Способ преобразования тепловой энергии
METHOD FOR CONVERTING THERMAL ENERGY

Изобретение относится к теплоэнергетике, к способам, предназначенным для преобразования в замкнутом цикле тепловой энергии газов в иной вид энергии, в частности в электрическую или механическую энергию. Может быть применим в качестве способа для решения задач комплексного тепло-энергоснабжения в устройствах и сооружениях.
Известны замкнутые циклы преобразования тепловой энергии, например, холодильный цикл и цикл Стирлинга. В холодильном цикле используют рабочее тело, компрессор, холодильник, нагреватель (испаритель). В холодильном цикле потребляется механическая энергия и вырабатывается холод. В холодильном цикле не используют расширение рабочего тела, направленное на выработку механической энергии. В цикле Стирлинга помимо рабочего тела, нагревателя и холодильника используют регенератор — устройство, отводящее тепло от рабочего тела на некоторых этапах цикла, и отдающее это тепло рабочему телу на других этапах. В цикле Стирлинга используют однокомпонентное рабочее тело.
Известен тепловой двигатель замкнутого цикла с подвижной камерой-стенкой по патенту DE4244016, F01K 25/06, 1994. Рабочая среда цикла представляет собой смесь из двух ингредиентов, в частности, из азота и бутана. В цикле, во время работы теплового двигателя с помощью подвижной стенки изменяется объем рабочей среды. Критическая температура первого ингредиента ниже температуры камеры, а температура второго ингредиента – выше. Ингредиенты смешиваются при температуре ретроградной конденсации в камере двигателя. Более легкоиспаряющийся газообразный ингредиент растворим в жидкой фазе второго ингредиента, который испаряется тяжелее. При использовании в цикле подобранных ингредиентов уменьшается количество тепловой энергии, затрачиваемой на фазовый переход. Недостатком является малая эффективность работы теплового двигателя.
Известен термодинамический процесс по патенту на изобретение ЕР0134431, F01K 25/06, 1985. Процесс предназначен для преобразования тепловой энергии в механическую. Термодинамический цикл включает два тепловых уровня, уровень источника энергии и уровень выхода энергии. В качестве рабочего тела используют группу веществ, термическая стабильность которых находится в пределах температур этого процесса. Вещества в своем жидком состоянии могут быть смешиваемыми или несмешиваемыми, и иметь различное давление пара при заданных температурах. Давление насыщения менее летучего вещества на температурном уровне источника энергии как минимум выше, чем давление насыщения более летучего компонента на температурном уровне выхода энергии. Недостатком является невысокий коэффициент полезного действия при данном способе преобразования тепловой энергии в механическую.
В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбран энергетический цикл, в котором используется смесь по патенту России на изобретение №2148722, F01K 25/06, 1998. В энергетическом цикле в первой фазе при первоначальной температуре рабочее тело расширяется с совершением работы с последующей отдачей тепла, а во второй фазе сжимается, после чего посредством теплообмена доводится до первоначальной температуры. В качестве рабочего тела используют смесь, состоящую из нескольких компонентов, находящихся в жидкой и газовой фазах. При сжатии происходит растворение газа в жидкости, которое сопровождается поглощением тепла, поэтому работа сжатия уменьшается. В процессах расширения и сжатия при изменении концентрации в жидкой и газовой фазах происходят тепловые эффекты, которые зависят от давления и температуры. Это является специфическим свойством данного рабочего тела, при котором жидкость, которая впоследствии переходит в газ предварительно газифицирована. Несмотря на уменьшение подвода тепла, за счет выделения тепла при протекании внутренних процессов, энергетический цикл не обладает высокой эффективностью.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение эффективности способа преобразования тепловой энергии.
Технический результат достигается за счет того, что в способе преобразования тепловой энергии, включающем использование в замкнутом цикле рабочего тела, состоящего из смеси компонентов, один из которых находится в газообразном состоянии, сжатие рабочего тела, нагрев рабочего тела, расширение рабочего тела с совершением им работы, охлаждение рабочего тела, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела используют смесь из двух компонентов, первым из которых является инертный газ, а вторым – легкокипящая жидкость, расчетным путем подбирают количество компонентов таким образом, чтобы соотношение количества первого компонента к количеству второго компонента по массе находилось в пределах от 1:0,055 до 1:6,25, проводят сжатие компонентов, при котором испарение второго компонента происходит по линии насыщения, далее проводят нагрев образовавшейся смеси газов до 100-150ºС, проводят расширение рабочего тела, после которого проводят охлаждение рабочего тела с выделением второго компонента в жидкую фазу
Технический результат обеспечивается тем, что рабочее тело является двухкомпонентным. Использование в качестве первого компонента газа, выбранного из ряда инертных газов, а в качестве второго компонента - легкокипящей жидкости позволяет обеспечить максимально быстрый нагрев первого компонента при сжатии и максимально быстрое испарение второго компонента при нагреве первого компонента и повышении давлении. При сжатии первый компонент, находящийся в газообразном состоянии нагревается. Второй компонент, находящийся перед сжатием в жидком состоянии, при повышении давления выкипает и в процессе парообразования охлаждает нагревающийся первый компонент, приближая процесс сжатия к изотермическому процессу. Использование двух компонентов в пределах указанного соотношения масс от 1:0,055 до 1:6,25 позволяет подобрать пару компонентов так, что после стадии сжатия оба компонента находились бы в газообразном состоянии. Подбор давления и температуры процесса сжатия таким образом, что второй компонент находится в процессе насыщенного парообразования, позволяет на протяжении всего сжатия использовать потенциал энергии фазового перехода второго компонента для охлаждения первого компонента. Это позволяет приблизить КПД сжимающего устройства к 100% и повысить эффективность всего цикла. Значение температуры нагрева смеси двух газов, образовавшихся при сжатии, равное 100ºС, является оптимальным для повышения эффективности цикла. Малый перепад между начальным значением температуры рабочего тела перед сжатием и конечной температурой нагрева рабочего тела обеспечивает экономию тепловой энергии топлива, идущего на нагрев. В то же время данная температура нагрева является достаточной для совершения рабочим телом работы при его последующем расширении. За счет использования небольшого перепада температур в низкотемпературном замкнутом цикле значительно возрастает его эффективность. После расширения рабочего тела и совершения им работы для получения механической энергии проводят охлаждение рабочего тела с выделением второго компонента в жидкую фазу, что позволяет привести компоненты рабочего тела к начальной температуре для возможности осуществления нового цикла преобразования энергии.
Как и в холодильном цикле, в термодинамическом цикле по заявляемому способу используют компрессор, холодильник, нагреватель (испаритель), но кроме этих частей используют еще расширитель, которого нет в холодильном цикле. В заявляемом способе присутствуют все стадии цикла Стирлинга, но в отличие от цикла Стирлинга, в заявляемом способе используют двухкомпонентное рабочее тело. То есть в цикле способа используют как газ, так и жидкость, которая постоянно переходит из жидкого состояния в газообразное и обратно, как и в холодильном цикле. В заявляемом способе используют цикл Карно, в котором сжатие газа происходит близко к изотермическому процессу, с малыми затратами на сжатие.
На фигуре 1 представлена схема низкотемпературного термодинамического цикла, используемого в способе преобразования тепловой энергии.
Для осуществления способа используют последовательно связанные между собой компрессор 1, нагреватель 2, расширитель 3, холодильник 4. В качестве компрессора 1 могут использовать объемные винтовые компрессоры, выполненные с возможностью работы с разнофазными телами, таким как жидкость и газ. В частности, могут быть использованы компрессоры «Атлас Копко» марок AQ 15 VSD - AQ 55 VSD, винтовой компрессор «SPITZENREITER SZW» марок SZW7A - SZW250W.  В качестве нагревателя 2 могут использовать теплообменные аппараты, например, конвективного типа, теплообменники "труба в трубе" однопоточные неразборные (ТТОН). В качестве источника тепла могут использовать природный газ, выхлопные газы газотурбинных установок, солнечные батареи и т.д. В качестве расширителя 3 могут использовать детандер или турбину, с вала которой механическая энергия передается для вращения вала электрогенератора. В качестве холодильника 4 могут использовать конденсационный калорифер, горизонтальные холодильники типа ХН с плавающей головкой.
Способ осуществляют следующим образом.
Подбирают компоненты рабочего тела таким образом, чтобы газ при сжатии максимально быстро нагревался. А жидкость при нагревании и повышении давления максимально быстро испарялась. С учетом физических свойств компонентов, расчетным путем определяют оптимальное соотношение массы жидкости и газа исходя из условия, что на выходе из компрессора оба компонента должны находиться в газовой фазе. Для рабочего тела в качестве первого компонента могут использовать инертные газы. Первый компонент могут использовать в сочетании с довольно большим количеством веществ, пригодных для второго компонента. Могут использовать около 50 различных типов легкокипящих жидкостей или хладагентов, которыми являются фреоны. Могут использовать, например, следующие пары компонентов для рабочего тела: аргон-бутан, гелий-пропан, криптон-бутан, криптон-R142b, гелий-R11, неон-R113, криптон-R22, ксенон-R12, радон-R123 и т.д. Из аппарата для осуществления способа удаляют весь воздух и дозированно закачивают первый компонент рабочего тела, который является газом, дозированно, исходя из расчетной массы, заливают хладагент. Начальное давление рабочего тела определяют исходя из типа хладагента, который при начальной температуре должен находиться в жидком состоянии. Начальную температуру устанавливают около 30ºС, давление рассчитывают, с учетом того, что различные хладагенты кипят при +30ºС при разном давлении. Для конкретного хладагента или легкокипящей жидкости выбирают давление насыщения парообразования, т.е., такое давление, при котором этот компонент был бы на грани кипения. Первоначально в холодильнике 4 одновременно находится газ и легкокипящая жидкость. Подают двухкомпонентное рабочее тело в компрессор 1 на сжатие. Оба компонента попадают на винтовую пару компрессора 1 одновременно. При сжатии газ начинает нагреваться, но в это время жидкость начинает кипеть на линии насыщения и остужать газ. В итоге процесс сжатия оказывается близок к изотермическому. При сжатии весь второй компонент выкипает, и в нагреватель 2 поступает уже смесь газов. В нагревателе 2 нагревают рабочее тело до температуры близкой к 100ºС. Точное значение температуры, до которой необходимо провести нагрев, рассчитывают исходя из давления газов перед нагревом, из состава и типа газов, из начальной температуры перед нагревом.
Далее нагретую смесь сжатых газов подают на расширитель 3, например, на турбину. Газы, расширяясь с отдачей тепла, совершают работу по вращению вала турбины, соединенного с потребителем механической энергии, например, с валом электрогенератора. Таким образом происходит преобразование тепловой энергии в механическую энергию. Далее рабочее тело вновь попадает в холодильник 4, где происходит конденсация второго компонента, полный переход его в жидкость, отдача тепла рабочим телом и достижение им первоначальной температуры около 30ºС. Далее цикл повторяют.
Пример 1.
В примере 1 дано физическое обоснование параметров стадий замкнутого цикла по заявляемому способу.
В качестве компонентов для рабочего тела выбирают аргон и бутан. В таблице приведены значения давления и температуры на всех четырех стадиях термодинамического цикла: Р1, Т1 – начальные параметры компонентов в холодильнике 4,
Р2, Т2 – параметры сжатия компонентов,
Р3, Т3 – параметры нагрева,
Р4, Т4 – параметры рабочего тела после совершения работы в расширителе 3.
Рабочее тело,расход компонентов в компресоре
Р1(бар)
T1(ºС)
P2(бар)
T2(ºС)
P3(бар)
T3(ºС)
P4(бар)
T4(ºС)
Аргон 1 кг/мин
3
30
8
69,51
8
100
3
-21,15
Бутан 0,1356 кг/мин
3
30
8
69,51
8
100
3
70,15
Значения Р1 и T1 выбирают из состояния жидкости. Именно при таких значениях давления и температуры бутан находится в жидком состоянии. Давление определяют в зависимости от температуры, исходя из условия насыщения. При таком давлении и температуре жидкость находится в состоянии начала закипания. Давление сжатия с Р1=3бар до Р2=8 бар выбирают из соображений получения максимального КПД в компрессоре 1. Оптимальное давление сжатия Р2, определяют из расчета, что КПД компрессора 1 близок к 100%. Температуру сжатия Т2=69,51°С определяют исходя из физических характеристик жидкости (бутана). Именно при давлении в 8 бар и такой температуре бутан кипит. Соотношение массы аргона к массе бутана 1:0,1356 рассчитано из условия, что при такой дозировке в конце процесса сжатия весь бутан испарится, при небольшом перепаде температур начала и конца сжатия. Если количества бутана в аргоне недостаточно, то бутан весь испарится ещё до конца процесса сжатия и смесь газов выйдет из компрессора 1 горячей. Это вызовет большие затраты энергии на сжатие. Если количество бутана в аргоне превысит указанное, в данном соотношении, то на выходе из компрессора 1 окажется холодный газ и жидкость. Затраты в этом случае на сжатие будут минимальные, но жидкость далее нагреется и испарится в нагревателе 2, что приведет к снижению КПД цикла. В нагревателе 2 смесь нагревают с 69,51ºС до 100ºС при постоянном давлении. Если смесь нагреть до температуры ниже оптимальной, например, до 80ºС, то, при расширении в расширителе 3 капли бутана будут образовываться прямо в полости детандера 3, так как газ остывает и фазовый переход бутана из газа в жидкость начнётся ещё до процесса окончания расширения. Бутан в виде капель жидкости не совершит механическую работу, что вызовет падение КПД цикла. Если перегреть газ до 130ºС, то после расширения необходимо будет затратить большое количество энергии на охлаждение газа в холодильнике 4 для перехода бутана в жидкость. Оптимальная температура должна быть такой, что бы при расширении смесь газов остыла до 31ºС. При соблюдении оптимальной температуры нагрева 100 ºС и при последующем снижении ее до 30 ºС затраты тепловой энергии в холодильнике 4 необходимы только на фазовый переход бутана. После охлаждения и разделения смеси на разнофазные компоненты: жидкий бутан и газообразный аргон, цикл завершается.
На основе данного примера проводят расчеты эффективности работы цикла.
Газ и жидкость находятся в холодильнике 4 при давлении 3 бар и температуре 30ºС. Аргон газообразный, бутан жидкий. В таблицах указано давление (Р), температура (Т), энтальпия(Н) и энтропия (S).
Т1 (ºС)
Р1(бар)
Н1 (кДж/кг)
S1( кДж/кг*ºС)
Аргон
30
3
2,0472532992658
0,21873359087
Бутан
30
3
-360,0481123263
1,323182503593
Сжимают аргон, подавая одновременно в винтовой компрессор 1 бутан. Аргон сжимается и нагревается, бутан нагревается и кипит, остужая аргон. Рассчитывают затраты энергии на процесс сжатия. Бутан весь выкипает и превращается в пар с сухостью 1. Аргон нагревается. Параметры сжатия занесены в таблицу ниже.
Т2 (ºС)
Р2(бар)
Н2( кДж/кг)
S2(кДж/кг*ºС)
Аргон
175,71200243518
8
77,796392972853
-0,21873359087064
Бутан
69,510112439521
8
51,29013949824
-0,10717632510836
Пары бутана охлаждают аргон до той же самой температуры. Данные по охлаждению занесены в таблицу.
Тохл. (ºС)
Р2(бар)
Нохл (кДж/кг)
Sохл (кДж/кг*ºС)
Аргон
69,510112439521
8
22,001347307601
-0,36059018181644
Бутан
69,510112439521
8
51,29013949824
-0,10717632510836
Рассчитывают работу компрессора 1 для сжатия аргона: А=19,954 кДж. При этом бутану от  аргона перешло 55,783 кДж  тепловой энергии, что соответствует выкипанию 0,1356 кг бутана. Это и есть расход бутана на сжатие 1 кг аргона. Далее на нагрев смеси газов массой 1,1356 кг до 100ºС затрачивают 16,055+8,99=25,045 кДж.
Т3 (ºС)
Р3(бар)
Н3 (кДж/кг)
S3 (кДж/кг*ºС)
Аргон
100
8
38,056991786685
-0,31570218000651
Бутан
100
8
117,58933124554
0,07816150241935
Смесь газов расширяется с совершением работы. Данные по процессу расширения в таблице ниже.
Т4 (ºС)
Р4(бар)
Н4(кДж/кг)
S4(кДж/кг*ºС)
Аргон
-21,14785689839
3
-24,790987542889
0,31570218000651
Бутан
70,150850507001
3
71,684059556838
0,07816150241935
Рассчитывают работу компрессора 1 для сжатия аргона: А=19,954 кДж. При этом бутану от аргона переходит 55,783 кДж тепловой энергии, что соответствует выкипанию 0,1356 кг бутана. Это и есть расход бутана на сжатие 1 кг аргона. Далее на нагрев до 100ºС смеси газов массой 1,1356 кг затрачивают 16,055+8,99=25,045 кДж. Рассчитывают работу при расширении смеси газов А=62,8479717+6,2247=69,0727 кДж. Далее в холодильнике 4 оба рабочих тела возвращаются к исходной температуре. При этом аргон нагревается с получением 26,8382 кДж, а бутан остывает и отдает 58,54288 кДж. Для этого из холодильника 4 должно быть отведено 31,7 кДж. Подсчитывают баланс мощностей и КПД:
Из процесса забирают энергию 19,954+25,045+31,7=76,7кДж.
Расчет показал, что при использовании пары аргон-бутан в качестве рабочего тела, КПД термодинамического цикла по заявляемому способу составляет  90%.
Пример 2
В качестве компонентов для рабочего тела выбирают криптон и бутан.
В начале цикла и криптон, и бутан находятся в холодильнике 4, при температуре 30ºС и давлении 3 бар. При этом криптон находится в газообразном состоянии, бутан - в жидком. Параметры рабочих тел представлены в таблице ниже.
Т1(ºС)
Р1(бар)
H 1(кДж/кг)
S(кДж/кг*ºС)
Криптон
30
3
0,653
-0,105
Бутан
30
3
-360,048
-1,323
Сжимают криптон в компрессоре 1, подавая одновременно в винтовой компрессор 1 бутан. Сжатие проводят до 8 бар. При этом криптон начинает нагреваться, а бутан начинает выкипать. При кипении бутан забирает у криптона энергию и охлаждает его. На выходе из компрессора 1 получают смесь двух газов - криптона и бутана. Температура смеси не может превысить температуру кипения бутана при давлении в 8 бар. Параметры сжатия занесены в таблицу ниже.
Т2(ºС)
Р2(бар)
H(кДж/кг)
S (кДж/кг*ºС)
Криптон
175,777
8
36,625
-0,105
Бутан
69,51
8
51,29
-0,107
Криптон охлаждается и в конце процесса сжатия температура криптона равна температуре бутана (69,51ºС). Затраты энергии на сжатие криптона уменьшаются. Данные по охлаждению занесены в таблицу.
Тохл. (ºС)
Р2(бар)
Нохл (кДж/кг)
Sохл (кДж/кг*ºС)
Криптон
69,51
8
9,77
-0,173
Бутан
69,51
8
51,29
-0,107
Определяют затраты энергии на сжатие 1 кг криптона с 3 бар при 30ºС до 8 бар при 69,51º А=9,135 кДж. Работу на сжатие бутана не учитывают, т.к., бутан-жидкость. Рассчитывают, какая масса бутана необходима для охлаждения криптона.  Для сжатия 1 кг криптона необходимо 70 гр. бутана. Итого, в процессе цикла участвует масса 1,07 кг.
Далее эту массу нагревают в нагревателе 3 до 100ºС. Параметры по нагреву занесены таблицу ниже.
Т3 (ºС)
Р3(бар)
Н3 (кДж/кг)
S3 (кДж/кг*ºС)
Криптон
100
8
17,511
-0,152
Бутан
100
8
117,589
0,0782
Далее эту смесь газов адиабатно расширяют в расширителе 4, которым могут являться турбина, поршневой двигатель, винтовая пара двигателя, и т.д. Параметры расширения каждого газа занесены в таблицу ниже.
Т4 (ºС)
Р4(бар)
Н4(кДж/кг)
S4(кДж/кг*ºС)
Криптон
-21,156
3
-12,254
-0,152
Бутан
70,151
3
71,684
0,0782
При расширении криптон нагревает бутан. В конце процесса расширения оба газа имеют одинаковую температуру. Газами совершается работа Акр=29,765 кДж и Абут=3,213 кДж. Аобщ.= 32,978 кДж. Расчёт работы выполнен с допущениями, так как расширяется смесь, а не газы по отдельности. Определяют количество энергии, затраченное на нагрев газов. Екр=7,741 кДж, Ебут=4,64 кДж, Еобщ.= 12,382 кДж. Далее в холодильнике 4 охлаждают смесь и вновь переводят бутан из газообразного состояния в жидкое. Затраты энергии на это составляют 25 кДж.
КПД цикла с использованием в рабочем теле пары криптон-бутан составляет 89,8%.
Расчетно-экспериментальным способом определена эффективность работы термодинамического цикла некоторых других пар компонентов рабочего тела. Несмотря на то, что КПД при использовании данных пар ниже, чем при использовании пар аргон-бутан и криптон-бутан, он выше, чем в существующих аналогах. Полученные результаты приведены в таблице ниже.
Компоненты пары
Соотношение. компонентов
Т и Р на выходе из компрессора (ºС) и (бар)
Т нагрева (ºС)
Т и Р в холодильнике (ºС) и (бар)
КПД%
Гелий +R11
1/6,25
87,68 6,262
100
301,262
56
Неон +R113
1/2,7
110 5.54
150
30 0,54
54,66
Криптон +R 22
1/0,046
44 17
100
3012
49
Ксенон +R12
1/0,06
5112,44
100
30 7,44
48
Аргон + пропан
1/0,055
46,315,8
100
30 10,8
39
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет повысить эффективность способа преобразования тепловой энергии.