SK18496A3 - Použitie tekutín v kompletne superkritickom stave ako pracovných médií generátorov tlaku - Google Patents

Abstract

Použitie tekutín v kompletne superkritickom stave ako pracovných médií generátorov v stirlingových motoroch je určené na uplatnenie v energetických zariadeniach kombinovaného typu, na využitie prírodných, obnoviteľných a odpadových tepiel, tiež v ťažkých mobilných prostriedkoch. Základné fyzikálne parametre tekutín sú dané druhom látky, tlakom a teplotou. Pre nové účinky na účinnosť zariadenia sú určujúce rozťažnosť, rozpínavosť a modul pružnosti použitého pracovného média v kompletne superkritickom stave.

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka tepelných obehov energetických systémov, stirlingových generátorov tlakového spádu, osobitne koncových stupňov kombinovaných cyklov využitie nízkych teplotných spádov, generátorov tlaku zariadení využitie obnoví teľných zdrojov, generátorov tlaku -pro - moton$V ťažkých mobilných a pracovných mechanizmov, generátorov tlaku -p're~~ chladiace^ a tepločerpacíť^ zariadení. .

Doterajší stav techniky

Známe tepelné obehy používajú ako pracovnú látku plyn alebo kombinovaný stav pracovnej látky,v ktorom nízkotlaká izobara je v stave kondenzujúcich pár. Carnotizáciou cyklov sa v reálnych tepelných obvodoch variantným spôsobom pomocou Čiastkovej rekuperácie alebo regenerácie dosahuje priblíženie k idealizovaným cyklom typu Ericsson a Brayton. V prípade binárnej zmesi pár je možná aj čiastková rekuperácia kondenzačného tepla /viď Kalina cyklus/.

Na zvýšenie účinnosti tepelného obehu sa úspešne využíva zvýšenie teplotného spádu. V plynových obehoch - najmä zvýšením pracovnej teploty plynových turbín s chladenými lopatkami. Zníženie spodnej úrovne teploty je riešené v parných obehoch podtlakovým kondenzačným prevedením. Kombinácirti plynových a parných obehov sa obidva trendy sumarizujú a tým sa dosahujú špičkové účinnosti energetických zariadení typu paro-plyn s hodnotami v praxi 0,5 až 0,55.

U špičkových zariadení možno hovoriť o cca 70% hodnote účinnosti voči idealizovanej. Táto hodnota je nižšia u tepelných obehov využívajúcich nízkoteplotné zdroje, kde reálne zariadenie znižuje celkovú účinnosť vyšším podielom vlastnej spotreby napr. od čerpadiel, ventilátorov a straty exergie prestupmi tepla.

Vo všetkých súčasných kategóriách je markantná závislosť ceny zariadenia od každého percenta zvýšenia účinnosti a to tým intenzívnejšie, čím sa účinnosť viac blíži k idealizovanej. Experimentálne obehy uplatňujúce tepelný obeh celý v blízkosti kritického bodu nedosiahli možné výsledky nepresným definovaním stavu pracovného média v každej fáze obehu a použitým druhom média (voda) napr. stirlingov motor typu Melóne.

Stirlingove generátory tlaku typu Bush alebo Jifford McMahon generujú tlak vratným pohybom regenerátora. medzi ohrievaným a chladeným koncom valca. Používané médiá v 'plynnom stave ako napr. hélium, vodík, vzduch vytvárajú relatívne nízke tlakové a objemové zmeny, nízku mernú prácu cyklu, ktorá je kompenzovaná vyššími otáčkami. Prietoková rýchlosť média cez regenerátor spôsobuje škodlivý mechanický odpor a termodynamické straty. Vysoká stlačiteľnosť médií spôsobuje adekvátne straty tepla tlakovými zmenami v cykle.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky stirlingových generátorov tlaku rieši použitie média tepelného obehu, ktorého druh a stav je závislé určený spôsobom prevádzky generátora tlaku tak, že tlaky vnútorného tepelného obehu sú v celom rozsahu tepelného obehu vyššie ako kritické tlaky použitého média, najvyššie teploty cyklu sú blízke teplote kritickej. V tomto stave nadobúda médium výhodné fyzikálne parametre z hľadiska mernej práce cyklu a účinnosti tepelného cyklu. Užšia pracovná oblasť je vymedzená teplotami cyklu, ktoré zaručujú, že izobarická teplotná rozťažnosť a izochorická tlaková rozpínavosť sú vyššie, než obrátená hodnota absolútnej teploty [K¹], t. j. hodnoty prislúchajúce ideálnemu plynu. Parametre tekutiny umožňujú zvýšiť čas cyklu, čím sa zvyšuje účinnosť tepelnej regenerácie. Pri serovnateľnej teplote rastie tlaková aj objemová zmena v cykle. Nízka stlačiteľnosť tekutiny v porovnaní s plynnou fázou média znižuje tvorby termodynamických strát tepla v cykle. Uplatnenie média v danom kompletne superkritickom stave v stirlingových generátoroch tlaku umožňuje zachovať merné výkonové parametre výstupných mechanizmov energetického, tepelného, chladiaceho alebo motorického systému v podobe objemových motorov, resp. turbín. Použitie druhu tekutiny je závislé na využívanom teplotnom spáde.

Príklad uskutočnenia vynálezu

Použitie kvapalného kysličníka uhličitého ako pracovného média v generátore tlakového spádu zariadenia na využitie prírodného teplotného spádu 28°C/ 5°C. Takýto teplotný spád možno získať z rozdielu teplôt morskej vody (program OTEC) alebo z iných prírodných zdrojov (slnko, zem, biomasa).Zariadenie je konštrukčne obdobné so systémami Bush alebo Jifford - McMahon. Generátor tlaku generuje tlakový spád v tlakovej nádobe lineárnym vratným pohybom regenerátora medzi ohrievaným a chladeným koncom tlakovej nádoby. Opačné spätné ventily spôsobujú dopĺňanie vysokotlakého akumulátora a vyprázdňovanie strednotlakého akumu2 a okolo 9 MPa v silného a hustého frekvenciou asi 0,3 a ohrieva tekutinu, tlaku vy s okotí akého látora tlaku, medzi ktorými je objemový motor.

Reguláciou objemového motora a tlakov v zásobníkoch sa udržiava okolo 10 MPa vo vysokotlakom zásobníku stredotlakom zásobníku. Pohybom kapacitne regenerátora z teplej do studenej časti cyklov/sek. sa teplý regenerátor ochladzuje Tlak izochoricky stúpa a po prekonaní zásobníka doň expanduje tekutina. Opačným pohybom recipročne tlak klesá a zmršťujúca tekutina vyprázdňuje stredotlaký akumulátor. V rozpätí cyklu sú všetky hlavné fyzikálne parametre tekutiny na úrovniach násobkov hodnôt v porovnaní s hodnotami plynu ako pracovného média (izobarická rozťažnosť, izochorická tlaková rozpínavosť, modul pružnosti).

Expanzný objemový motor alebo turbína medzi tlakovými zásobníkmi je v hermetickom bloku s alternátorom elektrickej energie. Prevádzka generátora tlaku s nízkou frekvenciou neobmedzuje otáčky turbíny, ale zvyšuje účinnosť regenerácie tepla. Stav použitého média znižuje tepelné straty účinkom fyzikálnych parametrov tekutiny, hlavne nízkej izotermickej stlačitel'nosti a vysokej izobarickej rozťažnosti.

Iným uskutočnením vynálezu je použitie tekutín v komplexne superkritickom stave </o : generátorov tlaku motorov napr. ťažkých mobilných prostriedkov. Vonkajší ohrev plynom vytvára vyšší teplotný spád. Výhodou zostáva fakt, že relatívny nárast účinnosti a merného výkonu sa dosahuje bez ekongrai^y extrémnych teplôt. Takéto motory sú vhodné <»-pro - lod/'fvméstskŕM'dopravw, pracovnj&Z mechanizmov'v mestách a pod. pre ich vysokú účinnosť, oezvibračny a tichý chod.

?/

Claims (2)

1. Použitie tekutín v komplexne superkritickom stave medi/ generátorov tlaku stirlingových motorov.

ako pracovníc/

2. Použitie podľa nároku 1. vyznačujúce sa tým, že tekutinou využitie zdroja tepla o teplotnom spáde v maximálnom rozsahu 0°C až 400°C je kysličník uhličitý.