Спосіб перетворення теплової енергії в механічну роботу з утилізацією теплоти продуктів згоряння

Спосіб перетворення теплової енергії в механічну роботу з утилізацією теплоти продуктів згоряння, що включає послідовні процеси стискання повітря, спалювання суміші вуглеводного палива зі стисненим повітрям, розширення продуктів згоряння з виконанням механічної роботи, а також утилізацію теплоти продуктів згоряння шляхом проведення послідовних процесів випаровування низькокиплячого робочого тіла при високому тиску з підведенням теплоти від продуктів згоряння та розширення пари низькокиплячого робочого тіла високого тиску з виконанням роботи на стискання до проміжного тиску пари низькокиплячого робочого тіла низького тиску, яку отримують шляхом випаровування з підведенням теплоти, конденсації пари при проміжному тиску, який відрізняється тим, що до низькокиплячого робочого тіла низького тиску підводять теплоту, що утворюється в процесі стискання повітря. UA (11) 81778 (21) a200503608 (22) 18.04.2005 (24) 11.02.2008 (72) РАДЧЕНКО МИКОЛА ІВАНОВИЧ, UA, БІЛЕКА БОРИС ДМИТРОВИЧ, UA, СИРОТА ОЛЕКСАНДР АРХИПОВИЧ, UA, ФІЛОНЕНКО ОЛЕКСАНДР ОЛЕКСІЙОВИЧ, UA, РАДЧЕНКО РОМАН МИКОЛАЙОВИЧ, UA, АНДРЄЄВ АРТЕМ АНДРІЙОВИЧ, UA, КОНОВАЛОВ ДМИТРО ВІКТОРОВИЧ, UA, ТАРАСЕНКО МАРІЯ ОЛЕКСАНДРІВНА, UA, РАДЧЕНКО АНДРІЙ МИКОЛАЙОВИЧ, UA (73) НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ КОРАБЛЕБУДУВАННЯ ІМЕНІ АДМІРАЛА МАКАРОВА, UA (56) RU 2059836, F01K21/04, F02C1/04, 10.05.1996 RU 2013616, F02C6/00, 30.05.1994 RU 2152527, F02C6/18, F01K23/06, 10.07.2000 SU 1830421, F01K21/04, 30.07.1993 US 3879616, F01K23/00, 22.04.1975 RU 2117884, F25B29/00, F01K27/00, H02K57/00, 20.08.1998 UA 71357, F02C6/18, 15.11.2004 UA 71359, F02C6/18, 15.11.2004 UA 66922, F01K21/04, F02C6/18, 15.03.2004 UA 79821, F02C6/18, 25.07.2007 UA 15127, F02C6/18, 30.06.1997 C2 2 (19) 1 3 характеризується енергетична ефективність установки. Прототипом винаходу є спосіб перетворення теплової енергії в механічну роботу з утилізацією теплоти продуктів згоряння, що включає послідовні процеси стискання повітря, спалювання суміші вуглеводного палива зі стисненим повітрям, розширення продуктів згоряння з виконанням механічної роботи, а також утилізацію теплоти продуктів згоряння шляхом проведення послідовних процесів випаровування низькокиплячого робочого тіла при високому тиску з підводом теплоти від продуктів згоряння, розширення пари низькокиплячого робочого тіла високого тиску з виконанням роботи на стискання до проміжного тиску пари низькокиплячого робочого тіла низького тиску, яку отримують шляхом випаровування з підводом теплоти, конденсації пари при проміжному тиску [Деклараційний патент на винахід №71357 А Спосіб утилізації теплоти відпрацьованої газопарової суміші в газопаротурбінній установці, Бюл. №11, 2004]. Недоліком існуючого способу є недостатньо висока енергетична ефективність через високі температури стисненого повітря після першого та проміжних ступенів стискання багатоступеневого компресора, що призводить до зростання витрат роботи на стискання повітря в наступних ступенях компресора і, як наслідок, до зменшення потужності та коефіцієнта корисної дії енергетичної установки, якими й характеризується енергетична ефективність установки. В основу винаходу поставлено задачу підвищення енергетичної ефективності способу перетворення теплової енергії в механічну роботу з утилізацією теплоти за рахунок зниження температури стисненого повітря. Для вирішення цієї задачі у способі перетворення теплової енергії в механічну роботу з утилізацією теплоти продуктів згоряння, що включає послідовні процеси стискання повітря, спалювання суміші вуглеводного палива зі стисненим повітрям, розширення продуктів згоряння з виконанням механічної роботи, а також утилізацію теплоти продуктів згоряння шляхом проведення послідовних процесів випаровування низькокиплячого робочого тіла при високому тиску з підводом теплоти від продуктів згоряння, розширення пари низькокиплячого робочого тіла високого тиску з виконанням роботи на стискання до проміжного тиску пари низькокиплячого робочого тіла низького тиску, яку отримують шляхом випаровування з підводом теплоти, конденсації пари при проміжному тиску, теплоту на випаровування низькокиплячого робочого тіла низького тиску підводять від стисненого повітря. Завдяки утилізації теплоти шляхом відведення теплоти від стисненого повітря до низькокиплячого робочого тіла низького тиску знижують температуру стисненого повітря і відповідно зменшують витрати роботи на наступне стискання повітря, наприклад у багатоступеневому компресорі газотурбінного двигуна, або збільшують масу повітря, яке надходить у робочі циліндри, наприклад двигуна внутрішнього згоряння. При цьому зростають потужність і коефіцієнт корисної дії двигунів, 81778 4 а отже й енергетична ефективність способу перетворення теплової енергії в механічну роботу. На рисунку зображено схему газотурбінної установки, в якій реалізується запропонований спосіб перетворення теплової енергії в механічну роботу з утилізацією теплоти продуктів згоряння шляхом відведення теплоти від стисненого повітря на випаровування низькокиплячого робочого тіла низького тиску. Установка складається з першого 1 та другого 2 ступенів двоступеневого компресора, камери згоряння 3, турбіни 4, утилізаційного контуру на низькокиплячому робочому тілі, який включає випарник 5 низькокиплячого робочого тіла високого тиску - охолоджувач продуктів згоряння, струминний компресор-ежектор 6, випарник 7 низькокиплячого робочого тіла низького тиску - охолоджувач стисненого повітря, конденсатор 8 низькокиплячого робочого тіла проміжного тиску, дросельний клапан 9, насос низькокиплячого робочого тіла 10. Спосіб перетворення теплової енергії в механічну роботу з утилізацією теплоти продуктів згоряння реалізується в газотурбінній установці таким чином. Стиснене повітря, яке отримують послідовним стисканням у першому 1 та другому 2 ступенях компресора, направляють у камеру згоряння 3, де його змішують із вуглеводним паливом і спалюють суміш. Продукти згоряння розширюють у турбіні 4 з виконанням механічної роботи. Теплоту від продуктів згоряння відводять за допомогою утилізаційного контуру на низькокиплячому робочому тілі. Утилізаційний контур працює таким чином: пару низько киплячого робочого тіла високого тиску, яка утворюється в процесі випаровування рідини у випарнику 5 за рахунок підводу теплоти від продуктів згоряння, розширюють з виконанням роботи на стискання до проміжного тиску у струминному компресорі-ежекторі 6 пари низькокиплячого робочого тіла низького тиску, яку отримують у випарнику 7 у процесі випаровування рідини за рахунок підводу теплоти від стисненого повітря. Стиснену у струминному компресорі-ежекторі 6 пару низькокиплячого робочого тіла конденсують у конденсаторі 8 при проміжному тиску. Отриманий в конденсаторі 8 конденсат низькокиплячого робочого тіла ділять на два потоки, один із яких після зниження тиску і відповідно температури у дросельному клапані 9 випаровують у випарнику 7 при низькому тиску, а другий після підвищення тиску в насосі 10 випаровують у випарнику 5 при високому тиску. Завдяки відведенню теплоти від стисненого повітря до низькокиплячого робочого тіла низького тиску у випарнику 7 при більш низькій температурі, ніж температура зовнішнього повітря або води, стиснене повітря охолоджується до більш низьких температур, недосяжних при відведенні теплоти від стисненого повітря до зовнішнього повітря або води. Відповідно зменшують витрати роботи на наступне стискання повітря у другому ступені 2 двоступеневого компресора. При цьому зростають потужність і коефіцієнт корисної дії газотурбінної установки, а отже й енергетична ефективність способу перетворення теплової енергії в механічну роботу. 5 81778 Розрахунки показують, що застосування запропонованого способу із відведенням теплоти від стисненого повітря до низькокиплячого робочого тіла низького тиску забезпечує підвищення потуж Комп’ютерна верстка В. Клюкін 6 ності газотурбінних двигунів і двигунів внутрішнього згоряння на 5...10% та коефіцієнта їх корисної дії на 1...2%, а отже і їхньої енергетичної ефективності. 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