система преобразования теплоты в электроэнергию

Формула изобретения

1. Система преобразования теплоты в электроэнергию, содержащая высокотемпературный контур циркуляции с парогенератором для получения перегретого пара в качестве основного рабочего тела для первого расширительного устройства, кинематически связанного с первым генератором электроэнергии, получаемой за счет преобразования явной теплоты этого рабочего тела в механическую работу, протекающего с расширением и понижением температуры в упомянутом расширительном устройстве, на выходе которого установлен конденсатор для передачи скрытой теплоты основного рабочего тела холодному источнику - вспомогательному рабочему телу, содержащемуся в низкотемпературном контуре циркуляции, включающем средства подачи жидкости, температура кипения которой выше максимальной температуры окружающей среды, отличающаяся тем, что указанный конденсатор выполнен в виде парогазового конденсатора-теплообменника с возможностью одновременного выполнения функции холодильника для основного рабочего тела и нагревателя для вспомогательного рабочего тела, а низкотемпературный контур циркуляции содержит в качестве вспомогательного рабочего тела газ, температура кипения которого ниже температуры плавления упомянутой жидкости, и выполнен в виде последовательно соединенных распылителя, компрессора со степенью сжатия от 1,25 до 1,7, при этом второе расширительное устройство кинематически связано с дополнительно установленным вторым генератором электроэнергии, выполненным с номинальной мощностью, составляющей до 1,5 номинальной мощности первого генератора, а средства подачи жидкости подключены к распылителю для введения ее в качестве увлажнителя в нагретое в парогазовом конденсаторе-теплообменнике вспомогательное рабочее тело и насыщения последнего парами при сжатии в компрессоре, с последующим преобразованием явной и скрытой теплоты в механическую работу во втором расширительном устройстве как за счет энергии расширения вспомогательного рабочего тела, так и за счет теплоты конденсации паров увлажнителя, поступающих в открытую емкость сбора увлажнителя и через конденсатный насос - в распылитель.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что второе расширительное устройство выполнено в виде осевой турбины, причем последняя и компрессор имеют отверстия в корпусе для отвода конденсата и избытка увлажнителя соответственно.

3. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что средства подачи жидкости выполнены в виде конденсатного насоса, бака и трубопроводов.

4. Система по п. 2 или 3, отличающаяся тем, что турбина и компрессор выполнены с общим корпусом, а их роторы соединены общим валом.

5. Система по одному из пп.2 - 4, отличающаяся тем, что турбина выполнена в виде осевого компрессора обратного типа.

6. Система по одному из пп.2 - 5, отличающаяся тем, что турбина выполнена с числом лопаток на 1 - 3 большим числа лопаток компрессора.

7. Система по одному из пп.1 - 6, отличающаяся тем, что второй генератор электроэнергии выполнен обратимым с возможностью работы как в генераторном, так и в двигательном режимах.

8. Система по одному из пп.2 - 7, отличающаяся тем, что она снабжена разгонным электрическим или тепловым двигателем, ротор которого кинематически соединен с роторами компрессора и турбины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано для получения электроэнергии с помощью теплоты внешнего теплоносителя, а также теплоты, аккумулированной в газообразном, химическом и органическом топливе.

Уровень техники характеризуется тем, что известны системы преобразования теплоты в электроэнергию, содержащие контур циркуляции рабочего тела с последовательно установленными теплообменником или вводом продуктов сгорания топлива в рабочее тело для восстановления его теплоты, компрессором для его сжатия и расширительным устройством для превращения теплоты рабочего тела, протекающего с расширением и понижением температуры последнего (1) и с применением дополнительного контура использования вторичного тепла (2).

Недостаткам известных систем является то, что они исключают преобразование скрытой теплоты внешнего теплоносителя, переходящей в рабочее тело основного контура, несут крупные потери его явной теплоты после расширения рабочего тела, что снижает эффективность преобразования теплоты в целом и ограничивает величину получаемой мощности и, кроме того, они исключают применение для восстановления теплоты рабочего тела низкопотенциальных теплоносителей.

Кроме того, известна система преобразования теплоты в электроэнергию, содержащая высокотемпературный контур циркуляции с парогенератором для получения перегретого пара в качестве основного рабочего тела для первого расширительного устройства, кинематически связанного с первым генератором электроэнергии, получаемой за счет преобразования явной теплоты этого рабочего тела в механическую работу, протекающего с расширением и понижением температуры в упомянутом расширительном устройстве, на выходе которого установлен пароводяной конденсатор для передачи скрытой теплоты основного рабочего тела холодному источнику за счет теплоотдачи вспомогательному рабочему телу, содержащемуся в низкотемпературном контуре циркуляции, включающем средства подачи жидкости, температура кипения которой выше максимальной температуры окружающей среды (3).

Недостатками этой системы являются невозможность преобразования скрытой теплоты основного рабочего тела в электроэнергию, большие безвозвратные потери теплоты в низкотемпературном контуре циркуляции, не пригодном для выработки электроэнергии, а также узость функциональных возможностей, не позволяющая оптимизировать параметры тепловых процессов в системе применительно к реальным климатическим условиям и использовать дополнительно теплоту низкопотенциальных ее источников.

Технической задачей изобретения является создание системы преобразования теплоты в электроэнергию, позволяющей преобразовывать как явную, так и скрытую теплоту в универсальный вид энергии - электроэнергию, с одновременным сокращением потерь теплоты в низкотемпературном контуре циркуляции, а также расширение арсенала систем преобразования теплоты в электроэнергию и их функциональных возможностей для обеспечения оптимизации параметров тепловых процессов в системе применительно к реальным климатическим условиям эксплуатации и для использования теплоты низкопотенциальных ее источников.

Сущность изобретения заключается в том, что в системе преобразования теплоты в электроэнергию, содержащей высокотемпературный контур циркуляции с парогенератором для получения перегретого пара в качестве основного рабочего тела для первого расширительного устройства, кинематически связанного с первым генератором электроэнергии, получаемой за счет преобразования явной теплоты этого рабочего тела в механическую работу, протекающего с расширением и понижением температуры в упомянутом расширительном устройстве, на выходе которого установлен конденсатор для передачи скрытой теплоты основного рабочего тела холодному источнику - вспомогательному рабочему телу, содержащемуся в низкотемпературном контуре циркуляции, включающем средства подачи жидкости, температура кипения которой выше максимальной температуры окружающей среды, указанный конденсатор выполнен в виде парогазового конденсатора-теплообменника, с возможностью одновременного выполнения функций холодильника для основного рабочего тела и нагревателя для вспомогательного рабочего тела, а низкотемпературный контур циркуляции содержит в качестве вспомогательного рабочего тела газ, температура кипения которого ниже температуры плавления упомянутой жидкости, и выполнен в виде последовательно соединенных распылителя, компрессора со степенью сжатия от 1,25 до 1,7 и второго расширительного устройства с тепловым напором, составляющим от 0,04 до 0,045 теплового напора первого расширительного устройства, при этом второе расширительное устройство кинематически связано с дополнительно установленным вторым генератором электроэнергии, выполненным с номинальной мощностью, составляющей до 1,5 номинальной мощности первого генератора, а средства подачи жидкости подключены к распылителю для введения ее в качестве увлажнителя в нагретое в парогазовом конденсаторе-теплообменнике вспомогательное рабочее тело и насыщения последнего парам при сжатии в компрессоре, с последующим преобразованием явной и скрытой теплоты в механическую работу во втором расширительном устройстве как за счет энергии расширения вспомогательного рабочего тела, так и за счет теплоты конденсации паров увлажнителя.

При этом второе расширительное устройство выполнено в виде осевой турбины, причем последняя и компрессор имеют отверстия в корпусе для отвода конденсата и избытка увлажнителя, соответственно средства подачи жидкости выполнены в виде конденсатного насоса, бака и трубопроводов, эта турбина и компрессор выполнены с общим корпусом, а их роторы соединены общим валом, причем указанная турбина выполнена в виде осевого компрессора обратного типа, и эта турбина выполнена с числом лопаток на 1-3 большим числа лопаток компрессора.

Кроме того, второй генератор электроэнергии выполнен обратимым с возможностью работы как в генераторном, так и в двигательном режимах, при необходимости система может быть снабжена разгонным электрическим или тепловым двигателем, ротор которого кинематически соединен с роторами компрессора и турбины.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

На чертеже: фиг. 1 изображена принципиальная схема системы преобразования теплоты в электроэнергию; на фиг. 2 - конструктивная схема низкотемпературного контура циркуляции.

Система преобразования низкопотенциального тепла содержит высокотемпературный контур циркуляции с парогенератором (котлом) 1 и первым расширительным устройством, например силовой турбиной 18, кинематически связанной с первым генератором 19 электроэнергии (электрогенератором), а также парогазовый конденсатор-теплообменник 15 основного рабочего тела - водяного пара, передающего скрытую теплоту газообразному вспомогательному рабочему телу, например воздуху, содержащемуся в низкотемпературном контуре циркуляции, выполненном в виде последовательно соединенных распылителя 2, компрессора 3 со степенью сжатия от 1,25 до 1,7, и второго расширительного устройства в виде осевой газовой турбины 4 с тепловым напором, составляющим от 0,04 до 0,045 теплового напора турбины 18.

Турбина 4 кинематически связана со вторым генератором 5 электроэнергии (электрогенератором), выполненным с номинальной мощностью, составляющей до 1,5 номинальной мощности генератора 19. Средства подачи жидкости-увлажнителя (температура кипения которой выше максимальной температуры окружающей среды), например воды, в распылитель 2 представляют собой конденсатный насос 14 с баком 13, трубопроводом 9 и вентилем 11. Кроме того, вода может подаваться непосредственно из водопроводной сети через вентиль 12.

При этом турбина 4 и компрессор 3 имеют отверстия 29 в корпусе 24 для отвода конденсата и избытка увлажнителя, соответственно лопатки 7, 8 турбины и компрессора 3 установлены на рабочих дисках диаметрально противоположно, а ротор турбины 4 кинематически соединен с роторами компрессора 3 и электрогенератора 5 для компенсации потерь преобразования и внешнего потребления энергии соответственно.

Лопатки 7 турбины 4 и компрессора 3 являются неподвижными (направляющий аппарат), а лопатки 8 установлены на вращающихся роторах (не обозначены).

Кроме того, турбина 4 и компрессор 3 выполнены с общим корпусом 24, а их роторы соединены общим цилиндрическим валом (не обозначен). В других случаях, при больших мощностях агрегата, состоящего из компрессора 3, турбины 4 и генератора 5, они могут быть раздельными, но кинематически соединенными муфтами на одной оси между собой (на чертежах не изображено). Турбина 4 выполнена в виде осевого компрессора обратного типа, причем турбина 4 и компрессор 3 могут быть выполнены идентичными по конструкции или турбина 4 может быть выполнена с числом рядов лопаток 7, 8 на 1-3 большим числа рядов лопаток 7, 8 компрессора 3.

При этом электрогенератор 5 выполнен обратимым с возможностью работы как в генераторном, так и в двигательном режиме. Кроме того, система снабжена электрическим или тепловым разгонным двигателем 6, вал (не обозначен) которого кинематически соединен с роторами компрессора 3 и турбины 4.

Вентиль 26 установлен для заполнения и подпитки химически очищенной водой высокотемпературного контура циркуляции. Задвижки 16, 17, 21 предусмотрены для управления циркуляцией рабочего тела в низкотемпературном контуре. Для заполнения последнего имеется трубопровод 22 с задвижкой 23, для выпуска рабочего тела - трубопровод 10 с задвижкой 20. В качестве вспомогательного рабочего тела могут использоваться различные газы с температурой кипения ниже температуры плавления жидкости-увлажнителя, например воздух.

Система преобразования теплоты в электроэнергию работает следующим образом.

В парогенераторе 1 высокотемпературного контура происходит нагрев воды и образование основного рабочего тела - перегретого водяного пара, явная теплота которого срабатывается в турбине 18, имеющей тепловой напор (перепад температур) до 500^oC, и преобразуется в механическую работу. Генератор 19 вырабатывает электроэнергию за счет преобразования, протекающего с расширением и понижением температуры водяного пара в турбине 18, а в конденсаторе-теплообменнике 15 происходит передача скрытой теплоты основного рабочего тела холодному источнику - вспомогательному рабочему телу - воздуху, содержащемуся в низкотемпературном контуре. При этом конденсатор 15 одновременно выполняет роль холодильника для основного рабочего тела и нагревателя для вспомогательного рабочего тела.

В исходном положении низкотемпературного контура компрессор 3, турбина 4, электрогенератор 5 и двигатель 6 неподвижны, все вентили и задвижки закрыты. Перед пуском системы открывают задвижки 20, 21, а при пуске обратимый электрогенератор 5 включают в работу в кратковременном двигательном режиме. Если электрогенератор 5 включать нецелесообразно по каким-то причинам, включают в работу двигатель 6.

В том и в другом случаях происходит первоначальное раскручивание роторов компрессора 3 и турбины 4. Затем открывают задвижку 23 и один из вентилей 11, 12. В результате рабочее тело (воздух) через распылитель 2 поступает в компрессор 3 с одновременным распылением в распылителе 2 увлажнителя (воды). Насыщение рабочего тела парами увлажнителя происходит с момента начала распыления и заканчивается полным насыщением в компрессоре 3 с переходом заключенной в рабочем теле явной теплоты, полученной в конденсаторе-теплообменнике 1 в скрытую теплоту паров увлажняющей воды. При этом, рабочее тело с явной теплотой, полученной им при сжатии в компрессоре 3, переходит без изменения последней в турбину 4, так как разница в давлении на входе и на выходе рабочего тела в компрессоре 3 и в турбине 4 равны между собой. Далее сжатое рабочее тело, насыщенное парами увлажняющей воды, поступает на лопатки турбины 4, между которыми происходит его расширение и переход его энергии сжатия в механическую энергию, которая полностью отдается находящемуся с турбиной 4 на одном валу компрессору 3 для очередного сжатия им рабочего тела. Это сопровождается понижением температуры рабочего тела в турбине 4 с одновременной конденсацией в ней паров увлажняющей воды, так как влажность рабочего тела выходит за пределы насыщения, и превращением скрытой теплоты этих паров в явную с переходом ее в дополнительную механическую работу, и далее, за исключением потерь преобразования, в электроэнергию для питания внешнего потребителя, так как при развитии оборотов до номинальных электрогенератор 5 переходит в генераторный режим и его энергия ни на что другое в пределах системы не расходуется. Образующийся конденсат увлажнителя при средней температуре конденсации возвращают через емкость 13 к насосу 14 или используют для других нужд.

Таким образом, турбина 4 работает под воздействием двух составляющих: энергии расширения вспомогательного рабочего тела, сжатого компрессором 3, т. е. явной теплоты этого рабочего тела, и его скрытой теплоты, являющейся производной от скрытой теплоты основного рабочего тела высокотемпературного контура и-или теплоты низкопотенциального внешнего теплоносителя, например воздуха, поступающего через задвижку 23. Поскольку лопатки турбины 4 и компрессора 3 находятся на одном валу, последний работает за счет ресурсов системы, не требует специального приводного электродвигателя и не имеет соответствующих потерь энергии, а его конструкция упрощается.

Полное насыщение рабочего тела парами увлажнителя характеризуется равенством показаний сухого и смоченного термометров психрометра, который устанавливается на входе рабочего тела в турбину 4. Их показания берут при оптимальной его температуре на выходе из лопаточного аппарата турбины 4 в пределах от 0,3 до 0,5^oC, которую регулируют путем изменения давления рабочего тела на входе его в компрессор 3 при помощи задвижки 23 при разомкнутом цикле или задвижки 25 - при замкнутом (см. ниже). При увеличении давления температура рабочего тела на выходе из лопаточного аппарата турбины 4 падает, а при уменьшении - возрастает.

Система может работать в следующих режимах:

1. При разогнутом низкотемпературном контуре - с открытыми задвижками 20, 21, 23 и закрытыми 16, 17, 25 и использованием в качестве внешнего теплоносителя воздуха различного происхождения с температурой не ниже 10^oC и не выше 60^oC, в том числе и воздуха вытяжной вентиляции производственных помещений. Рабочее тело циркулирует через разомкнутый контур, т.е. поступает через задвижки 21 и 23 по стрелке 22 и сбрасывается в атмосферу через задвижку 20.

2. При разомкнутом низкотемпературном контуре с включением в него конденсатора-теплообменника 15 в случае необходимости повышения мощности генератора 5, исходя из нагрузки (потребляемой мощности), но низкой температуре рабочего тела, поступающего через задвижки 21, 23. Для этого дополнительно включают в работу высокотемпературный контур, рабочее тело которого пропускают через конденсатор-теплообменник 15. В результате скрытая теплота конденсации основного рабочего тела высокотемпературного контура, превращаемая в явную теплоту конденсата, передается вспомогательному рабочему телу низкотемпературного контура. В этом режиме рабочее тело низкотемпературного контура также циркулирует по разомкнутому контуру при открытых задвижках 16, 17, 20 и 23 и закрытых - 21 и 25.

3. При замкнутом низкотемпературном контуре, если температура поступающего через задвижку 23 воздуха ниже 10^oC, рабочее тело низкотемпературного контура направляют по замкнутому циклу при открытых задвижках 16, 17 и 25 и закрытых - 23, 21 и 20 с использованием органического топлива в качестве источника тепла высокотемпературного контура, а в качестве источника тепла низкотемпературного контура - только скрытой теплоты рабочего тела высокотемпературного контура.

Таким образом, во втором режиме для выработки электроэнергии генератором 5 используются суммарно скрытая теплота основного рабочего тела высокотемпературного контура и теплота внешнего теплоносителя (воздуха), поступающего через задвижку 23 при температурах от 10 до 20^oC.

Энергетический баланс процесса, происходящего в системе для электростанций средней полосы России и ее юга, представлен табл. 1

Тепловой баланс процесса, происходящего в низкотемпературном контуре, может быть представлен в следующем виде.

Теплосодержание рабочего тела на выходе из компрессора 3 определяется уравнением:

Q_k = Q_а + AdL", (1)

где Q_а - теплосодержание воздуха, поступающего в компрессор 3;

AdL" - тепловой эквивалент работы компрессора 3.

Теплосодержание рабочего тела на входе в силовую турбину 4 определяется уравнением:

Q_т = AdL"" + Q_эф + Q_х, (2)

где Q_т = Q_k, AdL"" - тепловой эквивалент работы турбины 4, компенсирующей работу компрессора 3, Q_эф - теплота рабочего тела, преобразуемая турбиной 4 во внешнюю работу, Q_х - вынос теплоты из турбины 4 в атмосферу.

Так как AdL" = AdL"", на (1) и (2) следует Q_эф = Q_а - Q_х, а эффективная мощности составляет:



При N_эф<0 электрогенератор 5 работает в двигательном режиме, а при N_эф>0 - в генераторном режиме.

Следует отметить, что Q_а = Q"_я + Q"_с, Q_х = Q""_я + Q""_с, где Q"_я, Q""_я - явная теплота рабочего тела на входе в компрессор 3 и на выходе из турбины 4, а Q"_с, Q""_с - скрытая теплота рабочего тела на входе в компрессор 3 и на выходе из турбины 4.

В процессе действия системы компрессор 3 изолирован от внешней среды, работает в адиабатном режиме с показателями адиабаты k = 1,4 и сжимает рабочее тело, поступающее при атмосферном давлении P₁ = 110⁴ кг/м² до давления P₂ = 1,5310⁴ кг/м². КПД серийного компрессора при этом обычно составляет = 0,78. Для оценки получаемой удельной эффективной мощности N_эф на G = 1 кг рабочего тела, при этих исходных данных можно провести следующие показательные вычисления для, например, такого внешнего теплоносителя как воздух с параметрами, характерными для средней полосы России: температурой t = 20^oC, объемным весом = 1,2 кг/m³, относительной влажностью = 50%, влагосодержанием x_a = 7,6 г/кг. При этих параметрах мощность сжатия воздуха компрессором:



Повышение температуры t рабочего тела при сжатии его компрессором 3:



Повышение температуры t рабочего тела за счет потерь компрессора 3:



где: теплоемкость c = 0,241 ккал/град,

t = 10,45^oC

Температура t_k на выходе из компрессора 3

t_k= t_a+t+t= 68,25C

Теплосодержание Q_k рабочего тела до увлажнения:

Q_к = t_kc + x_аi, где теплота испарения увлажнителя i = 0,559 (см. HUTTE "Справочник", ОНТИ, 1936, с. 603 и 606).

Q_к = 20,85 ккал/с

Теплосодержание Q_и после увлажнения (на входе турбины 4):

Q_и = t_иc + x_иi, где i = 0,580

(t_и = 27,65^oC - температура на входе в турбину после увлажнения. При такой температуре полное влагосодержание x_и = 24,42 гр/кг).

Q_и = 20,86 ккал/с

Количество x_ис испаряемой жидкости (увлажнителя):

x_ис = x_и - x_а = 16,82 г/кг

Температура t"_х рабочего тела на выходе из лопаточного аппарата турбины 4:



Влагосодержание x_x на выходе из лопаточного аппарата турбины 4 (при полном насыщении):

x_х = 4 г/кг

Количество x_к пара, конденсируемого в турбине 4 (при понижении температуры до t"_x):

x_к = x_и - x_х = 20,42 г/кг

Теплота Q_д конденсируемого пара, поддерживающая давление рабочего тела на лопатки турбины, которая переходит в дополнительную механическую работу (кроме потерь 10%):

Q_д = x_кi,

где i = 0,595

Q_д = 12,18 ккал/с

Итоговая температура t""_х на выходе из турбины составляет:



Теплосодержание Q_а на 1 кг рабочего тела (воздуха):

Q_а = t_аc + x_аi,

где i = 0,584

Q_а = 9,28 ккал/с

Теплосодержание Q_х на 1 кг рабочего тела на выходе из турбины:

Q_х = t""_хc + x_хi,

где i = 0,592

Q_х = 3,59 ккал/с

Согласно (3)



Суммарная мощность турбины 4:

N_т = N_эф + N_к = 71,2 кВт

Коэффициент _эф эффективности использования теплоты воздуха (горячего источника):



Аналогично могут быть расчитаны показатели для различных начальных условий, что видно из табл. 2

В результате настоящего изобретения расширен арсенал технических средств преобразования теплоты и обеспечена возможность наиболее полного преобразования ее в универсальный вид энергии - в электроэнергию с высокоэффективным использованием как теплоты органического топлива, так и теплоты атмосферного воздуха. Процесс такого преобразования характеризуется тем, что скрытая теплота рабочего тела не выбрасывается в тепловые отходы, а служит для увеличения получаемой энергии,

При реализации изобретения для 60% и более (зависит от географической широты) вырабатываемой на электростанции электроэнергии существенно снижается уровень рабочих давлений, повышается получаемая удельная мощность, существенно снижается металлоемкость и стоимость оборудования, а также общие инвестиции в строительство электростанций. Кроме того, обеспечивается возможность эффективной реконструкции основы мировой энергетики - тепловых электростанций при действующей инфраструктуре, что еще более снижает инвестиции в реконструкцию. Но самое главное заключается в том, что при такой реконструкции мощность электростанций при небольших затратах возрастет в 3 и более раз и во столько же раз снизится удельный расход топлива, что радиально скажется на улучшении экологического состояния атмосферы планеты.

Источники информации, принятые во внимание:

1. Кирилин В. А. и др. "Техническая термодинамика", М., Энергоиздат, 1983, с. 273.

2. Авторское свидетельство СССР N 601441, М. кл. F 01 K 21/02, 1978.

3. Зысин В.А. "Комбинированные парогазовые установки и циклы", Л.: Госэнергоиздат, 1962, с. 97-99.