способ преобразования низкопотенциального тепла в электроэнергию

Формула изобретения

1. Способ преобразования низкопотенциального тепла, при котором сжимают с помощью нагнетателя находящееся в контуре, включающем испаритель, газообразное рабочее тело с последующим переходом его энергии в работу, расширением и понижением температуры, а затем восстанавливают теплоту рабочего тела с помощью внешнего теплоносителя при возвращении рабочего тела в нагнетатель, отличающийся тем, что с помощью конденсатного насоса подают в испаритель жидкий увлажнитель, который распыляют и испаряют в рабочем теле до полного насыщения с переходом заключенного в рабочем теле тепла в скрытую теплоту паров, а переход энергии сжатия рабочего тела в механическую работу осуществляют в силовой турбине с одновременным расширением, а также с конденсацией в ней паров увлажнителя и превращением их скрытой теплоты также в механическую работу и далее в электроэнергию, получаемый конденсат увлажнителя возвращают к его насосу, а рабочее тело возвращают в нагнетатель через теплообменник, в котором восстанавливают теплоту рабочего тела, в качестве которого используют газ с температурой кипения ниже температуры плавления увлажнителя, а в качестве последнего жидкость с температурой кипения выше температуры окружающей среды.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что распыление и испарение увлажнителя осуществляют в испарителе под давлением, создаваемым нагнетателем, в качестве которого используют турбонагнетатель.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что для работы турбонагнетателя используют энергию силовой турбины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано для производства механической работы и электроэнергии за счет тепла, имеющегося в окружающей атмосфере, а также тепла, выделяемого различными устройствами и теряющегося в атмосфере, например выхлопных газов, тепловых выделений холодильных устройств, газов вытяжной вентиляции, геотермальных вод и т.п.

Известен способ преобразования низкопотенциального тепла, при котором (в цикле теплового насоса) сжимают с помощью нагнетателя находящееся в контуре, включающем испаритель, газообразное рабочее тело с последующим переходом его энергии в работу, расширением и понижением температуры, а затем восстанавливают теплоту рабочего тела с помощью внешнего теплоносителя при возвращении рабочего тела в нагнетатель (Кирилин В.А. и др. "Техническая термодинамика", М. Энергоиздат, 1983, с.137).

Недостатками известного способа являются зависимость от постоянного электроснабжения и неэффективность преобразования получаемой работы в электроэнергию, а также ограниченность получаемой мощности.

Задачей изобретения является расширение арсенала способов преобразования низкопотенциального тепла, а также снижение зависимости от электроснабжения, повышение получаемой мощности, улучшение условий отбора тепла от теплоносителя без изменения фазового (газообразного) состояния рабочего тела, обеспечение эффективного преобразования теплоты теплоносителя и соответствующей работы в электроэнергию.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе преобразования низкопотенциального тепла, при котором сжимают с помощью нагнетателя находящееся в контуре, включающем испаритель, газообразное рабочее тело с последующим переходом его энергии в работу, расширением и понижением температуры, а затем восстанавливают теплоту рабочего тела с помощью внешнего теплоносителя при возвращении рабочего тела в нагнетатель, с помощью конденсатного насоса подают в испаритель жидкий увлажнитель, который распыляют и испаряют в рабочем теле до полного насыщения с переходом заключенного в рабочем теле тепла в скрытую теплоту паров, а переход энергии сжатия рабочего тела в механическую работу осуществляют в силовой турбине с одновременным расширением, а также с конденсацией в ней паров увлажнителя и превращением их скрытой теплоты также в механическую работу и далее в электроэнергию, получаемый конденсат увлажнителя возвращают к его насосу, а рабочее тело возвращают в нагнетатель через теплообменник, в котором восстанавливают теплоту рабочего тела, в качестве которого используют газ с температурой кипения ниже температуры плавления увлажнителя, а в качестве последнего - жидкость с температурой кипения выше температуры окружающей среды. При этом распыление и испарение увлажнителя осуществляют в испарителе под давлением, создаваемым нагнетателем, в качестве которого используют турбонагнетатель, а для работы турбонагнетателя используют энергию силовой турбины.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства для реализации способа преобразования низкопотенциального тепла, на фиг. 2 возможная компановка оборудования устройства.

Устройство для реализации способа преобразования низкопотенциального тепла содержит контур рабочего тела, в котором имеются турбонагнетатель (компрессор) 1, испаритель 2, силовая турбина 3 с электрогенератором 4, теплообменники 7,9 для газового и жидкого теплоносителей и шибер (задвижка) 10. Контур увлажнителя содержит конденсатную приемную емкость 6 увлажнителя, конденсатный насос 5, теплообменник 8. Силовая турбина 3 и турбонагнетатель 1 имеют рабочие колеса, соединенные между собой и с электрогенератором 4 общим валом.

Способ преобразования низкопотенциального тепла в электроэнергию реализуется следующим образом.

В исходном положении контур рабочего тела полностью заполнен, турбина 3 и турбонагнетатель неподвижны. Электрогенератор 4, подключенный к энергосистеме (не изображена), запускают сначала в режиме электродвигателя и раскручивают силовую турбину 3 совместно с турбонагнетателем 1 (это может быть выполнено дополнительным двигателем). Одновременно насосом 5 подают в испаритель 2 жидкий увлажнитель. В результате кратковременной работы электрогенератора 4 в режиме электродвигателя сжимают с помощью нагнетателя 1 находящееся в контуре рабочее тело, которое поступает через теплообменник 8 в испаритель 2. Через теплообменник 8 в испаритель 2 подают жидкий увлажнитель, который распыляют и испаряют в рабочем теле до полного насыщения с переходом заключенного в рабочем теле тепла в скрытую теплоту паров увлажнителя. Сжатое рабочее тело, насыщенное парами увлажнителя, поступает в рабочее колесо турбины 3, где происходит расширение рабочего тела и переход его энергии сжатия во внешнюю механическую работу с понижением температуры и с одновременной конденсацией в ней паров увлажнителя, т.к. влажность выходит за пределы насыщения, и превращением скрытой теплоты паров в явную и также в механическую работу. Таким образом, силовая турбина 3 работает под воздействием двух составляющих: энергии расширения рабочего тела, сжатого турбонагнетателем 1, т.е. явной теплоты рабочего тела и энергии теплоты паров увлажнителя, т.е. скрытой теплоты рабочего тела. Получаемая в турбине 3 механическая работа обеспечивает при развитии оборотов до номинальных переход электрогенератора 4 в режим выработки электроэнергии, т.е. преобразования в нее механической работы.

Конденсат увлажнителя возвращают к насосу 5, т.е. в емкость 6, а рабочее тело в турбонагнетатель 1 через теплообменники 7,9, в которых восстанавливают теплоту рабочего тела, преобразованную во внешнюю работу, с помощью внешнего теплоносителя, которым может быть атмосферный воздух, газы вытяжной вентиляции и воздух приточной, воздух, отводящий тепловыделения холодильных устройств и другие газообразные или жидкие теплоносители, рассеивающие тепло в окружающем пространстве. Рабочее тело, проходя через турбонагнетатель 1, сжимается и циркулирует в контуре, как описано выше, а увлажнитель осуществляет перенос скрытой теплоты между испарителем 2 и турбиной 3. Поскольку рабочие колеса турбины 3 и турбонагнетателя 1 соединены общим валом, часть энергии турбины 3 непосредственно используется для работы турбонагнетателя 1, который работает за счет внутренних энергоресурсов контура, не требует специального приводного электродвигателя и не имеет соответствующих потерь энергии.

В теплообменнике 8 происходит подогрев увлажнителя рабочим телом для уменьшения его вязкости и облегчения распыления и испарения в испарителе 2. Давление рабочего тела может регулироваться с помощью шибера 10.

Исходя из температурных изменений рабочего тела при реализации способа, в его качестве используют газ с температурой кипения ниже температуры плавления увлажнителя, а в качестве последнего емкость с температурой плавления ниже расчетной температуры охлаждения рабочего тела и с температурой кипения выше температуры окружающей среды, чем обеспечивается запуск после продолжительной стоянки.

При таких условиях применение фреонов невозможно. Необходимыми свойствами рабочего тела обладают воздух и азот, и в качестве увлажнителя легко испаряющиеся жидкости: этиловый спирт (C₂H₆O), метиловый спирт (CH₄O) и этиленгликоль (C₂H₄O₂O). Однако эти жидкости создают с кислородом воздуха взрывоопасные смеси, поэтому целесообразно применение с ними азота в качестве газообразного рабочего тела. При минимальной температуре рабочего тела в цикле способа не ниже 0^oC в качестве его увлажнителя может быть использована вода.

В результате настоящего изобретения расширен арсенал способов и технических средств преобразования низкопотенциального тепла, так как в отличие от теплового насоса, реализующего только передачу теплоты низкопотенциального теплоносителя на более высокий температурный уровень, т.е. способного выполнять лишь тепловую работу, в предложенном способе эта теплота преобразуется в механическую работу, а теплота теплоносителя во внешнюю механическую работу, которая, при необходимости, может быть далее преобразована в универсальный вид энергии в электроэнергию. Более того, при преобразовании теплоты рабочего тела известными тепловыми двигателями: паровыми и газовыми турбинами, паровыми машинами и двигателями внутреннего сгорания, преобразуется в механическую работу лишь явная теплота рабочего тела, а вся скрытая теплота выбрасывается как тепловые отходы, что снижает коэффициент эффективного использования теплоты теплоносителя в лучшем случае до 40% При осуществлении предложенного способа, благодаря использованию в силовой турбине для преобразования в механическую работу также и скрытой теплоты рабочего тела и возврата энергии в круговой цикл, коэффициент эффективности повышается не менее чем в 2 раза.

При этом снижена зависимость от электроснабжения, так как оно используется лишь кратковременно при запуске электрогенератора 4 в режиме электродвигателя, а в установившемся режиме электроэнергия не потребляется, а только вырабатывается, снижен уровень температур и давления на энергонасыщенном участке между турбонагнетателем 1 и турбиной 3, так как часть энергии переносится насыщенным паром увлажнителя, а снижение указанных параметров влечет за собой сокращение рассеивания тепла, тем самым повышается допустимая мощность устройства, реализующего способ. Поскольку рабочее тело циркулирует в контуре только в газовой фазе, улучшаются условия регенеративного теплообмена с теплоносителем. В связи с тем что в качестве рабочего тела и его увлажнителя рационально использование лишь абсолютно экологически чистых материалов, его работа в любом качестве в этом смысле совершенно безопасна. Благодаря значительному сокращению потребления топлива для выработки электроэнергии применение этого способа будет способствовать снижению уровня парникового потепления.