Способ преобразования энергии


 


Владельцы патента RU 2425230:

Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" (RU)

Способ преобразования тепловой энергии в механическую, в котором в замкнутом цикле с помощью тепловой энергии проводят нагрев и испарение рабочего тела, которое подают затем на расширение в турбину. После турбины рабочее тело сорбируют в сорбенте, конденсируют и нагнетают на повторный нагрев и испарение. Причем в процессе конденсации рабочего тела одновременно ведут сорбцию части рабочего тела в сорбенте, обладающем гидрофильностью. В процессе конденсации поддерживают давление ниже 0.1 МПа, а сорбцию рабочего тела ведут во время повышения механической нагрузки на турбину. Указанный способ позволит повысить динамические и маневренные характеристики систем преобразования тепловой энергии в электрическую, снизить расход рабочего тела, уменьшить затраты на прокачку рабочего тела и потери, связанные с его недостаточным расширением в турбине, улучшить экономические показатели энергоустановок и систем энергообеспечения. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится преимущественно к способам преобразования тепловой энергии в механическую (электрическую), преимущественно к ядерным энергетическим установкам и системам энергообеспечения на их основе и предназначено для обеспечения тепловой и электрической энергией потребителей, имеющих неравномерную энергетическую нагрузку.

Известны способы преобразования тепловой энергии в механическую, в том числе в ядерных энергоустановках, преобразующие первичную энергию в электрическую, которая запасается в электроаккумуляторах и затем по необходимости выводится различным потребителям электроэнергии. Значительный потенциал имеют ядерные энергоисточники, которые выгодно использовать при постоянной нагрузке, в то время как в энергосистеме существуют дневные пики и ночные провалы мощности. Из особенностей работы ядерных энергогенерирующих систем известна проблема поддержания работы ядерных реакторов на постоянной мощности при значительной разнице во временных графиках выработки и потребления энергии. Таким образом, возникает задача создания способов преобразования энергии, энергоаккумулирующих установок и систем, способных обеспечивать потребителя различными видами энергии в требуемом по условиям потребления неравномерном режиме вне зависимости от графика выработки первичной энергии.

Выравнивание графика нагрузок энергоисточников за счет применения традиционных способов накопления электроэнергии или теплоаккумулирования увеличивает стоимость производства энергии и усложняет регламент работы.

В частности, предложен способ работы электростанции с водородным аккумулированием энергии, заключающийся в том, что воду разлагают на кислород и водород, отличающийся тем, что с целью повышения эффективности создают замкнутый цикл, где воду нагнетают насосом в пароохладитель и электролизер, из которого водород и кислород, как компоненты разложения воды, собирают в резервуары для раздельного хранения, сжигают в камере сгорания, а продукты сгорания в виде перегретого водяного пара направляют в пароохладитель, где впрыскивают воду и охлаждают перегретый водяной пар, энергию которого посредством паровой турбины, генератора, конденсатора и электрокотла преобразуют в электрическую и тепловую энергию, а конденсат сливают в конденсатную емкость (заявка РФ на изобретение №99102865, дата публикации 2000.12.20). Недостатком данного решения является высокая стоимость и низкая эффективность аккумулирования энергии, что связано с большими затратами на создание и эксплуатацию электролизеров (до 3000 дол. США/кВт) и систем хранения водорода и кислорода, а также относительно низким кпд паротурбинного цикла.

Более экономичное решение предложено в патенте РФ на изобретение №2023387 (дата публикации 1994.11.30), в котором перед подачей углекислого газа в теплицу осуществляют его многоступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением в водоуглекислотных теплообменниках, аккумулирование сжиженного углекислого газа и его хранение, при этом после хранения осуществляют нагрев его в солнечном коллекторе для получения углекислотного пара, который направляют в углекислотную турбину с регулируемым давлением на выхлопе турбин. Недостатками данного решения являются относительно низкий кпд углекислотного цикла и необходимость подвода углекислоты от стороннего источника.

Известен также способ энергоаккумулирования, реализованный в установке, содержащей турбину, приемник рабочего тела, подключенный к выходу турбины, компрессор и охлаждающий теплообменник, соединенный с аккумулятором сжиженного рабочего тела, к которому подключен основной нагнетатель, установленный перед нагревающим теплообменником, включенным перед турбиной, компрессор соединен с приемником рабочего тела, выполненным в виде емкости, заполненной сорбентом рабочего тела, в которой размещен встроенный теплообменник, включенный между основным нагнетателем и нагревающим теплообменником (патент РФ на изобретение №2273742, дата публикации 10.04.2006. Бюл. №10).

Недостатками данного решения являются относительно большой удельный расход рабочего тела углекислотного цикла, связанный с низкой теплотой испарения углекислоты, необходимость компримирования рабочего тела и хранения жидкой углекислоты.

Задача изобретения - создать способ преобразования тепловой энергии в механическую, в котором устранены указанные выше недостатки, и создать условия эффективного повышения коэффициента использования энергоисточника.

Поставленная задача решается тем, что в способе преобразования тепловой энергии в механическую, в котором в замкнутом цикле с помощью тепловой энергии проводят нагрев и испарение рабочего тела, которое подают затем на расширение в турбину, после которой рабочее тело сорбируют в сорбенте, конденсируют и нагнетают на повторный нагрев и испарение, в процессе конденсации рабочего тела одновременно ведут сорбцию части рабочего тела в сорбенте, обладающем гидрофильностью.

Кроме того:

- периодически удаляют рабочее тело из гидрофильного сорбента путем его нагрева;

- нагрев гидрофильного сорбента ведут с помощью рабочего тела, отбираемого в процессе расширения из турбины;

- в качестве рабочего тела применяют водяной пар или его смесь с неконденсируемыми газами, которые выбирают из ряда, содержащего аммиак, перфторуглероды, диоксид углерода, углеводороды, благородные газы;

- в качестве сорбента выбирают любое вещество из ряда молекулярное сито, цеолит, силикагель, спирт, ацетон, галогениды щелочных или щелочноземельных металлов, этаноламин, щелочи, нитраты или сочетание перечисленных материалов;

- нагрев и испарение рабочего тела ведут путем конвективного нагрева через теплообменные поверхности;

- в процессе конденсации поддерживают давление ниже 0.1 МПа;

- сорбцию рабочего тела ведут во время повышения механической нагрузки на турбину.

Примером реализации изобретения служит способ преобразования энергии, описанный ниже.

В излагаемом примере осуществления изобретения в качестве рабочего тела применяется водяной пар, что позволяет охарактеризовать особенности реализации изобретения применительно к процессам применения расширительных машин, в частности, на ядерных энергоустановках.

На чертеже дано схемное решение предложенного способа преобразования энергии.

Способ осуществляется следующим образом.

Проводят расширение водяного пара в турбине 1, а затем конденсируют водяной пар в конденсаторе 2 при давлении преимущественно ниже атмосферного за счет отвода тепла конденсации с помощью охлаждающего теплоносителя 3, проводя одновременно сорбцию части рабочего тела в сорбенте 4 с возможностью его охлаждения с помощью охлаждающего теплоносителя 5, подавая водяной пар к сорбенту по трубопроводу 6, после чего сконденсированный водяной пар с помощью насоса 7 подают на регенеративный подогрев с помощью отбора водяного пара 8 в подогревателе 9, а затем возвращают на испарение в парогенераторе 10 с помощью тепловой энергии 12. В процессе реализации излагаемого способа преобразования энергии используют возможности нагрева сорбента 4 с помощью теплоносителя 14, нагреваемого отбором водяного пара 8 или путем непосредственной подачи водяного пара в сорбент 4. Увеличение мощности паровой турбины 1 во время повышения механической нагрузки на турбину ведут как за счет изменения подвода водяного пара с помощью стопорно-регулирующего клапана 11, так и за счет снижения давления на выхлопе турбины в процессе конденсации, при которой поддерживают давление ниже 0.1 МПа за счет проведения сорбции водяного пара в сорбенте 4 путем изменения подачи водяного пара по трубопроводу 6 через регулирующее устройство 13, в качестве которого может быть использован тарельчатый клапан или штоковый вентиль или любое другое устройство, влияющее на гидравлическое сопротивление прохождению водяного пара. При снижении мощности турбины 1 увеличивают отбор водяного пара 8 для нагрева сорбента 4 с целью восстановления его сорбционной емкости.

Для турбины К-1000-60/1.500-1 ХТЗ (3 ЦНД) энергоблока АЭС мощностью 1000 МВт дополнительное увеличение мощности при снижении давления отработавшего пара на -1 кПа составляет 12,75 МВт (1,28%).

В зависимости от выбранного компонента рабочего тела (вода, аммиак, диоксид углерода, углеводород и т.д.) сорбент 4 может быть как твердым (например, активированный уголь, цеолит, хлорид щелочного металла и т.д.), так и жидким (щелочной раствор, спирт, раствор этаноламина и др.), что может вызывать отличия в процессе сорбции рабочего тела 2. Например, в случае жидкого сорбента 4 для снижения тепловых потерь в режиме десорбции может применяться дефлегмация десорбируемого рабочего тела, которая, в свою очередь, может сопровождаться регенеративным нагревом.

Сорбент выбирается из материалов, обладающих гидрофильностью (хорошей смачиваемостью водой). В этот ряд входят вещества с ионными кристаллическими решетками (оксиды, гидроксиды, силикаты, сульфаты, фосфаты, глины и т.д.), вещества с полярными группами - ОН, - СООН, - NO2 и др. Две несмешивающиеся фазы (гидрофильная и гидрофобная, например, присущая находящимся в технических контурах маслам) будут находиться в таком состоянии, где поверхность их контакта будет минимальной, что позволит уменьшить влияние таких микропримесей в рабочем теле как техническое масло на эффективность и динамические характеристики сорбента.

В качестве сорбента, как уже упоминалось выше, может быть выбрано любое вещество из ряда активированный уголь, цеолит, вода, спирт, ацетон, галогениды щелочных или щелочноземельных металлов, этаноламин, щелочи, нитраты или сочетание перечисленных материалов.

В качестве рабочего тела целесообразно выбрать вещество с более низкой, чем у сорбента, точкой кипения из ряда углеводороды, вода, спирты, эфиры, фторхлоруглероды, перфторуглероды, аммиак, диоксид углерода или смесь перечисленных материалов.

Учитывая относительно невысокие коэффициенты теплоотдачи к некоторым из предложенных сорбентов, а также с целью уменьшения потерь энергии при теплообмене сорбент 4 может содержать компоненты, увеличивающие его поверхность, выбранные из ряда: сетка, ребро, насечка, перфорированная пластина или их комбинация.

Таким образом, указанный способ позволит повысить динамические и маневренные характеристики систем преобразования тепловой энергии в электрическую, снизить расход рабочего тела, уменьшить затраты на прокачку рабочего тела и потери, связанные с его недостаточным расширением в турбине, улучшить экономические показатели энергоустановок и систем энергообеспечения.

1. Способ преобразования тепловой энергии в механическую, в котором в замкнутом цикле с помощью тепловой энергии проводят нагрев и испарение рабочего тела, которое подают затем на расширение в турбину, после которой рабочее тело сорбируют в сорбенте, конденсируют и нагнетают на повторный нагрев и испарение, отличающийся тем, что в процессе конденсации рабочего тела одновременно ведут сорбцию части рабочего тела в сорбенте, обладающем гидрофильностью.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что периодически удаляют рабочее тело из гидрофильного сорбента путем его нагрева.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что нагрев гидрофильного сорбента ведут с помощью рабочего тела, отбираемого в процессе расширения из турбины.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела применяют водяной пар или его смесь с неконденсируемыми газами, которые выбирают из ряда, содержащего аммиак, перфторуглероды, диоксид углерода, углеводороды, благородные газы.

5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве сорбента выбирают любое вещество из ряда: молекулярное сито, цеолит, силикагель, спирт, ацетон, галогениды щелочных или щелочно-земельных металлов, этаноламин, щелочи, нитраты или сочетание перечисленных материалов.

6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что нагрев и испарение рабочего тела ведут путем конвективного нагрева через теплообменные поверхности.

7. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в процессе конденсации поддерживают давление ниже 0,1 МПа.

8. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что сорбцию рабочего тела ведут во время повышения механической нагрузки на турбину.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области преобразования тепловой энергии в механическую с использованием рабочей жидкости, в частности, с целью генерирования электроэнергии, однако не ограничивается этим применением.

Изобретение относится к теплоэнергетике. .

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для привода электрогенераторов, насосов и др. .

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в двигателестроении, в частности в тепловых двигателях, работающих в круговом процессе. .

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в двигателестроении, в частности в двигателях, работающих в круговом процессе. .

Изобретение относится к энергомашистроению и касается усовершенствования газовой турбины внутреннего сгорания. .
Изобретение относится к области энергетики для преобразования тепловой энергии в механическую. .

Изобретение относится к области энергетики, в частности к газотурбогидравлическим установкам (ГТГУ), в которых в качестве рабочего тела для гидротурбины является водопаровая смесь

Изобретение относится к области преобразования тепловой энергии в механическую с использованием рабочей жидкости, в частности, с целью генерирования электроэнергии, однако не ограничивается этим применением

Изобретение относится к способу функционирования термодинамического контура согласно родовому понятию пункта 1 формулы изобретения, а также к термодинамическому контуру согласно родовому понятию пункта 7 формулы изобретения, подобный контур описан, например, в ЕР 1 613 841 В1

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в двигателестроении, в частности в двигателях. В качестве рабочего тела применяется окись углерода, которое в рабочем цикле используется в жидкой и газовой фазах и в виде двухфазной смеси. Устройство снабжено компрессором, который установлен в магистрали для подачи рабочего тела в основную камеру. Выходное отверстие магистрали выполнено с возможностью запирания поршнем при движении последнего к НМТ и, соответственно, отпирания при движении поршня к ВМТ в течение времени t, которое выбирается из диапазона 0,85τ≤t≤1,5τ, где τ - время релаксации основной камеры, определяемое как соотношение массы рабочего тела в основной камере к массовому расходу рабочего тела в указанной магистрали. Изобретение направлено на повышение КПД передачи тепла и снижение материалоемкости. 1 ил.

Изобретение относится к способу преобразования теплоты в работу в тепловом двигателе. Способ включает выполнение рабочего тела теплового двигателя в виде смеси веществ, между которыми протекает обратимая химическая реакция. В замкнутом термодинамическом цикле рабочее тело получает теплоту от горячего источника теплоты с высокой температурой и отдает теплоту холодному источнику теплоты с низкой температурой. Давление рабочего тела периодически изменяется. Применяют постоянный теплообмен между рабочим телом и горячим и холодным источниками теплоты. В объеме рабочего тела создают градиент температуры, используя разность температур горячего и холодного источников теплоты. Работу получают в процессе периодического изменения давления рабочего тела вследствие протекания в его объеме периодической химической реакции. Изобретение направлено на повышение эффективности преобразования теплоты в работу и упрощение конструкции тепловых двигателей. 1 ил.

Изобретение относится к машиностроению. В предложенных прямых и обратных термохимических циклах между основными сорбционными процессами введены процессы регенерации теплоты в цикле на базе регенераторов теплоты с теплоаккумулирующей набивкой. В термосорбционных циклах применяются два и более слоев металлогидридов с различными сорбционными свойствами, заключенными в отдельные секции в одном генераторе-сорбере. Генератор-сорбер выполнен в виде блок-модуля. Для контроля и управления применяются различные типы систем с применением компьютеров. Изобретение позволяет в равной степени эффективно преобразовывать теплоту возобновляемых источников энергии: геотермальную, солнечную, ветровую и теплоту нагретых потоков газа или жидкости в другие виды энергии, а именно в механическую энергию, в теплоту обогрева зданий, а также в получение холода. 3 н. и 38 з.п. ф-лы, 28 ил.

Изобретение относится преимущественно к автономным системам и установкам энергообеспечения, использующим как различные виды топлива, так и возобновляемые источники энергии, например энергию солнца, и предназначено для обеспечения отопительным теплом, горячей водой, холодом и электроэнергией различных объектов, имеющих неравномерную энергетическую нагрузку. В способе аккумулирования энергии, в котором в энергоустановку подают из газохранилища сжатый воздух, а также газообразное топливо, продукты сжигания которого используют в периоды увеличения нагрузки электросети для газотурбинного привода мотор-генератора, который в периоды провала нагрузки электросети используют для сжатия воздуха и нагнетания его в газохранилище, по меньшей мере часть сжатого воздуха, отбираемого из газохранилища, используют для проведения паровоздушной конверсии природного газа в адиабатическом реакторе конверсии, продукты которой подают в периоды увеличения нагрузки электросети на сжигание в потоке сжатого воздуха с получением продуктов сгорания, подаваемых на расширение в газотурбинный привод мотор-генератора, а затем на охлаждение в водяном парогенераторе, из которого вырабатываемый водяной пар подают на смешение со сжатым воздухом перед паровоздушной конверсией природного газа. В периоды провала нагрузки электросети перед подачей в газохранилище сжатого воздуха его охлаждают за счет нагрева теплофикационной воды. Изобретение позволяет повысить надежность аккумулирования энергии. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ преобразования тепловой энергии в электричество, теплоту повышенного потенциала и холод включает следующие этапы. Выпаривают хладагент из крепкого раствора. Расширяют поток нагретого пара с производством работы и образованием отработанного пара. Конденсируют пар. Расширяют жидкий хладагент и испаряют его с образованием холодильного эффекта. Абсорбируют пар хладагента пониженной температуры. Повышают давление раствора и нагревают его перед выпариванием. Нагретый пар хладагента после выпаривания разделяется на два потока, один из которых расширяется с производством работы, а другой конденсируется и используется для производства холода и/или тепловой энергии. Поток пара хладагента после его расширения с производством работы и поток пара хладагента пониженной температуры и пониженного давления, полученный при испарении хладагента с образованием холодильного эффекта, абсорбируются с использованием общего слабого раствора и образованием крепкого раствора, включающего в себя хладагент обоих указанных выше потоков. Описано устройство для преобразования тепловой энергии в электричество, теплоту повышенного потенциала и холод. Группа изобретений направлена на повышение эффективности производства механической энергии, теплоты, холода. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.
Наверх