УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ

Полезная модель относится к области теплоэнергетики, в частности, к устройствам преобразования тепловой и механической энергии в электрическую и может быть использована для создания устройств преобразования энергии низкопотенциальной теплоты в электрическую.
Известно устройство, содержащее котел с горелкой, связанный паропроводом острого пара с турбиной, которая соединена паропроводом отработавшего пара с конденсатором, питательный насос котла, систему смазки и охлаждения подшипников питательного насоса, включающую в себя циркуляционный масляный насос и маслоохладитель, выполненный в виде бесконтактного поверхностного маслогазового теплообменника, включенного по охлаждающей среде в газопровод природного газа между устройством для понижения давления газа и горелкой котла, причем, устройство для понижения давления газа выполнено в виде турбодетандера, а газопровод, соединяющий турбодетандер с газовым маслоохладителем, покрыт тепловой изоляцией [RU 2335643, C1, F01K 13/00, 10.10.2008].
Недостатком устройства является относительно узкие функциональные возможности, что не позволяет использовать его для получения электрической энергии из низкопотенциальной теплоты.
Известно также устройство, содержащее последовательно соединенные турбодетандер, компрессор и теплообменник, выход которого соединен с входом турбодетандера, а также электрогенератор, вход которого соединен с выходом турбодетандера [US 7096665, F01K 25/08, F01K 25/00, 22.01.2004].
Недостатком этого устройства является относительно низкая эффективность преобразования низкопотенциальной теплоты в электрическую энергию.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство преобразования низкопотенциальной теплоты в электрическую энергию, содержащее последовательно соединенные турбодетандер и компрессор, а также теплообменник, выход которого соединен с входом турбодетандера, электрогенератор, вход которого соединен с выходом турбодетандера, и капиллярный насос, вход которого соединен с выходом компрессора, а выход - соединен с входом теплообменника [RU 82962, U1, H02N 11/00, 10.05.2009].
Недостатком наиболее близкого технического решения также является относительно низкая эффективность преобразования низкопотенциальной теплоты в электрическую энергию.
Требуемый технический результат заключается в повышении эффективности преобразования низкопотенциальной теплоты в электрическую энергию.
Требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее, последовательно соединенные турбодетандер и электрогенератор, введены первый абсорбер и второй абсорбер, первые входы которого соединены с выходами первого абсорбера, насос, вход которого соединен с первым выходом второго абсорбера, дроссель, выход которого соединен с первым входом первого абсорбера, рекуперативный теплообменник, первый вход которого соединен с выходом насоса, десорбер, первый вход которого соединен с первым выходом рекуперативного теплообменника, второй выход которого соединен со входом дросселя, а второй вход - соединен с первым выходом десорбера, а также дефлегматор, первый выход которого соединен с входом турбодетандера, второй выход - соединен со вторым входом десорбера, второй выход которого соединен с входом дефлегматора, при этом, второй выход турбодетандера соединен со вторым входом второго абсорбера, второй выход которого соединен со вторым входом первого абсорбера.
На чертеже представлена функциональная структурная схема устройства преобразования низкопотенциальной теплоты в электрическую энергию.
Устройство преобразования низкопотенциальной теплоты в электрическую энергию содержит турбодетандер 1, электрогенератор 2, вход которого соединен с первым выходом турбодетандера 1, первый абсорбер 3, второй абсорбер 4, первые входы которого соединены с выходами первого абсорбера 3, насос 5, вход которого соединен с первым выходом второго абсорбера 4, дроссель 6, выход которого соединен с первым входом первого абсорбера 3, рекуперативный теплообменник 7, первый вход которого соединен с выходом насоса 5, десорбер 8, первый вход которого соединен с первым выходом рекуперативного теплообменника 7, второй выход которого соединен со входом дросселя 6, а второй вход - соединен с первым выходом десорбера 8, а также дефлегматор 9, первый выход которого соединен с входом турбодетандера 1, второй выход - соединен со вторым входом десорбера 8, второй выход которого соединен с входом дефлегматора 9.
Кроме того, в устройстве преобразования низкопотенциальной теплоты в электрическую энергию второй выход турбодетандера 1 соединен со вторым входом второго абсорбера 4, второй выход которого соединен со вторым входом первого абсорбера 3.
Работает устройство преобразования низкопотенциальной теплоты в электрическую энергию следующим образом.
Предварительно проведем теоретическое обоснование его работы.
Рабочий цикл устройств для преобразования низкопотенциальной тепловой энергии в электрическую состоит из четырех фаз:
1 - рабочее тело в жидкой фазе (вода, пропан, аммиак, фреон и так далее) закачивается под определенным давлением в теплообменник;
2 - рабочее тело под давлением испаряется в теплообменнике с помощью источника тепловой энергии;
3 - рабочее тело в парообразном состоянии под давлением расширяется в турбине (турбодетандере), подсоединенное к газокомпрессору, генератору или насосной установке для эффективной производительности;
4 - пар, поступающий из турбины, конденсируется в жидкость с помощью охлаждающей колонны или лопастного вентиляторного теплообменника и газоохладителя.
Сконденсированная жидкость закачивается обратно в теплообменник под аналогичным давлением и эта жидкость создает постоянный циркуляционный поток в замкнутой системе циркуляции.
По такому циклу функционирует, например, система каскадной замкнутой цикличной рекуперации тепла, предназначена для утилизации сбросовой тепловой энергии тепловых электростанций и преобразования ее в электрическую [US 6,857,268, В2, 22.02.2005].
Выработка механической энергии осуществляется за счет адиабатического расширения рабочего тела в третьей фазе процесса, а четвертая фаза процесса, в которой происходит конденсация рабочего тела и перевод его в жидкое состояние, позволяет достичь необходимого давления рабочего тела с минимальными энергетическими затратами.
o
o
o
1
1
1
o
1
o
1
При адиабатическом расширении рабочего тела его параметры изменяются с постоянной энтропией (S=const) от некоторых начальных (давление P, температура T, энтальпия H) до конечных P, T и H, соответственно. Выработанная механическая мощность пропорциональна разности H-H и массе рабочего тела, проходящего через турбину в единицу времени. Очевидно, что с увеличением H и уменьшением величины H при неизменных параметрах рабочего тела эффективность системы рекуперации повышается, так как увеличивается вырабатываемая механическая энергия.
o
При ограничении на температуру источника нагрева, увеличение величины H невозможно, так как давление нагнетания рабочего тела задается максимально возможным.
o
1
окр
кр
окр
Достичь меньших значений величины H также затруднительно. Это связано с недостатком подобных систем преобразования, ограничивающим эффективность их применения, а именно то, что охлаждение рабочего тела и его конденсация достигается путем сообщения с окружающей внешней средой. Для эффективного охлаждения, температура рабочего тела T на выходе турбины (турбодетандера) должна быть выше температуры окружающей среды T на 10-20°С, что делает невозможным проводить адиабатическое расширения рабочего тела до температуры ниже некоторой критической величины T=T+(10-20°С).
окр
При обычных условиях, когда температура T составляет 20-40°С, минимальная температура рабочего тела должна быть не ниже 60°С.
По этой же причине малоэффективно использовать в такой системе источник тепловой энергии с температурой ниже 170°С.
Предположительно одним из вариантов повышения эффективности подобных систем может быть применение абсорбционных холодильных машин (АХМ) для охлаждения рабочего тела. Для работы может быть использована тепловая энергия того же источника, который используется и для нагрева рабочего тела. Однако такой вариант предполагает увеличение стоимости системы и только технико-экономический расчет может показать приведет ли этот вариант к повышению эффективности всей системы рекуперации тепловой энергии.
Достоинством АХМ является то, что для их функционирования используется в основном тепловая энергия. Так как хладагент сжимается в составе бинарного раствора (абсорбент+хладагент), то для достижения необходимого давления рабочего тела механической (электрической) энергии требуется намного меньше, чем в компрессионных холодильниках.
Предлагается для повышения эффективности преобразования тепловой энергии в механическую энергию ввести в систему рекуперации абсорбционный контур для конденсации, сжатия и нагрева рабочего тела перед подачей его на вход турбины (фазы 4, 1, 2).
Для получения бинарных растворов могут использоваться различные сочетания «абсорбент - рабочее тело». Принцип действия предлагаемого устройства и некоторые рабочие параметры будут определены для пары: абсорбент - вода, рабочее тело - аммиак. Эта пара находит широкое применение в холодильных машинах. Кроме того, аммиак имеет хорошие теплофизические характеристики, поэтому широко применяется и в системах рекуперации тепловой энергии.
Реализуются эти теоретические предпосылки следующим образом.
Рабочее тело под давлением, например 25 bar, и температурой, например 140°С, поступает на вход турбодетандера 1. В качестве рабочего тела может быть использован пропан, аммиак или, например, хладагент R134A. С выхода турбодетандера 1 рабочее тело под давлением, которое несколько превышает атмосферное (~1,3 bar) и с температурой 30°С, пройдя через теплообменник второго абсорбера 4, поступает в первый абсорбер 3. Можно показать, что для рассматриваемого примера совершенная в процессе адиабатического расширения работа будет примерно равна A=~430 кДж/кГ.
Механическая энергия преобразуется в электрическую в электрогенераторе 2, который механически связан с турбодетандером 1.
Во втором абсорбере 4 рабочее тело охлаждает бинарный раствор и нагревается до температуры ~25°С. В первый абсорбер 3 также поступает теплый абсорбент. Абсорбент поглощает аммиак (рабочее тело) с выделением большого количества теплоты (~33 Дж/моль), которое отводится протекающей через теплообменник первого абсорбера 3 хладагентом (например, водой) с температурой ~20°С.
Непоглощенный водой аммиак и бинарный раствор поступают во второй абсорбер 4. Требуемая концентрация аммиака в растворе должна составлять 35%. Такое количество аммиака может раствориться в воде при нормальном атмосферном давлении и температуре не выше 20°С. Поскольку температура бинарного раствора в первом абсорбере 3 больше 20°С, то дополнительное охлаждение бинарного раствора (15-20°С) осуществляется во втором абсорбере 4 за счет протекающего в теплообменнике абсорбера холодного рабочего тела.
С выхода второго абсорбера 4 бинарный раствор требуемой концентрации поступает на вход насоса 5. Давление раствора на выходе насоса 5 около 25 bar, а его температура на выходе равна температуре на входе насоса 5.
С выхода насоса 5 бинарный раствор поступает в рекуперативный теплообменник 7, где подогревается стекающей из десорбера 8 водой с малым содержанием аммиака, и далее поступает обратно в десорбер 8. В результате в десорбере 8 раствор нагревается, в частности, до температуры ~170°С. В процессе нагрева бинарный раствор разделяется на воду, в которой содержится небольшое количество аммиака, и газообразный аммиак с небольшим количеством воды. Вода из десорбера 8 поступает в рекуперативный теплообменник 7 и далее через дроссель 6 в первый абсорбер 3.
Из десорбера 8 газообразный аммиак с примесью воды поступает в дефлегматор 9, где за счет охлаждения до температуры ~140°С происходит удаление остатков воды, которая стекает в десорбер 8. Далее газообразный аммиак в качестве рабочего тела поступает на вход турбодетандера 1 и описанный цикл работы повторяется.
Следует отметить, что в предложенном абсорбционном контуре возможно применение различных пар «абсорбент - рабочее тело» - все определяет целевая установка на применение подобных систем рекуперации тепловой энергии, а именно максимальная температура внешнего источника тепла, требуемая вырабатываемая мощность, температура источника охлаждения абсорбера и т.д. Однако при любых целевых установках желательно соблюдение ряда других условий. Так желательно, чтобы теплота растворения рабочего тела в абсорбенте была минимальной. При использовании такого бинарного раствора возможно исключение из абсорбционного контура дополнительного источника охлаждения абсорбера, а охлаждение проводить за счет холодного рабочего тела, поступающего от турбодетандера.
1
2
1
2
Совершенная работа равна разности энтальпий рабочего тела в начале адиабатического процесса H и в конце H. В рассматриваемом примере H=~1760 кДж/кГ, а H=~1330 кДж/кГ и эта работа равна A=1760 кДж/кГ-1330 кДж/кГ=~430 кДж/кГ. При использовании того же рабочего тела в прототипе при давлении 100 bar и температуре 170°С на входе турбины и 25°С на выходе совершенная работа составит 1650 кДж/кГ-1350 кДж/кГ=300 кДж/кГ. Повышение эффективности составляет примерно: (430 кДж/кГ-300 кДж/кГ)/300 кДж/кГ=43%
Следует отметить и чисто техническое преимущество предлагаемого устройства, а именно то, что на вход турбины рабочее тело подается под давлением в 4 раза меньше, чем в прототипе.
Таким образом, благодаря усовершенствованию известного устройства достигается требуемый технический результат, заключающийся в повышении эффективности преобразования энергии, поскольку благодаря введению дополнительных элементов, образующих, в частности, абсорбционный контур с системой рекуперации, существенно повышается эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую энергию.