ТУРБОКОМПРЕССОРНАЯ ТЕПЛОВАЯ МАШИНА, РАБОТАЮЩАЯ ПО ЗАМКНУТОМУ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОМУ ЦИКЛУ С ВНУТРЕННЕЙ РЕГЕНЕРАЦИЕЙ ТЕПЛА
TURBOCHARGER THERMAL MACHINE OPERATING ON A CLOSED THERMODYNAMIC CYCLE WITH INTERNAL HEAT RECOVERY

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в тепловых электростанциях, автомобилях, холодильных машинах, тепловых насосах и других процессах для преобразования тепловой энергии в механическую и обратно как «тепловой насос».
Известна схема газотурбинной установки замкнутого цикла, Моисеев Г.И., Мееров Л.З. Конструкция стационарных газотурбинных установок. - М.: Госэнергоиздат, 1962.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является Газотурбинная установка замкнутого цикла фирмы Эшер Висc (стр. 94). Описанное устройство принято за прототип изобретения.
Недостатки прототипа:
Передача тепла отработавшего газа осуществляется после расширения в турбине и после сжатия в компрессоре в рекуперационном теплообменнике. В связи с чем уменьшается конечная температура подогрева газами после турбины и увеличивается начальная температура подогрева газов после компрессора из за расширения и сжатия газа в рабочих колесах. В связи с чем уменьшается возможность использования тепла при его рекуперации.
Технической задачей изобретения является:
1. Расширение температурного диапазона при рекуперации тепла в течении всего рабочего термодинамического цикла.
2. Повышение КПД тепловой машины.
Поставленная задача решена следующим образом:
Рекуперационный теплообменник тепловой машины реализован внутри компрессора и турбины. Конструктивно выполнен в виде поочередно установленных рабочих колес и полых пространств, через которые встречно текут греющий и подогреваемый газы. Вал, на который установлены колеса, имеет каналы, через которые подводятся и отводятся газы.
Сущность изобретения
На фиг. 1 изображена турбокомпрессорная тепловая машина, работающая по замкнутому термодинамическому циклу с внутренней регенерацией тепла в продольном разрезе и состоит из радиальных компрессора 1 и турбины 2. Внутри компрессора 1 и турбины 2 поочередно располагаются подвижные рабочие колеса 6 и полые пространства 3 для встречного течения газообразного рабочего тела по отношению к потоку в рабочих колесах. Валы блоков имеют каналы 4 и отверстия 5 для прохода газа между полостями вала и рабочим колесам 6, полыми пространствами 3. Каналы 4 вала компрессора подсоединены к охлаждающему теплообменнику 8. Выход полых пространств 3 между рабочими колесами турбины и вход турбины подсоединены к нагревающему теплообменнику 9. Регенерация тепла происходит через стенки рабочих колес по принципу рекуперативного теплообменника. Тепло перетекает между потоком газа полого пространства 3 и потоком газа, протекающего через рабочие колеса 6, при этом рост температурных градиентов в компрессоре и турбине направлен от центра к наружной окружности рабочих колес по радиусу. При нагревании газа, проходящего через компрессор, и охлаждении газа в турбине процесс идет приближенно изохорно, соответственно работа на его сжатие и расширение почти не расходуется.
Из-за замкнутости цикла кинетическая энергия потока, выходящего из турбины, не теряется и возвращается обратно в цикл.
При вращении рабочих колес и прохождении газа через полые пространства между рабочими колесами и внутри рабочих колес увеличиваются коэффициенты теплопередачи между потоками и стенками колес.
На фиг. 2 изображена диаграмма термодинамического цикла, проходящего в турбокомпрессорной тепловой машине, работающей по замкнутому термодинамическому циклу с внутренней регенерацией тепла. Подвод тепла Q1 в цикл осуществляется в нагревающем теплообменнике в конце изобары 2-3 при давлении газа Р2. Рекуперация тепла Qr1 в турбине осуществляется между изохорой 3-4 и изобарой 2-3. Рекуперация тепла Qr2 в компрессоре осуществляется между изохорой 1-2 и изобарой 4-1. Отвод тепла Q2 от цикла осуществляется в охлаждающем теплообменнике в конце изобары 4-1 при давлении Р1.