Устройство для извлечения тепловой энергии из воздуха окружающей среды с целью выработки электроэнергии и пресной воды

 

Изобретение предназначено для получения электроэнергии и пресной воды, используя при этом тепло воздуха окружающей среды, а в качестве хладагента - жидкий азот, являющийся отходом промышленного получения кислорода. Устройство для выработки электроэнергии и пресной воды содержит испаритель жидкого азота с подогревателем, компрессор для сжатия испарившегося рабочего газа азота, нагреватель сжатого азота теплом воздуха окружающей среды, турбину или каскад турбин, работающих на подогретом азоте, трубопроводы, соединяющие конструктивные элементы. При этом трубопровод от испарителя до компрессора выполнен теплоизолированным, а трубопровод от компрессора до турбины или каскада турбин - не теплоизолированным. Нагреватель сжатого азота теплом воздуха окружающей среды выполнен в виде двух параллельных поочередно включаемых нагревателя со змеевиками для конденсации воды в виде росы или льда, периодически расплавляемого электрическими нагревателями. Для дополнительного охлаждения выходящего из турбины или каскада турбин рабочего газа азота выполнен холодильник в виде змеевика, погруженного в жидкий азот. Способ выработки электроэнергии и пресной воды заключается в том, что испарившийся рабочий газ азот с температурой 85-100К первоначально сжимают в 50-20 раз, температуру которого при этом повышают до температуры ниже температуры окружающей среды, а затем теплом воздуха окружающей среды в нагревателях повышают температуру рабочего газа азота при постоянном давлении до температуры воздуха окружающей среды. При этом обеспечивают конденсацию паров воды из воздуха в виде росы или льда, который периодически расплавляют электрическими нагревателями. После чего рабочий газ азот направляют в турбину или каскад турбин для обеспечения вращения электрогенератора и выработки электроэнергии, а охлажденный газ направляют в змеевик, расположенный в жидком азоте для понижения температуры первоначального состояния при постоянном исходном давлении. Изобретение позволяет повысить КПД выработки электроэнергии, обеспечивая при этом получение пресной воды. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области гидроэнергетики, в частности к источникам электроэнергии, которые дополнительно в виде побочного продукта производят пресную питьевую воду путем конденсации водяных паров из воздуха.

Известны устройства, называемые тепловыми насосами [1-4], предназначенные для извлечения тепловой энергии из воздуха или воды окружающей среды.

Недостатком этих устройств является то, что извлекаемое тепло не может быть преобразовано в электрическую энергию и это тепло используют только для обогрева. Это ограничивает возможности использования тепла окружающей среды.

Известны также устройства для получения пресной питьевой воды путем конденсации водяных паров из воздуха [5, 6].

Недостатком этих устройств является то, что они при получении питьевой воды только потребляют электроэнергию, но ее не производят.

Известно устройство, описанное по полезной модели [7], в котором предварительно сжиженный азот испаряется, поступает в трубопровод, прогреваемый теплом окружающей среды, сжимается компрессором и направляется в трубопровод, нагреваемый тепловым насосом, и далее подается на турбину, вращающую электрогенератор, который выработанную электроэнергию направляет в электросеть. Газ, вращающий лопатки турбины, совершая механическую работу при адиабатическом расширении, охлаждается и его давление становится равным давлению газа в испарителе. При этом предполагается, что температура этого охлажденного газа будет также равна исходной температуре газа в испарителе после перехода его в газообразное состояние, что, как показывают расчеты, невозможно, так как температура будет выше, и для ее снижения необходимо специальное устройство, называемое в термодинамике холодильником, которое присутствует во всех известных действующих тепловых машинах, но в устройстве по свидетельству на полезную модель отсутствует, в результате чего циклический процесс сжатия и расширения газа оказывается незамкнутым и устройство в целом неработоспособным.

Наиболее близким аналогом к заявленному устройству и способу является тепловая электростанция, описанная в патенте Российской Федерации 2148175 С1, МПК 7 F 01 К 25/10, опубл. 27.04.2000, (10).

Тепловая электростанция содержит трубчатый цилиндрический котел, турбину с генератором и систему нагрева рабочего тела, включающую теплообменник, вентилятор, конденсатор, два сосуда Дьюара, два компрессора, два насоса с трубопроводами и запорно-регулирующей арматурой, в качестве энергоносителя применен атмосферный воздух, а в качестве рабочего тела и хладоагента применена криогенная жидкость и после котла установлен пароперегреватель, снабженный вентилятором. Внизу кожуха пароперегревателя выполнено окно, выходящее в пристроенный короб прямоугольного сечения, внутри которого установлен транспортер для удаления льда в отвал. В пароперегревателе установлены антиобледенители, например, в виде ультразвукового генератора.

Данная тепловая электростанция имеет низкий коэффициент полезного действия по выработке электрической энергии, при этом полученный в результате работы лед полезно не используется.

Задачей изобретения является повышение коэффициента полезного действия получения электроэнергии и пресной воды, используя жидкий азот, который является дешевым отходом массового промышленного получения кислорода из воздуха [9].

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что устройство для выработки электроэнергии и пресной воды, содержит испаритель жидкого азота с подогревателем, компрессор для сжатия испарившегося рабочего газа азота, нагреватель сжатого азота теплом воздуха окружающей среды, турбину или каскад турбин, работающих на подогретом азоте, трубопроводы, соединяющие конструктивные элементы, при этом трубопровод от испарителя до компрессора выполнен теплоизолированным, а трубопровод от компрессора до турбины или каскада турбин - не теплоизолированным, причем нагреватель сжатого азота теплом воздуха окружающей среды выполнен в виде двух параллельных поочередно включаемых нагревателя со змеевиками для конденсации воды в виде росы или льда, периодически расплавляемого электрическими нагревателями, а для дополнительного охлаждения выходящего из турбины или каскада турбин рабочего газа азота выполнен холодильник в виде змеевика, погруженного в жидкий азот.

Способ выработки электроэнергии и пресной воды, заключающийся в том, что испарившийся рабочий газ - азот с температурой 85-100К первоначально сжимают в 50-20 раз, температуру которого при этом повышают до температуры ниже температуры окружающей среды, а затем теплом воздуха окружающей среды в нагревателях повышают температуру рабочего газа азота при постоянном давлении до температуры воздуха окружающей среды, при этом обеспечивают конденсацию паров воды из воздуха в виде росы или льда, который периодически расплавляют электрическими нагревателями, после чего рабочий газ азот направляют в турбину или каскад турбин для обеспечения вращения электрогенератора и выработки электроэнергии, а охлажденный газ направляют в змеевик, расположенный в жидком азоте для понижения температуры первоначального состояния при постоянном исходном давлении.

Сущность изобретения состоит в том, что после сжатия в компрессоре рабочий газ имеет температуру значительно ниже температуры воздуха окружающей среды и в соответствии с законами термодинамики тепло из окружающей среды перетекает в рабочий газ азот, что обеспечивает высокую эффективность работы предлагаемого устройства. Кроме того, при извлечении тепла из воздуха окружающей среды его температура понижается, и содержащиеся в нем пары воды конденсируются, позволяя получать пресную питьевую воду.

На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства. На фиг.2 изображен термодинамический цикл рабочего газа в предлагаемом устройстве.

Устройство на фиг.1 состоит: из испарителя 1 сжиженного газа, закрываемого герметичной крышкой 2; электрического нагревателя 3; теплоизолированного трубопровода 4; компрессора 5; не теплоизолированного трубопровода 6, с кранами 7, 8 и 9, 10; нагревателей рабочего газа 11, 12 со змеевиками 13, 14, электрическими нагревателями 15, 16, кранами 17, 18 для выпуска питьевой воды и с отверстиями 19, 20 и 21, 22 для впуска в нагреватели и выпуска из них воздуха окружающей среды; турбины 23 (или каскад турбин) с присоединенным электрогенератором 24; холодильника 25, заполняемого жидким азотом, в среде которого располагается змеевик 26, проходя через который охлаждается рабочий газ, отработавший в турбине 23, и по теплоизолированному трубопроводу 27 поступает в испаритель 1, а для заливки жидкого азота и для удаления испарившегося жидкого азота из холодильника 25 на корпусе холодильника выполнены отверстия 28 и 29.

Принципиальная схема работы предлагаемого устройства изображена в виде цикла на фиг.2. Первоначально через отверстие в крышке 2 внутрь испарителя 1 заливают определенное количество жидкого азота, например один киломоль азота, 28 кг, затем крышку 2 закрывают и включают электрически нагреватель 3. Сразу после испарения жидкого азота электрический нагреватель 3 выключают. Далее согласно фиг.2 первоначально испарившийся жидкий азот адиабатически сжимается компрессором. При этом температура газа повышается от T₁ до Т₂, которая значительно ниже температуры воздуха окружающей среды, а давление от P₁ повышается до Р₂ (состояние 2, фиг.2). Затем рабочий газ по не теплоизолированному теплопроводу 6 поступает в один из нагревателей 11 или 12. Если газ поступает в нагреватель 11, то краны 7 и 8 открыты, а 9 и 10 закрыты. Одновременно через отверстие 19 начинают внутрь нагревателя 11 прокачивать воздух окружающей среды, который отдает тепло рабочему газу в змеевике 13 и выходит из нагревателя через отверстие 22. При этом рабочий газ в змеевике 13 при постоянном давлении Р₂ нагревается до температуры воздуха окружающей среды Т₃ и выходит из нагревателя 11 в продолжение трубопровода 6 (переход рабочего газа из состояния 2 в состояние 3, фиг.2).

Пары воды, содержащиеся в воздухе окружающей среды, конденсируются в нагревателе 11 в виде льда и росы, и после накопления достаточного их количества, краны 7 и 8 нагревателя 11 закрывают, включают электрический нагреватель 16, расплавляют лед и выпускают полученную воду через кран 17.

Сразу же после закрытия кранов 7 и 8 открывают краны 9 и 10 и вместо нагревателя 11 начинает работать нагреватель 12, так как это описано выше применительно к нагревателю 11.

Рабочий газ при давлении Р₂ и температуре Т₃ по продолжению трубопровода 6 направляют через сопло на лопатки турбины 23 (или каскад турбин), где рабочий газ адиабатически расширяется и вращает турбину 23 и присоединенный к ней электрогенератор 24, вырабатывающий электроэнергию, направляемую в электросеть. При этом температура рабочего газа снижается от Т₃ до Т₄, а давление падает от Р₂ до P₁ (давления рабочего газа в испарителе 1 и трубопроводе 4) - переход из состояния 3 в состояние 4 (фиг.2). Далее рабочий газ при температуре Т₄ и давлении P₁ по змеевику 26 поступает в холодильник 25, наполненный жидким азотом, и охлаждается до температуры Т₁ и по теплоизолированному трубопроводу 27 поступает в испаритель 1 при температуре T₁ и давлении P₁ (переход из состояния 4 в состояние 1, фиг.2). Таким образом, рабочий цикл газа завершается и далее может повторяться неограниченное число раз, вырабатывая электрическую энергию из тепла воздуха окружающей среды, используя при этом в качестве холодоагента (холодильника) жидкий азот, являющийся дешевым отходом массового промышленного получения кислорода из жидкого воздуха.

Жидкий азот периодически доливают в холодильник 25 через отверстие 28 в корпусе холодильника 25, а испарившийся при охлаждении рабочего газа жидкий азот удаляется через отверстие 29.

Величина работы, полученной за один цикл рабочего газа, может быть значительной, и ее можно просто вычислить графически по площади цикла на фиг.2. Она также может быть легко вычислена по известным уравнениям термодинамики [8] . Эта работа в 1,5-2 раза больше энергии, затраченной на работу компрессора 5.

Таким образом, предложенное устройство позволяет вырабатывать электроэнергию из тепла воздуха окружающей среды. Ее работа основана на совершенно ясных твердо установленных законах термодинамики, которым она не противоречит.

Для выработки электроэнергии предложенным устройством требуется только воздух окружающей среды с температурой, обычной для земных условий, и жидкий азот, который является дешевым отходом массового промышленного получения кислорода из жидкого воздуха [9].

Большим достоинством предлагаемого устройства является возможность, кроме электроэнергии, производить пресную питьевую воду, так как в современном мире проблема получения пресной питьевой воды так же остра, как и проблема получения электроэнергии. В полученную воду можно вводить минеральные добавки, и вода станет равноценной природной воде высокого качества.

Выработанная предлагаемым устройством электроэнергия после использования, в конечном счете, вернется в окружающую среду в виде тепла, в результате чего не будут происходить экологические изменения. Устройство является экологически безопасным. Его применение при использовании жидкого азота, который является дешевым отходом массового промышленного получения кислорода из жидкого воздуха, даст большой экономический эффект, но количественного его оценить в настоящее время трудно.

Источники информации 1. Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы, Энергоиздат, Москва, 1982 г.

2. Кушнырев В.И., Лебедев В.И., Павленко В.А. Техническая термодинамика и теплопередача, Стройиздат, Москва, 1986 г., стр.236.

3. Соколов Е. Я. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения, Энергоиздат, Москва, 1981 г., стр.28, 60-63.

4. Бакластов А.М., Горбенко В.А., Данилов О.Д. и др. Промышленные теплообменные процессы и установки, Энергоатомиздат, Москва, 1986 г., стр.292.

5. Цивинский С. В. Устройство для получения пресной воды путем конденсации водяных паров из воздуха, Патент РФ 2045978, 1991 г., MПK 6 B 01 D 5/00.

6. Цивинский С. В. Устройство для эффективного получения пресной воды путем конденсации водяных паров из воздуха, Патент РФ 2169032, 1999 г., МПК 7 В 01 D 5/00.

7. Цивинский С.В. Устройство для извлечения тепла из воды и воздуха окружающей среды с целью выработки электроэнергии, Свидетельство на полезную модель РФ 5848, 1995 г., МПК 6 F 25 В 30/02.

8. Яворский Б. М. , Детлаф А. А. Справочник по физике, Издательство "Наука", Москва, 1990 г., стр.98-113.

9. Глизманенко Д.Л. Получение кислорода, Издательство "Химия", Москва, 1972 г., стр.15-29.

10. Патент Российской Федерации 2148175 С1, МПК 7 F 01 К 25/10, опубл. 27.04.2000.

Формула изобретения

1. Устройство для выработки электроэнергии и пресной воды, содержащее испаритель жидкого азота с подогревателем, компрессор для сжатия испарившегося рабочего газа азота, нагреватель сжатого азота теплом воздуха окружающей среды, турбину или каскад турбин, работающих на подогретом азоте, трубопроводы, соединяющие конструктивные элементы, при этом трубопровод от испарителя до компрессора выполнен теплоизолированным, а трубопровод от компрессора до турбины или каскада турбин - не теплоизолированным, причем нагреватель сжатого азота теплом воздуха окружающей среды выполнен в виде двух параллельных поочередно включаемых нагревателей со змеевиками, для конденсации воды в виде росы или льда, периодически расплавляемого электрическими нагревателями, а для дополнительного охлаждения выходящего из турбины или каскада турбин рабочего газа азота выполнен холодильник в виде змеевика, погруженного в жидкий азот.

2. Способ выработки электроэнергии и пресной воды, заключающийся в том, что испарившийся рабочий газ азот с температурой 85-100 К первоначально сжимают в 50-20 раз, температуру которого при этом повышают до температуры ниже температуры окружающей среды, а затем теплом воздуха окружающей среды в нагревателях повышают температуру рабочего газа азота при постоянном давлении до температуры воздуха окружающей среды, при этом обеспечивают конденсацию паров воды из воздуха в виде росы или льда, который периодически расплавляют электрическими нагревателями, после чего рабочий газ азот направляют в турбину или каскад турбин для обеспечения вращения электрогенератора и выработки электроэнергии, а охлажденный газ направляют в змеевик, расположенный в жидком азоте для понижения температуры первоначального состояния при постоянном исходном давлении.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2