Процес перетворення енергії стисненого газу в електричну при його розширенні

1. Процес перетворення енергії стисненого газу за допомогою термоелектричного генератора, який включає відбір стисненого газу із вхідної магістралі, його подачу на вхід однопотокової вихрової труби, перетворення потенційної енергії стисненого газу в теплову шляхом його розширення й нагрівання в камері енергетичного розділення, підведення тепла від потоку газу через стінку цієї камери до спаїв, які нагріваються, р- і n-гілок термоелектричного генератора, та відведення тепла від спаїв, які охолоджуються, р- і n-гілок термоелектричного генератора у пристрої відводу тепла, генерацію електричної енергії в термоелектричному генераторі, відвід розширеного потоку газу із однопотокової вихрової труби у магістраль зниже C2 2 (19) 1 3 90850 4 моелектричного генератора (ТЕГ), для чого гарячі де: 1 - термоелектричний генератор; 2 - двопотота холодні потоки, які виходять з ВТ, направлякова ВТ; 3 - однопотокова ВТ; 4 - ежектор; 6 - хоються в теплообмінні пристрої для підведення лодний теплообмінник (пристрій відводу тепла); 7 тепла до гарячих та відводу тепла від холодних регулятор тиску вихідної магістралі; 8 - вхідна маспаїв ТЕГ; відвід обох потоків розширеного газу у гістраль; 9 - магістраль зниженого тиску (при касвихідну магістраль низького тиску (Рmin). Перепад кадній або багатоступінчастій схемі розширення); температур, що створюється на спаях ТЕГ, приво10 - вихідна магістраль. дить до виникнення в них термоелектрорушійної При цьому на Фіг.1-Фіг.4 та в описі винаходу сили, а при підключенні зовнішнього навантаження прийнято також наступні позначення та скорочен- електричного струму. ня: Рmax - тиск газу у вхідній магістралі (на вході Відомий також інший процес перетворення погазорозподільної станції); Рmin - тиск газу у вихідній тенційної енергії стисненого газу при його розшимагістралі (на виході блоку перетворення енергії); ренні в електричну з використанням однопотокової Pin fl - тиск потоку газу, який входить у вихрову труВТ і ТЕГ [1]. У цьому випадку розігрів розширеного бу; Pout fl - тиск потоку газу, який виходить з ВТ; Hot газу здійснюється у камері енергетичного розподіFl - гарячий потік газу, що виходить із двопотокової лу однопотокової ВТ. Газ виводиться з холодного ВТ; Cold Fl - холодний потік газу, що виходить із кінця ВТ. Нагрівання гарячих спаїв р- і n-гілок ТЕГ двопотокової ВТ; Q(+) - підведення тепла; Q(-) - відздійснюється гарячим пристінковим потоком газу від тепла; наявн =Рmax/Рmin - наявна ступень розшичерез стінки камери енергетичного розподілу, на рення газу; BT= Pinfl /Poutfl - робоча ступень розшипротилежній поверхні якої вони розміщаються. рення газу безпосередньо у ВТ. Відвід тепла від холодних спаїв р- і n-гілок ТЕГ Досягнення технічних результатів при виріздійснюється в пристрої відводу тепла до потоку шенні поставленого завдання даного винаходу газу, що виходить із ВТ. здійснюється наступним чином. Вказані процеси перетворення потенційної 1. Використання теплового потенціалу вхідноенергії стисненого газу в електричну при його рого потоку газу для охолодження спаїв ТЕГ до позширенні мають наступні недоліки: перепад тиску дачі в однопотокову ВТ. у вузлі редукування ВТ використовується неефекПідігрів вхідного потоку газу в теплообмінному тивно; теплообмінники, розташовані після ВТ, пристрої 6 від холодних спаїв ТЕГ перед входом в створюють гідравлічний опір потоку газу, який приоднопотокову ВТ приводить до додаткового росту водить до підвищення тиску газу на її виході, і, як температури газу в пристінних шарах камери ененаслідок, до зменшення робочого ступеня розширгетичного розподілу і, як наслідок, до збільшення рення газу у вихровому процесі в порівнянні з наятемператури вихідного потоку з однопотокової ВТ, вним. В остаточному підсумку це приводить до що йде на нагрівання гарячих спаїв ТЕГ, тобто до зменшення перепаду температур між отриманими збільшення перепаду температур на їх спаях потоками газу, які визначають величину електрич(Фіг.1). ної потужності, яка генерується в ТЕГ [3]. 2. Підвищення ефективності роботи ВТ досяОсобливістю роботи вихрових пристроїв є догається: сягнення граничного перепаду температур газових 2.1. Через підвищення ступеня розширення гапотоків при ступенях розширення газу, яка станозу шляхом зменшення гідравлічного опору по повить 6-8. Реальна ступінь розширення газу для току газу з однопотокової або двопотокової ВТ. більшості магістралей газорозподільних станцій Зменшення гідравлічного опору по потоці газу становить 9-25. Робота ВТ з таким ступенем розпісля (Фіг.1) ВТ досягається виключенням подачі ширення газових потоків не дає суттєвого приросгазу з вихрової труби в теплообмінний пристрій ту перепаду температур. Для збільшення вихідної відводу тепла 6. потужності необхідне підвищення витрат газу у Втрати тиску на вході у ВТ (Фіг.1), викликані гівихровому пристрої, збільшення його загальних дравлічним опором теплообмінника, не роблять розмірів, а також кількості спаїв р- i n- гілок та розтакого суттєвого впливу на величину ступеня розмірів термоелектричного генератора. ширення, як збільшення тиску за ВТ, яке відбуваТому метою даного винаходу є підвищення ється при реалізації відомих прототипів способу ефективності перетворення потенційної енергії 2.2. Через двокаскадне розширення й розігрів стисненого газу в електричну енергію, що полягає газу із застосуванням одно- та двопотокових ВТ. у: Ефективне використання потенційної енергії - використанні енергії вхідного потоку газу для стисненого газу при більших наявних перепадах охолодження спаїв ТЕГ до подачі в однопотокову наявн = Рmax/Рmin =9-25 досягається попереднім ВТ; розширенням газу, який відбирається з магістралі - підвищенні ефективності роботи ВТ, що задівисокого тиску, та його поділом на гарячий і холояні в процесі; дний потоки у двопотокових ВТ 2, подачею гарячо- зниженні гідравлічного опору по потоку газу го потоку в однопотокову ВТ 3 для його додатковона ділянці між виходом з ВТ та магістраллю низьго розширення й розігріву в камері енергетичного кого тиску; поділу однопотокової ВТ (Фіг.3). - зниженні тиску на виході ВТ; Нагрівання гарячих спаїв ТЕГ здійснюється від - застосуванні залишкової енергії газових погарячого газу через стінки камери енергетичного токів після використання в ВТ енергії. розділу однопотокової ВТ, для чого гарячі спаї ТЕГ На Фіг.1-Фіг.4 представлено схеми, які поясрозміщують на поверхні цієї камери. Тепло від нюють реалізацію заявлених процесів перетвохолодних спаїв ТЕГ 1 відводять у пристрої відводу рення енергії стисненого газу в електричну енергії, тепла 6 до холодного потоку газу, який виходить із 5 90850 6 першого каскаду двопотокової ВТ. Запропоноваширення й стискання в ежекторі. Усі вищезгадані ний процес дозволяє вдвічі збільшити тепловий вузли й пристрої становлять блок перетворення перепад температур на спаях ТЕГ. енергії. Відмінною рисою цього процесу є відбір 2.3. Підвищенням ступеня розширення газу за газу для ежектора з метою зниження тиску на видопомогою ежектора. ході однопотокової ВТ 3. Ефективність процесу поділу газу на гарячий і Двокаскадне розширення та розігрів газу реахолодний потоки в камері енергетичного розділу лізується з використанням двопотокової 2 і одноодно- або двопотокових ВТ може бути досягнуте потокової 3 ВТ (Фіг.3, Фіг.4). Ефективне застосуза рахунок зниження тиску на їхньому виході за вання енергії стисненого газу при великих допомогою ежектора. Ежектор створює розрідженперепадах досягається попереднім розширенням ня у вихідних патрубках одно- або двопотокових газу, що відбирається з магістралі високого тиску 9 ВТ для вихідних газових потоків (Фіг.2 та Фіг.4). (Рmax), у двопотокову ВТ 2 з розділенням на гаряПеред відводом у вихідну магістраль гарячого і чий і холодний потоки. При цьому, гарячий потік холодного потоків газу із двопотокових ВТ вони направляється в однопотокову ВТ 3 для його дозмішуються в ежекторі. даткового розширення й розігріву в камері енергеУ випадку використання ежектора для підвитичного розділення труби 3. Нагрівання гарячих щення ефективності однопотокової ВТ в одностуспаїв ТЕГ 1 здійснюється теплом, яке передається пінчастих схемах розширення газу (Фіг.2) активним теплопровідністю через стінки енергетичного розпотоком є потік газу, який додатково відбирається ділення труби 3 від вихрового потоку газу в ній, з магістралі високого тиску. Цей потік, розширююдля чого спаї розміщають на поверхні цієї камери, чись в ежекторі, створює розрідження у вхідному а тепло від холодних спаїв ТЕГ 1 відводять у припатрубку основного потоку після однопотокової строї відводу тепла 6 до холодного потоку газу, що ВТ. Даний процес має перевагу при невеликих виходить із двопотокової ВТ 2 першого каскаду. Всі вищезгадані вузли й пристрої становлять блок загальних ступенях розширення газу наявн = перетворення енергії. Рmax/Рmin = 3-4, підвищуючи ступінь розширення до Перед відводом у вихідну магістраль гарячий і BT = Pinfl/Poutfl=6-8. холодний потоки газу направляються в ежектор Активним потоком в ежекторі (Фіг.4) є холод(Фіг.4), де здійснюється їхнє змішання, та за рахуний потік газу від двопотокової ВТ, який виходить нок додаткового розширення в ньому холодного після пристрою відводу тепла 6 від охолоджуваних потоку газу із двопотокової ВТ, знижують тиск гаспаїв ТЕГ 1. рячого потоку газу на виході однопотокової. На Фіг.1 представлено процес перетворення Аналіз результатів чисельного моделювання енергії стиснутого газу для одержання електричнота попередніх випробувань показав, що, в цілому, го струму в ТЕГ 1, що включає відбір стисненого запропоновані процеси перетворення енергії на газу із вхідної магістралі високого тиску 8 (Рmax); основі ТЕГ з кристалів твердих розчинів Bi-Te-Se перетворення потенційної енергії потоку газу в Sb характеризуються підвищеним ККД по віднотеплову шляхом його подачі на вхід однопотокової шенню до прототипів на 5-12%. ВТ 3; перетворення потенційної енергії стисненого Застосування цих процесів також дозволить газу в теплову шляхом його розширення й нагрізнизити неконтрольовані енергетичні втрати, що вання у камері енергетичного поділу однопотоковиникають на газорозподільних станціях та покравої ВТ; підвід тепла від потоку газу через стінку щити їх екологічний стан і рівень техніки безпеки камери енергетичного розділення, до гарячих спаобслуговуючого персоналу. їв ТЕГ; відведення тепла від охолоджуваних спаїв Література ТЕГ до потоку газу перед його подачею в однопо1. Н.И.Варич, Д.В.Лозбин, А.В.Панов, токову ВТ 3; генерація електричної енергії в ТЕГ 1; Г.А.Смоляр. Термоэлектрический генератор с вивідведення розширеного потоку газу з однопотохревой трубой в качестве источника тепла // Теркової ВТ 3 у магістраль зниженого тиску. Відміною моэлектричество. - 2002. -№1.-С.76-89. особливістю цього способу є відведення тепла від 2. А.П.Меркулов. Вихревой эффект и его пригарячих спаїв ТЕГ до подачі потоку газу в однопоменение в технике. М: Машиностроение, 1969. токову ВТ 3. 256 С. На Фіг.2 тиск в основному потоці газу на виході 3. Л.И.Анатычук. Термоэлементы и термоэлеоднопотокової ВТ 3 знижують, стискуючи потік газу ктрические устройства: Справочник -Киев: Науков ежекторі перед відводом у магістраль зниженого ва думка, 1979. - 768с. тиску, для чого із вхідної магістралі здійснюється додатковий відбір потоку газу, його подачу, роз 7 90850 8 9 Комп’ютерна верстка В. Мацело 90850 Підписне 10 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