Спосіб виробництва механічної та електричної енергії та система для його здійснення

Реферат: Першим об'єктом винаходу заявлений спосіб виробництва механічної та електричної енергії, що включає розширення парогазової суміші в турбіні, стискання газу, відокремленого з парогазової суміші, нагрівання парогазової суміші перед розширенням, охолодження парогазової суміші стороннім теплоносієм і наступне стискання. Стискання парогазової суміші, нагрівання та насичення її парою здійснюють одночасно в парогазовому ежекторі, після чого отриману парогазову суміш догрівають за допомогою кінцевого нагрівача, розширюють і отримують механічну енергію, яку перетворюють в електричну енергію за допомогою електрогенератора. Парогазову суміш після розширення охолоджують до температури конденсації рідини, яку відокремлюють і повертають на випаровування, а парогазову суміш, яка залишилася після конденсації пари, стискають, нагрівають і насичують парою в парогазовому ежекторі. Другим об'єктом винаходу заявлена система для здійснення способу виробництва механічної та електричної енергії, що має сполучені між собою технологічними трубопроводами UA 106328 C2 (12) UA 106328 C2 парогенератор, кінцевий нагрівач, парогазову турбіну, електрогенератор та рідинний насос. Додатково система містить парогазовий ежектор і теплообмінник. Парогенератор сполучений з парогазовим ежектором та рідинним насосом. Парогазовий ежектор сполучений також із кінцевим нагрівачем і теплообмінником, який сполучений з рідинним насосом і парогазовою турбіною. Парогазова турбіна сполучена з входом кінцевого нагрівача та електрогенератором. Заявлений винахід забезпечує підвищення ефективності та спрощення як термодинамічного циклу, так і системи для його здійснення. UA 106328 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід стосується способу виробництва механічної та електричної енергії, в яких здійснюються процеси розширення та стискання, а також підведення та відведення тепла відповідно при постійному високому та низькому тиску. Відомий ідеальний цикл Брайтона є взірцевим газовим циклом, описаний в підручнику Кириллин В.А., Сычев В.В. и Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика - М.: Энергоатомиздат, 1983. - с. 273-285. За цим циклом працюють газотурбінні системи, які є ефективними при високих температурах згоряння паливно-повітряної суміші. Але при своїй роботі вони виділяють велику кількість шкідливих речовин: парникові гази, окисли азоту, сірки, фосфору тощо. Цикли Брайтона, які працюють при невисоких температурах перед турбіною, наприклад, з використанням як робочого агента сухого повітря або інших технічних газів, мають дуже низькі енергетичні показники. Тому, з метою підвищення ефективності в цих випадках додають пару, що істотно підвищує ККД. Найчастіше використовується суміш повітря та водяної пари. Найближчим до запропонованого способу та системи для його здійснення є рішення, описане в статті "The humid combustion to protect environment and to save the fuel: the water vapor pump and Maitsotsenko cycles examples" International Journal of Energy for a Clean Environment > Том 12, 2011. Выпуск 2-4, автор Майсоценко B.C. У вказаній статті описаний спосіб виробництва механічної та електричної енергії за турбокомпресійним парогазовим силовим циклом і система для його здійснення. Система включає сполучені між собою технологічними трубопроводами сонячний колектор, акумулятор тепла, зволожуючу камеру, камеру згоряння, пароповітряну турбіну, випускний компресор, повітряний охолоджувач, рідинний насос і парогенератор. В системі для здійснення турбокомпресійного парогазового силового циклу виконуються наступні процеси: розширення повітря в турбіні, охолодження та осушення повітря в зволожуючій камері, стискання охолодженого повітря в компресорі, охолодження стиснутого повітря свіжим повітрям з атмосфери в рекуперативному теплообміннику, подальший нагрів цього повітря в сонячному колекторі, зволоження повітря в зволожуючій камері, подальший догрів повітря в камері згоряння та спрямування його на турбіну. Дане технічне рішення обране прототипом до способу виробництва механічної та електричної енергії та системи для його здійснення, що заявляються. Спосіб виробництва механічної та електричної енергії, що заявляється, і спосіб за прототипом мають наступні спільні операції: - розширення газової суміші; - стискання газу; - нагрівання; - охолодження повітря. Система для здійснення способу, що заявляється, і система, в якій реалізується спосіб за прототипом, мають наступні спільні елементи (вузли): - водяний парогенератор (у прототипі це сонячний колектор); - кінцевий нагрівач (у прототипі це камера згоряння); - пароповітряна турбіна; - рідинний насос; - електрогенератор. Системі за прототипом притаманні такі недоліки: складність і невисока ефективність. Це пов'язано з наявністю в системі компресора, який поглинає значну частку виробленої в турбіні роботи та є досить складним пристроєм, а також наявністю зволожуючої камери, яка має досить низький рівень зволоження повітря. В основу винаходу поставлено задачу створити спосіб виробництва механічної та електричної енергії і систему для його здійснення, в яких шляхом включення в систему парогазового ежектора, а також зміни схемного рішення, забезпечити підвищення ефективності та спрощення, так і системи для його здійснення. Поставлена задача вирішена групою винаходів, об'єднаних єдиним винахідницьким задумом - способом виробництва механічної та електричної енергії та системою для його здійснення. В першому винаході поставлена задача вирішена в способі виробництва механічної та електричної енергії, що включає розширення парогазової суміші в турбіні, стискання газу, відокремленого з парогазової суміші, нагрівання парогазової суміші перед розширенням, охолодження парогазової суміші стороннім теплоносієм і наступне стискання, згідно з заявленим винаходом, стискання парогазової суміші, нагрівання та насичення її парою здійснюють одночасно в парогазовому ежекторі, після чого отриману парогазову суміш догрівають за допомогою кінцевого нагрівача, розширюють і отримують механічну енергію, яку 1 UA 106328 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 перетворюють в електричну енергію за допомогою електрогенератора, а парогазову суміш після розширення охолоджують до температури конденсації рідини, яку відокремлюють і повертають на випаровування, а парогазову суміш, яка залишилася після конденсації пари, стискають, нагрівають і насичують парою в парогазовому ежекторі. В другому винаході поставлена задача вирішена в системі для виробництва механічної та електричної енергії, що включає сполучені між собою технологічними трубопроводами парогенератор, кінцевий нагрівач, парогазову турбіну, електрогенератор та рідинний насос, згідно з заявленим винаходом, додатково містить парогазовий ежектор і теплообмінник, при цьому парогенератор сполучений з парогазовим ежектором та рідинним насосом, парогазовий ежектор сполучений також із кінцевим нагрівачем і теплообмінником, який сполучений з рідинним насосом і парогазовою турбіною, а парогазова турбіна сполучена також з входом кінцевого нагрівача та електрогенератором. Технічний результат винаходу, що заявляється, полягає в спрощенні та підвищенні ефективності як способу виробництва механічної та електричної енергії, так і системи, в якій здійснюється цей спосіб. Спрощення забезпечене введенням в систему парогазового ежектора, який є простим та не потребує механічної енергії для своєї роботи. Парогазовий ежектор в заявленому винаході виконує принаймні дві функції: замінює собою компресор та насичує парогазову суміш парою значно більшою мірою, ніж камера Майсоценка за прототипом. Це сприяє істотному підвищенню роботи парогазової турбіни, яка в даному способі дорівнює роботі циклу, незважаючи на більше споживання низькопотенційного тепла. Вся робота парогазової турбіни стає корисною і дорівнює роботі циклу, в парогазовому ежекторі відбувається збільшення засвоєної пари в 5-10 разів, що збільшує роботу парогазової турбіни за інших рівних умов, додаткова теплота, що витрачається на генерацію пари, повертається в систему і може бути використана з різною метою: опалення, холодопостачання тощо. При цьому спосіб є замкненим, не потребує витрат на фільтрування парогазової суміші та додаткових витрат роботи на подолання опору фільтрів. Спосіб виробництва механічної та електричної енергії здійснюється у наступному порядку. Розширена в парогазовій турбіні парогазова суміш охолоджується в теплообміннику стороннім теплоносієм, де пара конденсується та отримана рідина відділяється від парогазової суміші. Після цього охолоджена та осушена парогазова суміш всмоктується в парогазовому ежекторі за допомогою пари високого тиску, яка генерується в сонячному колекторі або іншому парогенераторі; насичена парою парогазова суміш стискається до заданого (наприклад, атмосферного) тиску та потрапляє до кінцевого нагрівача, наприклад камери згоряння, після чого прямує до парогазової турбіни. Рідина, відділена від парогазової суміші, з теплообмінника насосом подається до парогенератора. На кресленні (фіг. 1) зображена схема системи, в якій реалізується спосіб виробництва механічної та електричної енергії. На фіг. 2 зображено цикл здійснення заявленого способу в діаграмі T-S. Система містить парогенератор, наприклад пароводяний сонячний колектор 1, парогазовий (наприклад, пароводяний) ежектор 2, кінцевий нагрівач, наприклад, камеру згоряння 3, парогазову (наприклад, пароводяну) турбіну 4, електрогенератор 5, теплообмінник 6, рідинний (наприклад, водяний) насос 7. Теплообмінник забезпечений входом 9 і виходом 8 стороннього теплоносія. Для подачі палива в кінцевий нагрівач, наприклад, камеру згоряння 3, в нього вмонтований вхід 10. Перелічені вузли сполучені між собою технологічними трубопроводами за такою схемою. Парогенератор 1 сполучений з парогазовим ежектором 2 і рідинним насосом 7, парогазовий ежектор 2 сполучений також із кінцевим нагрівачем 3 і теплообмінником 6, який сполучений з рідинним насосом 7 і парогазовою турбіною 4, а парогазова турбіна 4 сполучена також з кінцевим нагрівачем 3 та електрогенератором 5. Система, в якій здійснюється заявлений спосіб, працює в наступному порядку. Парогазова суміш низького тиску після розширення в парогазовій турбіні 4 проходить через теплообмінник 6, де основна частина пари конденсується, а осушена парогазова суміш відсмоктується парогазовим ежектором 2, в соплі якого розширюється пара рідини високого тиску. Отримана парогазова суміш з парогазового ежектора 2 надходить до кінцевого нагрівача, наприклад камери згоряння 3, де догрівається до найвищої температури в циклі, після чого йде на розширення в парогазовій турбіні 4. За рахунок обертання вала парогазової турбіни 4 в електрогенераторі 5 генерується електроенергія, яка використовується споживачем. Сконденсована в теплообміннику 6 рідина рідинним насосом 7 подається до парогенератора 1, де вона догрівається до температури генерації та кипить з утворенням пари високого тиску. 2 UA 106328 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 На фіг. 2 зображено термодинамічні процеси, які відбуваються при здійсненні заявленого способу: 11-12 процес кипіння рідини в парогенераторі 1; 12-13 - процес розширення пари в соплі парогазового ежектора 2; 13-14 - процес стискання пари в парогазовому ежекторі 2; 14-15-16 - процес нагріву пари в кінцевому теплообміннику 3; 16-17 - процес розширення пари в парогазовій турбіні 4; 17-18-19 - процес охолодження та конденсації пари в теплообміннику 6; 19-20 - подача конденсату рідинним насосом 7 в парогенератор 1; 21-22 - розширення газу в парогазовій турбіні 4; 22-23 - охолодження газу в теплообміннику 6; 23-24 - стискання газу в парогазовому ежекторі 2; 24-21 - нагрів газу в кінцевому теплообміннику 3. Примітка: процеси 13-14 та 23-24 здійснюється в парогазовому ежекторі 2 змішаним парогазовим потоком. Процеси нагрівання 14-15-15 та 24-21 - в кінцевому теплообміннику 3 здійснюється змішаним парогазовим потоком. Процеси 16-17 та 21-22 - розширення в парогазовій турбіні 4 здійснюються змішаним парогазовим потоком. Охолодження в теплообміннику 6 змішаного парогазового потоку починається з проміжного стану між точками 17 та 21, далі охолоджений газ в т. 23 відділяється з парогазової суміші та відсмоктується парою в парогазовий ежектор, а пара продовжує охолоджуватись та конденсуватися до т. 20. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Спосіб виробництва механічної та електричної енергії, що включає розширення парогазової суміші в турбіні, стискання газу, відокремленого з парогазової суміші, нагрівання парогазової суміші перед розширенням, охолодження парогазової суміші стороннім теплоносієм і наступне стискання, який відрізняється тим, що стискання парогазової суміші, нагрівання та насичення її парою здійснюють одночасно в парогазовому ежекторі, після чого отриману парогазову суміш догрівають за допомогою кінцевого нагрівача, розширюють і отримують механічну енергію, яку перетворюють в електричну енергію за допомогою електрогенератора, а парогазову суміш після розширення охолоджують до температури конденсації рідини, яку відокремлюють і повертають на випаровування, а парогазову суміш, яка залишилася після конденсації пари, стискають, нагрівають і насичують парою в парогазовому ежекторі. 2. Система для виробництва механічної та електричної енергії, що включає сполучені між собою технологічними трубопроводами парогенератор (1), кінцевий нагрівач (3), парогазову турбіну (4), електрогенератор (5) та рідинний насос (7), яка відрізняється тим, що додатково містить парогазовий ежектор (2) і теплообмінник (6), при цьому парогенератор (1) сполучений з парогазовим ежектором (2) та рідинним насосом (7), парогазовий ежектор (2) сполучений також із кінцевим нагрівачем (3) і теплообмінником (6), який сполучений з рідинним насосом (7) і парогазовою турбіною (4), а парогазова турбіна (4) сполучена також з входом (10) кінцевим нагрівачем (3) та електрогенератором (5). 3 UA 106328 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4