Газотурбінна система із замкненим циклом та транспортний засіб з двигуном у вигляді газотурбінної системи

1. Газотурбінна система із замкненим циклом, яка має компресор для одержання стисненого газу, газову турбіну для приймання стисненого газу, тепловий елемент, зв'язаний з першим теплопередавальним засобом і виконаний з можливістю приймання стисненого газу з компресора, нагрівання стисненого газу і передавання його в газову турбіну, і другий теплопередавальний засіб, виконаний з можливістю приймання відпрацьованого газу з газової турбіни і передавання його в компресор, причому другий теплопередавальний засіб виконаний з можливістю віддавати принаймні частину тепла відпрацьованого газу перед передаванням останнього в компресор. 2. Газотурбінна система із замкненим циклом за п. 1, яка відрізняється тим, що другий теплопередавальний засіб виконано з можливістю віддавати тепло відпрацьованого газу стисненому газу перед прийманням останнього тепловим елементом. 3. Газотурбінна система із замкненим циклом за п. 2, яка відрізняється тим, що другий теплопередавальний засіб включає рекуператор. 2 (19) 1 3 76954 4 передавальні засоби виконані здатними підтримуредавальний засіб містить третій теплообмінник, вати температуру газу, що входить в газову турбіякий має пристрій рідинного охолодження для ну, відносно постійною, приблизно 930°С. пропускання охолоджувальної рідини через третій 13. Газотурбінна система із замкненим циклом за теплообмінник і відведення тепла з відпрацьовап. 1, яка відрізняється тим, що виконана із звоного газу. ложенням і містить пристрій для упорскування 23. Газотурбінна система із замкненим циклом за п. 22, яка відрізняється тим, що має пристрій для рідини в стиснений газ після його виходу з компресора і перед нагріванням його за допомогою перрегулювання потужності системи шляхом регулюшого або головного теплопередавального засобу. вання швидкості потоку газу, що проходить через 14. Газотурбінна система із замкненим циклом за турбіну, і швидкості потоку рідини, яка впорскуєтьп. 13, яка відрізняється тим, що містить пристрій ся в стиснений газ пристроєм упорскування рідиконденсування рідини для наступного конденсуни. вання рідини з відпрацьованого газу перед його 24. Газотурбінна система із замкненим циклом за п. 1, яка відрізняється тим, що тепловий елемент подачею в компресор. 15. Газотурбінна система із замкненим циклом за має контейнер з впускним отвором, випускним п. 14, яка відрізняється тим, що виконана з можотвором, теплоакумулювальною речовиною і тепливістю конденсування рідини з відпрацьованого лопередавальним засобом, пристосованим для газу або перед тим, як відпрацьований газ пройде перенесення текучого середовища в контейнер через другий теплопередавальний засіб, або після для проходження через теплоакумулювальну ретого. човину і виведення цього текучого середовища 16. Газотурбінна система із замкненим циклом за через випускний отвір. п. 15, яка відрізняється тим, що рідина, яку впор25. Газотурбінна система із замкненим циклом за п. 1, яка відрізняється тим, що виконана з можскує пристрій упорскування рідини, може бути вибрана такою, що другий теплопередавальний заливістю пропускання газу у вигляді бульбашок сіб буде зменшувати температуру через теплоакумулювальну речовину. відпрацьованого газу приблизно до температури 26. Газотурбінна система із замкненим циклом за п. 25, яка відрізняється тим, що теплоакумулюоточуючого середовища перед проходженням газу в компресор без використання допоміжного тепловальною речовиною є розплавлена сіль. передавального засобу. 27. Газотурбінна система із замкненим циклом за п. 26, яка відрізняється тим, що теплопередава17. Газотурбінна система із замкненим циклом за п. 16, яка відрізняється тим, що компресор викольний засіб містить принаймні одну трубку, що нано здатним стискати газ згідно зі співвідношендоходить до дна контейнера і має отвори для виням, більшим ніж 15:1 або рівним йому. пуску газу в теплоакумулювальну речовину. 18. Газотурбінна система із замкненим циклом за 28. Транспортний засіб з двигуном у вигляді газоп. 16, яка відрізняється тим, що компресор викотурбінної системи із замкненим циклом, яка міснаний з можливістю стискати газ згідно зі співвідтить компресор для одержання стисненого газу, ношенням, меншим ніж 30:1 або рівним йому. газову турбіну для приймання стисненого газу, 19. Газотурбінна система із замкненим циклом за тепловий елемент, зв'язаний з першим теплопепп. 17 або 18, яка відрізняється тим, що компрередавальний засобом і виконаний з можливістю сор і перший або головний теплопередавальний приймання стисненого газу з компресора і передазасіб скомпоновані так, що температура стисненовання його в газову турбіну, і другий теплопередаго газу, який виходить з компресора, становить вальний засіб, виконаний з можливістю приймання приблизно 400°С, і так, що пристрій упорскування відпрацьованого газу з газової турбіни і передарідини зменшує температуру стисненого газу привання його в компресор, причому другий теплопеблизно до 195°С. редавальний засіб виконаний з можливістю відда20. Газотурбінна система із замкненим циклом за вати принаймні частину тепла відпрацьованого одним з попередніх пунктів, яка відрізняється газу перед передаванням останнього в компресор. 29. Транспортний засіб за п. 28, яка відрізняється тим, що газом є повітря, аміак, аргон, діоксид вуглецю, монооксид вуглецю, гелій, водень, метан, тим, що другий теплопередавальний засіб виконакисень або водяна пара. но з можливістю віддавати тепло відпрацьованого 21. Газотурбінна система із замкненим циклом за газу стисненому газу перед прийманням останньоп. 20, яка відрізняється тим, що другий теплопего тепловим елементом. 30. Транспортний засіб за п. 29, яка відрізняється редавальний засіб встановлено з можливістю зменшувати температуру відпрацьованого газу тим, що газотурбінна система із замкненим циклом приблизно до 200°С і підвищувати температуру має зволожувач, виконаний з можливістю приймагазу, що виходить з компресора, приблизно до ти стиснений газ з компресора і передавати його в 400°С. тепловий елемент через другий теплопередава22. Газотурбінна система із замкненим циклом за льний засіб. п. 21, яка відрізняється тим, що другий теплопе Даний винахід відноситься до теплових машин, зокрема до двигунів, що працюють за циклами Карно і Брайтона. Конкретніше, даний винахід відноситься до нових застосувань цих двигунів. Одним з небезпечних явищ при підземній розробці родовищ корисних копалин є те, що у разі обвалення частини пласта, людей, які працюють під землею, може роздавити або вони можуть за 5 76954 6 дихнутися. Задушення в такій ситуації може статисуміжних підвідділень внаслідок нагрівання першося через те, що персонал знаходиться в обмежего газу, в результаті чого виробляється механічна ному просторі і тому має обмежений доступ кисню. енергія; Як правило, забезпечення постійного постачання б) періодичне переміщення першого газу з кисню в тунелі, які проходять через підземну випершого суміжного підвідділення в перший теплоробку, обов'язкове, однак задушення може статися передавальний засіб. через те, що таке постачання кисню в тунель пеВ третьому аспекті даний винахід пропонує гареривається. зотурбінний двигун із замкненим циклом, що вклюТому важливо евакуювати людей, які опиничає компресор для стискання газу, який подають у лись під землею в результаті обвалення в шахті, впускну частину турбіни, теплоакумулювальний якомога швидше. Один шлях прискорити евакуазасіб, зв'язаний з ним перший теплопередавальцію - це мати аварійний транспортний засіб, здатний засіб для передачі тепла від теплоакумулюваний спускатися в шахту і рятувати тих, хто залильного засобу газу або перед його входженням в шився у живих. Такі транспортні засоби зазвичай турбіну, або після входження газу в турбіну, при називають шахтними рятівними машинами (ШРМ). цьому газотурбінний двигун виконано з можливісОднак через те, що кількість кисню, що постачатю подавати відпрацьований газ газової турбіни в ється, як правило, обмежена у випадку обвалення, компресор і включає другий теплопередавальний важливо, щоб згадані транспортні засоби були засіб для передачі тепла відпрацьованого газу здатні працювати в середовищі, збідненому на стисненому газу перед прокачуванням його через кисень, або безкисневому середовищі. перший теплопередавальний засіб. Задача винаходу - створити двигун, здатний В четвертому аспекті даний винахід пропонує працювати в середовищі, збідненому на кисень, газотурбінний двигун із замкненим циклом, який або такому, що його не містить. Ще одна задача включає компресор для стискання газу, який повинаходу - створити транспортний засіб, здатний дають у впускну частину турбіни, теплоакумулюпрацювати у безкисневому або збідненому на кивальний засіб і зв'язаний з ним головний теплопесень середовищі. редавальний засіб для передачі тепла від В першому аспекті даний винахід пропонує теплоакумулювального засобу газу або перед його поршневий двигун, який включає відділення, що входженням в турбіну, або після входження газу в має два суміжні, перше і друге, підвідділення і турбіну, при цьому газотурбінний двигун виконано принаймні одну рухому перегородку, причому ця з можливістю подавати відпрацьований газ газової принаймні одна рухома перегородка встановлена турбіни в компресор і включає допоміжний теплотак, що може рухатись і змінювати об'єм згаданих передавальний засіб для відведення тепла з відпсуміжних підвідділень, при цьому двигун включає рацьованого газу перед прокачуванням його через теплоакумулювальний засіб для нагрівання перкомпресор. шого газу, що міститься всередині першого підвідВ п'ятому аспекті даний винахід пропонує споділення, відносно другого газу, що міститься всесіб вироблення механічної енергії, який включає редині другого підвідділення; двигун також такі етапи: включає теплопередавальний засіб для передачі а) підготовку газотурбінного двигуна із замкнетепла від теплоакумулювального засобу першому ним циклом, що включає компресор для стискання газу, при цьому згадана принаймні одна рухома газу, який подають у впускну частину турбіни, тепперегородка встановлена так, щоб періодично лоакумулювальний засіб і зв'язаний з ним перший змінювати об'єм суміжних підвідділень внаслідок теплопередавальний засіб для передачі тепла від нагрівання першого газу і виробляти в результаті теплоакумулювального засобу газу перед вхомеханічну енергію, при цьому двигун включає задженням газу в турбіну або після його входження в соби циклічного переміщення газу для періодичнотурбіну, при цьому газотурбінний двигун виконано го переміщення першого газу з першого суміжного з можливістю подавати відпрацьований газ газової підвідділення в перший теплопередавальний затурбіни в компресор; і сіб. б) передавання тепла відпрацьованого газу В другому аспекті даний винахід пропонує стисненому газу перед прокачуванням останнього спосіб вироблення механічної енергії, який включерез перший теплопередавальний засіб. чає такі етапи: В шостому аспекті даний винахід пропонує а) підготовку поршневого двигуна, який вклюспосіб вироблення механічної енергії, який включає відділення з двома суміжними підвідділеннями чає такі етапи: і принаймні однією рухомою перегородкою, приа) підготовку газотурбінного двигуна із замкнечому ця принаймні одна рухома перегородка встаним циклом, що включає компресор для стискання новлена так, що може рухатись і змінювати об'єм газу, який подають у впускну частину турбіни, тепзгаданих підвідділень, при цьому двигун також лоакумулювальний засіб і зв'язаний з ним головвключає теплоакумулювальний засіб для нагріний теплопередавальний засіб для передачі тепла вання першого газу, що міститься всередині первід теплоакумулювального засобу газу перед вхошого суміжного підвідділення, відносно другого дженням газу в турбіну або після входження його в газу, який міститься всередині другого суміжного турбіну, при цьому газотурбінний двигун виконано підвідділення; двигун також включає перший тепз можливістю подавати відпрацьований газ газової лопередавальний засіб для передачі тепла від турбіни в компресор; і теплоакумулювального засобу першому газу, при б) передавання тепла відпрацьованого газу цьому згадана принаймні одна рухома перегородперед прокачуванням його через компресор. ка закріплена так, що періодично змінює об'єм В сьомому аспекті даний винахід пропонує 7 76954 8 транспортний засіб (сухопутний, морський або 15°С. повітряний), який включає двигун згідно з першим, Як варіант, теплоакумулювальний засіб і пертретім або четвертим аспектом даного винаходу. ший теплопередавальний засіб можуть бути викоЗгідно з наступним аспектом даний винахід нані здатними утримувати перше суміжне підвіддіпропонує поршневий двигун, що включає контейлення поршневого двигуна при температурі, нер, який має відділення з суміжними першим і більшій ніж 700°С, а другий теплопередавальний другим підвідділеннями, розділеними рухомою засіб може бути виконаний здатним підтримувати перегородкою, впускний і випускний отвори, тепдруге суміжне підвідділення поршневого двигуна лоакумулювальний засіб, теплопередавальний приблизно при кімнатній температурі. засіб і систему трубопроводу, що з'єднує випускПерший теплопередавальний засіб може ний отвір з теплопередавальним засобом і тепловключати перший теплообмінник. передавальний засіб з впускним отвором, причому Цей перший теплообмінник може бути вигототепло від теплоакумулювального засобу передавлений з інконелю або температуростійкої нержається за допомогою теплопередавального засобу віючої сталі 253. газу, що знаходиться в трубопроводі, для привеДругий теплопередавальний засіб може вклюдення в рух рухомої перегородки з метою періодичати другий теплообмінник. чної зміни об'єму суміжних підвідділень, що забезСпосіб згідно з другим аспектом даного винапечує можливість циклічної циркуляції газу по ходу може крім того включати етап нагрівання системі трубопроводу і вироблення механічної або першого суміжного підвідділення таким чином, що електричної енергії. його температура буде на 600°С вище, ніж темпеКраще, якщо поршневий двигун працює за циратура другого суміжного підвідділення. клом Стирлінга, який складається з чотирьох чітПерший та/або другий теплообмінник може ких термодинамічних процесів ізотермічного стисвключати третій газ. кання, нагрівання постійного об'єму, ізотермічного Перший і другий гази можуть бути такими сарозширення і охолодження постійного об'єму. мими, як і третій газ. Також краще, якщо система трубопроводу Першим і другим газами можуть бути повітря, включає трубу, з'єднану на одному кінці з випускаміак, аргон, діоксид вуглецю, монооксид вуглецю, ним отвором, розміщеним приблизно посередині гелій, водень, метан, кисень або водяна пара, пеконтейнера, а на своєму протилежному кінці - з ревага ж віддається гелію. теплопередавальним засобом. Якщо перший і другий гази відрізняються від Краще, щоб система трубопроводу також третього газу, тоді краще, щоб третім газом був включала трубу, з'єднану з впускним отвором, роводень. зміщеним на одному кінці контейнера, а на протиТретій газ може включати перший газ, при лежному кінці - з випускним отвором теплопередацьому перший теплообмінник працює в результаті вального засобу. проходження через нього першого газу. Краще також, щоб в системі трубопроводу між Краще, якщо третім газом є газ високого тиску теплопередавальним засобом і випускним отвоз тиском приблизно 15-25 мегапаскалів. ром циліндра був під'єднаний регенератор. Засіб циклічного переміщення газу може Пропонований транспортний засіб може виковключати трубку. нувати функцію шахтної рятівної машини. Поршневий двигун може включати регенераТеплоакумулювальним засобом може бути тетор, який містить засоби поглинання і виділення плоакумулювальний елемент. тепла для періодичного поглинання тепла з перТаким теплоакумулювальним елементом мошого газу і в подальшому передачі тепла першому же бути теплоакумулювальний елемент з рідкою газу після його охолодження. сіллю. Регенератор може крім того включати перегоТеплоакумулювальним елементом з рідкою родку, яка з'єднує перше і друге суміжні підвіддісіллю може бути теплоакумулювальний елемент з лення і яку встановлено з можливістю переміщенхлоридом натрію (NaCI), фторидом літію (LiF) або ня першого i другого газів між першим і другим фторидом натрію (NaF) суміжними підвідділеннями. Теплоакумулювальний елемент з рідкою сілЯк варіант, регенератор може додатково лю, використаний для приведення в дію шахтної включати теплопоглинальний елемент і трубку, рятівної машини, у кращому варіанті здатний запричому трубка розміщена таким чином, щоб пебезпечувати 1000кВт запасеної енергії при темпереносити перший газ з однієї частини першого суміжного підвідділення через теплопоглинальний ратурі в межах 650-1000 С Тому кращою вагою елемент в іншу частину першого суміжного підвідтеплоакумулювального елемента з рідкою сіллю, а ділення. саме з NaCI, LiF або NaF. є 3,96, 2,35 або 2,97 тоПоршневий двигун може включати комбіновани, відповідно. ний засіб, що поєднує засіб циклічного переміщенТеплоакумулювальний засіб може бути виконя газу і регенератор, для виконання комбінованої наний здатним підтримувати перший газ поршнефункції: засобу циклічного переміщення газу і ревого двигуна при температурі приблизно 650°С генератора, причому цей комбінований засіб має Поршневий двигун може включати другий тепзасіб поглинання і виділення тепла регенератора і лопередавальний засіб для передачі тепла від перший теплообмінник першого теплопередавадругого суміжного підвідділення. льного засобу, при цьому згаданий комбінований Згаданий другий теплопередавальний засіб засіб виконаний з можливістю пропускати перший може бути виконаний здатним підтримувати друге газ послідовно через засіб поглинання і виділення суміжне підвідділення при температурі приблизно 9 76954 10 тепла і перший теплообмінник перед повторним включати пристрій регулювання потоку для регууведенням в перше суміжне підвідділення. лювання об'ємної швидкості потоку першого газу, Перший газ може здійснювати циркуляційний що здійснює циркуляційний цикл з першого суміжцикл від першого суміжного підвідділення в перного підвідділення в перший теплопередавальний ший теплопередавальний засіб, засіб поглинання і засіб. виділення тепла або комбінований засіб, що об'єПристрій регулювання потоку у кращому варіднує засіб циклічного переміщення першого газу і анті встановлено таким чином, щоб регулювати регенератор, під дією підіймальної сили тепла, об'ємну швидкість потоку першого газу, який здійвнаслідок чого перший газ здійснює циркуляційний снює циркуляційний цикл з першого суміжного підцикл в перше суміжне підвідділення і з нього в ревідділення, і не регулювати швидкості потоку перзультаті конвекції. шого газу, який повертається в перше суміжне Поршневий двигун може включати насос для підвідділення. перекачування першого газу в перший теплопереПристрій регулювання потоку у кращому варідавальний засіб, засіб поглинання і виділення теанті встановлено так, щоб регулювати об'ємну пла або комбінований засіб, що об'єднує засіб цишвидкість потоку першого газу, який здійснює цирклічного переміщення газу і регенератор, та/або з куляційний цикл в регенератор. них. Пристрій регулювання потоку може включати Згадана принаймні одна рухома перегородка клапан. може являти собою одиничну перегородку для Пристрій регулювання потоку може включати розділення відділення на два суміжні підвідділендросельний клапан. ня, причому ця одинична рухома перегородка Спосіб згідно з другим аспектом даного винавстановлена так, що герметично з'єднує відділенходу може додатково включати етап регулювання ня, так що перший газ не може зміщуватися з друоб'ємної швидкості потоку першого газу, який здійгим газом. снює циркуляційний цикл з першого суміжного підВідділення може бути витягнутим, а одинична відділення в перший теплопередавальний засіб. рухома перегородка може бути орієнтована попеСпосіб згідно з другим аспектом даного винарек поздовжній осі відділення і встановлена з моходу може додатково включати етап регулювання жливістю пересування вздовж довжини відділення. об'ємної швидкості потоку газу, який здійснює цирПоршневий двигун може включати витіснювач куляційний цикл з першого суміжного підвідділення для витиснення першого газу, причому витіснювач в перший теплопередавальний засіб через приустановлений так, що може рухатись в залежності стрій регулювання потоку. від згаданої принаймні однієї рухомої перегородки Газотурбінний двигун згідно з третім аспектом Витіснювач може бути встановлений з можлиданого винаходу може включати допоміжний тепвістю переміщення в витягнутому відділенні лопередавальний засіб. вздовж довжини цього відділення, при цьому витіГазотурбінний двигун згідно з четвертим аспеснювач може рухатись, на 90° не співпадаючи за ктом даного винаходу може включати другий тепфазою зі згаданою одиничною рухомою перегоролопередавальний засіб. дкою. Спосіб згідно з п'ятим аспектом даного винаЗ іншого боку, згадана принаймні одна рухома ходу може додатково включати етап передавання перегородка може включати першу і другу рухомі тепла відпрацьованого газу перед його прокачуперегородки, які встановлені так, що, по суті, герванням через компресор. метично контактують з першим і другим суміжними Спосіб згідно з шостим аспектом даного винапідвідділеннями, відповідно, причому перший і ходу може додатково включати етап передавання другий гази можуть вільно змішуватись. тепла відпрацьованого газу стисненому газу перед Перший і другий гази можуть вільно змішуватим, як його прокачають через головний теплопетись в результаті проходження через регенератор. редавальний засіб. Спосіб згідно з другим аспектом даного винаЗгідно з наступним аспектом даний винахід ходу може додатково включати етап циклічного пропонує газотурбінну систему із замкненим цикпереміщення першого газу з першого суміжного лом, яка включає компресор для отримання стиспідвідділення через перший теплообмінник і знову неного газу, газову турбіну для приймання стиснев перше суміжне підвідділення. ного газу, теплоакумулювальний засіб, який має Спосіб згідно з другим аспектом даного винаперший теплопередавальний засіб і пристосоваходу може додатково включати етап циклічного ний для приймання стисненого газу з компресора і переміщення першого газу через регенератор пеперенесення стисненого газу в газову турбіну, друред проходженням першого газу через перший гий теплопередавальний засіб для приймання відтеплообмінник. працьованого газу з газової турбіни і передачі його Спосіб згідно з другим аспектом даного винав компресор, причому другий теплопередавальний ходу може додатково включати етап циклічного засіб пристосований передавати тепло відпрацьопереміщення першого газу під дією підіймальної ваного газу перед його перенесенням в компресили тепла, в результаті чого перший газ здійснює сор. цикл завдяки конвекції. Краще, якщо другий теплопередавальний заЯк варіант, спосіб згідно з другим аспектом сіб пристосований передавати тепло відпрацьоваданого винаходу може додатково включати етап ного газу стисненому газу перед його прийманням прокачування першого газу через перший теплоотеплоакумулювальним засобом. бмінник та/або регенератор. Краще також, якщо другий теплопередавальЗасіб циклічного переміщення газу може ний засіб включає теплообмінник. 11 76954 12 Компресор газотурбінного двигуна може бути ваного газу перед подачею його в компресор. пристосований для стискання газу згідно зі співПерший і головний теплопередавальні засоби, відношенням 6,2 1. кожний, можуть включати головний теплообмінник, Теплоакумулювальний засіб і зв'язані з ним який установлено так, щоб передавати тепло від перший і головний теплопередавальні засоби гатеплоакумулювального засобу стисненому газу зотурбінного двигуна можуть бути виконаними при перекачуванні останнього через головний тепздатними підтримувати температуру газу, що вхолообмінник, при цьому компресор розміщено так, дить в газову турбіну, відносно постійною, приблищоб перекачувати стиснений газ через головний зно 930°С. теплообмінник. Газотурбінний двигун може являти собою гаСтиснені гази, що мають високу питому теплозотурбінний двигун із зволоженням, який включає ємність, дають в результаті високу вихідну потужпристрій упорскування рідини для в стиснений газ ність газотурбінного двигуна, однак вони не такі після його виходу з компресора і перед нагріванефективні, як гази з низькою питомою теплоємнісням його за допомогою першого або головного тю, бо утримують більше тепла, виходячи у виглятеплопередавального засобу, і пристрій конденсуді вихлопу з турбіни. Тому газом газотурбінного вання рідини для наступного конденсування рідидвигуна може бути повітря, аміак аргон, діоксид ни з відпрацьованого газу перед його подачею в вуглецю, монооксид вуглецю, гелій, водень, метан, компресор. кисень або водяна пара перевага ж віддається Рідину можна конденсувати з відпрацьованого гелію. газу або перед тим, як відпрацьований газ пройде Головний теплообмінник може бути сконстручерез другий теплопередавальний засіб, або після йовано так, щоб підвищувати температуру стиснетого. ного газу приблизно до 900°С або вище. Рідину, яку впорскує пристрій упорскування ріСпособи згідно з п'ятим і шостим аспектами дини, можна вибрати такою, що пристрій конденданого винаходу можуть додатково включати етап сування рідини не буде потрібен, тому що ця рідипередавання тепла від теплоакумулювального на конденсується з відпрацьованого газу засобу стисненому газу через головний теплообавтоматично. мінник. Рідину, яку впорскує пристрій упорскування ріДругий теплопередавальний засіб може бути дини, можна вибрати такою, що другий теплопевстановлено так щоб зменшувати температуру редавальний засіб буде зменшувати температуру відпрацьованого газу приблизно до 200°С і підвивідпрацьованого газу приблизно до температури щувати температуру газу, що виходить з компреоточуючого середовища перед проходженням газу сора, приблизно до 400°С. в компресор без використання допоміжного теплоДругий теплопередавальний засіб може вклюпередавального засобу. чати рекуператор. Згадана рідина може включати воду, краще Рекуператор може включати допоміжний тепдистильовану. лообмінник. Компресор газотурбінного двигуна із зволоДопоміжний теплопередавальний засіб може женням у кращому варіанті виконано здатним стибути встановлено так, щоб відводити тепло з відпскати газ згідно зі співвідношенням, більшим ніж рацьованого газу після проходження останнього 15:1 або рівним йому. через другий теплопередавальний засіб. Компресор може бути виконаний з можливістю Допоміжний теплопередавальний засіб може стискати газ згідно зі співвідношенням, меншим бути встановлено так, щоб зменшувати темпераніж 30:1 або рівним йому. туру відпрацьованого газу приблизно до 30°С Описувана газова турбіна може бути потужніДопоміжний теплопередавальний засіб може шою за турбіну в 1МВт або мати таку саму потужвключати третій теплообмінник ність. Цей третій теплообмінник може включати приКомпресор і перший або головний теплоперестрій рідинного охолодження для пропускання давальний засіб можна скомпонувати так, що темохолоджувальної рідини через третій теплообмінпература стисненого газу, який виходить з компреник з метою відведення тепла з відпрацьованого сора, становитиме приблизно 400°С, і так, що газу. пристрій упорскування рідини зменшуватиме темСпособи згідно з п'ятим і шостим аспектами пературу стисненого газу приблизно до 195°С. даного винаходу можуть додатково включати етап Способи згідно з п'ятим і шостим аспектами передавання тепла від відпрацьованого газу стисданого винаходу можуть додатково включати етап неному газу перед прокачуванням останнього ченагрівання газу або перед входженням його в гарез перший або головний теплопередавальний зову турбіну, або після входження, щоб підтримузасіб з використанням рекуператора. вати температуру газу, що входить в газову турбіСпособи згідно з п'ятим і шостим аспектами ну, відносно постійною, приблизно 930°С. даного винаходу можуть крім того включати етап Способи згідно з п'ятим і шостим аспектами передавання тепла від відпрацьованого газу педаного винаходу можуть додатково включати ред прокачуванням останнього через компресор з етапи: використанням третього теплообмінника. а) упорскування рідини в стиснений газ після Газотурбінний двигун згідно з третім і четверйого виходу з компресора і перед нагріванням його тим аспектами даного винаходу може додатково за допомогою першого або головного теплоперевключати пристрій регулювання об'ємної швидкосдавального засобу, ті газового потоку для регулювання об'ємної швидб) конденсування згаданої рідини з відпрацьокості газу, що тече через газотурбінний двигун. 13 76954 14 Пристрій регулювання об'ємної швидкості гарозміщений, щоб приводити в дію безпосередньо зового потоку може бути встановлено з можливіселектродвигун. тю дроселювання газотурбінного двигуна для реГідравлічний насос/двигун може бути скомпогулювання його вихідної потужності шляхом нований таким чином, щоб приводити в дію трансобмеження об'ємної швидкості газу, що тече через портний засіб за допомогою гідравлічних двигунів. газотурбінний двигун. Поршневий і газотурбінний двигуни, кожний, Пристрій регулювання об'ємної швидкості газу можуть бути скомпоновані так, щоб приводити в може включати клапан. дію коробку передач. Пристрій регулювання об'ємної швидкості газу Коробка передач газотурбінного двигуна може може бути розташований так, щоб регулювати мати передаточне відношення приблизно 6:1. Таке об'ємну швидкість газу, що тече між допоміжним передаточне відношення може відповідати співтеплопередавальним засобом і компресором. відношенню 35000 6000об/хв.. Способи згідно з п'ятим і шостим аспектами Газотурбінний двигун може бути встановлений даного винаходу можуть додатково включати етап так, щоб приводити в дію гідравлічний насос з порегулювання об'ємної швидкості газу, що тече чехилою шайбою. рез газотурбінний двигун, з метою дроселювання Транспортний засіб може включати гідравлічгазотурбінного двигуна і регулювання його вихідний насос/двигун, генератор, засіб передачі механої потужності. нічної енергії або один чи більше із згаданих мехаСпособи згідно з п'ятим і шостим аспектами нізмів у комбінації для регулювання механічної даного винаходу можуть додатково включати етап потужності поршневого або газотурбінного двигурегулювання об'ємної швидкості газу, що тече чена. рез газотурбінний двигун, з використанням приТранспортний засіб може також включати кострою регулювання об'ємної швидкості потоку. робку передач, а транспортний засіб, який привоГазотурбінний двигун згідно з третім і четвердиться в дію газотурбінним двигуном, може також тим аспектами даного винаходу може додатково включати гідравлічний насос з похилою шайбою. включати пристрій регулювання об'ємної швидкосКоробка передач такого транспортного засобу ті рідини для регулювання об'ємної швидкості ріможе бути скомпонована так, щоб приводити в дію дини, яка впорскується в стиснений газ пристроєм згаданий гідравлічний насос. упорскування рідини, з метою регулювання вихідЗгідно з іншим аспектом даний винахід пропоної потужності газотурбінного двигуна. нує теплоакумулювальний пристрій, що включає Пристрій регулювання об'ємної швидкості ріконтейнер з впускним отвором, випускним отводини може включати пропорційний інтегральнором, теплоакумулювальною речовиною і теплопедиференціальний регулятор (ПІД регулятор). редавальним засобом, пристосованим для переПід регулятор може бути розміщений так, щоб несення текучого середовища в контейнер для регулювати об'ємну швидкість рідини, яку впорспроходження через теплоакумулювальну речовину кують в стиснений газ, пропорційно об'ємній швиді виведення цього текучого середовища через викості стисненого газу. пускний отвір. Під регулятор може бути розміщений так, щоб Краще, щоб текучим середовищем був газ. регулювати вихідну потужність газотурбінного двиТеплоакумулювальна речовина може являти гуна шляхом регулювання і об'ємної швидкості собою розплавлену хімічну сполуку, наприклад газу, що тече через газову турбіну, і об'ємної швихлорид літію. дкості рідини, яка впорскується в стиснений газ за Текуче середовище можна пропускати у видопомогою пристрою упорскування рідини. гляді бульбашок від дна контейнера через теплоаСпособи згідно з п'ятим і шостим аспектами кумулювальну речовину і назовні через випускний даного винаходу можуть додатково включати етап отвір. регулювання об'ємної швидкості рідини, яку впорсТеплопередавальний засіб може включати кують в стиснений газ, для регулювання вихідної принаймні одну трубку принаймні з одним випускпотужності газотурбінного двигуна. ним отвором, розміщеним біля дна контейнера. Способи згідно з п'ятим і шостим аспектами Далі буде описано кращий варіант даного виданого винаходу можуть додатково включати етап находу тільки як приклад, з посиланням на наступрегулювання об'ємної швидкості рідини, яку впорсні креслення. кують в стиснений газ, з використанням пристрою Фіг.1 - схематичний вигляд у розрізі одного регулювання об'ємної швидкості рідини. прикладу запропонованого поршневого двигуна. Поршневий та газотурбінний двигуни згідно з Фіг.2 - схема технологічного циклу одного припершим, третім і четвертим аспектами даного викладу запропонованого газотурбінного двигуна. находу, кожний, можуть бути скомпоновані так, Фіг.3 - ілюстрація теплового елемента згідно з щоб приводити в дію гідравлічний насос/двигун, одним варіантом даного винаходу. генератор, засіб передачі механічної енергії або На Фіг.1 показаний поршневий двигун 10, який, один чи більше із згаданих механізмів у комбінації як правило, включає поршень 12, витіснювач 14, для регулювання механічної потужності цих двигуциліндр 16, маховик 18, шатуни 20 і 22, теплообнів. мінник 24 з тепловим елементом з рідкої солі, реГенератор може бути встановлено так, щоб генератор 26, дросельний клапан 28 і теплообмінзаряджати електричний акумулювальний пристрій, ник 30. Поршень 12 ковзає вгору і вниз вздовж який, в свою чергу, можна встановити так, щоб циліндра 16. Зовнішня циліндрична поверхня поприводити в дію електродвигун. ршня 12 щільно прилягає до внутрішньої поверхні З іншого боку, краще, щоб генератор був так циліндра 16. Витіснювач 14 за формою подібний 15 76954 16 до поршня, але його верхня поверхня є півсфериловим елементом з рідкої солі призначений перечною і відповідає верхній внутрішній поверхні цидавати тепло від теплового елемента з рідкої солі ліндра 16. На відміну від поршня 12 витіснювач 14 газу, що проходить через теплообмінник. По мірі нещільно прилягає до внутрішньої поверхні цилінпроходження через теплообмінник газоподібний дра 16. Витіснювач 14 рухається вгору і вниз гелій нагрівається і потім проходить через гарячу вздовж циліндра 16. Рух витіснювача 14 і поршня трубу 38 у верхній кінець циліндра 16. Гарячий 12 відносно один одного зумовлений їхнім з'єдгазоподібний гелій має можливість проходити вниз нанням з маховиком 18. Поршень 12 з'єднаний з через верхній кінець 32 циліндра 16 між зовнішмаховиком за допомогою шатуна 22, а витіснювач ньою бічною стінкою витіснювача 14 і внутрішньою 14 з'єднаний з маховиком 18 за допомогою шатуна бічною поверхнею циліндра 16. Тому гарячий газ 20. Шатуни 20 і 22 прикріплені до маховика 18 тазаповнює верхній кінець 32 циліндра 16. В резульким чином, що поршень 12 і витіснювач 14 пересутаті розширення гарячого гелію утворюються сили, ваються всередині циліндра 16 зі зміщенням по що діють і на поршень 12, і на витіснювач 14, і вифазі на 90° відносно один одного. кликають їхній рух униз. По мірі руху поршня 12 і Поршень 12 розділяє циліндр 16 на верхній і витіснювача 14 вниз гарячий газ охолоджується в нижній кінці, або відділення 32 і 34, відповідно. результаті роботи, яку він виконав з поршнем 12 і Всередині верхнього і нижнього кінців, 32 і 34, знавитіснювачем 14. По мірі охолоджування газ проходиться газоподібний гелій. Газоподібний гелій ходить через холодну трубу 36 в регенератор 26. може також вільно проходити через холодну і гаРегенератор виконаний з можливістю відбирати рячу труби 36 і 38, відповідно, які дають можлитепло газу, що проходить через нього. Оскільки вість газоподібному гелію текти з циліндра 16 черух поршня 12 і витіснювача 14 в циліндрі 16 прорез регенератор 26 та теплообмінник 24 з довжується, газ всередині нього охолоджується тепловим елементом з рідкої солі. Холодна труба ще більше. Коли поршень 12 знаходиться у своєму 36 відходить майже перпендикулярно від циліндра найнижчому положенні в циліндрі 16, охолодження 16 приблизно на половині його довжини, а гаряча газу у верхньому кінці 32 циліндра 16 створює в труба 38 проходить вгору від верхньої поверхні результаті вакуум, і поршень 12 всередині циліндциліндра 16. Холодна труба 36 з'єднує циліндр 16 ра 16 починає рухатися вгору. Рух поршня 12 вгоз регенератором 26, а гаряча труба 38 з'єднує циру також полегшується завдяки інерції маховика ліндр 16 з теплообмінником 24 з тепловим елеме18. По мірі руху поршня 12 вгору, прохолодний газ, нтом з рідкої солі Холодна труба 36 також продовякий знаходиться у верхньому кінці 32 циліндра жується за межами регенератора 26 і з'єднує 16, виходить з цього верхнього кінця, проходить останній з теплообмінником 24 з тепловим елемечерез холодну трубу 36 і потім через регенератор нтом з рідкої солі. 26. Під час проходження через регенератор 26 Нижня половина циліндра 16 прикріплена до холодний газ поглинає тепло від регенертора 26, теплообмінника 30, призначеного відбирати тепло яке було увібране з газу всередині циліндра 16 у від нижньої половини циліндра 16 Теплообмінник попередній частині описуваного циклу. Тому газ, 24 з тепловим елементом з рідкої солі у поєднанні що проходить через холодну трубу 36, попередньо з регенератором 26 та холодною і гарячою трубанагрівається в регенераторі 26 перед тим, як пройми 36 і 38, призначені нагрівати газоподібний гети через теплообмінник з тепловим елементом з лій, що міститься у верхньому кінці циліндра 16. В рідкої солі. По мірі проходження через теплообрезультаті нагрівання газу, що знаходиться у вермінник з тепловим елементом з рідкої солі, газ хньому кінці 32 циліндра 16, та охолодження газу, нагрівається і, як вже говорилось, потім проходить що знаходиться в нижньому кінці 34 циліндра 16, через гарячу трубу 38 і входить у верхній кінець поршень 12 здійснює зворотно-поступальний рух циліндра 16, щоб продовжити цикл. вгору і вниз всередині циліндра 16 згідно з теореВихідну потужність двигуна 10 можна регулютичним циклом Карно. Рух поршня 12 надає обервати за допомогою дросельного клапана 28. Дротання маховику 18. Тому двигун 10 здатний перетсельний клапан 28 можна застосовувати для обворювати теплову енергію на механічну. меження об'ємної швидкості газу, який проходить Оскільки поршень 12 і витіснювач 14 з'єднані з через холодну трубу 36, обмежуючи таким чином маховиком 18, їх рух можна було б використовувашвидкість, з якою гарячий газ входить у верхній ти для вироблення не механічної, а електричної кінець 32 циліндра 16. Таке обмеження об'ємної енергії. Такий варіант можна було б здійснити, швидкості газу при входженні в циліндр 16 веде в наприклад, прикріпивши магніти до шатуна, наприрезультаті до того, що вихідна потужність двигуна клад шатуна 20, і надавши можливості шатуну 10 зменшується або дроселюється. Таким чином, рухатись уперед і назад через котушку. Цей варідросельний клапан 28 можна використовувати для ант, однак, вимагав би пружини або подібної детазбільшення або зменшення вихідної потужності лі, здатної ініціювати переміщення поршня 12 вгодвигуна 10. ру. У варіанті, зображеному на Фіг.1, таке Витіснювач 14 має три основні функції. Він запереміщення вгору забезпечується інерцією махобезпечує певне зусилля, спрямоване вниз, яке вика 18. допомагає обертатися маховику, обертання якого Зворотно-поступальний рух поршня 12 і витісстворює рушійну силу для переміщення вниз порнювача 14 відбувається в результаті такого циклу шня 12. Витіснювач 14 також зменшує об'єм верхГазоподібний гелій з верхнього кінця 32 циліндра нього кінця 32 циліндра 16, а це означає, що для 16 проходить через холодну трубу 36, через регепочатку руху вниз поршня 12 потрібне менше рознератор 26 і входить в теплообмінник 24 з теплоширення гарячого газу. І нарешті, витіснювач 14 вим елементом з рідкої солі. Теплообмінник з тепдіє як теплоприймач, а це означає, що він приймає 17 76954 18 участь в нагріванні газу у верхньому кінці 32 циліщо передає тепло відпрацьованого газу стисненондра 16. му газу, який потім прокачують через теплообмінТепловий елемент з рідкої сілі являє містить ник, зв'язаний з тепловим елементом з NaF. Темрідку сіль у вигляді фториду натрію вагою приблипература відпрацьованого газу, який виходить з зно 2,97 тонн. Цей тепловий елемент теплообмінгазової турбіни, становить приблизно 470°С. Темника 24 і регенератор 26 призначені для двигуна пература газу, що виходить з компресора 52, 10 і сконструйовані так, що температура і тиск в приблизно 400°С. Зволожувач 49 зменшує темперегенераторі 26 і тепловому елементі теплообмінратуру газу, який виходить з компресора 52, прибника 24 не перевищує приблизно 800°С і 15лизно до 195°С, а рекуператор 46 підвищує тем25МПа, відповідно. пературу стисненого газу приблизно до 400°С Поршневий двигун 10, що працює таким чиперед його проходженням через теплообмінник, ном, можна застосовувати для приведення в дію зв'язаний з тепловим елементом з NaF. транспортного засобу. Для шахтної рятівної машиПрокачування стисненого газу через теплообни краще застосовувати тепловий елемент з рідкої мінник, зв'язаний з тепловим елементом з NaF, сілі, здатний забезпечувати 1000кВт накопичувадає в результаті підвищення температури стисненої енергії при температурі 650-1000°С. Хлорид ного газу приблизно до 930°С. натрію (NaCl), фторид літію (LiF) і фторид натрію Після проходження через рекуператор 46 від(NaF) - всі ці солі здатні забезпечувати енергію працьований газ має температуру приблизно 1000кВт в температурному діапазоні 650-1000°С, і 200°С. Тому цей газ необхідно пропустити через NaF, здається, є найкращим компромісом між змегазо-рідинний теплообмінник 48, щоб зменшити ншенням кількості або ваги солі, необхідної для температуру відпрацьованого газу перед його забезпечення енергії 1000кВт, та мінімізацією варпроходженням через компресор 52. Газо-рідинний тості. Приблизно 2,97 тонн NaF здатні задовольтеплообмінник 48 зменшує температуру відпранити згадану розрахункову потребу теплового цьованого газу приблизно до 30°С. Через газоелемента з рідкої солі для шахтної рятівної марідинний теплообмінник 48 прокачують охолодну шини. воду 51. Поршневий двигун 10 за Фіг.1 здатний забезКлапан 50 регулювання об'ємної швидкості гапечувати вихідну потужність приблизно 100кВт. зу розміщено між газо-рідинним теплообмінником Хоча така вихідна потужність спроможна приводи48 і компресором 52. Клапаном 50 можна дросети в дію шахтну рятівну машину, краще, якщо така лювати газотурбінний двигун 40 шляхом обмеженмашина буде приводитись в дію джерелом енергії ня потоку газу в газову турбіну 42. Клапан 50 регубільшої потужності, ніж поршневий двигун. Газотулювання об'ємної швидкості газу являє собою рбінний двигун 22 за Фіг.2 здатний забезпечувати вакуумно-нагнітальний насос, що керується сисвихідну потужність приблизно 236кВт і тому на темою керування 3 газу після його виходу з газосьогодні перевага віддається йому як джерелу рідинного теплообмінника 48 і перед його прохоенергії для приведення в дію шахтної рятівної мадженням через клапан 50 конденсується дистишини. льована вода 53. Краще, якщо поршневий двигун працює за Як пояснювалось вище, клапан 50 регулюванпринципом двигуна Стирлінга і включає ізотермічня об'ємної швидкості газу можна використовувати не стискання, нагрівання постійного об'єму, ізотедля зменшення або збільшення вихідної потужнормічне розширення і охолодження постійного сті 54 газової турбіни 42. Однак потужність 54 на об'єму згідно з циклом Карно, причому робочу вивиході газотурбінного із зволоженням двигуна 40, хідну потужність поршневого двигуна вимірюють якщо застосовувати цей метод, послаблюється. площею, охопленою циклом на діаграмі тискВважають, що, регулюючи об'ємну швидкість дисоб'єм. тильованої води 56, що входить у зволожувач 49, На Фіг.2 показано газотурбінний двигун 40 із вихідну потужність 54 можна регулювати без шкідзволоженням, який, як правило, включає газову ливого впливу на вихідну потужність газотурбіннотурбіну 42, тепловий елемент з NaF і пов'язаний з го двигуна 40. Для регулювання об'ємної швидкосним теплообмінник 44, рекуператор 46, газоті дистильованої води 56, що входить у рідинний теплообмінник 48, зволожувач 49, клапан зволожувач 49, підходить пропорційний інтеграль50 регулювання об'ємної швидкості газу і компрено-диференціальний регулятор (ПІД регулятор). сор 52. Газотурбінний двигун 40 являє собою двиПІД регулятор міг би регулювати об'ємну швидгун замкненого циклу; відпрацьований газ, що викість дистильованої води 56 пропорційно регулюходить з газової турбіни 42, пропускають по каналу ванню об'ємної швидкості газу, регульованого клав компресор 52, який потім прокачує цей відпрапаном 50, так що вихідна потужність 54 цьований газ назад на вхід газової турбіни 42. регулюватиметься і клапаном 50, і ПІД регулятоСтиснений газоподібний гелій, прокачуваний комром. пресором 52 від компресора 52 на вхід газової Згідно з іншим варіантом даного винаходу у турбіни 42, проходить спочатку через зволожувач зволожувач 49 можна впорскувати рідину, здатну 49, потім через рекуператор 46 і, нарешті, через максимізувати кількість теплоти, яку можливо акутепловий елемент з NaF і пов'язаний з ним тепломулювати у вигляді прихованої теплоти в процесі обмінник 44 попадає до газової турбіни 42. Газом, зміни стану твердого на рідкий та/або рідкого на прокачуваним через газотурбінний двигун 40, є газоподібний. Для зниження температури відпрагелій. Компресор 52 стискає відпрацьований газ цьованого газу, що входить в компресор 52, газозгідно з відношенням 15:1. рідинний теплообмінник 48 може бути буде модиРекуператор 46 - це, по суті, теплообмінник, фіковано з метою включення етапу наддуву, який 19 76954 20 може додатково знизити температуру відпрацьоотворами на кожному кінці. ваного газу. Це може викликати необхідність викоКонтейнер заповнено високотемпературною ристання на вихідному отворі теплообмінника 48 сіллю, нагрітою до розплавленого стану. Контейпристрою типу труби Вентурі. В цій ситуації можна нер виготовлено з керамічного матеріалу, здатного обійтися без клапана 50 регулювання об'ємної практично не випускати тепло із внутрішньої часшвидкості потоку. тини контейнера. Краще, щоб газова турбіна працювала з доЗ верхньої секції 62 контейнера 60 виходить триманням згаданих співвідношень і циклів, але у труба 64 для випуску газу. модифікованій формі. В процесі роботи газ прокачують через трубу Хоча в описаному кращому варіанті даного 61, і він виходить через кінці труби 63 в нижню винаходу використано воду, також можна викорисчастину контейнера 60. Газ, який перебуває під товувати іншу рідину, наприклад аміак. тиском, проходить у вигляді бульбашок через розДля приведення в дію шахтної рятівної машиплавлену сіль, якою може бути хлорид літію, і погни можна застосувати газову турбіну Алісона Т63линає тепло. Газ потім виходить через випускну А-700 (250-С18) з вихідною потужністю приблизно трубу із значно більш високою температурою. 236кВт. Розрахункова ефективність вищеописаноГаз, що проходить у вигляді бульбашок через го газотурбінного двигуна 40 становить приблизно розплавлену сіль, перебуває з нею в прямому кон37%. Краще, якщо згаданий тепловий елемент з такті. Це відрізняється від існуючих теплових елеNaF здатний забезпечувати 1000кВт накопичуваментів, в яких тепло повинно проходити через меної енергії для передачі тепла стисненому газу при талеву перешкоду у вигляді системи труб температурі 650-1000°С. Для цього, як уже поястеплообміну. Вважають, що теплопередача з прянювалось при описі поршневого двигуна 10, потрімим контактом при пропусканні газу у вигляді бубно 2,97 тонн NaF. Газову турбіну Алісона з'єднульбашок буде приблизно у декілька сотень разів ють з коробкою передач, яка має передаточне вищою, ніж в традиційних трубчастих теплообмінвідношення приблизно 6:1 (35000:6000об/хв) і, в никах з непрямим контактом. Більш того, очікують, свою чергу, з'єднана з гідравлічним насосом з пощо вартість виготовлення такого теплоакумулюхилою шайбою, призначеним передавати енергію вального пристрою буде значно меншою, ніж варгусеничним ланкам або колесам шахтної рятівної тість традиційних теплоакумулювальних примашини через ряд гідравлічних двигунів. строїв. На Фіг.3 показаний тепловий елемент згідно з Розмір теплового елемента можна також змеодним варіантом даного винаходу. Тепловий еленшити завдяки відсутності необхідності в системі мент 60 має, як правило, циліндричну форму з труб теплообміну. вводом 61 для газу через верхню секцію 62. Ввід Згідно з іншим варіантом даного винаходу газ 61 для газу являє собою циліндричну трубу, що можна пропускати у вигляді бульбашок через розпроходить через центр контейнера 60 і біля його плавлену сіль, застосовуючи інші методу виводу дна розгалуджується під кутом 90° в трубу 63 з газу. Комп’ютерна верстка В. Мацело Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601