Спосіб цілковитого перетворення теплоти в роботу та електричну енергію

1. Спосіб перетворення теплоти в роботу на основі абсорбційно-паросилового циклу, який відрізняється тим, що циклічність перетворення забезпечують утилізацією скидної теплоти за рахунок абсорбції робочого тіла газовими електродами електрохімічного джерела струму (паливного елемента). 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що роботу від розширення робочого тіла абсорбційнопаросилового циклу повністю чи частково спрямовують на здійснення теплонасосного циклу, який забезпечує використання низькопотенціальної теплоти довкілля чи техногенного походження для отримання електричної енергії в паливному елементі. 3. Спосіб за п. 1 і п. 2, який відрізняється тим, що робоче тіло повністю чи частково накопичують в ресивері і використовують для роботи паливного елемента в разі потреби в електричній енергії. Винахід відноситься до теплових машин, систем енергозабезпечення і може використовуватись для утилізації низькопотенційної теплоти природного та техногенного походження, для підвищення експлуатаційної ефективності систем альтернативної енергетики. Аналогом заявленого способу є паливні елементи (ПЕ) з термічною регенерацією [1, с.98]. Недоліком таких паливних елементів є висока температура регенерації, і як наслідок, недостатня ефективність та надійність роботи. Відомий спосіб перетворення теплоти в роботу, який полягає в отриманні стиснутого робочого тіла (РТ) з розчину через процес десорбції, розширення його з відводом механічної енергії з циклу та конденсації РТ в абсорбційному процесі, ізотермічний перебіг якого забезпечується передачею скидної теплоти зовнішньому середовищу. Такий перебіг процесів називається абсорбційносиловим або абсорбційно паросиловим (АПС) циклом. З метою покращення термічного ККД та покращення умов проведення процесу розширення після процесу десорбції проводиться сепарація РТ з виділенням газової фази. Такий АПС цикл називається циклом Калини [2], який вибраний в якості прототипу. Недоліком циклу Калини є значний рівень скидної теплоти, яку необхідно відводити для забезпечення необхідного рівня абсорбції РТ. З цієї причини термічний ККД циклу Калини не перевищує 45%. Спільними ознаками заявленого способу і прототипу є проведення процесів розширення, абсорбції та десорбції з розчину РТ. В основу винаходу «Спосіб цілковитого перетворення теплоти в роботу та електричну енергію» поставлено задачі підвищення: - рівня перетворення теплоти у високопотенціальні види енергії; - керованості та динамічних характеристик теплоенергетичних установок. Поставлені задачі вирішуються за рахунок інтегрування в АПС цикл ПЕ з термічною регенерацією. Таке комбінування дозволяє проводити повернення РТ в термодинамічному циклі (ТЦ) (19) UA (11) 88080 (13) (21) a200713336 (22) 30.11.2007 (24) 10.09.2009 (46) 10.09.2009, Бюл.№ 17, 2009 р. (72) НЕБИЛИЦЯ КАТЕРИНА СЕРГІЇВНА, НЕБИЛИЦЯ ЮРІЙ МИКОЛАЙОВИЧ (73) НЕБИЛИЦЯ КАТЕРИНА СЕРГІЇВНА, НЕБИЛИЦЯ ЮРІЙ МИКОЛАЙОВИЧ (56) DE 10342889, H01M14/00, 12.08.2004 US 5200278, H01M8/06, 06.04.1993 US 4751151, H01M8/18, C25B5/00, 14.06.1988 EP 0430017, H01M8/06, 05.06.1991 US 5213912, H01M8/04, 25.05.1993 UA 46158, H01M8/12, 8/04, 8/06, E21B43/16, 15.05.2002 Prof. PALL VALDIMARSSON, LARUS ELIASSON. Factors influencing the economics of the Kalina power cycle and situations of superior performance. International Geothermal Conference, Reykjavнk, Sept. 2003 Session #1 Знайдено в Internet C2 1 3 88080 4 нальне призначення якого полягає в узгодженні шляхом його конденсації в електрохімічному провихідного опору ПЕ із зовнішнім навантаженням. У цесі ПЕ, що забезпечує перетворення, принаймні такому процесі концентрація продуктів реакції в частини, знеціненої теплоти ТЦ в електричну енеелектроліті росте. Утворений в ПЕ розчин АВ+С ргію. живильним насосом ЖН подається у парогенераІншим вирішенням поставлених задач є здійстор ПГ, на шляху до якого він рекупераційно нагрінення компенсаційного механізму через теплонавається в теплообміннику Т1. До ПГ підводиться сосний цикл, який в неявному вигляді проводиться теплота qext, яка йде на термічну дисоціацію АnВm шляхом теплообміну та формування траєкторії та на проведення десорбції первинних речовин з розширення РТ. Теплонасосний цикл забезпечує розчину. Змішаний потік А+В+С" відводиться з ПГ компенсацію втрат енергії в АПС циклі і ПЕ. та подається в сепаратор СП, висока температура Забезпечення суміщеної роботи АПС модуля суміші запобігає прямому перебігу реакції (1) як в та ПЕ полягає у виборі речовин, які у АПС циклі трубопроводі, так і у СП. Проведення молекулярвиконують роль РТ, а у ПЕ - активних компонентів. ного відділення реагенту А від суміші В+С" дозвоВ якості речовин найбільш доцільно використовуляє подальші етапи процесу проводити при більш вати ті, які утворюють сполуки АnВm з невисокою низьких температурах, ніж температура реагувантемпературою термічної дисоціації, мають значну ня, що забезпечує транспортування вихідних резміну ентальпії DΗ та забезпечують проходження човин до реакційної зони ПЕ, проводити їх накопиреакції (1), зворотній перебіг якої відповідає темчення, та надає циклічності процесу перетворення пературному рівню тепловіддавача qext: теплоти в роботу. Слід зазначити, що з метою зменшення гідравлічних втрат і спрощення конс-E·I·t трукції СП молекулярну сепарацію доцільно вести AnBm+C n·A+m·B+C (1) за одним реагентом, у відповідності до схеми - це +qext реагент А. Розділені в СП потоки реагенту А та суміші В силу оборотності реакції, доцільно розглядаВ+С" роздільно охолоджуються в теплообміннику ти її в контексті роботи акумулюючого пристрою. Т2, з передачею теплоти міцному розчину АВ+С, Перебіг реакції (3) з ліва на право відповідає реякий прямує до ПГ. Ця теплота може бути часткожиму розрядки акумулятора через електрохімічний во використана і для десорбції у ПГ. Відбирання процес паливного елемента (ПЕ), генерування від потоку В+С" теплоти переводить його у переструму I електричного кола, утворенням mAB речоохолоджений стан по відношенню до компоненти вини АnВm та виділенням енергії mAB·(-DG)=Ε2·RнС, що забезпечує відділення останньої у волого1 ·tпр, де: DG - енергія Гіббса реакції; Ε - електроруроздільнику ВР та повернення потоку С" в основшійна сила ПЕ; Rн - опір навантаження; tпр - час ний потік відновленого електроліту. перебігу реакції. Проведення оберненого процесу З метою переведення потоків А і В на нижчий з отриманням первинних речовин можливе шлятемпературний рівень здійснюється їх адіабатичне хом підводу до розчину АnВm +С теплоти розширення в детандерах ДА та ДВ з відведенням механічного моменту до трьохфазного генератора q ext= ò TdS , що відповідає режиму зарядки акуG. мулятора. При проведенні ESEEPH теплоперепад в тепДля реалізації способу цілковитого перетволообмінниках зумовить дрейф початкового теплорення теплоти необхідно забезпечити циклічність вого рівня, що унеможливить циклічність процесів. процесів розрядки/зарядки, що пов'язано з дотриВ умовах відсутності джерела холоду стабілізація манням ряду вимог ι досягається в спосіб, який процесу повернення складових реакції (1) забезпредставлено на Фіг. структурною схемою перепечується компенсаційним механізмом через витворення теплової енергії в електричну через використання теплообмінника Т3. Компенсаційний користання електрохімічного джерела енергії зі механізм полягає у формуванні таких температур зовнішнім тепловим накачуванням - ESEEPH потоків А та В на вході в турбодетандери ТА і ТВ, {Electrochemical Sources of Energy with the External щоб з врахуванням ступеня розширення газів темPumping Heat). Запропонований спосіб відрізняпература потоків на виході з них була на 20...40°С ється від традиційних ПЕ з термічною регенерацінижчою за робочу температуру речовин на вході в єю [1, с 100] і елементів з комбінованим термоелеПЕ, що забезпечує доохолодження електроліту С. ктрохімічним перетворенням теплоти [3, с 104] в Дросель Др1 забезпечує розв'язку між ступепершу чергу фізикою, термодинамікою процесів, нями високого і низького тиску, та з метою зменспрямованістю та особливістю проведення, що шення втрат він може бути замінений гідромотовиражено у назві способу. В подальшому при розром, механічний момент якого спрямовується на гляді характеристик, реалізацій та особливостей часткове покриття втрат живильного насоса ЖН. використання способу будуть використовуватися У зазначеній послідовності вихідні компоненти терміни система та технології ESEEPH. системи повертаються в початковий стан, що доУ відповідності до схеми креслення з резервузволяє здійснювати процес безперервно, за умови арів РА, РВ та Г2 вхідні речовини А, В та електронадходження теплоти qext. Механічний момент літ С роздільно подаються в паливний елемент детандерів складається і надає руху електричному ПЕ. Проникаючи через газові електроди, компогенератору. Електрична енергія генератора разом нент А окислюється, а компонент В відновлюється, із енергією, виробленою КР, частково йде на техелектрони проходять по зовнішньому електричнонологічні цілі, а більшою мірою виводиться із сисму колу, віддаючи енергію навантаженню, в якості теми енергозабезпечення. У відповідності до схеякого у схемі використано конвектор КР, функціо 5 88080 6 ми електрична енергія передається трьохфазній човини приведені в таблиці. Для пари реагентів мережі ЗФМ. аміак - діоксид сірки (IV) перебіг процесу ESEEPH Для проведення процесів ESEEPH в якості реописується рівнянням: агентів реакції (1) можуть використовуватись ре (2) Таблиця Стандартні термодинамічні константи хімічних речовин придатних для реалізації способу ESEEPH [4] молекул, формула Н2О NH3 NH4OH SO2 H2SO3 NH4HSO3 (NH4)2SO3 HCl NH4Cl назва речовини вода аміак гідроксид амонія діоксид сірки сульфітна к-та гідросульфіт амонія сульфіт амонія хлороводень хлористий амоній алотр. стан рд г р г p p p г р DΗ0 кДж/моль -286.9 -45.9 -367.5 -287.8 -611.1 -768.6 -903.8 -92.2 -300.8 DG0 кДж/моль DS0 Дж/(моль·К) -238.1 70.4 -16.5 192.8 -264.8 181.9 -300.1 249 -540 233.1 -609.5 252 -647.6 198.2 -95.1 187.5 -211.4 170.5 В таблиці представлені стандартні термодинамічні властивості речовин при температурі 298,15К: DΗ0 - стандартна молярна ентальпія; DG0 - стандартна молярна енергія Гіббса; DS0 - стандартна молярна ентропія; г - для газової фази; p - для розчину; рд - для рідини. Як видно з рівняння (2), транспортну функцію виконує розчин гідросульфіту амонію. Перевагою такого вибору є стабільність процесу в силу високої розчинності у воді сульфітів амонію: до 40% для сульфіту і 70% для гідросульфіту амонію. Ступінчатий механізм дисоціації сульфітів амонію дозволяє здійснювати керування процесами хемосорбції та десорбції в значних межах. Реакція характеризується незначною енергією активації, цілковитою оборотністю та прийнятною зміною ізобарно-ізотермічного потенціалу. Компоненти реакції - аміак та діоксид сірки - відносяться до малотоксичних речовин (ГДК³10), добре виявляються, просто та повністю нейтралізуються. З урахуванням низької вартості, доцільно надати перевагу цим речовинам при виборі компонентів для використання в теплосилових установках цілковитого перетворення теплоти в роботу. Схема електрохімічного ланцюга пари реагентів аміак - діоксид сірки (IV) представлена формулою: | | (- )NH3 |NH4HSO3 ,H2O | SO2 (+ ) | У відповідності до схеми (3), газові фази відділені від електроліту пористими електродами (пунктирні лінії), які запобігають об'ємним хімічним процесам в електроліті і забезпечують іонний характер переносу заряду в ньому. Аміак, контактуючи з газовим електродом, віддає електрон та у вигляді катіону амонію дифундує до електроліту. Катіон амонію, маючи вищу рухомість ніж аніон діоксиду сірки в естафетному механізмі долає міжелектродний простір і попадає в прикатодну зону. В такому механізмі слід очікувати формування електрорушійної сили (ЕРС) в подвійному електричному шарі прикатодної зони. Визначення значення ЕРС суттєво залежить від початкової концентрації гідросульфіту амонію в живильному розчині, тиску газів, омічних спадків напруг та інших чинників, тому потребує подальшого вивчення. Виходячи з умов ступінчатої дисоціації солей амонію слід очікувати перебігу двох реакцій: з утворенням гідросульфіту та сульфіту амонію. Тому значення ЕРС ПЕ, що працює за схемою (3), буде визначатись рівняннями. (3) | 4 DjNH3|HSO3 = NH SO2 (DGNH4HSO3 - (DGNH3 + DGSO2 + DGH2O )) = 0,57B (NH )2SO DjNH34SO2 3 = | z* × F DG(NH4 )2SO3 - (2 × DGNH3 + DGSO2 + DGH2O ) ( ** z ×F ) = 0,39B (4) (5) 7 де, F - стала Фарадея (F=96494 А·с); z*, z** - число електронів, що переносяться в елементарному акті реакцій утворення гідросульфіту та сульфіту амонію, відповідно. Виходячи з умови зменшення набору ПЕ вигідно спрямовувати перебіг реакції шляхом утворення гідросульфіту амонію. При номінальному навантаженні матиме місце спадок напруги, тому напруга на одиничному елементі ПЕ DjNH3|SO2~0,5В. Таке значення ЕРС достатнє для використання ПЕ в якості джерела живлення автономних систем енергозабезпечення. Як правило, існуючі ПЕ з термічною регенерацією базуються на використанні компонентів, які після відновлення знаходяться в різних агрегатних станах [1], що полегшує їх відділення, але не дозволяє проводити перетворення їх теплової енергії набутої у регенераторі в роботу через адіабатичний процес розширення. Вибір в якості компонентів речовин, які при нормальних умовах знаходяться в газовій фазі, зумовлений забезпеченням умов перебігу електрохімічного процесу та проведенням абсорбційного паросилового циклу, але потребує вирішення задачі розділення компонентів, отриманої ПГ суміші А+В+С". Вибір в якості компонентів полярних та неполярних речовин - аміаку та діоксиду сірки - забезпечує простоту розділення суміші мембранами з активованого вугілля. З огляду на значну відмінність у молекулярних масах реагентів, доцільно сепарацію проводити в центрифугах, які мають необхідну пропускну здатність та забезпечують розділення компонентів при високих температурах, хоча конструктивно є більш складними. Важливою перевагою способу ESEEPH є простотапроведення акумулювання, яке зводиться до накопичення вихідних речовин А, В і електроліту С. Таке акумулювання забезпечує високі динамічні характеристики енергосистеми та значні межі керованості ведення процесів зарядки-розрядки. Кількість накопиченої енергії визначається робочим об'ємом ресиверів та гідроакумуляторів і може бути значною. Густина електроліту С мало відрізняється від густини міцного розчину АВ+С, що дозволяє конструкційно суміщати їх в межах однієї ємності. Речовини А та В (аміак та діоксид сірки) при тиску 6...8атм за нормальних зовнішніх умов перебувають у зрідженому стані, тому при накопи 88080 8 ченні потребують незначного об'єму. Питома енергоємність такого акумулятора буде становити 0,34кВт·год/кг (для порівняння: у срібно-цинкових акумуляторах цей показник не перевищує 0,1 кВт·год/кг). Приведені викладки засвідчують можливість здійснення та практичну цінність використання способу ESEEPH, яка полягає: - в збільшенні рівня перетворення теплоти у високопотенціальні види енергії; - у зменшенні вимог до якості теплоти (тепловий рівень, інтенсивність надходження); - у можливості проведення високоефективного акумулювання, шляхом роздільного накопичення палива та окислювача ПЕ; - у забезпеченні високої автономності і керованості процесом отримання електричної енергії. Використання отриманих результатів вбачається у модернізації існуючих енергосистем традиційної і альтернативної енергетики, а також у розробці новітніх технологій безпаливної енергетики. Модернізація існуючих систем традиційної енергетики слід пов'язувати з проведенням утилізації скидної теплоти за способом ESEEPH взамін використанню градирень. Проведення утилізації навіть частини теплоти енергосистеми забезпечить отримання додаткової електроенергії, вирішить проблему маневрових потужностей, чим збільшиться енергетична ефективність основних циклів, одночасно зі зменшенням теплового забруднення довкілля. Список використаних джерел: 1. Волков С.В., Присяжный В.Д. Холодне горіння. К.: Наукова думка, 1972. - 176с. 2. Prof. Pall Valdimarsson, Larus Eliasson. Factors influencing the economics of the Kalina power cycle and situations of superior performance. International Geothermal Conference, Reykjavik, Sept. 2003 Session #1. 3. Нетрадиційні електрохімічні системи перетворення енергії: Монографія // Кузьмінський Є.В., Колбасов Г.Я., Тевтуль Я.Ю., Голуб Н.Б. - К.: Академперіодика, 2002. - 182с. 4. Карапетьянц М.X., Карапетьянц М.Л. Основные термодинамические константы неорганических и органических веществ. - М.: Химия, 1968. - 472с. 9 Комп’ютерна верстка О. Гапоненко 88080 Підписне 10 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