ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2099543

СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОГО ТЕПЛА В ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЮ

СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОГО ТЕПЛА В ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЮ

Имя изобретателя: Степанов Николай Николаевич 
Имя патентообладателя: Степанов Николай Николаевич
Адрес для переписки: 
Дата начала действия патента: 1992.12.30 

Использование: в области теплоэнергетики. Сущность изобретения: в способе преобразования низкопотенциального тепла, при котором сжимают с помощью нагнетателя находящееся в контуре, включающем испаритель, газообразное рабочее тело с последующим переходом его энергии в работу, расширением и понижением температуры, а затем восстанавливают теплоту рабочего тела с помощью внешнего теплоносителя при возвращении рабочего тела в нагнетатель, с помощью конденсатного насоса подают в испаритель жидкий увлажнитель, который распыляют и испаряют в рабочем теле до полного насыщения с переходом заключенного в рабочем теле тепла в скрытую теплоту паров, а переход энергии сжатия рабочего тела в механическую работу осуществляют в силовой турбине с одновременным расширением, а также с конденсацией в ней паров увлажнителя и превращением их скрытой теплоты также в механическую работу и далее в электроэнергию, получаемый конденсат увлажнителя возвращают к его насосу, а рабочее тело возвращают в нагнетатель через теплообменник, в котором восстанавливают теплоту рабочего тела, в качестве которого используют газ с температурой кипения ниже температуры плавления увлажнителя, а в качестве последнего - жидкость с температурой кипения выше температуры окружающей среды.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано для производства механической работы и электроэнергии за счет тепла, имеющегося в окружающей атмосфере, а также тепла, выделяемого различными устройствами и теряющегося в атмосфере, например выхлопных газов, тепловых выделений холодильных устройств, газов вытяжной вентиляции, геотермальных вод и т.п.

Известен способ преобразования низкопотенциального тепла, при котором (в цикле теплового насоса) сжимают с помощью нагнетателя находящееся в контуре, включающем испаритель, газообразное рабочее тело с последующим переходом его энергии в работу, расширением и понижением температуры, а затем восстанавливают теплоту рабочего тела с помощью внешнего теплоносителя при возвращении рабочего тела в нагнетатель (Кирилин В.А. и др. "Техническая термодинамика", М. Энергоиздат, 1983, с.137).

Недостатками известного способа являются зависимость от постоянного электроснабжения и неэффективность преобразования получаемой работы в электроэнергию, а также ограниченность получаемой мощности.

Задачей изобретения является расширение арсенала способов преобразования низкопотенциального тепла, а также снижение зависимости от электроснабжения, повышение получаемой мощности, улучшение условий отбора тепла от теплоносителя без изменения фазового (газообразного) состояния рабочего тела, обеспечение эффективного преобразования теплоты теплоносителя и соответствующей работы в электроэнергию.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе преобразования низкопотенциального тепла, при котором сжимают с помощью нагнетателя находящееся в контуре, включающем испаритель, газообразное рабочее тело с последующим переходом его энергии в работу, расширением и понижением температуры, а затем восстанавливают теплоту рабочего тела с помощью внешнего теплоносителя при возвращении рабочего тела в нагнетатель, с помощью конденсатного насоса подают в испаритель жидкий увлажнитель, который распыляют и испаряют в рабочем теле до полного насыщения с переходом заключенного в рабочем теле тепла в скрытую теплоту паров, а переход энергии сжатия рабочего тела в механическую работу осуществляют в силовой турбине с одновременным расширением, а также с конденсацией в ней паров увлажнителя и превращением их скрытой теплоты также в механическую работу и далее в электроэнергию, получаемый конденсат увлажнителя возвращают к его насосу, а рабочее тело возвращают в нагнетатель через теплообменник, в котором восстанавливают теплоту рабочего тела, в качестве которого используют газ с температурой кипения ниже температуры плавления увлажнителя, а в качестве последнего - жидкость с температурой кипения выше температуры окружающей среды. При этом распыление и испарение увлажнителя осуществляют в испарителе под давлением, создаваемым нагнетателем, в качестве которого используют турбонагнетатель, а для работы турбонагнетателя используют энергию силовой турбины.

СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОГО ТЕПЛА В ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЮ СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОГО ТЕПЛА В ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЮ

На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства для реализации способа преобразования низкопотенциального тепла, на фиг. 2 возможная компановка оборудования устройства.

Устройство для реализации способа преобразования низкопотенциального тепла содержит контур рабочего тела, в котором имеются турбонагнетатель (компрессор) 1, испаритель 2, силовая турбина 3 с электрогенератором 4, теплообменники 7,9 для газового и жидкого теплоносителей и шибер (задвижка) 10. Контур увлажнителя содержит конденсатную приемную емкость 6 увлажнителя, конденсатный насос 5, теплообменник 8. Силовая турбина 3 и турбонагнетатель 1 имеют рабочие колеса, соединенные между собой и с электрогенератором 4 общим валом.

Способ преобразования низкопотенциального тепла в электроэнергию реализуется следующим образом

В исходном положении контур рабочего тела полностью заполнен, турбина 3 и турбонагнетатель неподвижны. Электрогенератор 4, подключенный к энергосистеме (не изображена), запускают сначала в режиме электродвигателя и раскручивают силовую турбину 3 совместно с турбонагнетателем 1 (это может быть выполнено дополнительным двигателем). Одновременно насосом 5 подают в испаритель 2 жидкий увлажнитель. В результате кратковременной работы электрогенератора 4 в режиме электродвигателя сжимают с помощью нагнетателя 1 находящееся в контуре рабочее тело, которое поступает через теплообменник 8 в испаритель 2. Через теплообменник 8 в испаритель 2 подают жидкий увлажнитель, который распыляют и испаряют в рабочем теле до полного насыщения с переходом заключенного в рабочем теле тепла в скрытую теплоту паров увлажнителя. Сжатое рабочее тело, насыщенное парами увлажнителя, поступает в рабочее колесо турбины 3, где происходит расширение рабочего тела и переход его энергии сжатия во внешнюю механическую работу с понижением температуры и с одновременной конденсацией в ней паров увлажнителя, т.к. влажность выходит за пределы насыщения, и превращением скрытой теплоты паров в явную и также в механическую работу. Таким образом, силовая турбина 3 работает под воздействием двух составляющих: энергии расширения рабочего тела, сжатого турбонагнетателем 1, т.е. явной теплоты рабочего тела и энергии теплоты паров увлажнителя, т.е. скрытой теплоты рабочего тела. Получаемая в турбине 3 механическая работа обеспечивает при развитии оборотов до номинальных переход электрогенератора 4 в режим выработки электроэнергии, т.е. преобразования в нее механической работы.

Конденсат увлажнителя возвращают к насосу 5, т.е. в емкость 6, а рабочее тело в турбонагнетатель 1 через теплообменники 7,9, в которых восстанавливают теплоту рабочего тела, преобразованную во внешнюю работу, с помощью внешнего теплоносителя, которым может быть атмосферный воздух, газы вытяжной вентиляции и воздух приточной, воздух, отводящий тепловыделения холодильных устройств и другие газообразные или жидкие теплоносители, рассеивающие тепло в окружающем пространстве. Рабочее тело, проходя через турбонагнетатель 1, сжимается и циркулирует в контуре, как описано выше, а увлажнитель осуществляет перенос скрытой теплоты между испарителем 2 и турбиной 3. Поскольку рабочие колеса турбины 3 и турбонагнетателя 1 соединены общим валом, часть энергии турбины 3 непосредственно используется для работы турбонагнетателя 1, который работает за счет внутренних энергоресурсов контура, не требует специального приводного электродвигателя и не имеет соответствующих потерь энергии.

В теплообменнике 8 происходит подогрев увлажнителя рабочим телом для уменьшения его вязкости и облегчения распыления и испарения в испарителе 2. Давление рабочего тела может регулироваться с помощью шибера 10.

Исходя из температурных изменений рабочего тела при реализации способа, в его качестве используют газ с температурой кипения ниже температуры плавления увлажнителя, а в качестве последнего емкость с температурой плавления ниже расчетной температуры охлаждения рабочего тела и с температурой кипения выше температуры окружающей среды, чем обеспечивается запуск после продолжительной стоянки.

При таких условиях применение фреонов невозможно. Необходимыми свойствами рабочего тела обладают воздух и азот, и в качестве увлажнителя легко испаряющиеся жидкости: этиловый спирт (C2H6O), метиловый спирт (CH4O) и этиленгликоль (C2H4O2O). Однако эти жидкости создают с кислородом воздуха взрывоопасные смеси, поэтому целесообразно применение с ними азота в качестве газообразного рабочего тела. При минимальной температуре рабочего тела в цикле способа не ниже 0oC в качестве его увлажнителя может быть использована вода.

В результате настоящего изобретения расширен арсенал способов и технических средств преобразования низкопотенциального тепла, так как в отличие от теплового насоса, реализующего только передачу теплоты низкопотенциального теплоносителя на более высокий температурный уровень, т.е. способного выполнять лишь тепловую работу, в предложенном способе эта теплота преобразуется в механическую работу, а теплота теплоносителя во внешнюю механическую работу, которая, при необходимости, может быть далее преобразована в универсальный вид энергии в электроэнергию. Более того, при преобразовании теплоты рабочего тела известными тепловыми двигателями: паровыми и газовыми турбинами, паровыми машинами и двигателями внутреннего сгорания, преобразуется в механическую работу лишь явная теплота рабочего тела, а вся скрытая теплота выбрасывается как тепловые отходы, что снижает коэффициент эффективного использования теплоты теплоносителя в лучшем случае до 40% При осуществлении предложенного способа, благодаря использованию в силовой турбине для преобразования в механическую работу также и скрытой теплоты рабочего тела и возврата энергии в круговой цикл, коэффициент эффективности повышается не менее чем в 2 раза.

При этом снижена зависимость от электроснабжения, так как оно используется лишь кратковременно при запуске электрогенератора 4 в режиме электродвигателя, а в установившемся режиме электроэнергия не потребляется, а только вырабатывается, снижен уровень температур и давления на энергонасыщенном участке между турбонагнетателем 1 и турбиной 3, так как часть энергии переносится насыщенным паром увлажнителя, а снижение указанных параметров влечет за собой сокращение рассеивания тепла, тем самым повышается допустимая мощность устройства, реализующего способ. Поскольку рабочее тело циркулирует в контуре только в газовой фазе, улучшаются условия регенеративного теплообмена с теплоносителем. В связи с тем что в качестве рабочего тела и его увлажнителя рационально использование лишь абсолютно экологически чистых материалов, его работа в любом качестве в этом смысле совершенно безопасна. Благодаря значительному сокращению потребления топлива для выработки электроэнергии применение этого способа будет способствовать снижению уровня парникового потепления.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ преобразования низкопотенциального тепла, при котором сжимают с помощью нагнетателя находящееся в контуре, включающем испаритель, газообразное рабочее тело с последующим переходом его энергии в работу, расширением и понижением температуры, а затем восстанавливают теплоту рабочего тела с помощью внешнего теплоносителя при возвращении рабочего тела в нагнетатель, отличающийся тем, что с помощью конденсатного насоса подают в испаритель жидкий увлажнитель, который распыляют и испаряют в рабочем теле до полного насыщения с переходом заключенного в рабочем теле тепла в скрытую теплоту паров, а переход энергии сжатия рабочего тела в механическую работу осуществляют в силовой турбине с одновременным расширением, а также с конденсацией в ней паров увлажнителя и превращением их скрытой теплоты также в механическую работу и далее в электроэнергию, получаемый конденсат увлажнителя возвращают к его насосу, а рабочее тело возвращают в нагнетатель через теплообменник, в котором восстанавливают теплоту рабочего тела, в качестве которого используют газ с температурой кипения ниже температуры плавления увлажнителя, а в качестве последнего жидкость с температурой кипения выше температуры окружающей среды.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что распыление и испарение увлажнителя осуществляют в испарителе под давлением, создаваемым нагнетателем, в качестве которого используют турбонагнетатель.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что для работы турбонагнетателя используют энергию силовой турбины.

Версия для печати
Дата публикации 07.01.2007гг


вверх