СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
METHOD FOR HEAT ENERGY CONVERSION

Изобретение относится к области теплоэнергетики и служит для преобразования любой тепловой энергии достаточной интенсивности, например тепловой энергии солнца, земли, воды, а так же тепло, полученное при сгорании любого вещества, выделяющего при сгорании тепловую энергию, в другие виды энергии, например механическую или электрическую.
Широко известен способ преобразования тепловой энергии, полученной за счет сжигания природного твердого, жидкого или газообразного топлива, в механическую или электрическую энергии, при котором взятую из природных или искусственных водоемов сырую воду готовят с помощью водоподготовительных устройств и заливают в котел, разогревают котел за счет тепловой энергии, выделяющейся при сжигании топлива, получают насыщенный пар, который перегревают, пропуская его через пароперегреватель, воздействуют паром на активную паровую турбину, получают механическую энергию, которую преобразуют в электрическую энергию электрогенератором. Недостатком способа является необходимость использования значительного количества очищенной воды для приготовления рабочего тела - пара, большие затраты электрической энергии на перекачку воды, охлаждающей конденсатор, с целью преобразования отработанного пара в воду, потери тепла с водой, охлаждающей конденсатор. Указанные выше потери предопределяют низкий коэффициент преобразования химической энергии топлива в электрическую энергию, составляющий 15-20%.
Широко известен способ преобразования энергии жидкого или газообразного топлива в механическую энергию в карбюраторных, дизельных и других двигателях внутреннего сгорания, содержащий периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя, обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу.
Двигатель внутреннего сгорания работает, как правило, по четырехтактному циклу, который совершается за четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения и выпуска. Так как рабочим является только такт расширения и значительны потери мощности на приведение в действие вентилятора, насосного оборудования и других вспомогательных устройств, кпд карбюраторных и дизельных двигателей внутреннего сгорания составляет 30% и 40% соответственно. В конце такта выпуска давление в цилиндре падает до 0,105-0,120 МПа, а температура газов - до 500-600 град. Цельсия, вследствие чего полностью очистить цилиндры двигателя от продуктов сгорания за короткий промежуток времени практически невозможно. Загрязнение рабочей смеси отработанными газами препятствует ее полному сгоранию, что пропорционально снижает коэффициент использования теплотворной способности топлива и, кроме того, является одной из причин загрязнения атмосферы токсичными продуктами.
Преобразование теплой энергии в механическую в двигателе внутреннего сгорания осуществляется за счет стремительного расширения газа, получаемого при сгорании топливно-воздушной смеси. Стремительное расширение газа является взрывом, вследствие чего двигатель внутреннего сгорания требует высокой прочности при изготовлении, а также при работе производит высокий шум.
Основным недостатком двигателя внутреннего сгорания является возвратно-поступательное движение поршня, связанное с наличием кривошатунного механизма, усложняющего конструкцию и ограничивающего возможность повышения частоты вращения, особенно при значительных размерах двигателя, (http://dvigatels.info/vnutr.html).
Известен способ преобразования тепловой энергии различных внешних источников тепла в механическую или электрическую энергии с помощью двигателя внешнего сгорания, например двигателя Стирлинга, работающего по замкнутому термодинамическому циклу, в котором циклические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур, а управление потоком рабочего тела осуществляется путем изменения его объема.
Известен двигатель внешнего сгорания, работающий по открытому циклу, в котором управление потоком рабочего тела осуществляется с помощью клапанов, который называется двигатель Эриксона. (Двигатели Стирлинга / Сокр. пер. с англ. Б.В.Сутугина и Н.В.Сутугина. - М.: Машиностроение, 1985. - 408 с., ил.) Недостатками известных двигателей внешнего сгорания являются: наличие поршня, что обуславливает требования к механической точности изготовления и уплотнению, а так же необходимость преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное.
Известен идеальный цикл со сгоранием топлива при постоянном объеме, при котором компрессор подает сжатый воздух в камеру сгорания, туда же подается топливо. Смесь воспламеняется и сгорает при постоянном объеме. Давление в камере растет, открывается клапан и газы из камеры сгорания поступают в турбину, отработанные газы уходят в атмосферу. По мере истечения газов давление в камере сгорания падает, вследствие чего турбина работает с переменным давлением. Когда давление в камере сгорания снижается до определенного значения, клапан закрывают, и воздух из компрессора продувает камеру сгорания и цикл повторяется. (Бальян С.В. Техническая термодинамика и тепловые двигатели. Учебное пособие для студентов неэнергетических специальностей втузов. Изд. 2-е, переработ, и доп. Л., «Машиностроение», 1973. 304 с.).
Известна тепловая машина для преобразования тепловой энергии в механическую или электрическую энергию (патент RU 2183748), в которой преобразование низкопотенциального тепла осуществляется путем использования многоконтурных термодинамических циклов со смешением разнородных чистых газов. Газы в различных контурах сжимают в компрессорах, к ним подводится тепло окружающей среды в теплообменниках, и смешиваются (возможно многократно) в газовых эжекторах для получения смесей с необходимыми теплофизическими свойствами и термодинамическими параметрами, а затем расширяются в турбине для получения положительной работы с последующим разделением смеси на первоначальные компоненты. Недостатком данной тепловой машины является сложность реализации вследствие применения множества разнородных газов и использования многоконтурных термодинамических циклов.
Известен способ выработки энергии (патент US 6260347), при котором продуктами сгорания, полученными при сжигании сравнительно низкокачественного топлива, подогревают сжатый компрессором атмосферный воздух, который поступает в камеру сгорания. В камеру сгорания также подается сравнительно высококачественное топливо, получившаяся при этом топливная смесь сгорает с образованием газообразного рабочего тела, которое поступает в турбину, где расширяется, производя работу. К турбине подключен электрогенератор для выработки электрической энергии. Недостатком данного способа является необходимость использовать сравнительно высококачественное топливо.
Известен газотурбинный генератор, использующий угольную пыль (патент CN 1048741), в котором угольная пыль сгорает, полученное при этом рабочее тело расширяется с преобразованием тепловой энергии в механическую в турбине, которая вращает электрогенератор. Данный способ позволяет вырабатывать электроэнергию, при этом не расходуя воду, нефтепродукты или природный газ. Недостатком данного изобретения является зависимость от одного вида топлива (угольной пыли) и необходимость в большом количестве кислорода для полного сгорания топлива.
Наиболее близким к заявляемому является способ работы газотурбинной электростанции на твердом или жидком топливе (патент RU 2245445), заключающийся в работе электростанции, состоящей из компрессора, приводимого в действие энергией электрической сети, паротрубного котла, нагреваемого сжиганием твердого (угля, торфа, древесных отходов) или жидкого топлива (сырой нефти, мазута), газовой турбины, спаренной с электрогенератором, и холодильника, охлаждаемого проточной водой. Рабочий газ (воздух, азот, аргон, гелий) при исходном давлении 2-50 атмосфер адиабатически сжимается компрессором, повышая давление газа в 2-5 раз и температуру на 50-250 К, нагревают газ в паротрубном котле до 800-1400 К и через сопла направляют на ротор газовой турбины, где газ вращает турбину и спаренный с ней электрогенератор и, адиабатически расширяясь, совершает механическую работу, преобразуемую в электроэнергию, направляемую в электросеть. После выхода из турбины отработанный газ поступает в холодильник, охлаждаемый проточной водой, и при исходном давлении и температуре поступает в компрессор для очередного рабочего цикла, который может повторяться неограниченное число раз. При прохождении отработанного газа через холодильник проточная вода нагревается и может быть использована для отопления зданий и бытовых нужд.
Целью изобретения является повышение кпд и автономности способа преобразования тепловой энергии в другие виды энергии, а именно: устранение необходимости использования воды и источников любой энергии, кроме тепловой, высокая надежность и простота устройств и установок, работающих по предлагаемому способу.
На чертеже изображена принципиальная схема установки для реализации предлагаемого способа, где 1 - компрессор, 2 - ресивер, 3 - теплообменный резервуар, 4 - накопительный резервуар, 5 - преобарзователь кинетической энергии (например, турбина), 6 - электрогенератор.
Цель изобретения реализуется следующим образом: газообразное рабочее тело (газ или смесь газов, например воздух) при исходном давлении 2-5 атмосфер политропно сжимается компрессором (1) в 3-10 раз, при этом газ нагревается на 70-170 К. Наполняют сжатым рабочим телом ресивер (2) до заданного начального давления, рабочее тело порционно из ресивера (2) направляют в теплообменный резервуар (3), изохорно нагревают газ (передают тепловую энергию от внешнего источника газообразному рабочему телу) в теплообменном резервуаре (3) до температуры 800-1100 К и порционно направляют (перепускают) в накопительный резервуар (4). При достижении давлением в накопительном резервуаре (4) рабочего значения направляют поток газообразного рабочего тела из накопительного резервуара (4) на преобразователь кинетической энергии (5) для преобразования в другие виды энергии (механическую, электрическую), например газовую турбину (каскад турбин), к валу которой подсоединен электрогенератор (6), а так же компрессор (1). В турбине газ адиабатически расширяется и совершает полезную работу, после турбины газ может быть направлен для обогрева (охлаждения, используя абсорбционные холодильные установки), например, сушильной камеры и последующего возврата в цикл либо, если рабочим телом является воздух, выброшен в атмосферу или использован для повышения температуры топлива (например, газ или нефтепродукты), используемого для нагрева рабочего тела. Цикл может повторяться неограниченное число раз. Первоначальный пуск может быть произведен как от автономного источника сжатого газа (например, газового баллона), так и компрессором с механическим или электрическим приводами, при последующих пусках необходимость в сжатом газе и электричестве отсутствует, так как в ресивере будет оставаться необходимое для пуска количество сжатого газа.
Основными преимуществами предлагаемого способа перед способом RU 2245445 являются: отсутствие необходимости в электрической энергии для питания привода компрессора, в источнике воды для охлаждения рабочего тела в холодильнике и соответственно инфраструктуры водоподготовки, что значительно увеличивает автономность, надежность и простоту установки для осуществления предлагаемого способа. Вследствие использования теплообменного резервуара и открытого сгорания топлива, а не паротрубного котла для передачи тепловой энергии рабочему телу, увеличится коэффициент передачи тепла рабочему телу и полнота сгорания топлива, что снизит тепловое и химическое загрязнение атмосферы. Использование политропного сжатия рабочего тела вместо адиабатического снижает значение работы для сжатия газа, а использование изохорного нагрева рабочего тела вместо изобарного снижает необходимое количество тепловой энергии для нагрева одного и того же количества рабочего тела до одинаковых температур, что вместе приводит к увеличению кпд цикла.