общество с ограниченной ответственностью "Новый цикл" | Closed energy cycle and heat engine for its implementation |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EA000058B1 (en) * | 1996-02-09 | 1998-04-30 | Эксерджи Инк. | Converting heat into useful energy |
RU2148722C1 (en) * | 1998-09-24 | 2000-05-10 | Научно-исследовательская фирма "Эн-Ал" | Energy cycle with use of mixture |
RU2548524C2 (en) * | 2009-09-15 | 2015-04-20 | Дженерал Электрик Компани | Direct-acting evaporator, plant for energy regeneration and method of energy regeneration |
-
2020
- 2020-11-24 RU RU2020138358A patent/RU2747894C1/en active
-
2021
- 2021-06-24 WO PCT/RU2021/050181 patent/WO2022114996A1/en active Application Filing
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EA000058B1 (en) * | 1996-02-09 | 1998-04-30 | Эксерджи Инк. | Converting heat into useful energy |
RU2148722C1 (en) * | 1998-09-24 | 2000-05-10 | Научно-исследовательская фирма "Эн-Ал" | Energy cycle with use of mixture |
RU2548524C2 (en) * | 2009-09-15 | 2015-04-20 | Дженерал Электрик Компани | Direct-acting evaporator, plant for energy regeneration and method of energy regeneration |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2778186C1 (en) * | 2022-03-17 | 2022-08-15 | Общество с ограниченной ответственностью "Новый цикл" | Closed energy cycle and heat engine for its implementation |
RU2806951C1 (en) * | 2023-07-24 | 2023-11-08 | Общество с ограниченной ответственностью "Новый цикл" | Thermal energy conversion system |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2022114996A1 (en) | 2022-06-02 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101129116B1 (en) | Refrigeration cycle utilizing a mixed inert component refrigerant | |
Saikawa et al. | Thermodynamic analysis of vapor compression heat pump cycle for tap water heating and development of CO2 heat pump water heater for residential use | |
Xue et al. | A review of cryogenic power generation cycles with liquefied natural gas cold energy utilization | |
JP2576161B2 (en) | Working medium mixture | |
CN101755037A (en) | improved solvent extraction and recovery | |
KR880002381B1 (en) | Recovery of power from vaporization of liquefied natural gas | |
CN102562179A (en) | Organic Rankine cycle power generation system with liquid ejection device | |
US20160032785A1 (en) | Method and Apparatus for Combining a Heat Pump Cycle With A Power Cycle | |
WO2011011983A1 (en) | Low grade heat flow prime motor, low grade heat flow generating system and generating method thereof | |
WO1998006791A1 (en) | Pentafluoropropanes and hexafluoropropanes as working fluids for power generation | |
JP2576162B2 (en) | Working medium mixture | |
RU2747894C1 (en) | Closed energy cycle | |
EA043750B1 (en) | CLOSED ENERGY CYCLE | |
US4593538A (en) | Refrigeration cycle operatable by low thermal potential energy sources | |
KR20190057919A (en) | Apparatus for cooling working fluid and Power generation plant using the same | |
US4459810A (en) | Working fluids for use with rankine cycle | |
CN109630309A (en) | LNG cold energy Stirling electricity generation system | |
RU2778186C1 (en) | Closed energy cycle and heat engine for its implementation | |
RU2773086C1 (en) | Method for converting thermal energy | |
Braimakis et al. | Ultra-low GWP refrigerant mixtures as working fluids in ORC for waste heat recovery | |
WO1997001021A1 (en) | Method and apparatus for generating power from low temperature source | |
JPH0291404A (en) | Exhaust absorbing steam motor | |
JPS6312506B2 (en) | ||
WO2007133110A1 (en) | Power cycle | |
WO1999022187A1 (en) | Phase-changeable and non-heat refrigeration process and apparatus thereof |