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 нагріву рідини низькокиплячого робочого тіла при високому тиску, випаровування рідини 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 від повітря, конденсації пари при проміжному тиску, який відрізняється тим, що нагрів рідини низькокиплячого робочого тіла при високому тиску здійснюють підводом теплоти від стисненого повітря. UA (21) a200902650 (22) 23.03.2009 (24) 10.06.2010 (46) 10.06.2010, Бюл.№ 11, 2010 р. (72) РАДЧЕНКО АНДРІЙ МИКОЛАЙОВИЧ, РОМАНОВ ВЯЧЕСЛАВ ВІКТОРОВИЧ, РАДЧЕНКО МИКОЛА ІВАНОВИЧ, РАДЧЕНКО РОМАН МИКОЛАЙОВИЧ (73) НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ КОРАБЛЕБУДУВАННЯ ІМЕНІ АДМІРАЛА МАКАРОВА (56) UA 47789, 15.07.2002 UA 71357, 15.11.2004 UA 71359, 15.11.2004 UA 71360, 15.11.2004 UA 81778, 11.02.2008 UA 81779, 11.02.2008 UA 81780, 11.02.2008 RU 2182246, 10.05.2002 RU 2224125, 20.02.2004 SU 276643, 15.03.1971 GB 1245971, 15.09.1971 GB 2047265, 26.11.1980 US 3667217, 06.06.1972 C2 2 (19) 1 3 охолоджене відводом теплоти на нагрів рідини низькокиплячого робочого тіла при високому тиску. 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 нагріву рідини низькокиплячого робочого тіла при високому тиску, випаровування рідини 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 від повітря, конденсації пари при проміжному тиску (Патент України на винахід № 81780 Заявка № а200503678 Спосіб перетворення теплової енергії в механічну роботу з утилізацією теплоти продуктів згоряння, Бюл. № 3, 2008). Недоліком існуючого способу є недостатньо висока енергетична ефективність, оскільки не утилізується теплота стисненого повітря, яка могла б використовуватись на нагрів рідини низькокиплячого робочого тіла при високому тиску, що призводить до зменшення коефіцієнта корисної дії енергетичної установки. В основу винаходу поставлено задачу підвищення енергетичної ефективності способу перетворення теплової енергії в механічну роботу з утилізацією теплоти продуктів згоряння за рахунок утилізації теплоти 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 нагріву рідини низькокиплячого робочого тіла при високому тиску, випаровування рідини 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 від повітря, конденсації пари при проміжному тиску, нагрів рідини низькокиплячого робочого тіла при високому тиску здійснюють підводом теплоти від стисненого повітря. Завдяки утилізації теплоти стисненого повітря шляхом використання його теплоти на нагрів рідини низькокиплячого робочого тіла при високому тиску збільшується загальна кількість утилізованої теплоти порівняно з утилізацією теплоти тільки продуктів згоряння, відповідно зростає коефіцієнт корисної дії енергетичної установки, а отже й енергетична ефективність способу перетворення теплової енергії в механічну роботу. 90971 4 На малюнку зображено схему газотурбінної установки, в якій реалізується запропонований спосіб перетворення теплової енергії в механічну роботу з утилізацією теплоти продуктів згоряння шляхом використання теплоти стисненого повітря на нагрів рідини низькокиплячого робочого тіла при високому 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 економайзер 5 - нагрівач рідини низькокиплячого робочого тіла високого тиску, він же охолоджувач стисненого повітря, і випарник 6 рідини низькокиплячого робочого тіла високого тиску - охолоджувач продуктів згоряння, 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 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 нагріву рідини в економайзері 5 за рахунок підводу теплоти від стисненого повітря та її випаровування у випарнику 6 за рахунок підводу теплоти від продуктів згоряння, 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 стисненого повітря шляхом використання його теплоти на нагрів рідини низькокиплячого робочого тіла при високому тиску збільшується приблизно у півтора рази загальна кількість утилізованої теплоти порівняно з утилізацією теплоти тільки продуктів згоряння, відповідно зростає коефіцієнт корисної дії енергетичної установки й енергетична ефективність способу перетворення теплової енергії в механічну роботу. 5 90971 Розрахунки показують, що застосування запропонованого способу забезпечує підвищення Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 6 коефіцієнта корисної дії енергетичної установки на 2.,.4%. 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