UA81780C2

UA81780C2 - Method for transformation of heat energy to mechanical work with utilization of heat of combustion products

Info

Publication number: UA81780C2
Application number: UAA200503678A
Authority: UA
Inventors: Николай Иванович Радченко; Валерий Викторович Романов; Борис Дмитриевич Билека; Александр Архипович Сирота; Роман Николаевич Радченко; Артем Андреевич Андреев; Дмитрий Викторович Коновалов; Мария Александровна Тарасенко; Андрей Николаевич Радченко
Original assignee: Национальный Университет Кораблестроения Имени Адмирала Макарова
Priority date: 2005-04-18
Filing date: 2005-04-18
Publication date: 2008-02-11

Abstract

A method for transformation of heat energy to mechanical work with utilization of heat of combustion products that includes sequential processes of compression of air, burning mix of hydro-carbon fuel with compressed air, expansion of combustion products with performing mechanical work and utilization of heat of combustion products through carrying out sequential processes of evaporation of low-boiling medium at high pressure with supply of heat from combustion products and expansion of vapor of low-boiling high-pressure medium with performing work on compression to intermediate pressure of vapor of low-boiling low pressure medium that is obtained through evaporation with supply of heat, condensation of vapor at intermediate pressure. According to the invention heat for evaporation of low-boiling low pressure medium is supplied from air before its compression. Due to utilization of heat of combustion products with heat supply fro air before its compression to low-boiling low pressure medium one decreases temperature of air before its compression and respectively decreases work losses for compression of air with compressor. The power and efficiency of power unit are increased, and thus power effectiveness of method for transformation of heat energy to mechanical work is increased.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Винахід відноситься до способів перетворення теплової енергії в механічну роботу, зокрема в енергетичних 2 установках з утилізацією теплоти продуктів згоряння.The invention relates to methods of converting thermal energy into mechanical work, in particular in energy 2 installations with utilization of the heat of combustion products.

Відомий спосіб перетворення теплової енергії в механічну роботу з утилізацією теплоти продуктів згоряння, що включає послідовні процеси стискання повітря, спалювання суміші вуглеводного палива зі стисненим повітрям, розширення продуктів згоряння з виконанням механічної роботи, а також утилізацію теплоти продуктів згоряння шляхом проведення послідовних процесів випаровування низькокиплячого робочого тіла при високому 70 тиску з підводом теплоти від продуктів згоряння, розширення пари низькокиплячого робочого тіла високого тиску з виконанням роботи на стискання до проміжного тиску пари низькокиплячого робочого тіла низького тиску, яку отримують шляхом випаровування з підводом теплоти, конденсації пари при проміжному тиску (Деклараційний патент на винахід Мо 71359 А Спосіб утилізації теплоти відпрацьованої газопарової суміші в газопаротурбінній установці, Бюл. Мо 11, 2004). Недоліком існуючого способу с недостатньо висока енергетична ефективність при 72 високій температурі зовнішнього повітря, яке стискається компресором, що призводить до зростання витрат роботи на стискання повітря компресором і, як наслідок, до зменшення потужності та коефіцієнта корисної дії енергетичної установки, якими й характеризується енергетична ефективність установки.A known method of converting thermal energy into mechanical work with the utilization of the heat of combustion products, which includes sequential processes of air compression, combustion of a mixture of hydrocarbon fuel with compressed air, expansion of combustion products with the performance of mechanical work, as well as utilization of the heat of combustion products by conducting sequential processes of evaporation of low-boiling working bodies at high 70 pressure with the supply of heat from combustion products, expansion of the vapor of a low-boiling working medium of high pressure with the performance of work on compression to an intermediate pressure of the vapor of a low-boiling working medium of low pressure, which is obtained by evaporation with the supply of heat, condensation of steam at an intermediate pressure (Declaratory patent for the invention Mo 71359 А The method of heat utilization of the spent gas-steam mixture in a gas-steam turbine installation, Byul. Mo 11, 2004). The disadvantage of the existing method is that the energy efficiency is not high enough at 72 high temperature of the outside air, which is compressed by the compressor, which leads to an increase in the work costs for compressing the air with the compressor and, as a result, to a decrease in the power and efficiency of the power plant, which characterizes the energy efficiency of the plant .

Прототипом винаходу є спосіб перетворення теплової енергії в механічну роботу з утилізацією теплоти продуктів згоряння, що включає послідовні процеси стискання повітря, спалювання суміші вуглеводного палива зі стисненим повітрям, розширення продуктів згоряння з виконанням механічної роботи, а також утилізацію теплоти продуктів згоряння шляхом проведення послідовних процесів випаровування низькокиплячого робочого тіла при високому тиску з підводом теплоти від продуктів згоряння, розширення пари низькокиплячого робочого тіла високого тиску з виконанням роботи на стискання до проміжного тиску пари низькокиплячого робочого тіла низького тиску, яку отримують шляхом випаровування з підводом теплоти, конденсації пари при проміжному с тиску |Деклараційний патент на винахід Мо 71357 А Спосіб утилізації теплоти відпрацьованої газопарової суміші Го) в газопаротурбінній установці, Бюл. Мо 11, 2004).The prototype of the invention is a method of converting thermal energy into mechanical work with the utilization of the heat of combustion products, which includes sequential processes of air compression, combustion of a mixture of hydrocarbon fuel with compressed air, expansion of combustion products with the performance of mechanical work, as well as utilization of the heat of combustion products by conducting sequential processes of evaporation of a low-boiling working medium at high pressure with heat input from combustion products, expansion of the vapor of a low-boiling working medium at high pressure with the performance of work on compression to an intermediate pressure of the steam of a low-boiling working medium of low pressure, which is obtained by evaporation with heat input, condensation of steam at an intermediate pressure c | Declaratory patent for invention No. 71357 А Method of utilization of heat of spent gas-steam mixture Go) in a gas-steam turbine installation, Byul. May 11, 2004).

Недоліком існуючого способу є недостатньо висока енергетична ефективність при високій температурі зовнішнього повітря, яке стискається компресором, що призводить до зростання витрат роботи на стискання повітря компресором і, як наслідок, до зменшення потужності та коефіцієнта корисної дії енергетичної о установки, якими й характеризується енергетична ефективність установки. сThe disadvantage of the existing method is insufficiently high energy efficiency at a high temperature of the outside air compressed by the compressor, which leads to an increase in work costs for air compression by the compressor and, as a result, to a decrease in the power and efficiency of the energy installation, which characterizes the energy efficiency of the installation . with

В основу винаходу поставлено задачу підвищення енергетичної ефективності способу перетворення теплової енергії в механічну роботу з утилізацією теплоти теплоти продуктів згоряння за рахунок зниження - темпера тури повітря перед його стисканням. --The basis of the invention is the task of increasing the energy efficiency of the method of converting thermal energy into mechanical work with the utilization of the heat of the heat of combustion products by reducing the temperature of the air before its compression. --

Для вирішення цієї задачі у способі перетворення теплової енергії в механічну роботу з утилізацієюTo solve this problem in the method of converting thermal energy into mechanical work with utilization

Зо теплоти продуктів згоряння, що включає послідовні процеси стискання повітря, спалювання суміші вуглеводного 99 палива зі стисненим повітрям, розширення продуктів згоряння з виконанням механічної роботи, а також утилізацію теплоти продуктів згоряння шляхом проведення послідовних процесів випаровування низькокиплячого робочого тіла при високому тиску з підводом теплоти від продуктів згоряння, розширення пари « низькокиплячого робочого тіла високого тиску з виконанням роботи на стискання до проміжного тиску пари 0 низькокиплячого робочого тіла низького тиску, яку отримують шляхом випаровування з підводом теплоти, о, с конденсації пари при проміжному тиску, теплоту на випаровування низькокиплячого робочого тіла низького тиску з» підводять від повітря перед його стисканням.From the heat of combustion products, which includes successive processes of air compression, combustion of a mixture of hydrocarbon 99 fuel with compressed air, expansion of combustion products with the performance of mechanical work, as well as utilization of the heat of combustion products by carrying out successive processes of evaporation of a low-boiling working medium at high pressure with the supply of heat from of combustion products, expansion of the vapor " of a low-boiling high-pressure working medium with the performance of work on compression to an intermediate pressure of the vapor 0 of a low-boiling working medium of low pressure, which is obtained by evaporation with heat input, o, from condensation of steam at an intermediate pressure, the heat of vaporization of a low-boiling working medium low pressure with" is brought from the air before its compression.

Завдяки утилізації теплоти продуктів згоряння із відведенням теплоти від повітря перед його стисканням до низькокиплячого робочого тіла низького тиску знижують температуру повітря перед його стисканням і відповідно зменшують витрати роботи на стискання повітря компресором. При цьому зростають потужніє і ь і коефіцієнт со корисної дії енергетичної установки, а отже й енергетична ефективність способу перетворення теплової енергії - в механічну роботу.Due to the utilization of the heat of combustion products with the removal of heat from the air before its compression to the low-boiling, low-pressure working body, the temperature of the air before its compression is reduced and, accordingly, the work costs for compressing the air with the compressor are reduced. At the same time, the power and efficiency of the power plant increase, as well as the energy efficiency of the method of converting thermal energy into mechanical work.

На рисунку зображено схему газотурбінної установки, в якій реалізується запропонований спосібThe figure shows a diagram of a gas turbine installation in which the proposed method is implemented

Ш- перетворення теплової енергії в механічну роботу з утилізацією теплоти продуктів згоряння шляхом відведення со 20 теплоти від повітря перед його стисканням на випаровування низькокиплячого робочого тіла низького тиску.Sh- conversion of thermal energy into mechanical work with the utilization of the heat of combustion products by removing so 20 heat from the air before its compression to vaporize the low-boiling, low-pressure working medium.

Установка складається і першого 1 та другого 2 ступенів двоступеневого компресора, камери згоряння 3, с турбіни 4, утилізаційного контуру на низькокиплячому робочому тілі, який включає випарник 5 низькокиплячого робочого тіла високого тиску - охолоджувач продуктів згоряння, струминний компресор-ежектор 6, випарник 7 низькокиплячого робочого тіла низького тиску - охолоджувач іювігря перед його стисканням, конденсатор 8 25 низькокиплячого робочого тіла проміжного тиску, дросельний клапан 9, насос низькокиплячого робочого тіла 10. о Спосіб перетворення теплової енергії в механічну роботу з утилізацією теплоти продуктів згоряння реалізується в газотурбінній установці таким чином. ко Стиснене повітря, яке отримують послідовним стисканням у першому 1 та другому 2 ступенях компресора, направляють у камеру згоряння 3, де його змішують із вуглеводним паливом і спалюють суміш. Продукти 60 згоряння розширюють у турбіні 4 з виконанням механічної роботи. Теплоту від продуктів згоряння відводять за допомогою утилізаційного контуру на низькокиплячому робочому тілі. Утилізаційний контур працює таким чином: пару низькокиплячого робочого тіла високого тиску, яка утворюється в процесі випаровування рідини у випарнику 5 за рахунок підводу теплоти від продуктів згоряння, розширюють з виконанням роботи на стискання до проміжного тиску у струминному компресорі-ежекторі 6 пари низькокиплячого робочого тіла низького тиску, бо яку отримують у випарнику 7 у процесі випаровування рідини за рахунок підводу теплоти від повітря перед його стисканням. Стиснену у струминному компресорі-ежекторі 6 пару низькокиплячого робочого тіла конденсують у конденсаторі 8 при проміжному тиску. Отриманий в конденсаторі 8 конденсат низькокиплячого робочого тіла ділять на два потоки, один із яких після зниження тиску і відповідно температури у дросельному клапані 9 випаровують у випарнику 7 при низькому тиску, а другий після підвищення тиску в насосі 10 випаровують у випарнику 5 при високому тиску. Завдяки відведенню теплоти від повітря перед його стисканням до низькокиплячого робочого тіла низького тиску і відповідно температури у випарнику 7 проводять охолодження повітря перед його стисканням до більш низьких температур, недосяжних при відведенні теплоти від повітря перед його стисканням, наприклад до охолоджуючої води. Відповідно зменшують витрати роботи на стискання 7/0 повітря у компресорі. При цьому зростають потужність і коефіцієнт корисної дії газотурбінної установки, а отже й енергетична ефективність способу перетворення теплової енергії в механічну роботу.The installation consists of the first 1 and second 2 stages of a two-stage compressor, a combustion chamber 3, a turbine 4, a utilization circuit on a low-boiling working body, which includes an evaporator 5 of a low-boiling high-pressure working body - a cooler of combustion products, a jet compressor-ejector 6, an evaporator 7 of a low-boiling working body low-pressure working medium - cooler and subheat before its compression, condenser 8 25 of low-boiling working medium of intermediate pressure, throttle valve 9, pump of low-boiling working medium 10. o The method of converting thermal energy into mechanical work with utilization of the heat of combustion products is implemented in a gas turbine installation as follows. Compressed air, which is obtained by successive compression in the first 1 and second 2 stages of the compressor, is sent to the combustion chamber 3, where it is mixed with hydrocarbon fuel and the mixture is burned. Combustion products 60 expand in turbine 4 with mechanical work. The heat from the combustion products is removed with the help of a utilization circuit on a low-boiling working body. The recycling circuit works as follows: the vapor of a low-boiling high-pressure working medium, which is formed in the process of liquid evaporation in the evaporator 5 due to the supply of heat from combustion products, is expanded with the performance of compression work to an intermediate pressure in the jet compressor-ejector 6 of the vapor of a low-boiling working medium of low pressure, because it is obtained in the evaporator 7 in the process of liquid evaporation due to the supply of heat from the air before its compression. The low-boiling fluid vapor compressed in the jet compressor-ejector 6 is condensed in the condenser 8 at intermediate pressure. The condensate of the low-boiling fluid obtained in the condenser 8 is divided into two streams, one of which, after reducing the pressure and, accordingly, the temperature in the throttle valve 9, is evaporated in the evaporator 7 at low pressure, and the second, after increasing the pressure in the pump 10, is evaporated in the evaporator 5 at high pressure. Due to the removal of heat from the air before its compression to the low-boiling working medium of low pressure and, accordingly, the temperature in the evaporator 7, the cooling of the air before its compression is carried out to lower temperatures that are unattainable when the heat is removed from the air before its compression, for example to cooling water. Accordingly, work costs for compressing 7/0 air in the compressor are reduced. At the same time, the power and efficiency of the gas turbine plant increase, and therefore the energy efficiency of the method of converting thermal energy into mechanical work.

Розрахунки показують, що застосування запропонованого способу із відведенням теплоти від повітря перед його стисканням до низькокиплячого робочого тіла низького тиску забезпечує підвищення потужності газотурбінних двигунів і двигунів внутрішнього згоряння на 5...10 906 та коефіцієнта їх корисної дії на 1...2 90 /5 при температурі зовнішнього повітря понад З0 2С, а отже і їхньої енергетичної ефективності.Calculations show that the application of the proposed method with the removal of heat from air before its compression to a low-boiling, low-pressure working body provides an increase in the power of gas turbine engines and internal combustion engines by 5...10,906 and their efficiency by 1...2 90 / 5 at the temperature of the outside air above З0 2С, and therefore their energy efficiency.

Claims

The formula of the invention is a method of converting thermal energy into mechanical work with the utilization of the heat of combustion products, which includes successive processes of air compression, combustion of a mixture of hydrocarbon fuel with compressed air, expansion of combustion products with the performance of mechanical work, as well as utilization of the heat of combustion products by carrying out successive processes of evaporation of low-boiling of a working medium at high pressure with heat input from combustion products and steam expansion of a low-boiling high-pressure working medium with c on performing work on compression to an intermediate pressure of a low-boiling low-pressure working medium vapor, which is obtained by evaporation with a heat input, condensation of steam at an intermediate pressure, (8), which differs in that the heat of vaporization of the low-boiling, low-pressure working medium is supplied from the air before its compression. o (ge) che «-- Zo so

- and? so - - so c2 ko 60 b5