ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2013572
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА И СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЕЕ РАБОЧЕГО ТЕЛА
Имя изобретателя: Аваков С.А.; Аваков А.В.
Имя патентообладателя: Фирма "Новые системы"
Адрес для переписки:
Дата начала действия патента: 1992.04.29
Использование: в энергомашиностроении, в энергетических установках для
преобразования тепловой энергии в механическую и электрическую. Сущность изобретения:
энергетическая установка содержит по крайней мере две камеры 1 и 2, являющиеся
реакторами для образования и диссоциации газгидратного соединения, являющегося
рабочим телом установки. Газгидратное соединение образуется при подаче в
предварительно заполненные водой камеры 1 и 2 метано-пропановой смеси через
эмульгаторы 3 и 4 при одновременной подаче в теплообменники 9 и 10 холодного
теплоносителя. После заполнения камер 1 и 2 водой и газом в теплообменники 9 и 10 подают
теплый теплоноситель. Выделившийся газ через контуры 15 и 16 поочередно подают на
турбину 18. Установка содержит дополнительные контуры 19 и 20 для рециркуляции
непрореагировавшегося газа. Турбина 18 может быть подключена к электролизеру через
генератор. Выделяющееся при электролизе тепло подводится в теплообменник 29.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к энергомашиностроению, в частности к энергетическим
установкам для преобразования тепловой энергии в механическую и способу
приготовления рабочего тела для нее.
Известна теплосиловая установка, содержащая высокопотенциальный источник
тепла, замкнутый контур с промежуточным теплоносителем, силовую турбину,
теплообменники для нагрева и охлаждения рабочего тела [1] .
Основные недостатки такой установки - сложность конструкции, потребность в источниках
высоких температур, невозможность использования низкопотенциального тепла, например,
от естественных источников, невысокий КПД.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является
энергетическая установка, содержащая по крайней мере, два циркуляционных контура, в
каждом из которых установлена камера рабочего тела с регулируемым вентилем на выходе,
охладитель, нагреватель, циркуляционный насос, подключенный к нижней части камеры и
охладителю, и турбину для привода нагрузки [2] .
Основные недостатки известной установки - невысокий КПД из-за непроизводительных
потерь тепла на образование и конденсацию пара легкокипящей жидкости, который
используется для вытеснения вспомогательной жидкости из камеры, невозможность
использования в цикле низкопотенциального тепла для производства, например,
электроэнергии и образования экологически чистой системы преобразования тепла.
Изобретение устраняет эти недостатки.
Технический результат достигается тем, что энергетическая установка, содержащая по
крайней мере два циркуляционных контура, в каждом из которых установлена камера
рабочего тела с регулируемым вентилем на выходе, охладитель, нагреватель,
циркуляционный насос, подключенный к нижней части камеры и охладителю, и турбину для
привода нагрузки, снабжена газовым нагнетателем. Контуры в верхней до регулируемых
вентилей и нижней частях камер соединены между собой с образованием дополнительного
циркуляционного контура магистралями, снабженными на входе в камеры двумя
дополнительными регулируемыми вентилями, а на выходе из них - трехходовым вентилем и
связанными друг с другом отводящим трубопроводом, на котором установлен газовый
нагнетатель, подключенный на входе к камерам через упомянутый трехходовой вентиль, а
на выходе - к магистрали между дополнительными регулируемыми вентилями. Охладитель и
нагреватель каждого контура выполнены в виде единого теплообменника, питаемого
попеременно от посторонних источников двумя теплоносителями с разностью температур
25-30oC. Кроме того, установка может быть снабжена дополнительным теплообменником с
высокопотенциальным теплоносителем, установленным перед турбиной. Установка может
быть снабжена электролизером, подключенным через генератор к турбине, при этом рабочий
объем электролизера соединен с дополнительным теплообменником с образованием второго
дополнительного контура, а также дополнительной турбиной, подключенной к патрубку
отвода кислорода из электролизера.
Известен способ приготовления рабочего тела теплосиловой установки путем заполнения
контура промежуточного теплоносителя легкокипящей жидкостью с последующим
испарением ее в теплообменнике воздухом, сжатым в компрессоре, и подачей пара на
турбину [1] .
Недостатки такого способа - невысокий КПД, реализуемый в установке с таким рабочим
телом, невозможность использования низкопотенциального тепла от естественных
источников и сбросного тепла.
Наиболее близким способом является способ приготовления рабочего тела энергетической
установки путем заполнения одной из камер жидкостью, повышения давления в последней,
нагрева образовавшегося рабочего тела, а после подачи последнего из этой камеры в
турбину осуществление этих же операций в другой камере [2] .
Основные недостатки такого способа - невысокий КПД, который реализуется при работе
установки, из-за непроизводительных потерь тепла и невозможность использования в
цикле низкопотенциального тепла.
Изобретение устраняет эти недостатки.
Технический результат достигается тем, что в способе приготовления рабочего тела
энергетической установки путем заполнения одной из камер жидкостью, повышения
давления в последней, нагрева образовавшегося рабочего тела, а после подачи последнего
из этой камеры в турбину - этих же операций в другой камере, в качестве жидкости
используют воду, а давление в камере повышают путем подачи в нее газа, например, метано-пропановой
смеси, образующей при реакции с водой газгидрат. Для равновесного состояния в камере
осуществляют рециркуляцию как воды с охлаждением ее сторонним теплоносителем, так и
непрореагировавшего газа с помощью нагнетателя. Кроме того, рабочее тело перед подачей
его в турбину дополнительно нагревают высокотемпературным теплоносителем.
Энергетическая установка содержит по крайней мере две камеры 1 и 2, являющиеся
реакторами для образования и диссоциации газгидратного соединения, являющегося
рабочим телом установки. В нижней части камер 1 и 2 размещены эмульсаторы 3 и 4. Нижняя и
верхняя части камер 1 и 2 соединены трубопроводами 5 и 6 с циркуляционными насосами 7 и 8,
подключенными к теплообменным аппаратам 9 и 10. Теплообменные аппараты 9 и 10
трубопроводами 11 и 12 через трехходовые управляемые вентили 13 и 14 подключены к двум
источникам низкопотенциального тепла. Разность температур теплоносителей составляет
25-30oC. Установка содержит два циркуляционных контура 15 и 16, в каждом из которых
установлена одна из камер 1 или 2. Контуры 15 и 16 имеют общий выхлопной трубопровод 17,
соединенный с газовой турбиной 18. Верхние и нижние части камер 1 и 2 соединены
дополнительными циркуляционными контурами 19 и 20 с общим отводящим трубопроводом 21, на
котором установлен газовый нагнетатель 22, приводимый либо от автономного источника,
либо турбиной 18, преимущественно при работе установки и обеспечивающий необходимый
подпор давления. В контурах 15 и 16 на выходе из камер 1 и 2 установлены регулируемые
вентили 23 и 24. Контуры 19 и 20 подключены к камерам 1 и 2 перед вентилями 23 и 24. Контуры 19 и 20
на выходе подключены к нагнетателю 22 через регулируемый трехходовой вентиль 25. На
магистрали 26, соединяющей нижние части камер 1 и 2, установлены на входе дополнительные
регулируемые вентили 27 и 28. Установка может быть снабжена теплообменником 29 с
высокопотенциальным теплоносителем, установленным перед турбиной 18. В качестве
теплоносителя могут служить выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания, дымовые
газы промышленных установок и т. п. В качестве теплоносителей, поступающих в
теплообменные аппараты 9 и 10 могут быть использованы вода из различных глубин водоемов,
холодная вода (жидкость) и нагретая каким-либо бросовым теплом промышленных
предприятий либо с помощью солнечных преобразователей, теплонасосных,
термосорбционных установок и т. п. , т. е. в качестве нагревающего теплоносителя может
быть использован низкопотенциальный теплоноситель с температурой, например, 35оС.
Температура охлаждающего теплоносителя составляет 2-6oC. Установка может быть
снабжена электролизером 30 для разложения воды, подключенным через электрогенератор 31
к турбине 18 и дополнительным вторым циркуляционным контуром 32 с насосом 35, соединяющим
рабочий объем электролизера 30 с теплообменником 29. Кроме того, к патрубку 33 для отвода
кислорода может быть подключена дополнительная турбина 34. В качестве рабочего тела в
установке используется газгидратное соединение, например метанопропановая смесь типа
CH4+C3H2.6H2O c относительным удельным весом 0,6 с химически
чистой водой, преимущественно дистиллятом.
Способ приготовления рабочего тела заключается в заполнении водой сначала одной из
камер, например 1, через трубопровод 26 при открытом вентиле 27 и закрытых вентилях 23 и 28 и
открытом для контура 19 вентиле 25. После заполнения водой камеры 1 в нее закачивают
метано-пропановую смесь для установления давления в камере 1 примерно в 15 ата. При
образовании газгидрата температура его повышается. Для получения равновесного
состояния включают насос 7 для прокачки воды, а в теплообменный аппарат 9 подают
охлаждающий теплоноситель. Одновременно с помощью нагнетателя 22 осуществляют
рециркуляцию непрореагировавшего газа. При стабилизации температуры воды в
трубопроводе 5 вентиль 13 переключают на подачу теплого теплоносителя и осуществляют
нагрев газгидрата в камере 1 и его диссоциацию. Выделяющийся газ скапливается в верхней
части камеры 1. Устанавливается давление, соответствующее температуре, например, 300 ата.
Затем открывают вентиль 23 и газ подают на турбину для совершения работы, при этом
продолжают подогрев воды в камере 1 и рециркуляцию части расхода газа в контуре 19. После
возникновения циркуляции газа в контуре 15, проводят подготовку и образование
газгидрата в камере 2. При падении давления газа в контуре 15 открывают вентиль 24,
вентиль 25 переключают на осуществление циркуляции газа через камеру 2. При наличии
источника высокопотенциального тепла с помощью теплообменника 29 повышают температуру
холодной газовой смеси. Равномерность подачи газовой смеси в турбину 18 и обеспечение
минимальной пульсации давления достигается установкой необходимого, потребного
количества камер-реакторов и соответствующих циркуляционных контуров. Использование
в качестве нагрузки электролизера 30 позволяет одновременного получением водорода и
кислорода получить и дополнительный источник тепла, выделяющегося при электролизере,
с температурой 220-240oC. Отводимое тепло почти полностью может быть возвращено в
цикл, например, для выработки дополнительной электроэнергии. Поскольку электролиз
воды может быть осуществлен при давлении 30-40 бар возникает возможность установки
дополнительной турбины 34. В качестве теплоносителя в контуре 32 может быть использован
электролит, циркулирующий с помощью насоса 35.
Использование заявленной установки позволяет повысить удельную мощность в 4-5 раз по
сравнению с установками, работающими в заданном интервале рабочих температур.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Энергетическая установка, содержащая турбины для привода нагрузки и по крайней мере
два подключенных к ней циркуляционных контура, каждый из которых включает камеру
рабочего тела с регулируемым вентилем на выходе, охладитель, нагреватель и
подсоединенный к нижней части камеры и охладителю циркуляционный насос, отличающаяся
тем, что она снабжена газовым нагнетателем и двумя дополнительными магистралями,
первая из которых выполнена с установленными на ней двумя дополнительными
регулируемыми вентилями, а вторая - с трехходовым вентилем, нагнетатель подсоединен
входом к второй дополнительной магистрали через трехходовой вентиль, а выходом - к
первой дополнительной магистрали между ее регулируемыми вентилями, причем
дополнительные магистрали установлены с образованием дополнительного
циркуляционного контура между основными циркуляционными контурами и подсоединены
первая к нижним частям камер, а вторая к выходам камер до регулируемых вентилей, при
этом нагреватель и охладитель выполнены в виде единого теплообменного аппарата,
питаемого попеременно от посторонних источников двумя теплоносителями с разностью
температур 25 - 30oС, а выход турбины подсоединен к первой дополнительной
магистрали между ее регулируемыми вентилями.
2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным теплообменником с
высокотемпературным теплоносителем, установленным перед турбиной.
3. Установка по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что она снабжена электролизером, а нагрузка
выполнена в виде генератора, при этом электролизер подключен к генератору, а его
рабочий объем соединен с дополнительным теплообменником с образованием второго
дополнительного циркуляционного контура.
4. Установка по п. 3, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительной турбиной, а
электролизер выполнен с патрубком отвода кислорода и подсоединен последним к
дополнительной турбине.
5. Способ приготовления рабочего тела энергетической установки путем заполнения одной
из камер жидкостью, повышения давления в последней, нагрева образовавшегося рабочего
тела, а после подачи последнего из этой камеры в турбину осуществления этих же операций
в другой камере, отличающийся тем, что в качестве жидкости используют воду, а давление в
камере повышают путем подачи в нее газа, например метано-пропановой смеси, образующей
при реакции с водой газгидрат, при этом для равновесного состояния в камере
осуществляют рециркуляцию как воды с охлаждением ее сторонним теплоносителем, так и
непрореагировавшего газа соответственно с помощью насоса и нагнетателя.
6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что рабочее тело перед подачей его в турбину
дополнительно нагревают высокотемпературным теплоносителем.
Версия для печати
Дата публикации 16.02.2007гг
вверх
|
