Способ преобразования тепловой энергии
HEAT ENERGY CONVERSION METHOD

Изобретение относится к теплоэнергетике, к способам, предназначенным для преобразования тепловой энергии потоков газа и жидкости 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. Может использоваться для повышения энергоэффективности газотурбинных или поршневых установок в составе газоперекачивающих агрегатов, энергоблоков, силовых установок судов. Возможно применение для преобразования тепловой энергии в электрическую в производствах с технологическими процессами сопровождающимися сбросом тепла, например, в металлургической промышленности или в производстве цемента. Возможно использование для преобразования в электрическую энергию тепла, получаемого в установках для преобразования энергии солнечных лучей в тепловую энергию, для преобразования тепла ядерных реакторов и т.д. В качестве теплоносителей могут использоваться различные газы или жидкие теплоносители, такие как диатермическое масло, расплавы металлов или солей и т.д.
Известен способ преобразования тепловой энергии, описанный в патенте США US09388817, F02B 39/10, 2016. Способ преобразования тепловой энергии заключается в дополнительном сжатии в компрессоре углекислого газа сжатого до сверкритического уровня давления, в подогреве сжатого в компрессоре газа от газа, направленного с выхода турбины и подогретого в рекуператоре. Способ включает преобразование энергии нагретого сжатого углекислого газа в турбине в механическую энергию, использование части полученной в турбине механической энергии на сжатие углекислого газа в компрессоре и передаче потребителю выработанной в турбине механической энергии за вычетом величины затраченной на сжатие углекислого газа. В качестве потребителя может быть применен, например, электрогенератор. Способ так же включает возвращение части неиспользованной в турбине тепловой энергии сжатого углекислого газа в рабочий цикл за счет его подогрева в рекуператоре газом с выхода турбины. При использовании способа происходит дополнительное снижение температуры сжатого углекислого газа с выхода турбины в охладителе до величины большей, чем граница перехода углекислого газа в сверхкритическое состояние. Такой переход происходит при температуре равной 31°С при давлении 71 атм. Далее происходит возвращение охлажденного в охладителе углекислого газа на вход компрессора для повторного сжатия.
Для способа преобразования тепловой энергии в электрическую, основанного на термодинамическом цикле, в котором в качестве рабочего тела используется сжатый до сверхкритического давления углекислый газ, может быть обеспечен достаточно высокой расчетный уровень эффективности. В реальности такой способ наталкивается на ряд серьезных проблем, приводящих к значительному снижению расчетных показателей эффективности. Использование в качестве рабочего тела сжатого до сверхкритического давления углекислого газа приводит к тому, что при небольших мощностях генерируемых с помощью описанного способа, например 0,3…1 МВт, оптимальный диаметр рабочего колеса компрессора оказывается в пределах от 50 до 90 мм, а оптимальная частота вращения ротора компрессора составляет порядка 100000…50000 обротов в минуту. При таких малых диаметрах компрессора для получения требуемых значений кпд компрессоров и турбин необходимо обеспечить очень малые величины зазоров - менее 0,1 мм между ротором и статором компрессоров и турбин. Обеспечить стабильность столь малых зазоров с учетом теплового расширения материалов и расширения материалов колес под действием центробежных сил чрезвычайно сложно. Поэтому при проектировании подобных систем существенно увеличивают зазоры по сравнению с оптимальными величинами с точки зрения эффективности. Следствием увеличения зазоров неизбежно становится значительное снижение эффективности компрессора и турбины по сравнению с теоретически достижимыми значениями. Это приводит к снижению эффективности описанного выше способа преобразования тепловой энергии с использованием сжатого до сверхкритического давления углекислого газа. Кроме того, при существующем уровне развития технологий создать генератор способный вырабатывать 03…1 МВт электроэнергии при частоте вращения ротора 100000…50000 оборотов в минуту практически невозможно. При попытке редуцирования частоты вращения до приемлемых значений потери в редукторе приводят к существенному снижению эффективности описанного выше способа. При попытке снизить частоту вращения компрессоров и турбин по отношению к оптимальным значениям понижается их КПД и еще большее снижение эффективности способа.
Существуют особенности реализации предлагаемого способа при широком диапазоне условий эксплуатации. Сверхкритическое состояние углекислого газа существует при температурах выше 31°С, поэтому охлаждение сжатого углекислого газа ниже этой температуры недопустимо, т.к. приведет к переходу углекислого газа из сверхкритического состояния в жидкость. Таким образом, при снижении температуры окружающей среды, от +40°С, например, до - 40°С… - 60°С допустимая степень захолаживания углекислого газа на входе в компрессор становится существенно ниже. Это приводит к уменьшению работы и эффективности цикла. Термический КПД цикла Карно может быть определен из следующего соотношения
где
T1 - температура при нагреве;
Т2 - температура при захолаживании.
Из данного соотношения видно, что повышение температуры захолаживания неизбежно ведет к снижению эффективности цикла. Добиться повышения эффективности цикла, а значит и предлагаемого способа, за счет повышения температуры нагрева не представляется возможным, т.к. для увеличения этой температуры приходится увеличивать количество сжигаемого органического топлива. Таким образом, при работе в широком диапазоне эксплуатационных температур происходит снижение эффективности предлагаемого способа из-за ограничения температуры захолаживания рабочего тела. Эффективность способа преобразования тепла с использованием в качестве рабочего тела сжатого до сверхкритического давления углекислого газа для установок малой и средней мощности, работающих в широком диапазоне условий эксплуатации оказывается существенно ниже рассчитанного теоретически уровня.
В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбран способ описанный в патенте РФ на изобретение №2629515 «Система для утилизации тепла замкнутого типа», F02C 6/00, 2016, шестой независимый пункт формулы. Способ заключается в сжатии углекислого газа в однокаскадном или многокаскадном компрессоре, подогреве в рекуператоре от потока углекислого газа с выхода турбины сжатого в компрессоре углекислого газа, дополнительном нагреве этого сжатого углекислого газа в теплообменнике от потока газообразного или жидкого теплоносителя, преобразовании энергии сжатого и нагретого углекислого газа в хотя бы одной ступени турбины в механическую энергию, использовании части механической энергии, выработанной турбиной, для сжатия углекислого газа в компрессоре, а также передаче оставшейся механической энергии потребителю, например, для вращения вала электрогенератора, компрессора или насоса. А так же, в - передаче с помощью рекуператора неиспользованной в турбине тепловой энергии сжатого углекислого газа с выхода турбины сжатому углекислому газу с выхода компрессора. В дополнительном охлаждении углекислого газа, передавшего в рекуператоре тепло с помощью газообразного или жидкого хладагента, и возвращении охлажденного углекислого газа на вход однокаскадного или многокаскадного, компрессора для повторного сжатия. Давление сжатого углекислого газа при описанном способе не превышает 60 атмосфер. Недостатком этого способа является ограничение рабочего давления углекислого газа значением в 60 атмосфер, что не позволяет обеспечить высокую эффективность системы в широком диапазоне условий эксплуатации, например, при изменении температур окружающей среды которая для различных регионов может составлять от - 60°С до +50°С. Недостатком также является сложность достижения высокой эффективности при использования теплоносителя с переменной температурой потока, например, такого как выхлопные газы газотурбинного двигателя. Кроме того, в рассматриваемом способе тепло, переданное хладагенту при захолаживании углекислого газа не используется. Это также приводит к снижению эффективности способа.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение эффективности способа преобразования тепловой энергии в широком диапазоне условий эксплуатации системы утилизации тепла.
Технический результат достигается за счет того, что в способе преобразования тепловой энергии, включающем использование в системе утилизации тепла сжатого углекислого газа, сжатие газа, по крайней мере, в одном компрессоре, нагрев газа в теплообменнике от потока теплоносителя, преобразование с помощью турбины части тепловой энергии этого газа в механическую энергию с передачей ее потребителю, направление газа с выхода турбины через рекуператор на вход компрессора через охладитель, подогрев в рекуператоре газа с выхода компрессора нагретым газом с выхода турбины, согласно изобретению, заполняют систему сжатым углекислым газом, устанавливают оптимальные значения степени повышения давления в компрессоре и давления на входе в компрессор для интервала эксплуатационных температур окружающей среды, выбирая степень повышения давления из диапазона от 2,2 до 5,9, а значение давления на входе из диапазона от 13 до 35 атм., регулируя объем газа в системе.
При этом поток хладагента, нагревшегося при охлаждении углекислого газа используется для нагрева топлива и/или окислителя, сжигание которых обеспечивает нагрев теплоносителя, используемого для нагрева сжатого углекислого газа, для нужд потребителя, например, для отопления, или в технологическом процессе.
Технический результат обеспечивается тем, что с целью достижения высокой эффективности способа преобразования тепла для заданных эксплуатационных условий подбирают оптимальные значения уровня давления сжатого углекислого газа на входе в компрессор из диапазона от 10 атмосфер до 35 атмосфер, а также соответствующую выбранному давлению оптимальную степень повышения давления в компрессоре в диапазоне от 2,2 до 5,9. Данные диапазоны обусловлены ограничениями, накладываемыми на величину давления сжатого углекислого газа при реализации предлагаемого способа. Вышеуказанные оптимальные по эффективности диапазоны значений определены экспериментально. При снижении давления на входе в компрессор ниже 13 атмосфер падает КПД установки преобразования тепла.
При увеличении значения давления на входе в компрессор выше 35 атмосфер накладывается ограничение, обусловленное условиями перехода сжатого углекислого газа на входе в компрессор в жидкое состояние. Кроме того, необходимо учитывать, что при уменьшении давления сжатого углекислого газа:
- повышается работа сжатия углекислого газа, что приводит к снижению эффективности предлагаемого способа, и оптимальное давление углекислого газа на входе в компрессор определяется как некий компромисс между потерей эффективности из-за ограничения температуры захолаживания углекислого газа и ростом работы затрачиваемой на сжатие углекислого газа;
- существенно увеличиваются габариты оборудования, что может стать причиной роста тепловых потерь в тракте.
На фигуре 1 представлена схема системы преобразования тепла замкнутого типа с одноступенчатым компрессором.
На фигуре 2 представлена схема системы преобразования тепла замкнутого типа с двухступенчатым компрессором.
На фигуре 3 представлена зависимость КПД системы преобразования тепла замкнутого типа от степени повышения давления в компрессоре.
На фигуре 4 представлена зависимость потерь эффективности системы от температуры окружающей среды, для трех значений давления на входе в компрессор, приведенных в примерах 1, 2 и 3.
Система для преобразования тепла является замкнутой системой. В ней в качестве рабочего тела используют сжатый углекислый газ. Система содержит компрессор 1, состоящий из одной, или нескольких ступеней. Выход компрессора 1 подключен к низкотемпературному входу рекуператора 2, а высокотемпературный выход рекуператора 2 через теплообменник 3, который является подогревателем рабочего тела, связан с хотя бы одной турбиной 4. Выход турбины 4 подключен к высокотемпературному входу рекуператора 2. Низкотемпературный выход рекуператора 2 соединен через охладитель 5 с входом компрессора 1, а второй выход охладителя 5 подключен к потребителю тепловой энергии 6. С ротором компрессора механически связан элемент передачи механической энергии потребителю 7. Источник сжатого углекислого газа 8, например баллон, соединен с входом впускного клапана 9, выход которого подключен к первому входу охладителя 5, а вход сбросного клапана 10 соединен с выходом компрессора 1.
Система преобразования тепла с двух и трехкаскадным компрессором реализующая предлагаемый способ, выполняется аналогичным образом. После компрессора 11 первого каскада подключают дополнительный охладитель 12, первый выход которого соединяют с входом компрессора 1 второго каскада, второй выход охладителя 12 соединяют с дополнительным потребителем тепловой энергии 13, а выход компрессора 1 подключают к низкотемпературному входу рекуператора 2. Источник сжатого углекислого газа 8, например баллон, соединен с входом впускного клапана 9, выход которого подключен к первому входу охладителя 5, а вход сбросного клапана 10 соединен с выходом компрессора 1 второго каскада.
Рекуператор 2 и теплообменник 3 - два варианта теплообменных аппаратов. В рекуператоре 2 происходит обмен теплом между двумя потоками углекислого газа, а именно, первым - с выхода турбины 4, вторым - с выхода компрессора 1. В теплообменнике 3 происходит обмен теплом газообразного или жидкого потока теплоносителя основного объекта (устройства, сооружения, технологического процесса и т.д.) с потоком сжатого углекислого газа. В качестве теплообменника 3 могут использоваться, например, теплообменники производства компании «Анод ТЦ» (г. Нижний Новгород), которые представляют из себя группу трубок, закрученных в виде спиралей, внутри которых идет разделившийся на несколько параллельных потоков сжатый углекислый газ, а снаружи трубчатые спирали омываются потоком газообразного или жидкого теплоносителя. Охладитель 5 и промежуточный охладитель 8 - обычные теплообменники, например, производства компании «Газхолодтехника» (г. Москва), внутри которых протекает сжатый углекислый газ, а снаружи они омываются потоком газообразного или жидкого хладагента. Газообразный или жидкий хладагент может подаваться в охладитель 5 с помощью вентилятора или насоса, или каким-либо иным образом. В качестве потребителя механической энергии в системе может использоваться высокооборотный генератор, или стандартный генератор, подключаемый через редуктор либо специализированный компрессор. Элементы системы преобразования тепла связаны между собой трубопроводами. Предназначенные для установки в системе преобразования тепла компрессор 1, турбина 4 и остальное специализированное теплотехническое оборудование разрабатывается и изготавливается для каждого диапазона значений мощности системы. Уровень технологий, необходимый для производства теплотехнического оборудования соответствует современному уровню предприятий авиационного двигателестроения. Впускной и сбросной клапаны производятся малой серией ООО НТЦ «Турбопневматик».
Способ преобразования осуществляют следующим образом.
Для интервала температур эксплуатации установки преобразования тепла в конкретном регионе определяют оптимальное значение давления на входе в компрессор 1 с учетом требуемого значения выходной мощности. Определяют значение оптимального соотношения между входным и выходным давлением компрессора. При этом выбор значений ограничивают указанными интервалами для давления на входе - от 10 атмосфер до 35 атмосфер, для степени сжатия - от 2,2 до 5,9. Данные оптимальные значения определяют с помощью специального ПО, в частности, могут применять следующие программы: AxCYCLE и AxSTREAM, Aspen HYSYS или Concepts ENREC.
Далее перед первым запуском системы для преобразования тепла открывают сбросной клапан 10, а затем открывают впускной клапан 9 и производят продувку тракта системы для преобразования тепла. Затем выпускной клапан 10 закрывают и тракт системы заполняют сжатым углекислым газом из баллона 8 до заданного уровня балансного давления. Закрывают впускной клапан 9. Проводят контрольный запуск системы, определяют с помощью манометров реальное давление компрессора 1 на входе и выходе. Устанавливают оптимальное значение давление на входе и выходе, полученное расчетным путем с применением Программы. Для этого регулируют объема газа в системе, добавляя его или стравливая через впускной клапан 9.
Перед запуском системы для преобразования тепла для обеспечения подогрева сжатого углекислого газа производят подачу нагретого газообразного или жидкого теплоносителя к теплообменнику 3. Запуск системы для преобразования тепла при температуре окружающей среды, превышающей температуру сжижения сжатого углекислого газа в тракте системы, запуск производят при переводе охладителя 5 в режим максимальной производительности. На начальном этапе запуска системы через элемент передачи механической энергии потребителю 7 вращение ротора компрессора обеспечивается, например, от электрогенератора, переведенного в двигательный режим. На электрогенератор подается напряжение, под действием которого начинает вращаться ротор компрессора 1 и турбины 4. Углекислый газ с выхода компрессора 1 поступает на низкотемпературный вход рекуператора 2, в котором происходит подогрев углекислого газа с выхода компрессора от горячего газа поступающего в рекуператор с выхода турбины. С высокотемпературного выхода рекуператора 2 подогретый углекислый газ подается на теплообменник 3. Нагретый в теплообменнике 3 от потока газообразного или жидкого теплоносителя углекислый газ поступает на вход турбины 4, в которой происходит преобразование энергии сжатого и нагретого углекислого газа в механическую энергию которая суммируется с энергией поступающей от электрогенератора, работающего в двигательном режиме. С выхода турбины 4 углекислый газ поступает на высокотемпературный вход рекуператора 2, в котором отдает неиспользованную в турбине тепловую энергию сжатому углекислому газу с выхода компрессора, что обеспечивает повышение эффективности системы. С низкотемпературного выхода рекуператора 2 углекислый газ поступает в охладитель 5 где с помощью газообразного или жидкого хладагента от углекислого газа отбирается остаточное тепло и передается потребителю тепловой энергии 6. Охлажденный до температуры близкой к температуре хладагента углекислый газ поступает на вход компрессора 1, в котором происходит его сжатие. На начальном этапе запуска механическая энергия получаемая от турбины 4 меньше чем энергия затрачиваемая на сжатие углекислого газа компрессором 1, поэтому для увеличения частоты вращения ротора компрессора 1 и турбины 4 необходим подвод энергии от электрогенератора. Далее происходит одновременное увеличение мощности потребляемой компрессором 1 и мощности вырабатываемой турбиной 4. При некотором значении частоты вращения ротора компрессора 1 и турбины 4 механическая мощность вырабатываемая турбиной становятся больше мощности потребляемой компрессором 1, что позволяет продолжить увеличение частоты вращения ротора компрессора вплоть до номинального значения частоты вращения без потребления энергии от электрогенератора, при этом охладитель 5 переводится в рабочий режим и управляется в соответствии с заданной программой. При достижении ротором электрогенератора номинального значения частоты вращения он переводится из двигательного в генераторный режим осуществляя выработку электроэнергии для потребителя, кроме того, производится измерение давления сжатого углекислого газа на входе и выходе компрессора 1. Если значения давления на входе в компрессор 1 и на выходе из него меньше требуемых оптимальных для заданных условий эксплуатации значений открывают впускной клапан 9, обеспечивая дополнительную подачу углекислого газа в тракт системы для преобразования тепла до тех пор, пока не будут достигнуты заданные значения давлений на входе и выходе из компрессора. Если же значения давления на входе и на выходе из компрессора 1 оказываются выше требуемых оптимальных значений открывают сбросной клапан 10, обеспечивая вывод из тракта системы для преобразования тепла избыточного количества углекислого газа. Необходимо отметить, что требуемая величина степени повышения давления в компрессоре 1 обеспечивается за счет выбора его конструктивных параметров в процессе выпуска конструкторской документации на компрессор.
При температуре окружающей среды более низкой, чем температура сжижения углекислого газа в такте остановленной системы преобразования тепла замкнутого типа, запуск начинается при выключенном охладителе 5. При включении электрогенератора в двигательный режим начале вращения ротора компрессора начинается циркуляция углекислого газа в тракте системы. Проходя через теплообменник 3 углекислый газ нагревается от потока газообразного или жидкого теплоносителя. При достижении газом, циркулирующим в системе, заданной температуры, например +30°С, охладитель 5 включаются в работу и далее запуск системы и вывод ее на номинальный режим проходят в обычном порядке.
Выключение системы производится при прекращении подвода тепла к теплообменнику 3 от газообразного или жидкого теплоносителя. При этом снижается температура углекислого газа на входе в турбину 4, что приводит к снижению мощности вырабатываемой турбиной 4 и мощность потребляемая компрессором 1 на сжатие углекислого газа становится больше мощности вырабатываемой турбиной 4, что приводит к последовательному уменьшению частоты вращения ротора компрессора 1 и турбины 4 и связанного с ним через элементом передачи механической энергии потребителю 7 электрогенератора вплоть до останова.
Способ преобразования тепла в системе с двумя компрессорами осуществляют следующим образом. Так же как для системы с одним компрессором устанавливают оптимальное для интервала температур эксплуатации системы значение давления на входе, полученное расчетным путем с применением Программы. Для этого регулируют объема газа в системе, добавляя его или стравливая через впускной клапан 9. При использовании системы с двумя компрессорами углекислый газ поступает на вход дополнительного компрессора 11, с выхода которого газ поступает в дополнительный охладитель 12. В охладителе 12 происходит охлаждение нагревшегося в компрессоре 11 газа. При этом от углекислого газа отбирают тепловую энергию и передают тепло дополнительному потребителю тепловой энергии 13. А охлажденный газ с выхода дополнительного охладителя 12 поступает на вход компрессора 1. При этом за счет снижения температуры углекислого газа на входе в компрессор 1 обеспечивается снижение энергии, необходимой для сжатия углекислого газа в компрессоре 1. Это позволяет повысить эффективность системы преобразования тепла замкнутого типа. Сжатый в компрессоре 1 газ поступает на низкотемпературный вход рекуператора 2. Далее работа системы с двумя компрессорами происходит аналогично работе системы с одним компрессором.
При выборе оптимальных значений давления с применением перечисленных выше программы учитывается влияние ряда факторов, влияющих на эффективность работы системы. В качестве примера могут быть приведены результаты выбора оптимальных параметров работающей на номинальном режиме системы для трех вариантов условий эксплуатации.
Пример 1.
Для климатических условий Нового Уренгоя оптимальные значения давления углекислого газа на входе в компрессор составляют 18 атмосфер, на выходе 50,5 атмосферы, при этом степень сжатия 2,8, КПД системы составляет 32,9%.
Пример 2.
Для климатических условий Самары оптимальные значения давления углекислого газа на входе в компрессор составляют 24 атмосферы и 67 атмосфер - на выходе из компрессора, степень сжатия - 2,79, КПД - 33,7%.
Пример 3.
При применении предлагаемого способа для создания корабельной энергетической установки оптимальными оказываются давление на входе около 32 атмосфер, а на выходе порядка 88 атмосфер, степень сжатия - 2,75, КПД - 34,8%.
Для системы, указанной в аналоге максимальный КПД при температурных условиях, указанных в примерах, составляет не более 30%.
Повышение эффективности системы утилизации тепла для приведенных примеров обусловлено следующим.
Максимум эффективности системы, реализующей заявляемый способ, может быть обеспечен, с одной стороны, (как показано на фигуре 3) за счет повышения КПД компонентов системы, а с другой стороны за счет исключения или минимизаций потерь в составляющих частях системы. Зависимости потерь эффективности системы от температуры окружающей среды, для трех значений давления на входе в компрессор, приведенных в примерах 1, 2 и 3 отображены на фигуре 4. Как видно из приведенных зависимостей при давлении углекислого газа на входе в компрессор 32 (Пример 3) атмосферы в рабочем диапазоне температур судовой установки (от - 10°С до +50°С) исключены потери, связанные с недостаточным охлаждением сжатого углекислого газа на входе в компрессор из-за ограничения по условиям сжижения углекислого газа. Для входного давления 24 атмосферы (Пример 2) также исключаются потери, связанные с недостаточным охлаждением углекислого газа для рабочего диапазона температур (от - 30°С до +45°С). Для входного давления 18 атмосфер (Пример 1) удается исключить потери связанные с недостаточным охлаждением углекислого газа для диапазона температур от - 40°С до +45°С, и минимизировать их величину для более низких температур окружающей среды.
Таким образом, из данных, приведенных на фигуре 4 видно, что для случая применения системы на судне удается полностью исключить потери, обусловленные недостаточным охлаждением углекислого газа на входе в компрессор. Аналогичный результат может быть достигнут и при использовании системы в климатических условиях Самары. А при эксплуатации системы в условиях Нового Уренгоя только при температурах ниже -40 градусов Цельсия допускается незначительное снижение эффективности не более чем на 1,73% в течении нескольких дней в году, а в течении основного времени работы при температурах выше -40 градусов Цельсия потери исключаются.
Таким образом, за счет обеспечения на входе и выходе из компрессора оптимальных для заданных условий эксплуатации значений давления сжатого углекислого газа заявляемое изобретение позволяет повысить эффективность способа преобразования тепла в широком диапазоне эксплуатационных условий.