ЭНЕРГОУСТАНОВКА
POWER PLANT

Изобретение относится к теплоэнергетике.
Целью изобретения является повышение эффективного к.п.д. тепловых машин.
Известна энергоустановка, состоящая из входного устройства, внутреннего контура, содержащего турбокомпрессор с газовым каналом, внутри которого расположен парогенератор, соединяющим контур с атмосферой, внешнего контура, на выходе которого установлена свободная турбина, теплообменика-регенератора, воздушные каналы которого являются частью внешнего контура, а газовые - внутреннего, расположенного за турбокомпрессором (патент RU 2287708,2006 г.).
Известны турбовальные газотурбинные двигатели, в которых используется свободная турбина (Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей / Под ред. С.М. Шляхтенко - М.: Машиностроение, 1987, с. 354, рис. 11.4).
Известны газотурбинные двигатели, у которых за турбиной устанавливается диффузорный патрубок, позволяющий повышать перепад давлений в турбине больше, чем располагаемый (Нечаев Ю.Н., Федоров P.M. Теория авиационных газотурбинных двигателей. 4.2. М.: Машиностроение, 1978, с. 268, рис. 19.2).
Известны газотурбинные двигатели с регенерацией теплоты (Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей / Под ред. С.М. Шляхтенко - М.: Машиностроение, 1987, с. 354, рис. 11.3).
Поставленная цель достигается тем, что в энергоустановке, состоящей из входного устройства, внутреннего контура, содержащего турбокомпрессор с газовым каналом, внутри которого расположен парогенератор, соединяющим контур с атмосферой, внешнего контура, на выходе которого установлена свободная турбина, теплообменика-регенератора, воздушные каналы которого являются частью внешнего контура, а газовые - внутреннего, расположенного за турбокомпрессором, установлен вентилятор, подающий воздух во внутренний и внешний контуры. Внутри теплообменника-регенератора расположен паронагреватель, который с одной стороны соединен с парогенератором, а с другой - с паровой турбиной, из которой пар истекает в ресивер свободной турбины (во внешний контур), которая соединена с газовым каналом на участке между парогенератором и соединенным с ним экономайзером. Газовый канал содержит теплообменник-конденсатор. Экономайзер и теплообменник-конденсатор соединены с емкостью, в которой находится питательная вода, которая нагнетается и откачивается насосами. Во внешнем контуре расположен теплообменник, в котором циркулирует воздух, поступающий из смесителя, в котором смешиваются воздух, поступающий из компрессора турбокомпрессора, и воздух, поступающий из теплообменника.
Сущность изобретения заключается в том, что для повышения эффективности энергоустановки использованы внутренние термодинамические циклы (Письменный В.Л. Внутренние термодинамические циклы. // М. - Конверсия в машиностроении. 2006, №3. С. 5÷10), которые при тех же физических ограничениях позволяют увеличить количество подводимой теплоты и уменьшить количество отводимой теплоты в тепловой машине.
Предпочтительно иметь температуру газа пред турбиной турбокомпрессора более 2300 К; суммарную степень повышения давления воздуха в компрессоре (вентиляторе) 30÷40; степень двухконтурности энергоустановки (отношение расходов воздуха через внешний и внутренний контуры) 3÷4.
Для снижения отбора воздуха от турбокомпрессора на охлаждение турбины сопловые аппараты турбины предпочтительно делать керамическими.
Корпус энергоустановки предпочтительно покрывать теплоизоляционным материалом.
На фиг. 1 показана энергоустановка;
на фиг. 2 показан термодинамический цикл энергоустановки;
на фиг. 3 показана зависимость к.п.д. энергоустановки от степени повышения давления воздуха;
на фиг. 4 показана зависимость коэффициента избытка воздуха в камере сгорания турбокомпрессора от степени повышения давления воздуха.
на фиг. 5 показана зависимость относительного расхода пара от степени повышения давления воздуха.
Энергоустановка (фиг. 1) состоит из входного устройства 1, вентилятора 2, внутреннего и внешнего контуров.
Внутренний контур содержит турбокомпрессор 3 с газовым каналом 4, внутри которого расположен парогенератор 5, экономайзер 6, и теплообменник-конденсатор 7. Экономайзер и теплообменник-конденсатор соединены с емкостью 8, в которой находится питательная вода, которая нагнетается и откачивается насосами (н).
Внешний (второй) контур содержит теплообменник 9, смеситель 10, свободную турбину 11. Внутренние каналы теплообменника 9 с одной стороны через смеситель 10 соединены с воздушной полостью за компрессором турбокомпрессора, а с другой стороны - со смесителем 10 через нагнетатель (н) и воздушными каналами системы охлаждения турбины турбокомпрессора. Свободная турбина 11 соединена с газовым каналом 4 на участке между парогенератором 5 и соединенным с ним экономайзером 6.
Общим элементом обоих контуров является теплообменник-регенератор 12, воздушные каналы которого являются частью внешнего контура, а газовые - внутреннего, расположенный за турбокомпрессором 3. Внутри теплообменника-регенератора расположен паронагреватель 13, который с одной стороны соединен с парогенератором 5, а с другой - с паровой турбиной 14, из которой пар истекает в ресивер свободной турбины 11 (во внешний контур).
Вентилятор 2 соединен с турбокомпрессором 3 через редуктор (Р).
1
Работа энергоустановки осуществляется следующим образом. Турбокомпрессор 3 приводит в действие вентилятор 2. От вентилятора 2 воздух попадает во внутренний и внешний контуры установки. Во внутреннем контуре к воздуху подводится энергия топлива (Q), которая в виде работы и теплоты передается во внешний (второй) контур энергоустановки.
Первая передача энергии во внешний контур осуществляется в вентиляторе 2.
Вторая передача энергии осуществляется в теплообменнике 9. Теплообменник 9 забирает часть энергии из внутреннего контура, что создает условия (охлаждаются лопатки турбины), при которых во внутренний контур подводится дополнительная энергия (топливо).
Работа системы охлаждения турбины осуществляется следующим образом. Горячий воздух отбирается за компрессором турбокомпрессора и подается в смеситель 10, и далее в теплообменник 9. Охлажденный в теплообменнике 9 воздух поступает в систему охлаждения турбины турбокомпрессора и в нагнетатель (н), который нагнетает воздух в смеситель 10. В смесителе 10 охлажденный воздух перемешивается с горячим воздухом, поступающим из компрессора. В результате смешения температура горячего воздуха понижается. Образовавшаяся смесь поступает в теплообменник, и цикл повторяется. Снижение температуры воздуха будет продолжаться до тех пор, пока не будет достигнут тепловой баланс между теплом, поступающим в смеситель 10 от компрессора, и теплом, отводимым через теплообменник 9 во внешний контур энергоустановки.
Горячий газ (внутренний контур) и нагретый воздух (внешний контур) поступают в теплообменник-регенератор 12, где происходит третья передача энергии.
Работа теплообменника-регенератора осуществляется следующим образом. Горячий газ из турбины турбокомпрессора истекает во внутреннюю полость теплообменника 12, через которую по теплопроводящим каналам движется воздух внешнего контура. Статическое давление на выходе из турбины за счет скорости истечения газа (λ~0,5) поддерживается ниже атмосферного, что создает неравномерное поле давлений внутри теплообменника-регенератора (давление в центре ниже, чем на периферии). Под действием перепада давлений образуются зоны обратных токов, которые заставляют охлажденный газ возвращаться в зону истечения горячего газа, и смешиваться с ним, после чего процесс повторяется (чем больше размеры теплообменника, тем больше степень охлаждения горячего газа).
Отработанный газ из внутренней полости теплообменника 12 поступает в газовый канал 4, из которого истекает в атмосферу. По этому же газовому каналу навстречу отработанному газу через систему теплообменников (экономайзер, парогенератор) движется вода под давлением ~ 100 атм. Вода поглощает энергию отработанного газа, образуется пар, который поступает в паронагреватель 13, который расположен в зоне истечения горячих газов турбокомпрессора. Перегретый пар под высоким давлением поступает в турбину 14, которая совершает полезную работу. Отработанный пар поступает в ресивер свободной турбины 11 (четвертая передача энергии во внешний контур).
Нагретый воздух из теплообменника-регенератора 12 поступает в ресивер свободной турбины 11, где смешивается с отработанным паром. Свободная турбина совершает полезную работу.
Отработанный воздух (пар) истекает в газовый канал, где его энергия утилизируется в экономайзере 6.
После прохождения экономайзера в газе сохраняется значительное количество связанной энергии (теплота парообразования). В теплообменнике-конденсаторе 7 осуществляется отъем этой энергии в виде горячей воды и конденсата, которые затем используются для работы энергоустановки, а также для других целей. Оставшаяся теплота рассеивается в атмосфере (потери).
1
2
3
На фиг. 2 в Р-υ координатах показан термодинамический цикл энергоустановки (фиг. 1), иллюстрирующий сущность изобретения, которая, как уже сказано, заключается в использовании внутренних термодинамических циклов. Цикл энергоустановки (фиг. 1) состоит из внешнего цикла Lц (цикл Брайтона) и двух внутренних циклов: Lц (цикл Брайтона) и Lц (цикл Ренкина). Отличие внутренних циклов от внешнего цикла состоит в том, что внутренние циклы не имеет энергообмена с внешней средой.
1
1
1-2
1-3
2
3
1-2
3
К внешнему циклу подводится теплота Q (процесс к-г). Часть этой теплоты преобразуется в работу Lц, которая используется для сжатия рабочих тел внутренних циклов. Другая часть теплоты (Q и Q) передается во внутренние циклы, в которых преобразуется в работу Lц и Lц (фиг. 2). Нереализованная во внутренних циклах теплота Q возвращается (условно) внешнему циклу, после чего рассеивается в атмосфере в виде теплоты Q.
3
3
1
3
1-2
1-3
1
Очевидно, что теплота Q составляет часть теплоты, которая отводится из внешнего цикла, а следовательно, использование внутренних циклов повышает термический к.п.д. тепловой машины. Действительно, 1-Q/Q>1-(Q+Q+Q)Q.
е
Т
г
отб
в
к
тк
тп
тс
м
г
кс
т
*
На фиг. 3 показана диаграмма распределения энергии в энергоустановке (фиг. 1) в зависимости от степени повышения давления воздуха π (здесь η - эффективный к.п.д., η - тепловой к.п.д.). При определении характеристик (фиг. 3) заданы следующие параметры энергоустановки: температура газа перед турбиной турбокомпрессора Т=2400 К; степень двухконтурности установки m=3,0; температура лопаток первой ступени турбины Тл=1250 К; коэффициент интенсивности охлаждения лопаток турбины ϑ=0,65; отбор воздуха на охлаждение турбины δ=20%; к.п.д. вентилятора η=0,85; к.п.д. компрессора η=0,85; к.п.д. турбины турбокомпрессора η=0,95; к.п.д. паровой турбины η=0,95, к.п.д. свободной турбины η=0,96; механический к.п.д. η=0,98; полнота сгорания топлива η=0,99; коэффициент восстановления давления в камере сгорания σ=0,98; коэффициент восстановления давления в теплообменниках σ=0,98.
Видно, что эффективный к.п.д. энергоустановки приближается к 60%.
п
кс
На фиг. 4 и фиг. 5 показаны зависимости относительного расхода пара q (отношение расхода пара к расходу воздуха через внутренний контур) и коэффициента избытка воздуха в камере сгорания α от степени повышения давления воздуха π. Зависимости интересны тем, что указывают на наличие энергетического резерва для повышения эффективного к.п.д. энергоустановки, а именно: в перспективе следует переходить к стехиометрическому турбокомпрессору.
Энергоустановка предназначена для использования в народном хозяйстве. Положительный результат - снижение себестоимости вырабатываемой энергии в 1,5÷2 раза.