Энергетическая установка для преобразования низкопотенциального тепла в механическую работу

ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2125165

Область деятельности(техники), к которой относится описываемое изобретение

Ноу-хау разработки, а именно данное изобретение автора относится к энергетическому машиностроению, а именно к установкам для преобразования низкопотенциального тепла в механическую работу.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Известны энергетические установки (патенты РФ N 2013572 и N 2013573), включающие один или два контура с турбинами для привода нагрузки, две камеры рабочего тела, охладитель, нагреватель, циркуляционные насосы, соединительные трубопроводы, регулируемую запорную арматуру, газовый нагреватель, реактор, сепаратор и дополнительный теплообменник.

Установки предназначены для преобразования в механическую энергию низкопотенциального тепла внешнего источника. Процесс преобразования энергии основан на получении метанпропановых газогидратов в холодной воде с последующим разложением их в теплой воде, в результате чего получается поступающий в турбину газ высокого давления. Размещенная в контуре аппаратура в основном предназначена для получения рабочего тела. Процесс получения и разложения газогидратов отличается значительной сложностью и периодичностью.

Для обеспечения устойчивости протекания рабочего процесса требуется постоянно целенаправленно управлять потоками газа и воды. Вследствие этого установка конструктивно сложна и громоздка из-за наличия значительного числа управляющих и исполнительных элементов. Управление работой установки возможно при наличии сложной автоматической системы или заменяющего ее оператора высокой квалификации. Это неизбежно связано с существенными эксплуатационными затратами, что приводит к удорожанию получаемой механической энергии. Упомянутые затраты могут быть оправданы только в том случае, когда мощность установки значительно превышает 100 кВт. Применение подобных установок для обеспечения энергией маломощных потребителей экономически нецелесообразно.

Кроме того, известна энергетическая установка (а.с. СССР N 1170180), содержащая две заполненные вспомогательной жидкостью обогреваемые камеры, трубопроводы для подачи легкоиспаряющегося рабочего тела, турбину, конденсатор и насос. Установка предназначена для преобразования в механическую энергию низкопотенциального тепла вспомогательной жидкости. Преимущество указанной установки состоит в том, что аккумулирующее тепло рабочее тело представляет собой простую низкокипящую жидкость, которая в процессе нагрева превращается в пар, а после охлаждения конденсируется и повторно возвращается в рабочий процесс. Для обеспечения фазовых переходов низкокипящей жидкости достаточно иметь только нагреватель на входе и охладитель на выходе из теплового двигателя. Благодаря этому установка конструктивно значительно проще вышеописанных. Преимущество установки состоит также в том, что в ней процесс передачи низкопотенциального тепла от источника рабочему телу совершается в жидкостной фазе, что обеспечивает высокую эффективность процесса. Недостаток установки заключается в том, что предназначенная для нагрева рабочего тела вспомогательная жидкость не обменивается в процессе работы установки и для пополнения ее внутренней энергии, убывающей в процессе теплообмена, требуется посторонний источник тепла, что снижает энергетическую эффективность установки. В установке применен нерациональный способ передачи двигателю потенциальной энергии рабочего тела. Для привода турбины используется вспомогательная жидкость, а не газ, получаемый в процессе испарения рабочего тела. При этом вспомогательная жидкость периодически поступает в турбину сначала из первой, а затем из второй камеры. Периодичность в направлении потоков вспомогательной жидкости и рабочего тела, а также использование промежуточного между турбиной и рабочим телом передаточного вещества значительно усложняет рабочий процесс и обуславливает необходимость постоянного управления работой установки, что снижает ее экономическую эффективность.

Известна также описанная в авторском свидетельстве СССР N 70147 теплосиловая установка, содержащая тепловой двигатель, работающий на парах легкокипящей жидкости, испаряющий легкокипящую жидкость теплообменник, обогреваемый сжатым в компрессоре атмосферным воздухом и конденсирующий легкокипящую жидкость другой теплообменник, охлаждаемый тем же воздухом, прошедшим через расширительную машину. Преимуществом установки является то, что для получения механической энергии используется тепло атмосферного воздуха, сжатого в компрессоре. В процессе работы происходит постоянный обмен воздуха. Поэтому не требуется регенерации тепла и отпадает необходимость в дополнительном тепловом источнике. Преимуществом установки является непрерывность протекающего в ней процесса, благодаря чему отпадает необходимость в сложной управляющей аппаратуре. Недостаток установки состоит в том, что теплоносителем в ней является газообразное вещество. Процесс передачи тепла от газа рабочему телу малоэффективен, что затрудняет реализацию рабочего цикла установки и обуславливает невысокий КПД используемого в ней термодинамического процесса.

Прототипом предлагаемого изобретения выбрана наиболее близкая по технической сущности силовая установка (а.с. СССР N 39486), использующая разность температур воды подо льдом и атмосферного воздуха. Преимущество установки состоит в том, что в ней для получения механической энергии используется низкопотенциальное тепло естественного водоема и атмосферного воздуха. Дополнительных источников тепла не требуется, что обуславливает низкую стоимость получаемой механической энергии. Другим преимуществом установки является то, что в ней теплообмен между рабочим телом и теплоносителем осуществляется в жидкостной фазе и поэтому отличается высокой эффективностью. Установка конструктивно проста и для ее обслуживания не требуются управляющие системы или операторы.

Отрицательным качеством предложенной в а.с. N 39485 установки является нерациональный способ преобразования получаемой в термодинамическом процессе потенциальной механической энергии. Вместо того, чтобы полученный в котле пар низкокипящей жидкости непосредственно направить на рабочее колесо турбины и расширить там с целью преобразования потенциальной энергии в кинетическую, его направляют в поршневую полость гидроцилиндров для вытеснения содержащейся в них промежуточной жидкости в рабочее пространство турбины. При этом гидроцилиндры и связанные с поршневыми полостями конденсаторы работают поочередно. Для поддержания рабочего процесса требуется управление установкой посредством системы управления или оператора. Это снижает экономическую эффективность установки. Другим серьезным недостатком установки является отсутствие в ней устройств, обеспечивающих работоспособность установки при изменении температуры атмосферного воздуха. Размещенные на берегу водоема конденсаторы могут выполнять свою функцию в том случае, когда обдувающий их воздух имеет температуру существенно ниже 0^oC. При повышении температуры выше 0^oC процесс конденсации пара и, следовательно, термодинамический процесс преобразования энергии в установке станет невозможным. В предложенном а. с. N 39486 виде установка пригодна для получения энергии только в зимнее время.

Таким образом, недостатками прототипа являются конструктивная сложность и невозможность круглогодичной эксплуатации установки вследствие ее неработоспособности в теплое время года.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является упрощение устройства, повышение надежности и обеспечение его работоспособности в течение всего года.

Сущность изобретения состоит в том, что в паросиловой установке, выполненной в виде замкнутого контура, включающего тепловой двигатель с силовой нагрузкой (турбиной), заполненную рабочим телом емкость с температурой кипения не выше - 50^oC, обеспечивающие нагрев и охлаждение рабочего тела теплообменники на входе и выходе из теплового двигателя, обеспечивающий циркуляцию рабочего тела нагнетатель, соединительные трубопроводы и дополнительный источник тепла, согласно изобретению теплоносителем - хладоагентом первого из упомянутых теплообменников служит поток воды из естественного водоема, а теплоносителем - хладоагентом другого - поток окружающего водоем атмосферного воздуха, при этом упомянутые теплообменники как на входе, так и на выходе из трубного пространства, заполненного рабочим телом, имеют по два снабженных запорными вентилями штуцера и совместно с емкостью, нагнетателем и двигателем посредством первого штуцера и основных трубопроводов образуют первый, а посредством второго штуцера и дополнительных трубопроводов - второй замкнутые контуры, в первом из которых выход из нагнетателя и вход в двигатель соединяются через трубное пространство первого, и выход из двигателя и вход в емкость - через трубное пространство второго теплообменника, в то время как во втором контуре выход из нагнетателя и вход в двигатель соединяются через трубное пространство второго, а выход из двигателя и вход в емкость - через трубное пространство первого теплообменника, причем дополнительный источник тепла предназначен для подогрева поступающего во второй теплообменник хладоагента - атмосферного воздуха - в том случае, когда температура последнего не ниже -10^oC и не выше +10^oC.

Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в создании конструктивно простой, надежной и работоспособной в течение всего года энергетической установки для преобразования низкотемпературного тепла водоемов в электрическую энергию.

Схема установки представлена на фиг.1.

Энергетическая установка для преобразования низкопотенциального тепла в механическую работу

Энергетическая установка состоит из теплового двигателя 1 с силовой нагрузкой 2 на его рабочем валу, например с электрическим генератором. Последовательно с тепловым двигателем 1 в замкнутый контур установки включены емкость 3, заполненная жидкостью 4, кипящей при температуре не выше - 50^oC, нагнетатель рабочего тела 5, омываемый водяным потоком 6 из естественного водоема теплообменник 7 и обдуваемый потоком атмосферного воздуха 8 теплообменник 9, имеющие на входе и выходе из заполненного рабочим телом трубного пространства по два штуцера с запорными вентилями 18-25. Посредством первых из указанных штуцеров, снабженных вентилями 18, 21, 22 и 24, а также посредством основных трубопроводов 10, 11, 12 и 13 теплообменники 7 и 9 последовательно соединяются с двигателем 1, емкостью 3 и нагнетателем 5, образуя первый замкнутый контур. Для обеспечения работоспособности установки в различных климатических условиях указанные теплообменники 7 и 9 посредством вторых штуцеров на входе и выходе из трубного пространства с вентилями 19, 20, 23 и 25 и дополнительных трубопроводов 14, 15, 16 и 17 образуют совместно с двигателем 1, емкостью 3 и нагнетателем 5 второй замкнутый контур. Кроме того, в коллекторе 8 подачи атмосферного воздуха в теплообменник 9 предусмотрены дополнительный источник тепла 28 и воздушный вентилятор 27. Установка монтируется на берегу естественного водоема. Поток воды 6 через теплообменник 7 обеспечивает не показанный на схеме насос, забирающий воду из указанного водоема. После теплообменника 7 вода сбрасывается в тот же водоем.

Теплообменник 7 может быть затоплен в водоеме, если водоем представляет собой речной поток со скоростью течения не менее 1 м/с. Тогда насос для подачи воды не требуется. Обдув теплообменника 9 атмосферным воздухом обеспечивается при помощи вентилятора 27. Воздух после теплообменника 9 выбрасывается в атмосферу. В нижеописанном случае воздух на входе в теплообменник 9 подогревается посредством источника тепла 26.

Работает энергетическая установка для преобразования низкопотенциального тепла в механическую работу следующим образом

При температуре окружающего воздуха существенно ниже - 10^oC в исходном положении вентили 19, 20, 23 и 25 установки закрыты, а вентили 18, 21, 22 и 24 открыты. При включении в работу нагнетателя 5, получающего при пуске установки энергию от внешнего источника, находящаяся в емкости 3 низкокипящая жидкость 4, имеющая температуру окружающего воздуха, по трубопроводу 11 поступает в теплообменник 7, омываемый водой из естественного водоема при температуре не ниже +4^oC. Поступающая в теплообменник 7 низкокипящая жидкость, взаимодействуя с водным потоком, нагревается и превращается в пар при температуре до +2^oC и давлении до 4 МПа. Образующийся пар под давлением по трубопроводу 12 поступает в двигатель 1, где потенциальная энергия пара преобразуется в кинетическую энергию вращения рабочего вала двигателя. Вследствие расхода энергии поступивший в двигатель пар расширяется, одновременно охлаждаясь, и по трубопроводу 13 входит в теплообменник 9, в котором происходит дополнительное охлаждение пара обдувающим теплообменник атмосферным воздухом, поступающим от вентилятора 27. Из теплообменника 9 по трубопроводу 10 охлажденный пар поступает в емкость 3, откуда - в нагнетатель 5, где, сжимаясь, превращается в жидкость, температура которой приблизительно равна температуре окружающего воздуха. Полученная в результате конденсации жидкость снова поступает в теплообменник 7. Далее цикл повторяется. Энергия, приобретаемая рабочим валом двигателя 1 во время работы установки, расходуется на привод вращения генератора 2, нагнетателя 5 и вентилятора 27. Получаемая в генераторе 2 электрическая энергия направляется на нужды потребителей. Энергия, затрачиваемая на привод вентилятора и нагнетателя, служит для поддержания рабочего процесса установки.

При температуре атмосферного воздуха -30^oC максимальный перепад температур между исходной низкокипящей жидкостью и полученным паром достигает 34^oС, что обуславливает устойчивый термодинамический процесс преобразования тепловой энергии.

В летний период в северных районах в дневное время температура воздуха достигает +30^oC, в то время как вода в речных потоках и озерах не прогревается выше +10^oC. Это дает возможность обеспечить устойчивую работу установки также и в летнее время. Для этого необходимо, чтобы омываемый водой теплообменник 7 выполнял функцию конденсатора паров, а обдуваемый теплым воздухом теплообменник 9 использовался для испарения низкокипящей жидкости. Указанное преобразование энергетического контура достигается в том случае, когда вентили 18, 21, 22 и 24 закрыты, а вентили 19, 20, 23 и 25 открыты.

Тогда установка работает следующим образом.

Из емкости 3 низкокипящая жидкость от нагнетателя 5 по линии 14 через вентиль 20 поступает в обдуваемый атмосферным воздухом теплообменник 9, где превращается в пар и через вентиль 23 по линии 16 поступает в двигатель 1. После расширения в тепловом двигателе потерявший значительную часть потенциальной энергии пар по линии 17 через вентиль 25 поступает в омываемый водой 6 теплообменник 7, где дополнительно охлаждается и по линии 15 через вентиль 19 поступает в емкость 3, где конденсируется, превращаясь в жидкость. Далее цикл повторяется.

В летний период располагаемый между атмосферным воздухом и водой перепад температур 20^oC гарантирует устойчивую работу установки с пониженным по сравнению с зимним периодом коэффициентом полезного действия.

Наименее благоприятными с точки зрения осуществления термодинамического цикла в энергетическом контуре установки являются осенний и весенний периоды, когда температура атмосферного воздуха и воды приблизительного одинаковы. В указанных условиях предлагаемое устройство также обеспечивает возможность осуществления цикла. Для этого запорная арматура контура устанавливается в то положение, в котором она должна находиться в летний период. Вентили 18, 21, 22 и 24 закрыты, вентили 19, 20, 23 и 25 открыты. Чтобы при подобном положении вентилей осуществить процесс преобразования тепла в механическую работу, необходимо на 15 - 20^oC повысить температуру воздуха, обдувающего теплообменник 9. Для этой цели в воздушном контуре теплообменника 9 предусмотрен нагреватель 26. Источником тепла в указанном нагревателе служит сжигаемое любым способом органическое топливо (мазут, керосин, каменный уголь, древесина). При наличии подогрева установка работает так же, как и в летний период. Однако поддержание рабочего процесса в этом случае связано с дополнительными затратами топлива, в результате экономическая эффективность установки в осенне-весенний период ниже, чем в зимний.

Из вышеизложенного следует, что предложена установка для преобразования низкопотенциального тепла в механическую энергию, которая от известных установок аналогичного назначения отличается конструктивной простотой, для своей работы практически не требует дополнительных источников тепла и может использоваться по назначению в любое время года.

Обслуживание установки связано с минимальными затратами, которые выражаются в изменении положения запорной арматуры при переводе термодинамического процесса с зимнего на летний сезон и в подаче в установку дополнительного тепла в межсезонные периоды. Благодаря малым затратам на обслуживание установки достигается высокая экономическая эффективность использования установки для получения механической энергии. Особенно эффективно предложенную установку можно использовать для получения электрической энергии в отдаленных районах Севера, отличающихся холодным резкоконтинентальным климатом.

Формула изобретения

Энергетическая установка, выполненная в виде замкнутого контура, включающего тепловой двигатель с силовой нагрузкой, емкость, заполненную рабочим телом с температурой кипения не выше - 50^oC, обеспечивающие нагрев и охлаждение упомянутого рабочего тела теплообменники на входе и выходе из двигателя, обеспечивающий циркуляцию рабочего тела нагнетатель, соединительные трубопроводы и дополнительный источник тепла, отличающаяся тем, что теплоносителем-хладоагентом первого из упомянутых теплообменников служит поток воды из естественного водоема, а теплоносителем-хладоагентом другого - поток окружающего водоем атмосферного воздуха, при этом упомянутые теплообменники как на входе, так и на выходе из трубного пространства, заполненного рабочим телом, имеют по два снабженных запорными вентилями штуцера и совместно с емкостью, нагнетателем и двигателем посредством первого штуцера и основных трубопроводов образуют первый, а посредством второго штуцера и дополнительных трубопроводов - второй замкнутые контуры, в первом из которых выход из нагнетателя и вход в двигатель соединены через трубное пространство первого, а выход из двигателя и вход в емкость - через трубное пространство второго теплообменника, в то время как во втором контуре выход из нагнетателя и вход в двигатель соединены через трубное пространство второго, а выход из двигателя и вход в емкость через трубное пространство первого теплообменника, причем дополнительный источник тепла предназначен для подогрева поступающего во второй теплообменник теплоносителя- хладоагента атмосферного воздуха в том случае, когда температура последнего не ниже -10^oC и не выше +10^oC.

Имя изобретателя: Фадеев П.Я.; Фадеев В.Я.
Имя патентообладателя: Институт гидродинамики им.М.А.Лаврентьева СО РАН
Почтовый адрес для переписки: 630090 Новосибирск, пр.ак.Лаврентьева 15, Институт гидродинамики им.М.А.Лаврентьева СО РАН патентная группа
Дата начала отсчета действия патента: 1996.04.26

Разместил статью: search
Дата публикации:  18-02-2003, 10:29

html-cсылка на публикацию		⇩ Разместил статью ⇩ Владимир Николаевич  Его публикации  Нужна регистрация Отправить сообщение
BB-cсылка на публикацию
Прямая ссылка на публикацию

Огромное Спасибо за Ваш вклад в развитие отечественной науки и техники!