УСТАНОВКА ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ

Предложена установка для преобразования тепловой энергии в механическую в замкнутом термодинамическом цикле. Предложенная установка позволяет повысить коэффициент полезного действия (КПД), а также использовать тепло низкого температурного потенциала в теплоэнергетических и других производствах и может быть использована в энергетической промышленности, во многих других отраслях промышленности, а также в транспортных средствах и в быту.
Известны установки для преобразования тепловой энергии в механическую в паровых турбинах, работающих по термодинамическому циклу Ренкина или его разновидностям с использованием пара в качестве рабочей среды при высоком давлении и температуре и с конденсатором, в котором отработанный пар после турбин конденсируется путем его охлаждения, (см. А.С. Ястрежембский, «Техническая термодинамика», Госэнергоиздат, 1960; В.В. Нащокин, «Техническая термодинамика и теплопередача», М, «Высшая школа», 1975).
Основным недостатком этих устройств является низкая эффективность преобразования тепловой энергии в механическую из-за необходимости использования высокопотенциального тепла сжигания органического топлива с загрязнением окружающей среды и с низким общим коэффициентом полезного действия (КПД) процесса, а также из-за больших потерь тепла на конденсацию всего количества рабочего пара после турбин с отводом этого тепла в окружающую среду через градирни или аппараты воздушного охлаждения, что приводит к существенному перерасходу топлива.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является установка для преобразования тепловой энергии в замкнутом термодинамическом цикле (см. патент RU 2514560, кл. F01К 17/04, 27.04.2014). Установка включает в себя узел нагрева рабочей среды внешним источником тепла при повышенном давлении, паровую турбину для расширения рабочей среды с получением механической энергии, выход которой соединен с узлом струйного аппарата для поглощения отработанного пара жидкой фазой рабочей среды, поступающей от холодильника, сепаратор для разделения жидкой и паровой фазы, патрубок выхода жидкой фазы которого соединен насосом для сжатия жидкой фазы рабочей среды с подачей ее в узел нагрева рабочей среды.
Основным недостатком этой установки является то, что из-за низкого значения коэффициента инжекции жидкостно-паровых струйных аппаратов, в условиях ограничения количества жидкой фазы лишь незначительная доля отработанного пара может быть поглощена в струйных аппаратах. Поэтому основная доля отработанного пара должна сжижаться в конденсаторе (холодильнике), что ограничивает возможности этого устройства в повышении эффективности работы цикла и в снижении температурного потенциала источника тепла.
Технический результат, на достижение которого направлена предложенная полезная модель, заключается в повышении эффективности преобразования тепловой энергии в механическую энергию.
Указанный технический результат достигается тем, что установка для преобразования тепловой энергии в механическую в термодинамическом цикле, включающим узел нагрева рабочей среды внешним источником тепла при повышенном давлении, паровую турбину для расширения рабочей среды с получением механической энергии, выход которой соединен с узлом струйных аппаратов для поглощения отработанного пара жидкой фазой рабочей среды, поступающей от холодильника, сепаратор для разделения жидкой и паровой фазы, патрубок выхода жидкой фазы которого соединен насосом для сжатия жидкой фазы рабочей среды с подачей ее в узел нагрева рабочей среды, содержит дополнительный цикл, включающий насос жидкой фазы рабочей среды, соединенный с патрубком выхода жидкой фазы из сепаратора, подающий ее в холодильник для охлаждения жидкой фазы и далее в узел струйных аппаратов, при этом патрубок выхода паровой фазы из сепаратора соединен с турбиной.
Указанный технический результат достигается также тем, что установка содержит несколько последовательных ступеней поглощения отработанного пара в узлах струйных аппаратов при повышении давления, оснащенных дополнительными сепараторами.
Указанный технический результат достигается также тем, что узел струйных аппаратов состоит из одного или нескольких, соединенных параллельно, струйных аппаратов.
На фиг. 1 представлена установка для реализации полезной модели преобразования тепловой энергии в механическую с одной ступенью поглощения отработанного пара узлом струйных аппаратов.
На фиг. 2 представлена установка для реализации полезной модели преобразования тепловой энергии в механическую с двумя ступенями поглощения отработанного пара в узлах струйных аппаратах.
На фиг. 3 представлена установка для реализации полезной модели преобразования тепловой энергии в механическую с тремя ступенями поглощения отработанного пара в узлах струйных аппаратах.
Установка состоит (см. фиг. 1) из основного и дополнительного циклов. В основной цикл входят: узел нагрева жидкой рабочей среды внешним источником тепла - испаритель 1, паровая турбина 2, узел струйных аппаратов для сжатия и поглощения паровой фазы 3, сепаратор для разделения фаз 4, насос 5 для подачи жидкой фазы рабочей среды в узел нагрева. Узел струйных аппаратов для сжатия и поглощения паровой фазы 3 состоит из одного или нескольких, соединенных параллельно, струйных аппаратов. Дополнительный цикл состоит из насоса 6 подачи жидкой фазы рабочей среды в холодильник 7. Узел струйных аппаратов 3 и сепаратор 4 являются общими для основного и дополнительного циклов, так как в них потоки этих циклов объединяются.
Установка работает следующим образом: в узле нагрева 1 жидкая рабочая среда под повышенным давлением нагревается и испаряется с использованием внешнего источника тепла. Полученный рабочий пар под повышенным давлением поступает в паровую турбину 2, где он, расширяясь, передает энергию своего нагрева и сжатия на вал турбины, посредством которого механическая энергия может передаваться электрическому генератору или служить приводом какой-либо машины. После паровой турбины отработанный пар при низком давлении поступает в узел струйных аппаратов 3, где, происходит частичное поглощение отработанного пара потоком жидкой фазы вспомогательного цикла в прямом контакте при повышении давления парожидкостной смеси на выходе из струйных аппаратов. Далее парожидкостная смесь разделяется на фазы в сепараторе 4. Паровая фаза направляется в паровую турбину 2 или на одну из промежуточных ступеней турбины, в зависимости от давления паровой фазы, а жидкая фаза после сепаратора разделяется на два потока: один поток насосом 5 подается в узел нагрева 1, замыкая основной цикл; другой поток насосом 6 подает жидкую фазу рабочей среды под повышенным давлением через холодильник 7 в узел струйных аппаратов 3 в качестве их рабочего потока, замыкая тем самым дополнительный цикл. Регулируя распределение потока жидкости после сепаратора между насосами 5 и 6 можно обеспечить узел струйных аппаратов практически неограниченным количеством жидкого рабочего потока, что позволяет решить задачу эффективной работы струйных аппаратов в условиях низкого значения их коэффициента инжекции. Установка холодильника 7 на потоке жидкой фазы рабочего потока струйных аппаратов обеспечивает его охлаждение и дополнительную возможность интенсификации процесса поглощения отработанного пара, что позволяет решать задачу оптимизации работы термодинамического цикла в зависимости от поставленных перед ним требований и внешних условий работы.
На фигуре 2 представлена установка для реализации полезной модели преобразования тепловой энергии в механическую с двумя узлами струйных аппаратов в цикле.
Так же, как и на фигуре, 1 установка на фигуре 2 состоит из основного и дополнительного циклов. В основной цикл входят: узел нагрева жидкой рабочей среды внешним источником тепла - испаритель 1, паровая турбина 2, узлы струйных аппаратов для сжатия и поглощения паровой фазы 3 - первой ступени и 8 - второй ступени, сепараторы для разделения фаз 4 - первой ступени и 9 - второй ступени, насос 5 для подачи жидкой рабочей среды в узел нагрева 1. Дополнительный цикл состоит из насоса 6 и холодильника 7. Узлы струйных аппаратов первой ступени 3, второй ступени 8, сепараторы первой ступени 4 и второй ступени 9 являются общими для основного и дополнительного циклов, так как в них потоки этих циклов объединяются.
Установка работает следующим образом: в испарителе 1 жидкая рабочая среда под повышенным давлением нагревается и испаряется с использованием внешнего источника тепла. Полученный рабочий пар под повышенным давлением поступает в паровую турбину 2, где он, расширяясь, передает энергию своего нагрева и сжатия на вал турбины, посредством которого механическая энергия может передаваться электрическому генератору или служить приводом какой-либо машины. После паровой турбины отработанный пар при низком давлении поступает в узел струйных аппаратов первой ступени 3, где, происходит частичное поглощение отработанного пара потоком жидкой фазы вспомогательного цикла в прямом контакте при повышении давления парожидкостной смеси на выходе из струйных аппаратов. Далее парожидкостная смесь разделяется на фазы в сепараторе 4. Паровая фаза поступает в узел струйных аппаратов второй ступени 8, где, происходит дальнейшее поглощение паровой фазы потоком жидкой фазы по аналогии с узлом 3, но при более высоком давлении. После узла струйных аппаратов 8 парожидкостная смесь разделяется на фазы в сепараторе 9. Паровая фаза под повышенным давлением подается в паровую турбину 2 или на промежуточную ступень турбины, в зависимости от давления паровой фазы, а жидкая фаза после сепаратора 9 подается через холодильник 7 в узел струйных аппаратов 3 в качестве их рабочего потока. Жидкая фаза после сепаратора 4 разделяется на два потока: один поток жидкости насосом 5 подается в испаритель 1, замыкая основной цикл; другой поток жидкости насосом 6 подается под повышенным давлением в узел струйных аппаратов второй ступени 8 в качестве рабочего потока узла струйных аппаратов, замыкая тем самым дополнительный цикл. Установка позволяет достигать большей степени поглощения отработанного пара с более высоким конечным его давлением по сравнению с установкой по фиг. 1, поэтому имеет более высокую производительность.
Аналогичным образом можно дополнять установку дополнительными ступенями с узлами струйных аппаратов и сепараторов. На фиг. 3 представлена схема термодинамического цикла с тремя ступенями поглощения отработанного пара в узлах струйных аппаратов. В нее дополнительно введены узел струйных аппаратов 10 и сепаратор 11.
Необходимость установки насоса 5 для подачи жидкой рабочей среды в испаритель 1 решается в зависимости от выбранного режима работы по давлению узла испарителя и узлов струйных аппаратов. При выборе режима с равным давлением в указанных узлах установка насоса 5 может быть исключена.
Так же, как и в установке по фиг. 1, регулируя распределение потока жидкости после сепаратора между насосом 6 и потоком в испаритель 1 можно обеспечить узел струйных аппаратов практически любым необходимым количеством жидкого рабочего потока, что позволяет решить задачу эффективной работы струйных аппаратов в условиях низкого значения их коэффициента инжекции. Охлаждение рабочего потока жидкости в холодильнике 7 обеспечивает сдвиг равновесия в сторону повышения поглотительной способности жидкой фазы по отношению к паровой, что существенно повышает интенсивность работы и производительность струйных аппаратов и позволяет оптимизировать работу термодинамического цикла в зависимости от поставленных к ней требований и внешних условий работы. Предпочтительным местом установки холодильника 7 для установок с несколькими узлами струйных аппаратов является поток жидкой фазы из сепаратора последнего узла струйных аппаратов, где температура потока наиболее высокая.
Отсутствие в предлагаемом цикле узла конденсации с отводом тепла конденсации в окружающую среду, позволяет снизить температурный уровень внешних источников тепла, за счет использования в качестве рабочей среды термодинамического цикла низкокипящих жидкостей и сжиженных газов. Это обеспечивает возможность снижения температуры потоков в цикле, что позволяет использовать энергию из низкотемпературных источников тепла и открывает новые возможности повышения эффективности работы промышленных и энергетических предприятий и др.
Пример 1
В этом примере представлены основные данные работы предлагаемой полезной модели в табличной форме с использованием в качестве рабочей среды воды с одной ступенью поглощения отработанного пара в струйных аппаратах в соответствии со схемой на фиг. 1.
Пример 2
В этом примере представлены основные данные работы предлагаемой полезной модели с использованием в качестве рабочей среды аммиака с двумя ступенями поглощения отработанного пара в струйных аппаратах (фиг. 2).
Пример 3
В этом примере представлены основные данные работы предлагаемой полезной модели с использованием в качестве рабочей среды аммиака с тремя ступенями поглощения отработанного пара в струйных аппаратах (фиг. 3).
В приведенных примерах 2 и 3 с использованием низкокипящей рабочей среды цикла отработанные пары аммиака после турбины имеют температуру минус 23°С и минус 30°С. Конденсация такого пара традиционным способом путем охлаждения охлаждающей водой или воздухом без применения «искусственного холода» невозможна, а использование «искусственного холода» существенно повышает капитальные и энергетические затраты.
В установке, благодаря использованию отличительных признаков полезной модели, ожижение отработанных паров осуществляется посредством поглощения паровой фазы жидкой в прямом контакте при повышении давления в струйных аппаратах. При этом отвод тепла косвенно участвует в процессе поглощения отработанного пара посредством охлаждения рабочего потока струйных аппаратов, а сам отвод тепла осуществляется из точки цикла, где температура потока намного выше температуры конденсации отработанного пара и имеющего плюсовую температуру, поэтому отвод тепла может быть реализован обычным путем охлаждающей водой или воздухом без использования «искусственного холода». Таким образом, реализация предлагаемых решений позволит существенно снизить температурный потенциал источника тепла для преобразования энергии.
Известно, что водооборотные циклы существующих промышленных и энергетических предприятий отводят тепло от охлаждаемых сред на уровне 40-50°С, в то время как в представленных примерах 2 и 3 температура испарения рабочей среды цикла (аммиака) находится на уровне минус 8°С - плюс 33°С. Это открывает возможность утилизировать это тепло для преобразования энергии путем использования рабочей среды цикла в качестве хладагента вместо охлаждающей оборотной воды или воздуха. Такое решение позволяет использовать низкотемпературные тепловые отходы энергетических и многих промышленных предприятий для получения полноценной энергии с высоким КПД и тем самым повысить эффективность их работы. Ресурсы этого источника тепла практически не ограничены, а само тепло бесплатно, поскольку является неиспользуемым отходом производства.