Энергетическая установка и способ приготовления ее рабочего тела

 

Использование: в энергомашиностроении, в энергетических установках для преобразования тепловой энергии в механическую и электрическую. Сущность изобретения: энергетическая установка содержит реактор 1 с эмульгатором 2 в нижней части. К реактору 1 подключен циркуляционный контур 5 для охлаждения теплой воды, нагреваемой за счет выделения тепла при образовании в реакторе газгидратного соединения. Последнее по трубопроводу 8 через систему вентилей поочередно подается в камеры 12 и 13, в которые подают теплую воду. Это приводит к выделению из соединения газа, который через сепаратор 19 подают в турбину 27. Газовый нагнетатель 32 осуществляет рециркуляцию непрореагировавшего газа и смешение его с выхлопными газами турбины 27. 2 с. п. , 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к энергомашиностроению, в частности к энергетическим установкам для преобразования тепловой энергии в механическую и электрическую.

Известна теплосиловая установка, содержащая замкнутый контур, заполненный жидкостью, с силовой турбиной, теплообменники для нагрева рабочего тела [1] .

Основные недостатки такой установки - невысокий КПД, сложность, потребность в источниках высоких температур, невозможность использования низкопотенциального тепла, например, от естественных, природных источников.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является энергетическая установка, содержащая по крайней мере две камеры, заполненные рабочим телом и подключенные трубопроводами к турбине и охладителю, нагреватель, подключенный к нижней части камер, циркуляционный насос, подключенный к охладителю, регулируемую запорную арматуру [2] .

Основные недостатки известной установки - невысокий КПД из-за непроизводительных потерь тепла на образование и конденсацию пара легкокипящей жидкости, который используется для вытеснения вспомогательной жидкости из камеры, невозможность использования в цикле низкопотенциального тепла для производства, например, электроэнергии, и образования экологически чистой системы преобразования тепла.

Изобретение устраняет эти недостатки.

Технический результат достигается тем, что энергетическая установка, содержащая по крайней мере две камеры, заполненные рабочим телом и подключенные трубопроводами к турбине и охладителю, нагреватель, подключенный к нижней части камер, циркуляционный насос, подключенный к охладителю, регулируемую запорную арматуру, при использовании в качестве рабочего тела газгидратного соединения дополнительно снабжена реактором, сепаратором, газовым нагнетателем и дополнительными циркуляционными насосами, при этом нагреватель выполнен в виде теплообменника с низкопотенциальным теплоносителем и подключен по нагреваемой среде через дополнительный насос к камерам и сепаратору в их нижней части, сепаратор подключен трубопроводом к верхней части камер и турбине, реактор подключен трубопроводом с дополнительным насосом к нижней части камер и к выхлопному трубопроводу турбины, а нагнетатель установлен на трубопроводе, соединяющем последний с верхней частью реактора. Кроме того, установка может быть снабжена дополнительным теплообменником с высокопотенциальным теплоносителем, установленным перед турбиной.

Известен способ приготовления рабочего тела теплосиловой установки путем заполнения контура промежуточного теплоносителя легкокипящей жидкостью с последующим испарением ее в теплообменнике воздухом, сжатым в компрессоре, и подачей пара на турбину [1] .

Недостатки такого способа - невысокий КПД, реализуемый в установке с таким рабочим телом, невозможность использования низкопотенциального тепла от естественных источников и сбросного тепла.

Наиболее близким способом является способ приготовления рабочего тела энергетической установки путем заполнения одной из камер жидкостью, повышения давления в последней, нагрева образовавшегося рабочего тела и сепарации его, а после подачи рабочего тела из этой камеры в турбину - этих же операций в другой камере [2] .

Основные недостатки такого способа - невысокий КПД, который реализуется при работе установки, из-за непроизводительных потерь тепла и невозможность использования в цикле низкопотенциального тепла.

Изобретение устраняет эти недостатки.

Технический результат достигается тем, что в способе приготовления рабочего тела энергетической установки путем заполнения одной из камер жидкостью, повышения давления в последней, нагрева образовавшегося рабочего тела и сепарации его, а после подачи рабочего тела из этой камеры в турбину осуществление этих же операций в другой камере в качестве жидкости используют воду, одновременно заполняют ею другую камеру, реактор и соединяющие камеры и реактор трубопроводы. После этого в реактор через эмульгатор-газ, например метано-пропановую смесь, до установления в нем необходимого давления при непрерывной рециркуляции заполненной им воды через охладитель и непрореагировавшего газа с помощью нагнетателя до образования газгидрата в виде эмульсии. Давление повышают сначала в одной из камер путем подачи в нее из реактора газгидрата с вытеснением им из камеры излишков воды и пропуска оставшейся через теплообменник с низкотемпературным теплоносителем до стабилизации ее температуры. Давление в другой камере повышают после начала подачи рабочего тела в турбину из первой камеры. Кроме того, рабочее тело после сепарации дополнительно нагревают высокотемпературным теплоносителем.

На фиг. 1 показана энергетическая установка, общий вид; на фиг. 2 - график термодинамического равновесного состояния газгидратного соединения на примере метано-пропановой смеси типа СH₄+C₃H₂ 6H₂O c относительным удельным весом 0,6.

Энергетическая установка содержит реактор 1 с эмульгатором 2 в нижней части, входным и выходным патрубками 3 и 4, циркуляционный контур 5 реактора 1, включающий охладитель 6, циркуляционный насос 7. Реактор 1 трубопроводом 8 с насосом 9 подключен через регулируемые вентили 10 и 11 к нижней части камер 12 и 13. Камеры 12 и 13 через вентили 14 и 15 подключены к трубопроводу 16 и охладителю 6. Верхние части камер 12 и 13 через вентили 17 и 18 подключены к сепаратору 19. Нижние части сепаратора 19 и камер 12 и 13 через вентили 20 и 21 по прямой магистрали подключены через насос 24, вентили 22 и 23 к теплообменнику 25 низкопотенциального тепла. Температура нагретой среды в теплообменнике на 25-30^oC должна больше температуры охлаждающего теплоносителя. В качестве внешнего теплоносителя в теплообменнике 25 может быть использована вода из верхних слоев водоемов, жидкость, нагретая каким-либо бросовым теплом промышленных предприятий, либо от солнечных преобразователей, теплонасосных, термосорбционных установок и т. п. Сепаратор 19 трубопроводом 26 подключен к газовой турбине 27, подключенной к потребителю, например электрогенератору 28. Дополнительно на трубопроводе 25 для повышения кинетической энергии газа может быть установлен дополнительный теплообменник 29 с высокопотенциальным теплоносителем, например, в виде выхлопных газов от двигателей внутреннего сгорания, промышленных установок и т. п. На трубопроводе 30, соединяющем верхнюю часть реактора 1 с выхлопным трубопроводом 31 турбины 27, установлен газовый нагнетатель 32 для рециркуляции непрореагировавшего газа в реакторе 1. В реакторе 1 может быть выполнен кольцевой сборник 33 (сепаратор). В качестве рабочего тела в установке использовано газгидратное соединение, например, метано-пропановой смеси типа СH₄+C₃Н₂ 6H₂O c относительным удельным весом 0,6 с химически чистой водой, преимущественно дистиллятом. Дополнительно для интенсификации процессов образования и распада газгидратного соединения могут быть использованы ингибиторы (активаторы), например метанол, этиленгликоль, йодистое серебро и т. п.

Способ приготовления рабочего тела состоит в том, что заполняют водой от постороннего источника (не показано) реактор 1 и всю систему трубопроводов 16 и камер 12 и 13. После заполнения системы водой в реактор 1 закачивают через эмульгатор 2 (например в виде решетки) газовую смесь, например, метано-пропановую, до установления давления в реакторе 1, например, равного 15 ата, при закрытых вентилях 10, 11, 14 и 15. Одновременно осуществляют непрерывную циркуляцию воды через охладитель 6, а непрореагировавший газ с помощью нагнетателя 30, приводимого от постороннего источника, а в процессе работы от турбины 27. В конкретных условиях (фиг. 2) - в условиях термодинамического равновесия образуется твердый раствор - соединение с кристаллической структурой более упорядоченной, чем у исходных веществ. Образование газгидрата (относящегося к классу клатратных соединений - соединений включений) осуществляет с выделением тепла (60-130 КДж/моль, которое и отводится с помощью охладителя 6.

Затем образовавшийся газгидрат в виде суспензии насосом 9 закачивается в одну из камер, например 13, при открытых вентилях 11 и 15 и закрытом вентиле 18. Газгидрат по мере заполнения камеры 13 вытесняет излишек воды в трубопровод 16. Затем открывают вентили 21 и 23, закрывают вентили 11 и 15 и осуществляют прокачку воды насосом 24 через теплообменник 25, в который непрерывно поступает теплоноситель (низкопотенциальный). В камере 13 происходит диссоциация газгидрата, выделившаяся газовая смесь скапливается в верхней части камеры 13, При стабилизации температуры воды, прокачиваемой через теплообменник 25, т. е. прекращения теплообмена, вентиль 18 открывают и газовая смесь при давлении, соответствующем температуре (фиг. 2, например 300 атм), через сепаратор 19, где осушается, по трубопроводу 26 поступает в газовую турбину 27. При выделении газовой смеси из камеры 13 продолжают прокачку теплой воды через теплообменник 25. После окончания выхода смеси, который осуществляется при постоянном давлении, вентили 21 и 23 закрывают. При наличии высокопотенциального источника тепла установка теплообменника 29 позволяет повысить температуру холодного газа. Отработавший газ по трубопроводу 3 подводится в эмульсатор 2 реактора 1, барботирует через слой воды в реакторе 1, в котором в процессе работы установки газгидрат образуется постоянно. После полного выделения газовой смеси из камеры 13 закрывают вентиль 18 и заполняют камеру газгидратом, как указано выше.

При функционировании камеры 13 одновременно производят заполнение и диссоциацию газгидрата вышеуказанным образом в камере 12. После закрытия вентиля 18 вентиль 17 камеры 12 открывают. Равномерность подачи смеси в турбину 27 и исключение пульсаций давления зависят и обеспечиваются потребным количеством таких камер в установке.

Использование предлагаемой установки позволяет повысить удельную мощность в 4-5 раз по сравнению с установками, работающими в заданном интервале рабочих температур.

Формула изобретения

1. Энергетическая установка, содержащая контур, включающий турбину с выхлопным трубопроводом, охладитель, подсоединенные к ним посредством трубопроводов по крайней мере две камеры с рабочим телом, нагреватель, подключенный к охладителю циркуляционный насос, а также размещенную в соединительных трубопроводах регулируемую запорную арматуру, отличающаяся тем, что она снабжена реактором, сепаратором, газовым нагнетателем и по крайней мере двумя дополнительными циркуляционными насосами, при этом нагреватель выполнен в виде теплообменника с низкопотенциальным теплоносителем и подсоединен по нагреваемой среде посредством трубопроводов с регулируемой запорной арматурой своим выходом через один из дополнительных циркуляционных насосов к нижним частям камер и охладителю, а входом - к нижним частям камер и сепаратора, причем последний размещен в трубопроводе, соединяющем верхние части камер с турбиной, а реактор посредством трубопровода с размещенным в нем вторым дополнительным циркуляционным насосом подключен к нижней части камер, подсоединен к выхлопному трубопроводу турбины и своей верхней частью посредством трубопровода через газовый нагнетатель дополнительно подключен к выхлопному трубопроводу.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным теплообменником с высокотемпературным теплоносителем, размещенным в контуре перед турбиной.

3. Способ приготовления рабочего тела энергетической установки, заключающийся в заполнении одной из камер жидкостью, повышении давления в последней, нагреве и сепарации образовавшегося рабочего тела с последующей подачей его на турбину, а также осуществлении этих операций в другой камере, отличающийся тем, что в качестве жидкости используют воду, процесс заполнения обеих камер ведут одновременно, причем дополнительно заполняют водой реактор и соединяющие последний с камерами трубопроводы, после чего в реактор через эмульгатор вводят газ, например метано-пропановую смесь, до установления в нем необходимого давления, при этом осуществляют рециркуляцию непрореагировавшего газа с помощью газового нагнетателя и циркуляцию воды через охладитель до образования газгидрата в виде эмульсии, а повышение давления в камерах ведут поочередно подачей в соответствующую камеру из реактора газгидрата с вытеснением из последней излишка воды, при этом оставшуюся в камере воду пропускают через теплообменник с низкопотенциальным теплоносителем до стабилизации ее температуры, причем указанные операции по повышению давления в другой камере ведут с момента начала подачи рабочего тела из первой камеры на турбину.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что рабочее тело перед подачей на турбину дополнительно нагревают в теплообменнике с высокотемпературным теплоносителем.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2