Криогенная гидроэлектростанция
Предложение относится к области альтернативной энергетики и может быть использовано в качестве электрической станции, силового агрегата транспортного средства или источника холода. Криогенная гидроэлектростанция, включает: - основной контур, для циркуляции рабочего тела, объединяющий, в том числе: турбодетандер 1, с электрогенератором 2, конденсатор-испаритель 3, паросепаратор 4, канальный вентилятор 5, теплообменник-конденсатор внутреннего криохолодильника 6, холодный цилиндр 11 двигателя Стерлинга 10, теплообменник 14 внешнего морозильника 15, канальный вентилятор 16, межфазный теплообменник 17 нагреваемый холодной водой, теплообменник низкопотенциального тепла 18 нагреваемый теплой водой; - контур охлаждения, для циркуляции криогенной жидкости, объединяющий: бак-криостат 7 с криогенной жидкостью, крионасосы 8 и 9, теплообменник-испаритель 19 внутреннего криохолодильника 6, конденсатор-испаритель 3; - контур хладагента криохолодильника 6, включает: компрессор 20 и детандер 21, а также теплообменник-конденсатор 19 и теплообменник-испаритель 22. Устройство, также включает: двигатель Стерлинга 10, механически соединенный с электрогенератором ЭГ 12. Ил. - 2; Табл. - 3; Форм. - 4 п.
Предложение относится к области альтернативной энергетики и может быть использовано в качестве электрической станции, силового агрегата транспортного средства или источника промышленного холода.
С каждым годом сокращаются запасы углеводородного сырья, растет мировое энергопотребление, ухудшается экологическая ситуация в мире. Поэтому стратегия развития цивилизации исходит из того, что к 2050 г. необходимо снизить количество выбросов СO2 на 50%. Это требует внедрения альтернативных источников энергии.
РФ самая холодная и самая протяженная страна мира. Если объективно сравнить приведенные затраты предприятий расположенные в более теплых странах и затраты аналогичного предприятия, работающего в РФ, то окажется, что затраты российского предприятия всегда будут выше. Понятно, что равенство в конкурентоспособности продукции невозможно достичь путем простого переноса высокопроизводительных технологий на российскую почву. Для этого необходимо иметь технологии получения дешевой энергии, которые позволили бы компенсировать недостатки холодного климата. И первое, в этом ряду, необходимость разработки технологий бестопливной энергетики. В качестве базы для таковой, предлагается использовать теплоту Фазового Перехода «вода-лед» (ФПВЛ).
Общеизвестны способы получения электроэнергии на тепловых и атомных электростанциях, где в качестве рабочего тела на турбине используют воду в виде пара. Перед подачей пара на турбину, его нагревают, используя углеводороды или ядерное топливо. Адиабатически расширяясь, пар отдает энергию турбине, охлаждаясь и конденсируясь в воду. Таким образом, вода первоначально нагревается, и затем охлаждается до температуры окружающей среды, генерируя энергию. Энергия производится за счет сжигания топлива, с общим КПД=25÷35%.
Тепловые и атомные станции приносят ощутимый вред природе, вызывая тепловое загрязнение. Тепловые станции - выбрасывают много вредных газов и пыли. Атомные станции - производят радиоактивные отходы, хранение которых представляет долговременную проблему.
Известны также способы выработки энергии на гидроэлектростанциях, ветровых энергетических установках, приливных электростанциях, солнечных теплоэлектрогенераторах, из растительных масел (биодизель) и др. Существующая «Альтернативная Энергетика» способна решать локальные проблемы, но бесперспективна для РФ в силу своей «маломощности» (академик П.Капица) и моральной устарелости. Она базируется на допотопных идеях южных народов. Доказано, что такая энергетика, никогда не заменит «Большую энергетику» для цивилизации, а тем более для такой холодной страны, как РФ.
Использование энергии окружающей среды, с помощью установок Тепловых Насосов (ТНУ), нашло широкое применение за рубежом, где ежегодно продается около одного млн. ТНУ в год. Вместе с тем, ТНУ присущи принципиальные недостатки, связанные с обратным термодинамическим циклом по которому работает ТНУ. Эффективность (СОР) ТНУ не превышает 3-4 ед., и падает при увеличении температурного градиента (Тг-Тх), что не позволяет использовать их для получения электроэнергии [1].
Известна «Криогенная газотурбинная установка с замкнутой схемой (патент RU 2131045 от 16.06.1997, кл. F01K 25/10), содержащая последовательно соединенные в циркуляционном контуре: конденсатор, насос, теплообменник и турбину. Нагрев рабочего тела в установке осуществляется передачей лучистой энергии стенками герметичного корпуса, имеющими температуру окружающей среды, к поверхностям охлаждающего экрана и ресивера-перегревателя. Данная электростанция имеет низкую производительность по выработке электрической энергии, так как имеет теплообменник с неразвитой поверхностью, а теплообмен осуществляется передачей лучистой энергии стенками корпуса, имеющими температуру окружающей среды.
Наиболее близким аналогом к заявленному устройству и является «Устройство для извлечения тепловой энергии из воздуха окружающей среды с целью выработки электроэнергии и пресной воды», патент RU 2219370, от 16.12. 2002, F03G 7/04, F01K 25/00. Устройство, содержит испаритель жидкого азота с подогревателем, компрессор для сжатия испарившегося газа, нагреватель сжатого азота теплом воздуха окружающей среды, турбину или каскад турбин, работающих на подогретом азоте, трубопроводы, соединяющие конструктивные элементы. При этом трубопровод от испарителя до компрессора выполнен теплоизолированным, а трубопровод от компрессора до турбины или каскада турбин - не теплоизолированным. Для дополнительного охлаждения выходящего из турбины или каскада турбин рабочего газа азота выполнен холодильник в виде змеевика, погруженного в жидкий азот.
Недостатками данного устройства являются:
1. Использование электронагрева жидкого азота в испарителе и использование компрессора для сжатия рабочего тела, что снижает КПД установки.
2. Использование для нагрева рабочего тела воздуха окружающей среды, что снижает производительность установки, из-за низкого теплосодержания воздуха и значительных колебаний температуры воздуха во времени.
3. Используется незамкнутый цикл по азоту, что требует регулярного поступления жидкого азота из «вне» для обеспечения работы устройства.
4. Велики энергозатраты на удаление отработанного охлажденного воздуха, который придется отводить перекачкой по трубопроводу, так как он тяжелее окружающего воздуха.
Технической задачей и положительным техническим результатом данного устройства является преобразование потенциальной энергии воды, а конкретно энергии фазового перехода вода-лед в электроэнергию.
Указанная техническая задача и технический результат разработанного технического устройства заключаются в том, что
Криогенная гидроэлектростанция включает: теплообменные устройства для бестопливного нагрева криогенного рабочего тела при постоянном объеме, детандер для адиабатного расширения рабочего тела, конденсационную установку и испаритель, криогенные циркуляционные насосы и канальные вентиляторы, криосепараторы пара, паровые турбины с электрогенераторами, питательный бак-криостат, при этом в ее в рабочем контуре установлены теплообменники типа «вода-пар» для нагрева рабочего тела водой, устойчивые к образованию льда, она также имеет внутренний криохолодильник достаточный для компенсации потерь холода в рабочем контуре и двигатель с внешним подводом теплоты, связанный с электрогенератором.
Криогенная гидроэлектростанция характеризуется тем, что в качестве двигателя с внешним подводом теплоты используют двигатель Стерлинга.
Криогенная гидроэлектростанция характеризуется также тем, что в качестве пароперегревателей используют морозильные камеры.
Криогенная гидроэлектростанция, отличающаяся тем, что в конденсационной установке используют конденсатор смешения.
Криогенная гидроэлектростанция использует оборудование устойчивое к воздействию морской воды.
Криогенная гидроэлектростанция, оригинальная также тем, что она установлена на подвижной платформе.
Принципиальная схема реализации предложенного устройства представлена на фиг.1 и фиг.2.
Сущность технического предложения заключается в том, что предложено устройство позволяющие осуществлять преобразование энергии фазового перехода «вода-лед» в электроэнергию путем управляемого процесса теплообмена между водой и рабочим телом с начальной криогенной температурой, с последующим нагревом рабочего тела до температур близких к начальной температуре воды и охлаждением воды до температуры плавления льда или ниже.
Представленное на фиг.1 Устройство, содержит три замкнутых контура циркуляции и включает в себя:
- основной контур, для циркуляции рабочего тела (пар криогенной жидкости), объединяющий, в том числе: турбодетандер (ТД) 1, механически соединенный с электрогенератором (ЭГ) 2, конденсатор-испаритель (КИ) 3, паросепаратор (ПС) 4, канальный вентилятор (KB) 5, теплообменник-конденсатор (ТК) внутреннего криохолодильника (КХ) 6, холодный цилиндр (ХЦ) 11 двигателя Стерлинга (ДС) 10, теплообменник (ТМ) 14 внешнего морозильника (ВМ) 15, канальный вентилятор (KB) 16, межфазный теплообменник (ТФ) 17 нагреваемый технической холодной водой (ТХВ), теплообменник низкопотенциального тепла (ТТ) 18 нагреваемый технической теплой водой (ТТВ);
- контур охлаждения, для циркуляции криогенной жидкости, объединяющий: бак-криостат 7 с криогенной жидкостью, крионасосы КН 8 и КН 9, теплообменник-испаритель (ТИ) 19 внутреннего криохолодильника 6, конденсатор-испаритель (КИ) 3;
- контур хладагента криохолодильника 6, работающего по обратному циклу Карно (идеальный цикл термостатирования, в области влажного пара), включает: компрессор (К) 20 для изоэнтропийного сжатия и детандер (Д) 21 для изоэнтропийного расширения, а также теплообменник-конденсатор (ТК) 19 и теплообменник-испаритель (ТИ) 22, обеспечивающие обратимые процессы передачи теплоты [2].
Устройство, также включает: двигатель Стирлинга] 0, механически соединенный с электрогенератором ЭГ 12, включающий холодный (ХЦ) 11 и горячий (ГЦ) 13, цилиндры.
К устройству подключена внешняя морозильная камера (МК) 15, для отдачи промышленного холода потребителям.
В качестве примера приведена работа Устройства на хладагенте R729 (атмосферный воздух). Температура ТХВ=277 К (4°C), ТТВ=297 К (24°C), температура кипения хладагента при нормальном давлении 81,4 К.
Устройство работает следующим образом. Нагретый до максимально возможной температуры 293 К, при постоянном объеме, в теплообменниках 14, 17 и 18, полученный пар поступает в турбину 1, где происходит преобразование теплоты в механическую работу, а затем в электрическую энергию в электрогенераторе 2. Отработанный пар поступает в конденсатор-испаритель 3, где отдает остаточную теплоту охлаждающей жидкости (жидкому воздуху) поступающей при Т=62,4 К из криохолодильника 6, посредством крионасоса 23. КИ 3 представляет собою конденсатор смешения аналогичный устройству [3], при поступлении в него теплого пара и холодной жидкости происходит интенсивный теплообмен, при этом пар конденсируется, отдавая теплоту конденсации, а жидкость испаряется, за счет получаемой теплоты конденсации. Получаемая смесь пара и жидкости R729, при Т=81,4 К поступает в паросепаратор 4, где происходит ее разделение на пар и жидкость. Жидкость посредством крионасоса КН 8 поступает в бак-криостат служащий накопителем, а затем посредством крионасоса 9 направляется в криохолодильник 6.
Полученный пар канальным вентилятором KB 5 направляется в криохолодильник 6, где нагревается теплом отбираемым у охлаждаемой жидкости до Т~120 К, после чего пар поступает на охлаждение обдувом холодного цилиндра 11 ДС 10. На выходе из паропровода пар расширяется и за счет дроссельного эффекта охлаждается до Т=81,4 К. За счет перемешивания пара в ДС 10, его температура повышается примерно до Т=130 К. После этого пар, посредством KB 16, последовательно проходит через теплообменники TP 14, TP 17, ТТ 18, и при Т=293 К попадает в ТД 1. Цикл Ренкина окончен.
Устройство производит промышленный холод, который из ТМ 14 отбирается хладоносителем (криогенной жидкостью), посредством циркуляции организуемой крионасосом 24, поступает в морозильник МК 15, где используется потребителями по назначению.
Двигатель Стерлинга [4] используется в Устройстве для дополнительного получения электроэнергии, за счет организованного в цикле Ренкина самоохлаждения рабочего тела. Как все двигатели внешнего подвода тепла, ДС 10 работает от перепада температур между разными средами, в данном случае, охлажденного пара рабочего тела и ТТВ (ТХВ).
Работу Устройства контролируем измерением температуры пара рабочего тела и воды. В управлении процессом участвует АСУТП (условно не показана), куда поступает информация от датчиков и откуда (на основании математической модели процесса) выдаются команды на исполнительные устройства.
На фиг.2А, изображен цикл Ренкина на перегретом паре в TS-диаграмме.
На фиг.2Б, изображен цикл Стерлинга на в PV-диаграмме.
Теплотворная способность воды (Нв) равна разности энтальпий воды и льда и определяется выражением[5]:
Нв=335+4,19(Т-То) [кДж/кг]; где: Т и То - температура воды и температура плавления льда, соответственно, [К].
Теоретическую мощность ТД 1 рассчитывают по формуле:
Nт=(h г-hх)·m, [Вт]; где: m - секундный расход пара, [1 кг/с]; hг, hх - энтальпия на горячего и холодного пара [6], соответственно, [кДж/кг].
Снимаемая электрическая мощность с ЭГ 2 рассчитывается по формуле:
N2=
э·а·Nт[BT]; где: э, а - электрический КПД генератора (0,8), и адиабатический КПД турбодетандера (0,85), соответственно.
Холодильный коэффициент рассчитывался по формуле: f=Тх/(Тг-Тх)·к·а; где к - КПД компрессора (0,74).
Процессы, происходящие в цикле Ренкина (фиг.2А):
- (а-b) - в турбодетандере ТД 1 нагретый пар расширяется адиабатически и выдает энергию q1 на генератор ЭГ 2;
- (b-b/) - пар конденсируется в КИ 3 и отдает тепло q2 охлаждающей криогенной жидкости при постоянном давлении;
- (b/-с) - криогенная жидкость нагревается в КИ 3 теплом пара q2;
- (с-c/) - кипение криогенной жидкости и превращение ее в пар в КИ 3, под воздействием q2;
- (с/-d) - пар нагревается в конденсаторе внутреннего холодильника ТК 19 теплом q3;
- (d-е) - пар адиабатически сжимается канальными вентиляторами KB 5 и KB 16, затраты энергии q4;
- (е-а) - пар нагревается теплом из морозильника МК 15, теплом подводимой воды ТФ 17 и ТТ 18 и подается на ТД 1. Цикл закончен.
Двигатель Стерлинга ДС 10 работает за счет теплового расширения газа, и последующего сжатия, после охлаждения. Верхняя часть горячего цилиндра ГЦ 13 с поршнем постоянно разогревается внешним источником тепла (водой), в то время как верхняя часть холодного цилиндра ХЦ 11 с поршнем постоянно охлаждается (холодный пар рабочего тела). Поршни закреплены на коленчатом валу так, что обеспечивают сдвиг по фазе на 90 градусов, т.е. в то время, как горячий поршень достигает верхнего положения, холодный находится в среднем положении, двигаясь вправо. При этом выделяется мощность, часть которой запасается маховиком. Процессы происходящие в цикле Стерлинга (фиг.2Б):
- этап (g-h) - охлаждение газа при постоянном объеме;
- этап (h-j) - холодный поршень двигается вправо, сжимая охлажденный газ при постоянной температуре;
- этап (j-f) - холодный поршень вытесняет охлажденный и сжатый газ в горячий цилиндр ГЦ 13, тот разогревается при постоянном объеме;
- этап (f-g) - горячий газ расширяется, толкая поршень в горячем цилиндре вниз. Цикл закончен.
Снимаемая электрическая мощность с ЭГ 12 рассчитывается по формуле: N12=э·(Тг-Тх/Тг)(hг-hх )·m, [Вт].
В Табл.1, Табл.2, Табл.3 представлены исходные данные, промежуточные данные и результаты расчетов.
В Табл.1 представлены исходные данные для расчетов.
В Табл.2 представлены Температуры и Энтальпии рабочих тел в характерных точках.
В Табл.3 представлены результаты расчетов.
| Таблица 1. | ||||
| Основные физические свойств воздуха (R 729)[7]. | ||||
 | Параметр | Ед. измерения | Значение | |
| 1 | Теплоемкость пара | кДж/кгК | 1,003 | |
| 2 | Теплоемкость жидкости | кДж/кгК | 1,97 | |
| 3 | Температура кипения | К | 81,35 | |
| 4 | Температура замерзания | К | 60,15 | |
| 6 | Теплота парообразования | кДж/кг | 205,4 | |
| Таблица 2. | ||||
| Температуры и Энтальпии рабочих тел в характерных точках[6] | ||||
| Состояние рабочего тела в характерной точке цикла | Температура в теплообменниках (холл./гор.) и характерных точках, К. | Энтальпии, рабочих тел, кДж/кг | ||
| ТТВ=277 К | ТТВ=297 К | |||
 | ТТВ=277 К | ТТВ=297 К | ||
| Криожидкость в КН 23 | 64,8 | 63 | 67,2 | 63,6 |
| Пар на ХЦ 11 | 85/81,4 | 85/81,4 | 309 | 309 |
| Пар на ТК 19 | 112/110 | 119,5/117,5 | - | - |
| Пар на ГЦ 13, Пар на ТФ 17 | 277/273 | - | 497,6 | - |
| Пар на ГЦ 13, Пар на ТТ 18 | - | 297/293 | - | 517,7 |
| Хладоноситель на ТМ 14/Пар | 132/128 | 132/128 | - | - |
| Пар на входе КИ 3 | ПО | 112 | 334,2 | 337,2 |
| Табл.3. | ||
| Результаты расчетов энергетических показателей | ||
| Статьи энергетического баланса | Первый вариант ТТВ=277 К | Второй вариант ТТВ=297 К |
| 1. Приходные статьи. | | |
| 1.1. Приход электроэнергии от ЭГ2 кВт/с: | 130.6 | 144.2 |
| 1.2. Приход электроэнергии от ЭГ12, кВт/с: | 105.8 | 120.4 |
| Приход электроэнергии кВт/с, ИТОГО: | 236.4 | 264.6 |
| 2. Расходные статьи | | |
| Электроэнергия на компенсацию потерь холода, кВт/с: | 38.7 | 55.2 |
| Расход Электроэнергии на крионасосы (4.2 м3/ч=3.5 кВт), кВт/с: | 4×3.5=14 | 14 |
| Расход Электроэнергии на канальные вентиляторы пара (4650 м3=10кВт) кВт/с: | 2×40=80 | 80 |
| | |
| 2×10=20 | 20 | |
| Расход электроэнергии, кВт/с, ИТОГО: | 72.7 | 89.2 |
| Приход электроэнергии, кВт/с, ВСЕГО: | 163.7 | 175.4 |
| Производительность электроэнергии, кВт/ч: | 163.7 | 175.4 |
| Расход воды, м куб./ч. | 4 | 4 |
| КПД | 40.9% | 43.9% |
Таким образом, разработанная Криогенная гидроэлектростанция, включает все необходимые агрегаты и устройства для реализации актуальной проблемы: разработка технологий, которые базировались бы на использовании возобновляемой экологической энергии фазового перехода «вода-лед». Достоинством предлагаемого устройства является возможность, кроме электроэнергии, производить даровой промышленный холод, так как в современном мире проблема получения холода связана с большими затратами электроэнергии.
Выработанная предлагаемым устройством электроэнергия после использования, в конечном счете, вернется в окружающую среду в виде тепла, в результате чего не будут происходить экологические изменения. Устройство является экологически безопасным. Его применение при использовании, даст не только большой экономический эффект, но и качественно изменит саму энергетику.
Источники информации:
1. Е.И., Левин Л.А. Промышленные тепловые насосы. - М.: Энергоатомиздат, 1989.
2. . Холодильные Процессы.
3. Патент РФ 2073185 от 13.04.1992, «Конденсатор смешения», Кривощапов Ю.М.
4. Г.Ридер., Ч.Хупер. Двигатели Стерлинга. М, Изд. 
Мир
, 1986.
5. Исследование процессов во влажном воздухе: лабораторная работа / сост.: В.И.Ляшков, В.А.Русин. - Тамбов: Изд. Тамб. гос. техн. ун-та, 2008. - 28 с.
6. Термодинамические диаграммы i-IgP для хладагентов. М.: АВИСАНКО, 2003. - 50 с.
7. Барон Р.Ф. Криогенные системы. - М: Энергоатомиздат, 1989. - 408 с.
1. Криогенная гидроэлектростанция включающая теплообменные устройства для бестопливного нагрева криогенного рабочего тела при постоянном объеме, детандер для адиабатного расширения рабочего тела, конденсационную установку и испаритель, криогенные циркуляционные насосы и канальные вентиляторы, криосепараторы пара, паровые турбины с электрогенераторами, питательный бак-криостат, отличающаяся тем, что она снабжена теплообменниками, установленными в рабочем контуре технического комплекса криогенной гидроэлектростанции, при этом используют теплообменники типа «вода-пар», для нагрева рабочего тела водой, устойчивые к образованию льда, она также имеет внутренний криохолодильник, достаточный для компенсации потерь холода в рабочем контуре, и двигатель с внешним подводом теплоты, связанный с электрогенератором.
2. Криогенная гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что в качестве двигателя с внешним подводом теплоты используют двигатель Стирлинга.
3. Криогенная гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что в качестве пароперегревателей используют морозильные камеры.
4. Криогенная гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что в конденсационной установке используют конденсатор смешения.
