WO2020139128A1 - Способ преобразования тепловой энергии - Google Patents
Способ преобразования тепловой энергии Download PDFInfo
- Publication number
- WO2020139128A1 WO2020139128A1 PCT/RU2019/000373 RU2019000373W WO2020139128A1 WO 2020139128 A1 WO2020139128 A1 WO 2020139128A1 RU 2019000373 W RU2019000373 W RU 2019000373W WO 2020139128 A1 WO2020139128 A1 WO 2020139128A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- compressor
- carbon dioxide
- pressure
- inlet
- gas
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 42
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 168
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 84
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims abstract description 84
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 13
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 abstract description 16
- 238000007906 compression Methods 0.000 abstract description 13
- 230000006835 compression Effects 0.000 abstract description 11
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 24
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 20
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 18
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 13
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 7
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 6
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 4
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 4
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 241000183024 Populus tremula Species 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000000740 bleeding effect Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000004568 cement Substances 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 238000010926 purge Methods 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
- F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
Definitions
- the invention relates to a power system, to methods for converting the thermal energy of gas and liquid flows into another type of energy, in particular, into electrical or mechanical energy. It may be applicable as a way to solve the problems of integrated heat and power supply in devices and structures. It can be used to improve the energy efficiency of gas turbine or piston units as a part of gas pumping units, power units, and power plants of ships. It can be used to convert thermal energy into electrical energy in industries with technological processes accompanied by heat loss, for example, in the metallurgical industry or in the production of cement. It is possible to use the heat obtained in installations for converting the energy of sunlight into thermal energy for converting the heat of nuclear reactors, to convert into electrical energy, electric energy. Various gases or liquid heat carriers, such as diathermic oil, molten metals or salts, etc. can be used as heat carriers.
- the method of converting thermal energy consists in additional compression in a carbon dioxide compressor compressed to a supercritical pressure level, in heating the gas compressed in the compressor from gas directed from the turbine exit and heated in the recuperator.
- the method includes converting the energy of the heated compressed carbon dioxide in the turbine into mechanical energy, using part of the mechanical energy obtained in the turbine to compress carbon dioxide in the compressor and transferring the mechanical energy generated in the turbine to the consumer minus the amount of carbon dioxide compression.
- an electric generator can be used.
- the method also includes the return of a portion of the thermal energy of compressed carbon dioxide unused in the turbine to the operating cycle due to its heating in the recuperator by gas from the turbine outlet.
- the method consists in compressing carbon dioxide in a single-stage or multi-stage compressor, heating in the recuperator from the carbon dioxide stream from the turbine outlet the carbon dioxide compressed in the compressor, additional heating of this compressed carbon dioxide in the heat exchanger from the gaseous or liquid heat carrier flow, converting the energy of the compressed and heated gas in at least one stage of the turbine into mechanical energy, using part of the mechanical energy produced by the turbine to compress carbon dioxide in compressor, as well as transferring the remaining mechanical energy to the consumer, for example, to rotate the shaft of an electric generator, compressor or pump.
- a disadvantage is also the difficulty of achieving high efficiency when using a heat carrier with a variable flow temperature, for example, such as exhaust gases of a gas turbine engine.
- a heat carrier with a variable flow temperature for example, such as exhaust gases of a gas turbine engine.
- the heat transferred to the refrigerant when cooling carbon dioxide is not used This also leads to a decrease in the efficiency of the method.
- the technical result of the claimed invention is to increase the efficiency of the method of converting thermal energy in a wide range of operating conditions of the heat recovery system.
- the technical result is achieved due to the fact that in the method of converting heat energy, including using compressed carbon dioxide in a heat recovery system, compressing the gas in at least one compressor, heating the gas in the heat exchanger from the heat carrier stream, converting part of the heat energy with at least one turbine of this gas into mechanical energy with its transfer to the consumer, the direction of the gas from the turbine exit through the recuperator to the compressor inlet through the intercooler, heating in the gas recuperator from the compressor outlet by heated gas from the turbine outlet, according to the invention, the optimal values of the pressure of compressed carbon dioxide at the inlet are preliminarily determined into the compressor and the degree of pressure increase in the compressor for the range of operating ambient temperatures, choosing the values of the pressure at the compressor inlet from the range from 13 to 35 atm, and the degree of pressure increase from the range from 2.2 to 5.9, fill the system circuit with compressed carbon dioxide gas, set the optimal pressure value at the inlet to the compressor and at the outlet of the compressor, adjusting the volume of gas in the system.
- the flow of refrigerant heated during cooling of carbon dioxide is used to heat fuel and / or oxidizer, the combustion of which provides heating of the heat carrier used to heat compressed carbon dioxide, for the needs of a consumer, for example, for heating, or in a technological process.
- the optimal values of the pressure level of compressed carbon dioxide at the compressor inlet are selected from a range from 10 atmospheres to 35 atmospheres, as well as the optimal degree of increase in pressure in the compressor corresponding to the selected pressure in the range from 2.2 to 5.9. These ranges are due to restrictions imposed on the pressure value of compressed carbon dioxide during the implementation of the proposed method. The above optimal ranges of values for efficiency are determined experimentally. When the pressure at the inlet to the compressor decreases below 13 atmospheres, the efficiency of the heat conversion unit decreases.
- the optimal pressure of carbon dioxide at the inlet to the compressor is defined as a compromise between the loss of efficiency due to the limitation of the temperature of carbon dioxide cooling and the increase in the work spent on compression of carbon dioxide;
- the figure 1 presents a diagram of a closed-loop heat conversion system with a single-stage compressor.
- the figure 2 presents a diagram of a closed-loop heat conversion system with a two-stage compressor.
- the figure 3 shows the dependence of the efficiency of the closed-loop heat conversion system on the degree of pressure increase in the compressor.
- the figure 4 presents the dependence of the loss of system efficiency on the ambient temperature, for the three values of the pressure at the inlet to the compressor, shown in examples 1, 2 and 3.
- the heat conversion system is a closed system. It uses compressed carbon dioxide as a working fluid.
- the system comprises a compressor 1 consisting of one or several stages.
- the output of the compressor 1 is connected to the low-temperature input of the heat exchanger 2, and the high-temperature output of the heat exchanger 2 through the heat exchanger 3, which is the heater of the working fluid, is connected to at least one turbine 4.
- the output of the turbine 4 is connected to the high-temperature input of the heat exchanger 2.
- the low-temperature output of the heat exchanger 2 is connected through a cooler 5 with the input of compressor 1, and the second output of the cooler 5 is connected to the consumer of thermal energy 6.
- An element for transferring mechanical energy to the consumer is mechanically connected to the compressor rotor 7.
- a source of compressed carbon dioxide 8, for example a cylinder is connected to the inlet of the inlet valve 9, the output of which is connected to the first input of the cooler 5, and the input of the relief valve 10 is connected to the output of the compressor 1.
- a heat conversion system with a two and three-stage compressor that implements the proposed method is performed in a similar way.
- an additional cooler is connected, the first output of which is connected to the input of the second stage of the compressor, the second output of the cooler with an additional consumer of thermal energy, and the output of the second stage of the compressor is connected to the low-temperature input of the recuperator.
- a source of compressed carbon dioxide, such as a cylinder, is connected to the inlet input valve, the output of which is connected to the first input of the cooler, and the input of the relief valve is connected to the output of the second stage of the compressor,
- Recuperator 2 and heat exchanger 3 are two options for heat exchangers.
- heat exchanger 2 heat is exchanged between two streams of carbon dioxide, namely, the first is from the outlet of the turbine 4, the second is from the exit of the compressor 1,
- heat exchanger 3 heat is exchanged from a gaseous or liquid heat carrier flow of the main object (device, structure, process and etc.) with a stream of compressed carbon dioxide.
- heat exchanger 3 can be used, for example, heat exchangers manufactured by the company "Anode TC" (Nizhny Novgorod), which are a group of tubes twisted in the form of spirals, inside which is divided into several parallel flows compressed carbon dioxide, and tubular spirals outside are washed by a stream of gaseous or liquid coolant.
- Cooler 5 and intercooler 8 are conventional heat exchangers, for example, manufactured by Gazholodtekhnika (Moscow), inside which compressed carbon dioxide flows, and outside they are washed by a stream of gaseous or liquid refrigerant.
- the gas or liquid refrigerant may be supplied to the cooler 5 by a fan or pump, or in some other way.
- a high-speed generator or a standard generator connected via a gearbox or a specialized compressor can be used as a consumer of mechanical energy in the system.
- Elements of the heat conversion system are interconnected by pipelines.
- the compressor 1, turbine 4, and other specialized heat engineering equipment intended for installation in the heat conversion system are developed and manufactured for each range of system power values.
- the level of technology necessary for the production of heat engineering equipment corresponds to the current level of aircraft engine manufacturing enterprises.
- the inlet and relief valves are produced by a small series of STC T Urbopneumatic LLC.
- the conversion method is as follows.
- the optimal pressure value at the inlet to the compressor 1 is determined taking into account the required value of the output power. Determine the value of the optimal ratio between the inlet and outlet pressure of the compressor. Moreover, the choice of values is limited by the indicated intervals for the inlet pressure - from 10 atmospheres to 35 atmospheres, for the compression ratio - from 2.2 to 5.9. These optimal values are determined using special software, in particular, the following programs can be used: AxCYCLE and AxSTREAM, Aspen HYSYS or Concepts ENREC.
- heated gaseous or liquid coolant is supplied to the heat exchanger 3.
- the system for converting heat at an ambient temperature exceeding the liquefied temperature of compressed carbon dioxide in the system path is launched; the cooler 5 is switched on maximum performance mode.
- the rotation of the compressor rotor is provided, for example, from an electric generator switched to motor mode. A voltage is applied to the electric generator, under the influence of which the rotor of the compressor 1 and turbine 4 starts to rotate.
- Carbon dioxide from the output of compressor 1 is fed to the low-temperature input of the recuperator 2, in which carbon dioxide is heated from the compressor output from the hot gas entering the recuperator from the turbine output.
- the heated carbon dioxide is supplied to the heat exchanger 3.
- the carbon dioxide heated in the heat exchanger 3 from the gaseous or liquid heat carrier flows to the turbine 4 inlet, in which the energy of the compressed and heated carbon dioxide is converted into mechanical energy which is summed with the energy from an electric generator operating in a motor mode.
- carbon dioxide enters the high-temperature inlet of the recuperator 2, in which it transfers the unused thermal energy to the compressed carbon dioxide from the compressor output, which improves the efficiency of the system.
- carbon dioxide enters the cooler 5 where residual heat is taken from the carbon dioxide using gaseous or liquid refrigerant and transferred to the consumer of thermal energy b.
- the mechanical energy received from the turbine 4 is less than the energy expended on the compression of carbon dioxide by compressor 1, therefore, to increase the speed of rotation of the compressor rotor 1 and turbines 4 requires the supply of energy from the generator.
- the mechanical power generated by the turbine becomes greater than the power consumed by the compressor 1, which allows you to continue increasing the speed of the compressor rotor up to the nominal value of the speed without energy consumption from the generator, while the cooler 5 is put into operation and controlled in accordance with a given program.
- the rotor reaches the nominal value of the rotational speed, it is transferred from the motor to the generator mode, generating electricity for the consumer, in addition, the pressure of compressed carbon dioxide is measured at the inlet and outlet of compressor 1.
- the inlet valve 9 If the pressure at the inlet to compressor 1 and the outlet is less the required optimal values for the given operating conditions open the inlet valve 9, providing an additional supply of carbon dioxide to the system path for heat conversion until the specified pressure values at the inlet and outlet of the compressor are reached. If the pressure values at the inlet and at the outlet of the compressor 1 are higher than the required optimal values, the relief valve 10 is opened, providing an output from the system’s path for converting heat to excess carbon dioxide. It should be noted that the required value of the degree of pressure increase in the compressor 1 is ensured by the selection of its design parameters in the process of issuing design documentation for the compressor.
- the start starts when the cooler 5 is off.
- the compressor rotor starts to turn on the carbon dioxide in the system path. Passing through the heat exchanger 3, carbon dioxide is heated from the flow of a gaseous or liquid coolant.
- the gas circulating in the system reaches the set temperature, for example + 30 ° C, cooler 5 is switched on and then the system starts up and its output to the nominal mode is carried out in the usual manner.
- the system is turned off when the heat supply to the heat exchanger 3 from the gaseous or liquid coolant is stopped.
- the temperature of carbon dioxide at the entrance to the turbine 4 decreases, which leads to a decrease in the power generated by the turbine 4 and the power consumed by the compressor 1 to compress carbon dioxide becomes greater than the power generated by the turbine 4, which leads to a sequential decrease in the rotational speed of the rotor of the compressor 1 and turbine 4 and associated with it through an element of the transmission of mechanical energy to the consumer 7 of the generator until the shutdown.
- the optimal values of carbon dioxide pressure at the compressor inlet are 18 atmospheres, at the outlet 50.5 atmospheres, while the compression ratio is 2.8, and the system efficiency is 32.9%.
- the optimal carbon dioxide pressure at the compressor inlet is 24 atmospheres and 67 atmospheres at the compressor outlet, the compression ratio is 2.79, and the efficiency is 33.7%.
- the inlet pressure is about 32 atmospheres, and the outlet pressure is about 88 atmospheres, the compression ratio is 2.75, and the efficiency is 34.8%.
- the maximum efficiency under the temperature conditions specified in the examples is not more than 30%.
- the increase in the efficiency of the heat recovery system for the given examples is due to the following.
- the claimed invention improves the efficiency of the method of heat conversion in a wide range of operating conditions.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
Изобретение относится к теплоэнергетике, к способам, предназначенным для преобразования тепловой энергии потоков газа и жидкости в иной вид энергии, в частности, в электрическую или механическую энергию. Повышение эффективности способа преобразования тепла в широком диапазоне эксплуатационных условий происходит за счет обеспечения на входе и выходе из компрессора оптимальных для заданных условий эксплуатации значений давления сжатого углекислого газа. В способе преобразования тепловой энергии предварительно определяют оптимальные значения давления сжатого углекислого газа на входе в компрессор и степень повышения давления в компрессоре для интервала эксплуатационных температур окружающей среды. При этом выбирают значение давления на входе из диапазона от 13 до 35 атм., а степень повышения давления из диапазона от 2,2 до 5,9. Заполняют контур системы сжатым углекислым газом, устанавливают оптимальное значение давление на входе и выходе, регулируя объем газа в системе.
Description
Способ преобразования тепловой энергии
Изобретение относится к теплоэнергетике, к способам, предназначенным для преобразования тепловой энергии потоков газа и жидкости в иной вид энергии, в частности, в электрическую или механическую энергию. Может быть применим в качестве способа для решения задач комплексного тепло-энергоснабжения в устройствах и сооружениях. Может использоваться для повышения энергоэффективности газотурбинных или поршневых установок в составе газоперекачивающих агрегатов, энергоблоков, силовых установок судов. Возможно применение для преобразования тепловой энергии в электрическую в производствах с технологическими процессами сопровождающимися сбросом тепла, например, в металлургической промышленности или в производстве цемента. Возможно использование для преобразования в электрическую энергию тепла, получаемого в установках для преобразования энергии солнечных лучей в тепловую энергию, для преобразования тепла ядерных реакторов и т.д. В качестве теплоносителей могут использоваться различные газы или жидкие теплоносители, такие как диатермическое масло, расплавы металлов или солей и т.д.
Известен способ преобразования тепловой энергии, описанный в патенте США US09388817, F02B 39/10, 2016. Способ преобразования тепловой энергии заключается в дополнительном сжатии в компрессоре углекислого газа сжатого до сверкритического уровня давления, в подогреве сжатого в компрессоре газа от газа, направленного с выхода турбины и подогретого в рекуператоре. Способ включает преобразование энергии нагретого сжатого углекислого газа в турбине в механическую энергию, использование части полученной в турбине механической энергии на сжатие углекислого газа в компрессоре и передаче потребителю выработанной в турбине механической энергии за вычетом величины затраченной на сжатие углекислого газа. В качестве потребителя может быть применён, например, электрогенератор. Способ так же включает возвращение части неиспользованной в турбине тепловой энергии сжатого углекислого газа в рабочий цикл за счёт его подогрева в рекуператоре газом с выхода турбины. При использовании способа происходит дополнительное снижение температуры сжатого углекислого газа с выхода турбины в охладителе до величины большей, чем граница перехода углекислого газа в сверхкритическое состояние. Такой переход происходит при температуре равной 31°С при давлении 71 атм. Далее происходит возвращение
охлаждённого в охладителе углекислого газа на вход компрессора для повторного сжатия.
Для способа преобразования тепловой энергии в электрическую, основанного на термодинамическом цикле, в котором в качестве рабочего тела используется сжатый до сверхкритического давления углекислый газ, может быть обеспечен достаточно высокой расчётный уровень эффективности. В реальности такой способ наталкивается на ряд серьёзных проблем, приводящих к значительному снижению расчётных показателей эффективности. Использование в качестве рабочего тела сжатого до сверхкритического давления углекислого газа приводит к тому, что при небольших мощностях генерируемых с помощью описанного способа, например 0,3...1 МВт, оптимальный диаметр рабочего колеса компрессора оказывается в пределах от 50 до 90 мм, а оптимальная частота вращения ротора компрессора составляет порядка 100000...50000 обротов в минуту. При таких малых диаметрах компрессора для получения требуемых значений кпд компрессоров и турбин необходимо обеспечить очень малые величины зазоров - менее 0,1 мм между ротором и статором компрессоров и турбин. Обеспечить стабильность столь малых зазоров с учётом теплового расширения материалов и расширения материалов колёс под действием центробежных сил чрезвычайно сложно. Поэтому при проектирований подобных систем существенно увеличивают зазоры по сравнению с оптимальными величинами с точки зрения эффективности. Следствием увеличения зазоров неизбежно становится значительное снижение эффективности компрессора и турбины по сравнению с теоретически достижимыми значениями. Это приводит к снижению эффективности описанного выше способа преобразования тепловой энергии с использованием сжатого до сверхкритического давления углекислого газа. Кроме того, при существующем уровне развития технологий создать генератор способный вырабатывать 03 ... 1 МВт электроэнергии при частоте вращения ротора 100000...50000 оборотов в минуту практически невозможно. При попытке редуцирования частоты вращения до приемлемых значений потери в редукторе приводят к существенному снижению эффективности описанного выше способа. При попытке снизить частоту вращения компрессоров и турбин по отношению к оптимальным значениям понижается их КПД и ещё большее снижение эффективности способа.
Существуют особенности реализации предлагаемого способа при широком диапазоне условий эксплуатации. Сверхкритическое состояние углекислого газа
существует при температурах выше 31 ОС, поэтому охлаждение сжатого углекислого газа ниже этой температуры недопустимо, т. к. приведёт к переходу углекислого газа из сверхкритического состояния в жидкость. Таким образом, при снижении температуры окружающей среды, от + 40ОС, например, до— 40ОС...— 60ОС допустимая степень захолаживания углекислого газа на входе в компрессор становится существенно ниже. Это приводит к уменьшению работы и эффективности цикла. Термический КПД цикла Карно может быть определён из следующего соотношения
ήT = (Т1-Т2)/Т1
где
Т1 - температура при нагреве;
Т2 - температура при захолаживании.
Из данного соотношения видно, что повышение температуры захолаживания неизбежно ведёт к снижению эффективности цикла. Добиться повышения эффективности цикла, а значит и предлагаемого способа, за счёт повышения температуры нагрева не представляется возможным, т. к. для увеличения этой температуры приходится увеличивать количество сжигаемого органического топлива. Таким образом, при работе в широком диапазоне эксплуатационных температур происходит снижение эффективности предлагаемого способа из-за ограничения температуры захолаживания рабочего тела. Эффективность способа преобразования тепла с использованием в качестве рабочего тела сжатого до сверхкритического давления углекислого газа для установок малой и средней мощности, работающих в широком диапазоне условий эксплуатации оказывается существенно ниже рассчитанного теоретически уровня.
В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбран способ описанный в патенте РФ на изобретение JVs2629515 «Система для утилизации тепла замкнутого типа», F02C 6/00, 2016, шестой независимый пункт формулы. Способ заключается в сжатии углекислого газа в однокаскадном или многокаскадном компрессоре, подогреве в рекуператоре от потока углекислого газа с выхода турбины сжатого в компрессоре углекислого газа, дополнительном нагреве этого сжатого углекислого газа в теплообменнике от потока газообразного или жидкого теплоносителя, преобразовании энергии сжатого и нагретого углекислого газа в хотя бы одной ступени турбины в механическую энергию, использовании части механической энергии, выработанной турбиной, для сжатия углекислого газа в
компрессоре, а также передаче оставшейся механической энергии потребителю, например, для вращения вала электрогенератора, компрессора или насоса. А так же, в - передаче с помощью рекуператора неиспользованной в турбине тепловой энергии сжатого углекислого газа с выхода турбины сжатому углекислому газу с выхода компрессора. В дополнительном охлаждении углекислого газа, передавшего в рекуператоре тепло с помощью газообразного или жидкого хладагента, и возвращении охлаждённого углекислого газа на вход однокаскадного или многокаскадного компрессора для повторного сжатия. Давление сжатого углекислого газа при описанном способе не превышает 60 атмосфер. Недостатком этого способа является ограничение рабочего давления углекислого газа значением в 60 атмосфер, что не позволяет обеспечить высокую эффективность системы в широком диапазоне условий эксплуатации, например, при изменении температур окружающей среды которая для различных регионов может составлять от - 60°С до + 50°С. Недостатком также является сложность достижения высокой эффективности при использования теплоносителя с переменной температурой потока, например, такого как выхлопные газы газотурбинного двигателя. Кроме того, в рассматриваемом способе тёпло, переданное хладагенту при захолаживании углекислого газа не используется. Это также приводит к снижению эффективности способа.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение эффективности способа преобразования тепловой энергии в широком диапазоне условий эксплуатации системы утилизации тепла.
Технический результат достигается за счет того, что в способе преобразования тепловой энергии, включающем использование в системе утилизации тепла сжатого углекислого газа, сжатие газа хотя бы в одном компрессоре, нагрев газа в теплообменнике от потока теплоносителя, преобразование с помощью хотя бы одной турбины части тепловой энергии этого газа в механическую энергию с передачей ее потребителю, направление газа с выхода турбины через рекуператор на вход компрессора через промежуточный охладитель, подогрев в рекуператоре газа с выхода компрессора нагретым газом с выхода турбины, согласно изобретению, предварительно определяют оптимальные значения давления сжатого углекислого газа на входе в компрессор и степень повышения давления в компрессоре для интервала эксплуатационных температур окружающей среды, выбирая значения давление на входе в компрессор из диапазона от 13до 35 атм, а степень повышения давления из диапазона от 2,2 до 5,9, заполняют контур системы сжатым углекислым
газом, устанавливают оптимальное значение давления на входе в компрессор и на выходе из компрессора, регулируя объем газа в системе.
При этом поток хладагента, нагревшегося при охлаждении углекислого газа используется для нагрева топлива и/или окислителя, сжигание которых обеспечивает нагрев теплоносителя, используемого для нагрева сжатого углекислого газа, для нужд потребителя, например, для отопления, или в технологическом процессе.
Технический результат обеспечивается тем, что с целью достижения высокой эффективности способа преобразования тепла для заданных эксплуатационных условий подбирают оптимальные значения уровня давления сжатого углекислого газа на входе в компрессор из диапазона от 10 атмосфер до 35 атмосфер, а также соответствующую выбранному давлению оптимальную степень повышения давления в компрессоре в диапазоне от 2,2 до 5,9. Данные диапазоны обусловлены ограничениями, накладываемыми на величину давления сжатого углекислого газа при реализации предлагаемого способа. Вышеуказанные оптимальные по эффективности диапазоны значений определены экспериментально. При снижении давления на входе в компрессор ниже 13 атмосфер падает КПД установки преобразования тепла.
При увеличении значения давления на входе в компрессор выше 35 атмосфер накладывается ограничение, обусловленное условиями перехода сжатого углекислого газа на входе в компрессор в жидкое состояние. Кроме того, необходимо учитывать, что при уменьшении давления сжатого угле ислого газа:
- повышается работа сжатия углекислого газа, что приводит к снижению эффективности предлагаемого способа, и оптимальное давление углекислого газа на входе в компрессор определяется как некий компромисс между потерей эффективности из-за ограничения температуры захолаживания углекислого газа и ростом работы затрачиваемой на сжатие углекислого газа;
- существенно увеличиваются габариты оборудования, что может стать причиной роста тепловых потерь в тракте.
На фигуре 1 представлена схема системы преобразования тепла замкнутого типа с одноступенчатым компрессором.
На фигуре 2 представлена схема системы преобразования тепла замкнутого типа с двухступенчатым компрессором.
На фигуре 3 представлена зависимость КПД системы преобразования тепла замкнутого типа от степени повышения давления в компрессоре.
На фигуре 4 представлена зависимость потерь эффективности системы от температуры окружающей среды, для трёх значений давления на входе в компрессор, приведённых в примерах 1, 2 и 3.
Система для преобразования тепла является замкнутой системой. В ней в качестве рабочего тела используют сжатый углекислый газ. Система содержит компрессор 1, состоящий из одной, или нескольких ступеней. Выход компрессора 1 подключен к низкотемпературному входу рекуператора 2, а высокотемпературный выход рекуператора 2 через теплообменник 3, который является подогревателем рабочего тела, связан с хотя бы одной турбиной 4. Выход турбины 4 подключён к высокотемпературному входу рекуператора 2. Низкотемпературный выход рекуператора 2 соединён через охладитель 5 с входом компрессора 1, а второй выход охладителя 5 подключен к потребителю тепловой энергии 6. С ротором компрессора механически связан элемент передачи механической энергии потребителю 7. Источник сжатого углекислого газа 8, например баллон, соединён с входом впускного клапана 9, выход которого подключён к первому входу охладителя 5, а вход сбросного клапана 10 соединён с выходом компрессора 1.
Система преобразования тепла с двух и трёхкаскадным компрессором реализующая предлагаемый способ, выполняется аналогичным образом. После первого каскада компрессора подключают дополнительный охладитель, первый выход которого соединяют с входом второго каскада компрессора, второй выход охладителя с дополнительным потребителем тепловой энергии, а выход второго каскада компрессора подключают к низкотемпературному входу рекуператора, Источник сжатого углекислого газа, например баллон, соединён с входом впускного клапана, выход которого подключён к первому входу охладителя, а вход сбросного клапана соединён с выходом второго каскада компрессора,
Рекуператор 2 и теплообменник 3— два варианта теплообменных аппаратов. В рекуператоре 2 происходит обмен теплом между двумя потоками углекислого газа, а именно, первым - с выхода турбины 4, вторым - с выхода компрессора 1, В теплообменнике 3 происходит обмен теплом газообразного или жидкого потока теплоносителя основного объекта (устройства, сооружения, технологического процесса и т.д.) с потоком сжатого углекислого газа. В качестве теплообменника 3 могут использоваться, например, теплообменники производства компании «Анод ТЦ» (г. Нижний Новгород), которые представляют из себя группу трубок, закрученных в виде спиралей, внутри которых идёт разделившийся на несколько
параллельных потоков сжатый углекислый газ, а снаружи трубчатые спирали омываются потоком газообразного или жидкого теплоносителя. Охладитель 5 и промежуточный охладитель 8 - обычные теплообменники, например, производства компании «Газхолодтехника» (г. Москва), внутри которых протекает сжатый углекислый газ, а снаружи они омываются потоком газообразного или жидкого хладагента. Г азообразный или жидкий хладагент может подаваться в охладитель 5 с помощью вентилятора или насоса, или каким-либо иным образом. В качестве потребителя механической энергии в системе может использоваться высокооборотный генератор, или стандартный генератор, подключаемый через редуктор либо специализированный компрессор. Элементы системы преобразования тепла связаны между собой трубопроводами. Предназначенные для установки в системе преобразования тепла компрессор 1, турбина 4 и остальное специализированное теплотехническое оборудование разрабатывается и изготавливается для каждого диапазона значений мощности системы. Уровень технологий, необходимый для производства теплотехнического оборудования соответствует современному уровню предприятий авиационного двигателестроения. Впускной и сбросной клапаны производятся малой серией ООО НТЦ «Т урбопневматик» .
Способ преобразования осуществляют следующим образом.
Для интервала температур эксплуатации установки преобразования тепла в конкретном регионе определяют оптимальное значение давления на входе в компрессор 1 с учетом требуемого значения выходной мощности. Определяют значение оптимального соотношения между входным и выходным давлением компрессора. При этом выбор значений ограничивают указанными интервалами для давления на входе - от 10 атмосфер до 35 атмосфер, для степени сжатия - от 2,2 до 5,9. Данные оптимальные значения определяют с помощью специального ПО, в частности, могут применять следующие программы: AxCYCLE и AxSTREAM, Aspen HYSYS или Concepts ENREC.
Далее перед первым запуском системы для преобразования тепла открывают сбросной клапан 10, а затем открывают впускной клапан 9 и производят продувку тракта системы для преобразования тепла. Затем выпускной клапан 10 закрывают и тракт системы заполняют сжатым углекислым газом из баллона 8 до заданного уровня балансного давления. Закрывают впускной клапан 9. Проводят контрольный
запуск системы, определяют с помощью манометров реальное давление компрессора 1 на входе и выходе. Устанавливают оптимальное значение давление на входе и выходе, полученное расчетным путем с применением Программы. Для этого регулируют объема газа в системе, добавляя его или стравливая через впускной клапан 9.
Перед запуском системы для преобразования тепла для обеспечения подогрева сжатого углекислого газа производят подачу нагретого газообразного или жидкого теплоносителя к теплообменнику 3. Запуск системы для преобразования тепла при температуре окружающей среды, превышающей температуру сжижения сжатого углекислого газа в тракте системы, запуск производят при переводе охладителя 5 в режим максимальной производительности. На начальном этапе запуска системы через элемент передачи механической энергии потребителю 7 вращение ротора компрессора обеспечивается, например, от электрогенератора, переведённого в двигательный режим. На электрогенератор подается напряжение, под действием которого начинает вращаться ротор компрессора 1 и турбины 4. Углекислый газ с выхода компрессора 1 поступает на низкотемпературный вход рекуператора 2, в котором происходит подогрев углекислого газа с выхода компрессора от горячего газа поступающего в рекуператор с выхода турбины. С высокотемпературного выхода рекуператора 2 подогретый углекислый газ подаётся на теплообменник 3. Нагретый в теплообменнике 3 от потока газообразного или жидкого теплоносителя углекислый газ поступает на вход турбины 4, в которой происходит преобразование энергии сжатого и нагретого углекислого газа в механическую энергию которая суммируется с энергией поступающей от электрогенератора, работающего в двигательном режиме. С выхода турбины 4 углекислый газ поступает на высокотемпературный вход рекуператора 2, в котором отдаёт неиспользованную в турбине тепловую энергию сжатому углекислому газу с выхода компрессора что обеспечивает повышение эффективности системы. С низкотемпературного выхода рекуператора 2 углекислый газ поступает в охладитель 5 где с помощью газообразного или жидкого хладагента от углекислого газа отбирается остаточное тепло и передаётся потребителю тепловой энергии б. Охлаждённый до температуры близкой к температуре хладагента углекислый газ поступает на вход компрессора 1, в котором происходит его сжатие. На начальном этапе запуска механическая энергия получаемая от турбины 4 меньше чем энергия затрачиваемая на сжатие углекислого газа компрессором 1, поэтому для увеличения частоты вращения ротора компрессора
1 и турбины 4 необходим подвод энергии от электрогенератора. Далее происходит одновременное увеличение мощности потребляемой компрессором 1 и мощности вырабатываемой турбиной 4. При некотором значении частоты вращения ротора компрессора 1 и турбины 4 механическая мощность вырабатываемая турбиной становятся больше мощности потребляемой компрессором 1, что позволяет продолжить увеличение частоты вращения ротора компрессора вплоть до номинального значения частоты вращения без потребления энергии от электрогенератора, при этом охладитель 5 переводится в рабочий режим и управляется в соответствии с заданной программой. При достижении ротором электрогенератора номинального значения частоты вращения он переводится из двигательного в генераторный режим осуществляя выработку электроэнергии для потребителя, кроме того производится измерение давления сжатого углекислого газа на входе и выходе компрессора 1. Если значения давления на входе в компрессор 1 и на выходе из него меньше требуемых оптимальных для заданных условий эксплуатации значений открывают впускной клапан 9, обеспечивая дополнительную подачу углекислого газа в тракт системы для преобразования тепла до тех пор, пока не будут достигнуты заданные значения давлений на входе и выходе из компрессора. Если же значения давления на входе и на выходе из компрессора 1 оказываются выше требуемых оптимальных значений открывают сбросной клапан 10, обеспечивая вывод из тракта системы для преобразования тепла избыточного количества углекислого газа. Необходимо отметить, что требуемая величина степени повышения давления в компрессоре 1 обеспечивается за счёт выбора его конструктивных параметров в процессе выпуска конструкторской документации на компрессор.
При температуре окружающей среды более низкой, чем температура сжижения углекислого газа в такте остановленной системы преобразования тепла замкнутого типа, запуск начинается при выключенном охладителе 5. При включении электрогенератора в двигательный режим начале вращения ротора компрессора начинается циркуляция углекислого газа в тракте системы. Проходя через теплообменник 3 углекислый газ нагревается от потока газообразного или жидкого теплоносителя. При достижении газом, циркулирующим в системе, заданной температуры, например + 30°С, охладитель 5 включаются в работу и далее запуск системы и вывод её на номинальный режим проходят в обычном порядке.
Выключение системы производится при прекращении подвода тепла к теплообменнику 3 от газообразного или жидкого теплоносителя. При этом снижается температура углекислого газа на входе в турбину 4, что приводит к снижению мощности вырабатываемой турбиной 4 и мощность потребляемая компрессором 1 на сжатие углекислого газа становится больше мощности вырабатываемой турбиной 4, что приводит к последовательному уменьшению частоты вращения ротора компрессора 1 и турбины 4 и связанного с ним через элементом передачи механической энергии потребителю 7 электрогенератора вплоть до останова.
При выборе оптимальных значений давления с применением перечисленных выше программы учитывается влияние ряда факторов, влияющих на эффективность работы системы. В качестве примера могут быть приведены результаты выбора оптимальных параметров работающей на номинальном режиме системы для трех вариантов условий эксплуатации.
Пример 1.
Для климатических условий Нового Уренгоя оптимальные значения давления углекислого газа на входе в компрессор составляют 18 атмосфер, на выходе 50,5 атмосферы, при этом степень сжатия 2,8, КПД системы составляет 32,9%.
Пример 2.
Для климатических условий Самары оптимальные значения давления углекислого газа на входе в компрессор составляют 24 атмосферы и 67 атмосфер - на выходе из компрессора, степень сжатия - 2,79, КПД - 33,7%.
Пример 3.
При применении предлагаемого способа для создания корабельной энергетичес ой установки оптимальными оказываются давление на входе около 32 атмосфер, а на выходе порядка 88 атмосфер, степень сжатия - 2,75, КПД - 34,8%.
Для системы, указанной в аналоге максимальный КПД при температурных условиях, указанных в примерах, составляет не более 30%.
Повышение эффективности системы утилизации тёпла для приведенных примеров обусловлено следующим.
Максимум эффективности системы, реализующей заявляемый способ, может быть обеспечен, с одной стороны, (как показано на фигуре 3) за счёт повышения КПД компонентов системы, а с другой стороны за счёт исключения или минимизации
потерь в составляющих частях системы. Зависимости потерь эффективности системы от температуры окружающей среды, для трёх значений давления на входе в компрессор, приведённых в примерах 1, 2 и 3 отображены на фигуре 4. Как видно из приведённых зависимостей при давлении углекислого газа на входе в компрессор 32 (Пример 3) атмосферы в рабочем диапазоне температур судовой установки (от— 10°С до + 50°С) исключены потери, связанные с недостаточным охлаждением сжатого углекислого газа на входе в компрессор из-за ограничения по условиям сжижения углекислого газа. Для входного давления 24 атмосферы (Пример 2) также исключаются потери, связанные с недостаточным охлаждением углекислого газа для рабочего диапазона температур (от— 30°С до + 45°С). Для входного давления 18 атмосфер (Пример 1) удаётся исключить потери связанные с недостаточным охлаждением углекислого газа для диапазона температур от— 40ОС до + 450С, и минимизировать их величину для более низких температур окружающей среды.
Таким образом, из данных, приведённых на фигуре 4 видно, что для случая применения системы на судне удаётся полностью исключить потери, обусловленные недостаточным охлаждением углекислого газа на входе в компрессор. Аналогичный результат может быть достигнут и при использовании системы в климатических условиях Самары. А при эксплуатации системы в условиях Нового Уренгоя только при температурах ниже -40 градусов Цельсия допускается незначительное снижение эффективности не более чем на 1,73% в течении нескольких дней в году, а в течении основного времени работы при температурах выше -40 градусов Цельсия потери исключаются.
Таким образом, за счёт обеспечения на входе и выходе из компрессора оптимальных для заданных условий эксплуатации значений давления сжатого углекислого газа заявляемое изобретение позволяет повысить эффективность способа преобразования тепла в широком диапазоне эксплуатационных условий.
Claims
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ преобразования тепловой энергии, включающий использование в системе утилизации тепла сжатого углекислого газа, сжатие газа хотя бы в одном компрессоре, нагрев газа в теплообменнике от потока теплоносителя, преобразование с помощью хотя бы одной турбины части тепловой энергии этого газа в механическую энергию с передачей ее потребителю, направление газа с выхода турбины через рекуператор на вход компрессора через промежуточный охладитель, подогрев в рекуператоре газа с выхода компрессора нагретым газом с выхода турбины, отличающийся тем, что предварительно определяют оптимальные значения давления сжатого углекислого газа на входе в компрессор и степень повышения давления в компрессоре для интервала эксплуатационных температур окружающей среды, выбирая значение давления на входе из диапазона от 13 до 35 атм., а степень повышения давления из диапазона от 2,2 до 5,9, заполняют контур системы сжатым углекислым газом, устанавливают оптимальное значение давление на входе и выходе, регулируя объем газа в системе.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018146594 | 2018-12-26 | ||
| RU2018146594A RU2711905C1 (ru) | 2018-12-26 | 2018-12-26 | Способ преобразования тепловой энергии |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2020139128A1 true WO2020139128A1 (ru) | 2020-07-02 |
Family
ID=69184134
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2019/000373 WO2020139128A1 (ru) | 2018-12-26 | 2019-05-28 | Способ преобразования тепловой энергии |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2711905C1 (ru) |
| WO (1) | WO2020139128A1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116292238A (zh) * | 2023-05-17 | 2023-06-23 | 广东美的暖通设备有限公司 | 工作频率的控制方法、装置、存储介质及电子设备 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU208402U1 (ru) * | 2021-08-03 | 2021-12-16 | Общество с ограниченной ответственностью "Оверхол-Про" | Турбонагреватель газа |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2147338C1 (ru) * | 1998-07-06 | 2000-04-10 | Степанов Николай Николаевич | Система преобразования теплоты в электроэнергию |
| RU2199020C2 (ru) * | 2000-08-03 | 2003-02-20 | Уфимский государственный авиационный технический университет | Способ работы комбинированной газотурбинной установки системы газораспределения и комбинированная газотурбинная установка для его осуществления |
| RU2629515C1 (ru) * | 2016-06-09 | 2017-08-29 | Александр Анатольевич Снитко | Система для утилизации тепла замкнутого типа (варианты) |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5212942A (en) * | 1990-11-09 | 1993-05-25 | Tiernay Turbines, Inc. | Cogeneration system with recuperated gas turbine engine |
| RU2091592C1 (ru) * | 1994-08-23 | 1997-09-27 | Валерий Игнатьевич Гуров | Способ работы газотурбодетандерной установки |
| US9388817B1 (en) * | 2011-03-24 | 2016-07-12 | Sandia Corporation | Preheating of fluid in a supercritical Brayton cycle power generation system at cold startup |
| RU2520214C1 (ru) * | 2013-03-05 | 2014-06-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Газотурбинная установка |
-
2018
- 2018-12-26 RU RU2018146594A patent/RU2711905C1/ru active
-
2019
- 2019-05-28 WO PCT/RU2019/000373 patent/WO2020139128A1/ru active Application Filing
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2147338C1 (ru) * | 1998-07-06 | 2000-04-10 | Степанов Николай Николаевич | Система преобразования теплоты в электроэнергию |
| RU2199020C2 (ru) * | 2000-08-03 | 2003-02-20 | Уфимский государственный авиационный технический университет | Способ работы комбинированной газотурбинной установки системы газораспределения и комбинированная газотурбинная установка для его осуществления |
| RU2629515C1 (ru) * | 2016-06-09 | 2017-08-29 | Александр Анатольевич Снитко | Система для утилизации тепла замкнутого типа (варианты) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116292238A (zh) * | 2023-05-17 | 2023-06-23 | 广东美的暖通设备有限公司 | 工作频率的控制方法、装置、存储介质及电子设备 |
| CN116292238B (zh) * | 2023-05-17 | 2023-09-12 | 广东美的暖通设备有限公司 | 工作频率的控制方法、装置、存储介质及电子设备 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2711905C1 (ru) | 2020-01-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3085905B1 (en) | Turbine engine with integrated heat recovery and cooling cycle system | |
| US9752462B1 (en) | Supercritical fluid heat engine | |
| US10280803B2 (en) | Energy storage device and method for storing energy | |
| EP4219913A2 (en) | Variable pressure turbine | |
| EP3314096B1 (en) | Power system and method for producing useful power from heat provided by a heat source | |
| EP2208862B1 (en) | Compressor clearance control system and method for providing clearance control | |
| US20230417151A1 (en) | Intercooled Cascade Cycle Waste Heat Recovery System | |
| US20140331686A1 (en) | Gas turbine combined cycle system | |
| US11187150B2 (en) | Combined cycle heat engine comprising a first and second gas turbine engine | |
| EP3408506B1 (en) | Combined cycle power plant | |
| RU2711905C1 (ru) | Способ преобразования тепловой энергии | |
| Du et al. | Exergy loss characteristics of a recuperated gas turbine and Kalina combined cycle system using different inlet guide vanes regulation approaches | |
| US20160290231A1 (en) | Heat pipe intercooling system for a turbomachine | |
| Kaikko et al. | Comparison between air bottoming cycle and organic rankine cycle as bottoming cycles | |
| Nyanda et al. | Viability Analysis of Ubungo II Gas Power Plant Efficiency Improvement Using Co-generation System | |
| US11927116B2 (en) | Methods and systems for starting and stopping a closed-cycle turbomachine | |
| Seydel | Performance Potential Analysis of Heavy-Duty Gas Turbines in Combined Cycle Power Plants | |
| US11859548B2 (en) | Gas turbine and control method thereof, and combined cycle plant | |
| RU2629515C1 (ru) | Система для утилизации тепла замкнутого типа (варианты) | |
| RU2779808C1 (ru) | Способ работы универсальной энергетической газотурбинной установки | |
| Qin et al. | Key parameters and influence analysis of Marine S-CO 2 Brayton cycle power generation system under off-design conditions | |
| Koura | Thermodynamics II PCE 320 | |
| Carlson et al. | Thermal Electric Conversion and Power Cycles for CSP | |
| Osigwe et al. | Cranfield Collection of E-Research-CERES | |
| Held | Supercritical Carbon Dioxide Power Cycles |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 19904440 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 19904440 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| 32PN | Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established |
Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC (EPO FORM 1205A DATED 22/10/2021) |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 19904440 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |