Энергетическая установка и способ приготовления ее рабочего тела

 

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. 2 с. п. , 4 з. п. ф-лы, 3 ил.

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 25-30^oC. 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.

На фиг. 1 показана энергетическая установка, общий вид; на фиг. 2 - выполнение установки с электролизером; на фиг. 3 - график термодинамического равновесного состояния газгидратного соединения на примере метано-пропановой смеси СH₄+C₃H₂ ^. 6H₂O c относительным удельным весом 0,6.

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 25-30^oC. 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, 35^оС. Температура охлаждающего теплоносителя составляет 2-6^oC. 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 220-240^oC. 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 - 30^oС, 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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3