Спосіб перетворення теплової енергії в механічну роботу з утилізацією теплоти

Спосіб перетворення теплової енергії в механічну роботу з утилізацією теплоти, що включає послідовні процеси стискання повітря, спалювання суміші вуглеводного палива зі стисненим повітрям, розширення продуктів згоряння з виконанням механічної роботи, а також утилізації теплоти шляхом проведення послідовних процесів нагріву рідини низькокиплячого робочого тіла при високому тиску, випаровування рідини низькокиплячого робочого тіла при високому тиску з підводом теплоти від стисненого повітря, 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 від повітря, конденсації пари при проміжному тиску, який відрізняється тим, що нагрів рідини низькокиплячого робочого тіла при високому тиску здійснюють підводом теплоти від продуктів згоряння. Винахід відноситься до способів перетворення теплової енергії в механічну роботу, зокрема в енергетичних установках з утилізацією теплоти. Відомий спосіб перетворення теплової енергії в механічну роботу з утилізацією теплоти, що включає послідовні процеси стискання повітря, спалювання суміші вуглеводного палива зі стисненим повітрям, розширення продуктів згоряння з виконанням механічної роботи, а також утилізацію теплоти шляхом проведення послідовних процесів нагріву рідини низькокиплячого робочого тіла при високому тиску, випаровування рідини низькокиплячого робочого тіла при високому тиску з підводом теплоти - 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 від повітря, конденсації пари при проміжному тиску [Патент України на винахід №81778 Заявка №а200503608 Спосіб перетворення теплової енергії в механічну роботу з утилізацією теплоти про дуктів згоряння, Бюл. №3, 2008]. Недоліком існуючого способу є недостатньо висока енергетична ефективність, оскільки не утилізується теплота стисненого повітря, яка могла б використовуватись на випаровування низькокиплячого робочого тіла при високому тиску, що призводить до зменшення коефіцієнта корисної дії енергетичної установки. Через це мають місце додаткові витрати холоду на охолодження стисненого повітря у процесі випаровування низькокиплячого робочого тіла низького тиску з підводом до нього теплоти від стисненого повітря, яке могло б бути охолоджене відводом теплоти на випаровування низькокиплячого робочого тіла при високому тиску. Найближчий аналог винаходу є спосіб перетворення теплової енергії в механічну роботу з утилізацією теплоти, що включає послідовні процеси стискання повітря, спалювання суміші вуглеводного палива зі стисненим повітрям, розширення продуктів згоряння з виконанням механічної роботи, а також утилізацію теплоти шляхом проведення послідовних процесів нагріву рідини низь UA (11) 89601 (13) (21) a200902651 (22) 23.03.2009 (24) 10.02.2010 (46) 10.02.2010, Бюл.№ 3, 2010 р. (72) РАДЧЕНКО АНДРІЙ МИКОЛАЙОВИЧ, РОМАНОВ ВЯЧЕСЛАВ ВІКТОРОВИЧ, РАДЧЕНКО МИКОЛА ІВАНОВИЧ, РАДЧЕНКО РОМАН МИКОЛАЙОВИЧ (73) НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ КОРАБЛЕБУДУВАННЯ ІМЕНІ АДМІРАЛА МАКАРОВА (56) UA 81780 C2 11 Feb. 2008 (11.02.2008) весь документ UA 81778 C2 11 Feb. 2008 (11.02.2008) весь документ UA 71357 A 15 Nov. 2004 (15.11.2004) весь документ UA 71359 A 15 Nov. 2004 (15.11.2004) весь документ UA 71360 A 15 Nov. 2004 (15.11.2004) весь документ UA 66922 C2 15 Jun. 2004 (15.06.2004) весь документ RU 2059836 C1 10 May 1996 (10.05.1996) весь документ RU 2013616 C1 30 May 1994 (30.05.1994) весь документ UA 81779 C2 11 Feb. 2008 (11.02.2008) весь документ EP 0487244 A2 27 May 1992 (27.05.1992) весь документ C2 2 (19) 1 3 кокиплячого робочого тіла при високому тиску, випаровування рідини низькокиплячого робочого тіла при високому тиску з підводом теплоти від стисненого повітря, 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 від повітря, конденсації пари при проміжному тиску [Патент України на винахід №81779 Заявка №а200503674 Спосіб перетворення теплової енергії в механічну роботу з утилізацією теплоти, Бюл. №3, 2008]. Недоліком існуючого способу є недостатньо висока енергетична ефективність, оскільки не утилізується теплота продуктів згоряння, яка могла б використовуватись на нагрів рідини низькокиплячого робочого тіла при високому тиску, що призводить до зменшення коефіцієнта корисної діїенергетичної установки. В основу винаходу поставлено задачу підвищення енергетичної ефективності способу перетворення теплової енергії в механічну роботу з утилізацією теплоти за рахунок утилізації теплоти продуктів згоряння. Для вирішення цієї задачі у способі перетворення теплової енергії в механічну роботу з утилізацією теплоти, що включає послідовні процеси стискання повітря, спалювання суміші вуглеводного палива зі стисненим повітрям, розширення продуктів згоряння з виконанням механічної роботи, а також утилізацію теплоти шляхом проведення послідовних процесів нагріву рідини низькокиплячого робочого тіла при високому тиску, випаровування рідини низькокиплячого робочого тіла при високому тиску з підводом теплоти від стисненого повітря, 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 від повітря, конденсації пари при проміжному тиску, нагрів рідини низькокиплячого робочого тіла при високому тиску здійснюють підводом теплоти від продуктів згоряння. Завдяки утилізації теплоти продуктів згоряння шляхом використання їх теплоти на нагрів рідини низькокиплячого робочого тіла при високому тиску збільшується загальна кількість утилізованої теплоти порівняно з утилізацією теплоти тільки стисненого повітря, відповідно зростає коефіцієнт корисної дії енергетичної установки, а отже й енергетична ефективність способу перетворення теплової енергії в механічну роботу. На кресленні зображено схему газотурбінної установки, в якій реалізується запропонований спосіб перетворення теплової енергії в механічну роботу з утилізацією теплоти шляхом використання теплоти продуктів згоряння на нагрів рідини низькокиплячого робочого тіла при високому тиску, а теплоти стисненого повітря - на випаровування низькокиплячого робочого тіла. 89601 4 Установка складається з першого 1 та другого 2 ступенів двоступеневого компресора, камери згоряння 3, турбіни 4, утилізаційного контуру на низькокиплячому робочому тілі, який включає економайзер 5 - нагрівач рідини низькокиплячого робочого тіла високого тиску, він же охолоджувач продуктів згоряння, і випарник 6 рідини низькокиплячого робочого тіла високого тиску - охолоджувач стисненого повітря, струминний компресорежектор 7 випарник 8 низькокиплячого робочого тіла низького тиску - охолоджувач повітря перед його стисканням, конденсатор 9 низькокиплячого робочого тіла проміжного тиску, дросельний клапан 10, насос низькокиплячого робочого тіла 11. Спосіб перетворення теплової енергії в механічну роботу з утилізацією теплоти 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 нагріву рідини в економайзері 5 за рахунок підводу теплоти від продуктів згоряння та її випаровування у випарнику 6 за рахунок підводу теплоти від стисненого повітря, розширюють з виконанням роботи на стискання до проміжного тиску у струминному компресоріежекторі 7 пари низькокиплячого робочого тіла низького тиску, яку отримують у випарнику 8 у процесі випаровування рідини за рахунок підводу теплоти від повітря перед його стисканням. Стиснену у струминному компресорі-ежекторі 7 пару низькокиплячого робочого тіла конденсують у конденсаторі 9 при проміжному тиску. Отриманий в конденсаторі 9 конденсат низькокиплячого робочого тіла ділять на два потоки, один із яких після зниження тиску і відповідно температури у дросельному клапані 10 випаровують у випарнику 8 при низькому тиску, а другий після підвищення тиску в насосі 11 нагрівають в економайзері 5 та випаровують у випарнику 6 при високому тиску. Завдяки утилізації теплоти продуктів згоряння шляхом використання їх теплоти на нагрів рідини низькокиплячого робочого тіла при високому тиску збільшується приблизно у півтора рази загальна кількість утилізованої теплоти порівняно з утилізацією теплоти тільки стисненого повітря, відповідно зростає коефіцієнт корисної дії енергетичної установки й енергетична ефективність способу перетворення теплової енергії в механічну роботу. Розрахунки показують, що застосування запропонованого способу забезпечує підвищення коефіцієнта корисної дії енергетичної установки на 2...4%. 5 89601 6 В описі до патенту на винахід графічні зображення та текст подаються в редакції заявника Комп’ютерна верстка В. Мацело Підписне Тираж 28 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