Спосіб перетворення теплової енергії в механічну роботу з утилізацією теплоти

1. Спосіб перетворення теплової енергії в механічну роботу з утилізацією теплоти, що включає послідовні процеси стискання повітря, спалювання суміші вугле водного палива зі стисненим повітрям, розширення продуктів згоряння з виконанням механічної роботи, а також утилізацію теплоти шляхом проведення послідовних процесів випаровування низькокиплячого робочого тіла при високому тиску з підводом теплоти 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 до низькокиплячого робочого тіла високого тиску підводять теплоту, що утворюється в процесі стискання повітря. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що до низькокиплячого робочого тіла низького тиску підводять теплоту, що утворюється в процесі стискання повітря. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що до низькокиплячого робочого тіла низького тиску підводять теплоту від повітря перед його стисканням. UA (21) a200503674 (22) 18.04.2005 (24) 11.02.2008 (72) РОМАНОВ ВАЛЕРІЙ ВІКТОРОВИЧ, U A, БІЛЕКА БОРИС ДМИТРОВИЧ, UA, РАДЧЕНКО МИКОЛА ІВАНОВИЧ, UA, СИРОТА ОЛЕКС АНДР АРХИПОВИЧ, UA, РАДЧЕНКО РОМАН МИКОЛАЙОВИЧ, UA, АНДРЄЄВ АРТЕМ АНДРІЙОВИЧ, U A, ТАРАСЕНКО МАРІЯ ОЛЕКСАНДРІВН А, UA, РАДЧЕНКО АНДРІЙ МИКОЛАЙОВИЧ, U A, КОНОВАЛОВ ДМИТРО ВІКТОРОВИЧ, UA (73) НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ КОРАБЛЕБУДУВАННЯ ІМЕНІ АДМІРАЛА МАКАРОВА, U A (56) UA 71357, F02C6/18, 15.11.2004 UA 71359, F02C6/18, 15.11.2004 UA 66922, F01K21/04, F02C6/18, 15.06.2004 UA 79821, F02C6/18, 25.07.2007 UA 15127, F02C6/18, 30.06.1997 UA 71360, F02C6/18, 15.11.2004 UA 47789, F02C6/18, 15.07.2002 UA 72821, F02C6/18, 15.04.2005 RU 2059836, F01K21/04, F02C1/04, 10.05.1996 RU 2224125, F02C6/18, 20.02.2004 RU 2013616, F02C6/00, 30.05.1994 RU 2152527, F02C6/18, F01K23/08, 10.07.2000 SU 1830421, F01K21/04, 30.07.1993 US 5379588, F02C6/00, 10.01.1995 C2 2 (19) 1 3 81779 Прототипом 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 випаровування низько киплячого 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, 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 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, 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 випаровування 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, конденсації пари при проміжному тиску, теплоту на випаровування низькокиплячого робочого тіла високого тиску підводять від стисненого повітря. У названому способі теплоту на випаровування низькокиплячого робочого тіла низького тиску підводять від стисненого повітря. У названому способі теплоту на випаровування низькокиплячого робочого тіла низького тиску підводять від повітря перед його стисканням. Завдяки утилізації теплоти шляхом відведення теплоти від стисненого повітря до низькокиплячого робочого тіла високого 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 вн утрішнього згоряння. При цьому зрос 4 тають потужність і коефіцієнт корисної дії двигунів, а отже й енергетична ефективність способу перетворення теплової енергії в механічну роботу. Завдяки відведенню теплоти від стисненого повітря на випаровування низькокиплячого робочого тіла, окрім високого тиску, ще й низького тиску, а значить і при більш низькій температурі випаровування, збільшують кількість відведеної теплоти і відповідно стиснене повітря охолоджують до більш низьких температур, недосяжних при відведенні теплоти від стисненого повітря до низькокиплячого робочого тіла тільки високого тиску. Завдяки відведенню теплоти від стисненого повітря до низькокиплячого робочого тіла високого тиску знижують температуру стисненого повітря, а за рахунок відведення теплоти від повітря перед його стисканням на випаровування низькокиплячого робочого тіла низького тиску зменшують витрати роботи на саме стискання повітря і додатково знижують температуру стисненого повітря, в результаті 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, а отже й енергетична ефективність способу перетворення теплової енергії в механічну роботу. На Фіг.1 зображено схему газотурбінної установки, в якій реалізується запропонований спосіб перетворення теплової енергії в механічну роботу з утилізацією теплоти шляхом відведення теплоти від стисненого повітря на випаровування низькокиплячого робочого тіла одночасно високого і низького тиску. На Фіг.2 зображено схему газотурбінної установки, в якій реалізується запропонований спосіб перетворення теплової енергії в механічну роботу з утилізацією теплоти шляхом відведення теплоти на випаровування низькокиплячого робочого тіла високого тиску від стисненого повітря, а на випаровування низькокиплячого робочого тіла низького тиску від повітря перед його стисканням. Установка на Фіг.1 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 стисненого повітря, 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. Установка на Фіг.2 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 стисненого повітря, струминний компресор-ежектор 6, випарник 7 низькокиплячого робочого тіла низького тиску - охолоджувач повітря перед його стисканням, конден 5 81779 сатор 8 низькокиплячого робочого тіла проміжного тиску, дросельний клапан 9, насос низькокиплячого робочого тіла 10. Спосіб перетворення теплової енергії в механічну роботу з утилізацією теплоти реалізується в газотурбінній установці на Фіг.1 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 стисненого повітря після першого 1 ступеня компресора 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 стисненого повітря, розширюють з виконанням роботи на стискання до проміжного тиску у стр уминному компресоріежекторі 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 і відповідно низькій температурі, а другий після підвищення тиску в насосі 10 випаровують у випарнику 5 при високому тиску і відповідно високій температурі. Завдяки відведенню теплоти від стисненого повітря до низькокиплячого робочого тіла високого тиску у випарнику 5 охолоджують стиснене повітря. За рахунок відведення теплоти від стисненого повітря ще й до низькокиплячого робочого тіла низького тиску у випарнику 7 при більш низькій температурі випаровування збільшується кількість відведеної теплоти і відповідно стиснене повітря охолоджується до більш низьких температур, недосяжних при відведенні теплоти від стисненого повітря до низькокиплячого робочого тіла тільки високого тиску. Відповідно зменшують витрати роботи на наступне стискання повітря у др угому 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. Спосіб перетворення теплової енергії в механічну роботу з утилізацією теплоти реалізується в газотурбінній установці на Фіг.2 таким чином. 6 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 стисненого повітря після першого 1 ступеня компресора та від повітря перед його стисканням у першому 1 ступені компресора 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 стисненого повітря, 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 у першому 1 ступені компресора. Стиснену у стр уминному 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 і відповідно низькій температурі, а другий після підвищення тиску в насосі 10 випаровують у випарнику 5 при високому тиску і відповідно високій температурі. Завдяки відведенню теплоти від стисненого повітря до низькокиплячого робочого тіла високого тиску у випарнику 5 охолоджують стиснене повітря. За рахунок відведення теплоти від повітря перед його стисканням на випаровування низькокиплячого робочого тіла низького тиску у випарнику 7 зменшують витрати роботи на саме стискання повітря і додатково знижують температуру стисненого повітря. 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. Розрахунки показують, що застосування запропонованого способу із відведенням теплоти від стисненого повітря до низькокиплячого робочого тіла високого тиску, а 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. 7 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 81779 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601