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 підводом 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 підводом теплоти, конденсації пари при проміжному тиску, який відрізняється тим, що теплоту на випаровування низькокиплячого робочого тіла низького тиску підводять від повітря перед його стисканням. UA (21) a200503678 (22) 18.04.2005 (24) 11.02.2008 (72) РАДЧЕНКО МИКОЛА ІВАНОВИЧ, UA, РОМАНОВ ВАЛЕРІЙ ВІКТОРОВИЧ, UA, БІЛЕКА БОРИС ДМИТРОВИЧ, UA, СИРОТА ОЛЕКСАНДР АРХИПОВИЧ, 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) 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 UA71360, F02C6/18, 15.11.2004 UA 47789, F02C6/18, 15.07.2002 RU 2059836, F01K21/04, F02C1/04, 10.05.1996 RU 2224125, F02C6/18, 20.02.2004 RU 2013616, F02C6/00, 30.05.1994 C2 2 (19) 1 3 ширення 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 №71357А Спосіб утилізації теплоти відпрацьованої газопарової суміші в газопаротурбінній установці, Бюл. №11, 2004]. Недоліком існуючого способу є недостатньо висока енергетична ефективність при високій температурі зовнішнього повітря, яке стискається компресором, що призводить до зростання витрат роботи на стискання повітря компресором 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 продуктів згоряння за рахунок зниження темпера тури повітря перед його стисканням. 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 повітря перед його стисканням. Завдяки утилізації теплоти продуктів згоряння із відведенням теплоти від повітря перед його стисканням до низькокиплячого робочого тіла низького тиску знижують температуру повітря перед його стисканням і відповідно зменшують витрати роботи на стискання повітря компресором. При цьому зростають потужніє і ь і коефіцієнт корисної дії енергетичної установки, а отже й енергетична ефективність способу перетворення теплової енергії в механічну роботу. На малюнку зображено схему газотурбінної установки, в якій реалізується запропонований спосіб перетворення теплової енергії в механічну роботу з утилізацією теплоти продуктів згоряння шляхом відведення теплоти від повітря перед його стисканням на випаровування низькокиплячого робочого тіла низького тиску. 81780 4 Установка складається і 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 іювігря перед його стисканням, 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 низькокиплячого 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 повітря перед його стисканням. 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 повітря перед його стисканням до низькокиплячого робочого тіла низького тиску і відповідно температури у випарнику 7 проводять охолодження повітря перед його стисканням до більш низьких температур, недосяжних при відведенні теплоти від повітря перед його стисканням, наприклад до охолоджуючої води. Відповідно зменшують витрати роботи на стискання повітря у компресорі. При цьому зростають потужність і коефіцієнт корисної дії газотурбінної установки, а отже й енергетична ефективність способу перетворення теплової енергії в механічну роботу. Розрахунки показують, що застосування запропонованого способу із відведенням теплоти від повітря перед його стисканням до низькокиплячого робочого тіла низького тиску забезпечує підвищення потужності газотурбінних двигунів і двигунів внутрішнього згоряння на 5...10% та коефіцієнта їх корисної дії на 1...2% при температурі зовнішнього повітря понад 30°С, а отже і їхньої енергетичної ефективності. 5 Комп’ютерна верстка В. Клюкін 81780 6 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