Способ работы энергогенерирующей системы и энергогенерирующая система для его осуществления
Способ и система для его осуществления предназначены для использования в системах центрального и автономного отопления, горячего водоснабжения и энергоснабжения, автономного энергообеспечения. Способ включает образование тепла посредством струйной тепловыделяющей установки, подачу нагретой жидкой среды к теплопотребителю и возврат от теплопотребителя охлажденной жидкой среды для последующего нагрева в газожидкостном струйном аппарате, а энергию неконденсирующегося газового компонента газожидкостной смеси используют для забора и создания дополнительного напора поступающей в аппарат воды, сжатия атмосферного воздуха и в газовом цикле для перекачки тепла из атмосферы и гидросферы, компремирования и расширения в детандере, электроэнергию при этом получают из воспроизводимых фитопродуктов, полученных в фитокомплексе, технологически связанном с топливным элементом и электропиролизным реактором, также технологически связанным с цепью санитарного и технического кондиционирования воды, при этом технологический цикл запускают перегретой водой, которую подают от генератора перегретой воды. Система содержит струйную тепловыделяющую установку, выполненную в виде водонагревательного газожидкостного струйного аппарата, подключенного со стороны выхода из него потока нагретой жидкой среды к теплопотребителю, а со стороны входа оборудованного сужающим соплом, подключенного к отводу от потребителя охлажденной жидкой среды с формированием контура циркуляции жидкой среды, которая дополнительно содержит генератор перегретой воды, выполненный в виде электродного водогрейного устройства проточного типа, детандеры использующие энергию неконденсирующегося газового компонента рабочего тела для забора и создания дополнительного напора поступающей в систему воды, аэродинамический испаритель для отбора тепла из гидросферы, электропиролизный реактор, технологически связанный с топливным элементом и фитокомплексом для получения электроэнергии из воспроизводимых фитопродуктов, гидроциклопом и элеватором, посредством которых электропиролизный реактор связан с технологической цепью санитарного и технического кондиционирования воды, кроме того, входное сужающее сопло водонагревательного газожидкостного струйного аппарата выполнено в виде системы коаксиально расположенных сопел, в том числе для сжатия атмосферного воздуха. Технический результат - получение энергоносителей путем автономно функционирующей энергогенерирующей системы. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области струйной техники, преимущественно к струйным установкам, в которых возможно организовать процесс нагрева перекачиваемой в контуре жидкой среды, и может быть использовано в системах центрального и автономного отопления, горячего водоснабжения и энергоснабжения.
Как известно из закона сохранения энергии для потока жидкости, в котором начало координат непрерывно совпадает с центром тяжести движущегося элемента жидкости и, следовательно, последний неподвижен относительно системы координат, следует (после ряда преобразований), что для 1 кг жидкости:
где q - общее количество тепла или полная энергия элемента жидкости;
k - показатель изоэнтропы сжимаемой жидкости;
Р - давление в потоке жидкости;
V - объем элемента жидкости;
qтр - энергия трения элемента жидкости.
В случае, если поток чисто жидкостной 
∞ (реально для воды k≅22 000), a dV=0, dq=dqтр.
В случае с однородной двухфазной смесью, которая с газодинамической точки зрения является средой сжимаемой, причем более сжимаемой, чем чистый газ, и показатель изоэнтропы в однородной двухфазной смеси является функцией показателя изоэнтропы и объемного соотношения фаз в смеси (Фисенко В.В. Критические двухфазные потоки. М.: Атомиздат, 1978, с.25). При обычных условиях коэффициент изоэнтропы будет изменяться от k=22000 (жидкостной поток) до k=1,285 (газовый поток).
Как видно, от величины "k" будет зависеть количество тепла, которое может быть получено в двухфазной системе.
Как известно возможна организация процесса смешения и нагрева жидкости в струйном аппарате в скачке давления. В свою очередь для организации скачка давления необходимо выполнение ряда условий, в частности была установлена следующая зависимость:
где P1 - давление перед скачком давления;
P2 - давление в скачке давления;
β - объемное соотношение паровой и жидкой фаз в скачке давления;
k - показатель изоэнтропы однородной двухфазной смеси;
М - число Маха в смеси.
Также установлено, что давление перед скачком и давление в скачке являются взаимно зависимыми величинами и что между давлением перед скачком P1 и давлением в скачке Р2 существует определенная зависимость, определяемая показателем изоэнтропы и объемным соотношением фаз в смеси сред, что в свою очередь позволяет создать требуемую для реализации описываемого способа геометрию струйного аппарата.
Проведенные исследования показали также, что существенное значение имеет механизм перехода в двухфазное состояние, механизм течения в двухфазном состоянии и механизм перехода из двухфазного состояния в однофазное или практически однофазное, т.е. в жидкостной поток с микроскопическими паровыми пузырьками. Существенное значение также имеет однородность полученного двухфазного потока, что достигается за счет того, что в процессе преобразования однофазного потока в двухфазный последний преобразуют в сверхзвуковой поток, при этом достигается возможность в более широком диапазоне варьировать газосодержание потока при меньших энергетических затратах.
Важное значение для повышения эффективности тепловыделения имеет процесс торможения потока с переходом потока в практически однофазный или, что более точно, в жидкостной поток с парогазовыми микроскопическими пузырьками.
В процессе торможения в двухфазном потоке организуют скачок давления со снижением скорости до дозвукового значения. Скорость звука в газожидкостном потоке во много раз меньше, чем скорость звука не только в жидкости, но и в газе, что позволяет достигать значение М>1 (число Маха) при очень незначительных скоростях потока (5 м/сек в зоне вакуума), то есть затраты энергии относительно малы, а давление после скачка может быть почти в сто раз выше давления до скачка.
Пропорционально росту давления увеличивается количество жидкой фазы, причем резкий рост давления (скачкообразный рост) приводит к структурной перестройке в жидкости, что способствует выделению большего количества тепла по сравнению с обычным торможением потока в профилированном канале. Дальнейшее выделение тепла будет происходить в основном в теплопотребляющем устройстве, например в батарее водяного отопления, по мере того, как в потоке нагретой жидкости будут охлопываться микроскопические парогазовые пузырьки, что вызвано торможением потока в теплопотребляющем устройстве.
Принципиальное значение имеет использование в качестве нагретого теплоносителя пара из парового котла, т.к. использование пара в сочетании со струйным аппаратом позволило создать систему без использования приводных систем с механическим приводом, что значительно повысило надежность работы установки и одновременно повысило эффективность работы установки, поскольку струйный аппарат не только организует циркуляцию нагретой жидкости через теплопотребляющее устройство, но и сам дополнительно, за счет описанных выше преобразований в жидкостном потоке, обеспечивает нагрев жидкости.
Известна струйная теплогенерирующая установка, содержащая газожидкостной струйный аппарат с соплом и камерой смешения, камеру сгорания, подключенную выходом ко входу в сопло газожидкостного струйного аппарата, систему потребления тепла и сепаратор, при этом выходом газожидкостной струйный аппарат подключен к сепаратору, а система потребления тепла подключена со стороны входа в нее теплоносителя - к выходу жидкости из сепаратора и со стороны выхода из нее теплоносителя - ко входу жидкой среды газожидкостного струйного аппарата, (патент RU 2144145, МКИ F04F 5/54, опубл. 10.01.2000).
Из этого же источника известна струйная теплогенерирующая установка, содержащая камеру сгорания, подключенную выходом к турбине, газожидкостной струйный аппарат с соплом и камерой смешения, систему потребления тепла и сепаратор, при этом сопло газожидкостного струйного аппарата со стороны входа в него подключено к выходу из турбины отработавшей газовой среды, выходом газожидкостной струйный аппарат подключен к сепаратору, а система потребления тепла подключена со стороны входа в нее теплоносителя - к выходу жидкости из сепаратора и со стороны выхода из нее теплоносителя - к входу жидкой среды газожидкостного струйного аппарата.
Известные струйные теплогенерирующие установки обеспечивают нагрев теплоносителя для систем отопления и систем горячего водоснабжения, однако данные системы в большей мере предназначены для использования совместно с газотурбинной установкой и для использования традиционных камер сгорания, что предъявляет повышенные требования к используемым конструкционным материалам и предусматривает использование традиционной системы водяного или воздушного охлаждения, что ведет к ухудшению массогабаритных характеристик установок.
Также известна струйная теплогенерирующая установка, содержащая газожидкостной струйный аппарат с соплом и камерой смешения, камеру сгорания, подключенную выходом к входу в сопло газожидкостного струйного аппарата, систему потребления тепла и сепаратор, при этом выходом газожидкостной струйный аппарат подключен к сепаратору, а система потребления тепла подключена со стороны входа в нее теплоносителя - к выходу жидкости из сепаратора и со стороны выхода из нее теплоносителя - к входу жидкой среды газожидкостного струйного аппарата, при этом камера сгорания образована системой сопел, включающей водяное сопло, воздушное сопло и топливное сопло с формированием зоны горения в камере сгорания и сопле газожидкостного струйного аппарата, при этом водяное сопло выполнено кольцевым с подачей воды вдоль стенки сопла газожидкостного струйного аппарата и формированием вдоль стенки последнего пароводяного теплозащитного слоя, а система потребления тепла со стороны выхода из нее теплоносителя дополнительно подключена к водяному соплу камеры сгорания (патент RU 2202055, МКИ F04F 5/54, опубл. 10.04.2003).
В другом варианте выполнения известная струйная теплогенерирующая установка содержит камеру сгорания, подключенную выходом к турбине, газожидкостной струйный аппарат с соплом и камерой смешения, систему потребления тепла и сепаратор, при этом сопло газожидкостного струйного аппарата со стороны входа в него подключено к выходу из турбины отработавшей газовой среды, выходом газожидкостной струйный аппарат подключен к сепаратору, а система потребления тепла подключена со стороны входа в нее теплоносителя - к выходу жидкости из сепаратора и со стороны выхода из нее теплоносителя - ко входу жидкой среды газожидкостного струйного аппарата, при этом камера сгорания образована системой сопел, включающей газовое сопло, водяное сопло, воздушное сопло и топливное сопло с формированием зоны горения в топливном сопле и газовом сопле, при этом водяное сопло выполнено кольцевым с подачей воды вдоль стенки газового сопла и формированием вдоль стенки последнего пароводяного теплозащитного слоя, а система потребления тепла со стороны выхода из нее теплоносителя дополнительно подключена к водяному соплу камеры сгорания.
Кроме того, система потребления тепла может быть выполнена в виде батареи водяного отопления, и/или в виде теплообменника для нагрева воды системы горячего водоснабжения, и/или в виде теплообменника системы водяного отопления, а в качестве турбины может быть использована газовая или парогазовая турбина.
Описанная выше установка с камерой сгорания, образованной несколькими соплами, позволяет организовать строго контролируемый процесс обмена тепловой и кинетической энергиями между выхлопными газами и жидкой средой в рамках газожидкостного струйного аппарата, что, в свою очередь, позволяет повысить эффективность использования продуктов сгорания как при использовании продуктов сгорания в турбине. так и при использовании продуктов сгорания для нагрева теплоносителя в системах отопления и системах горячего водоснабжения. Использование камеры сгорания, образованной топливным, воздушным и водяным соплами, позволяет использовать энергию одной из газовых сред, например газовой топливной среды, для эжектирования окислителя, например воздуха, в камеру сгорания, что исключает использование средств для подачи окислителя, например компрессора, в камеру сгорания.
Более того, газоструйный аппарат, аналогичный струйному аппарату, используемому для нагрева теплоносителя, позволяет из жидкого топлива и окислителя (например, воздуха) готовить смесь топлива и окислителя в оптимальном их соотношении не в камере сгорания, а до подачи топлива в камеру сгорания, причем этот струйный аппарат может быть установлен на входе в камеру сгорания. Важно, что исключается возможность получения локальных условий в камере сгорания для формирования взрывоопасных концентраций смеси топлива и окислителя. В газожидкостном струйном аппарате смешение организуют в специально спрофилированном канале, что позволяет в процессе смешения сформировать газожидкостной поток, который сначала преобразуют в сверхзвуковой поток, а затем поток тормозят с формированием скачка давления.
Таким образом, струйный аппарат решает одновременно две задачи, а именно выхлопные газы нагревают жидкую среду и одновременно формируется газожидкостной поток с требуемыми динамическими характеристиками, т.е. представляется возможность подавать жидкостной поток в систему потребления тепла с требуемой расчетной скоростью и под требуемым напором, что позволяет отказаться от насосов, необходимых в известных технических решениях для организации циркуляции жидкой среды по контуру: место нагрева жидкой среды - система потребления тепла - место нагрева жидкой среды. В конечном итоге создана компактная эффективная установка для систем водяного отопления и систем горячего водоснабжения.
Известен способ работы струйной тепловыделяющей установки, включающий нагрев жидкой среды в водонагревательном устройстве, подачу из водонагревательного устройства нагретой жидкой среды в теплопотребляющее устройство и отвод из теплопотребляющего устройства охлажденной жидкой среды для нагрева в водонагревательное устройство с формированием таким образом контура циркуляции жидкой среды (см. книгу Ю.П.Соскина и др. Отопление и горячее водоснабжение индивидуального дома. М.: Стройиздат, 1991, с.10-18).
Из этого же источника известна струйная тепловыделяющая установка, содержащая водонагревательное устройство, подключенное со стороны выхода из него потока нагретой жидкой среды к теплопотребляющему устройству, а последнее выходом из него охлажденной жидкой среды подключено к водонагревательному устройству с формированием, таким образом, контура циркуляции жидкой среды.
Известные способ работы струйной тепловыделяющей установки и установка для его осуществления позволяют организовать контур циркуляции жидкой среды для обогрева различного рода помещений.
Однако реализация этих технических решений не позволяет в полной мере использовать возможности системы автономного водяного отопления, что, в конечном итоге, сужает область использования данных способа работы и установки для его реализации.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному способу работы как объекту изобретения является способ работы струйной тепловыделяющей установки, включающий нагрев жидкой среды в водонагревательном устройстве, подачу из водонагревательного устройства нагретой жидкой среды в теплопотребляющее устройство и отвод из теплопотребляющего устройства охлажденной жидкой среды для нагрева в водонагревательное устройство с формированием контура циркуляции жидкой среды, при этом охлажденную жидкую среду в водонагревательное устройство подают через сужающее устройство, где снижают расход жидкой среды с формированием в водонагревательном устройстве, преимущественно на выходе из него, критического режима течения, при котором давление в потоке жидкой среды падает до величины не выше давления насыщенных паров данной жидкой среды, и охлажденный жидкостной поток одновременно с нагревом в котле преобразуют, за счет вскипания части жидкой среды, в двухфазный поток с переводом потока, за счет этого, на сверхзвуковой режим течения, затем в потоке нагреваемой двухфазной среды организуют скачок давления и в этом скачке давления преобразуют двухфазный поток в жидкостной поток с микроскопическими парогазовыми пузырьками с дополнительным нагревом жидкой среды в скачке давления, далее подают нагретую жидкую среду с микроскопическими пузырьками из водонагревательного устройства в теплопотребляющее устройство с отдачей последним части тепловой энергии нагретой жидкой среды потребителю тепла, и отвод из теплопотребляющего устройства охлажденной жидкой среды через сужающее устройство в водонагревательное устройство (патент RU 2221935, F04F 5/54, F04J 3/00, F24D 15/00, 20.01.2004).
Из этого же описания к патенту известна наиболее близкая к изобретению по технической сущности струйная тепловыделяющая установка, содержащая водонагревательное устройство, подключенное со стороны выхода из него потока нагретой жидкой среды к теплопотребляющему устройству, а последнее выходом из него охлажденной жидкой среды подключенное к водонагревательному устройству с формированием, таким образом, контура циркуляции жидкой среды, при этом водонагревательное устройство снабжено со стороны входа в него из теплопотребляющего устройства охлажденной жидкой среды сужающим устройством (патент RU 2221935, F04F 5/54, F04J 3/00, F24D 15/00, 20.01.2004)
Указанные способ работы струйной тепловыделяющей установки и установка для его осуществления позволяют организовать контур циркуляции жидкой среды для обогрева различного рода помещений.
Как показал анализ работы известной струйной тепловыделяющей установки, процесс преобразования потока в водонагревательном устройстве в двухфазный поток с последующим скачком давления и преобразованием потока в однофазный жидкостной поток, заполненный микроскопическими парогазовыми пузырьками, может происходить при строго определенных условиях.
Именно сужающее устройство, путем снижения расхода жидкой среды, позволяет организовать такой режим течения в водонагревательном устройстве. Нагрев двухфазного потока жидкой среды в водонагревательном устройстве позволяет не только создать оптимальные условия для протекания процессов преобразования потока жидкой среды в двухфазный сверхзвуковой поток и проведения скачка давления на выходе из водонагревательного устройства, но и организовать процесс схлопывания микроскопических пузырьков, что позволяет интенсифицировать процесс нагрева жидкой среды в водонагревательном устройстве.
Однако во всех указанных выше технологиях не решается вопрос автономного функционирования устройства как системы в целом, в том числе: подготовки воды (санитарного и технического кондиционирования воды); независимость от вида и качества топлива; его воспроизводства на основе солнечной энергии; получения электроэнергии безмашинным способом с высоким КПД и использованием тепла окружающей среды с применением теплонасоса.
Теплоснабжение объектов в течение года меняется от открытой системы в теплое время (для целей горячего водоснабжения) до частично оборотной в зимнее время (оборотная система работает для целей обогрева помещений), поэтому реально существующие системы открыты, что требует постоянного поступления в систему новой воды. Это в свою очередь требует постоянного процесса водоподготовки воды. Поэтому в реальных условиях необходима достройка известных установок устройствами механической и химической очистки воды, что в свою очередь требует достройки устройствами производства и регенерации активных углей и коагулянтов.
Кроме того, известные установки и устройства не используют тепло окружающей среды и механическую энергию сжатого рабочего тела на выходе из газожидкостного струйного аппарата (воздуха).
В основу изобретения поставлена задача создания нового способа системного получения энергоносителей путем автономно функционирующей энергогенерирующей системы, включающей получение теплоэнергии и электроэнергии безмашинным способом с высоким КПД и использованием тепла окружающей среды с применением теплонасоса, исключающей зависимость от вида и качества топлива и возможности его воспроизводства на основе солнечной энергии, а также химподготовку воды.
Поставленная задача решается тем что, в способе работы энергогенерирующей системы, включающем образование тепла посредством струйной тепловыделяющей установки путем нагрева жидкой среды в водонагревательном устройстве, выполненном в виде газожидкостного струйного аппарата, на входе оборудованного сужающим соплом, подачу с выхода газожидкостного струйного аппарата нагретой жидкой среды к теплопотребителю и возврат от теплопотребителя охлажденной жидкой среды для последующего нагрева в газожидкостном струйном аппарате с формированием контура циркуляции жидкой среды, согласно изобретению энергию неконденсирующегося газового компонента газожидкостной смеси на выходе газожидкостного струйного аппарата используют для забора и создания дополнительного напора поступающей в аппарат воды, сжатия атмосферного воздуха посредством выполнения входного сужающего сопла газожидкостного струйного аппарата в виде системы коаксиально расположенных сопел и в газовом цикле для перекачки тепла из атмосферы и гидросферы посредством аэродинамического испарения, компремирования и расширения в детандере, электроэнергию при этом получают из воспроизводимых фитопродуктов, полученных в фитокомплексе, технологически связанном с топливным элементом и электропиролизным реактором, также технологически связанным с цепью санитарного и технического кондиционирования воды, при этом технологический цикл запускают перегретой водой, которую подают от генератора перегретой воды.
Способ работы энергогенерирующей системы иллюстрируется схемой, изображенной на фиг.1, и заключается в том, что перегретая напорная вода от генератора перегретой воды 1, выполненного в виде электродного водогрейного устройства проточного типа, по трубопроводу подается к соплу газожидкостного струйного аппарата 2, в котором происходит вскипание перегретой воды с образованием двухфазной гомогенной среды, разгон ее до звуковой скорости, а в камере расширения - до сверхзвуковой, затем в горловине аппарата получают скачок уплотнения и преобразование потока в однофазный, при этом давление воды на выходе из аппарата многократно превышает давление воды на входе в аппарат. Кроме того, на вход камеры смешения аппарата подается дополнительная масса напорной воды от комплекса химподготовки 9, а также из атмосферы и гидросферы посредством аэродинамического испарения, компремирования и расширения в детандере. При этом 1/3 часть сверхнапорного потока, выходящего из струйного аппарата, через обратный клапан 7 подается на вход генератора перегретой воды. Электроэнергию при этом получают из воспроизводимых фитопродуктов, полученных в фитокомплексе 13, технологически связанном с топливным элементом 12 и электропиролизным реактором 10, также технологически связанным с цепью санитарного и технического кондиционирования воды 9. Технологический цикл запускают перегретой водой, которую подают от генератора перегретой воды 1.
В основу изобретения также поставлена задача создания автономно функционирующей системы, с полным санитарно-энергетическим обеспечением с получением энергоносителей, в том числе включающей химподготовку воды, получение теплоэнергии и электроэнергии безмашинным способом с высоким КПД и использованием тепла окружающей среды с применением теплонасоса, исключающей зависимость от вида и качества топлива и возможности его воспроизводства на основе солнечной энергии, простой в эксплуатации, со сниженными массогабаритными показателями.
Задача решается тем, что энергогенерирующая система содержащая струйную тепловыделяющую установку, выполненную в виде водонагревательного газожидкостного струйного аппарата, подключенного со стороны выхода из него потока нагретой жидкой среды к теплопотребителю, а со стороны входа оборудованного сужающим соплом, подключенного к отводу от потребителя охлажденной жидкой среды с формированием контура циркуляции жидкой среды, согласно изобретению дополнительно содержит генератор перегретой воды, выполненный в виде электродного водогрейного устройства проточного типа, детандеры, использующие энергию неконденсирующегося газового компонента рабочего тела для забора и создания дополнительного напора поступающей в систему воды, аэродинамический испаритель для отбора тепла из гидросферы, электропиролизный реактор, технологически связанный с топливным элементом и фитокомплексом для получения электроэнергии из воспроизводимых фитопродуктов, гидроциклоном и элеватором, посредством которых электропиролизный реактор связан с технологической цепью санитарного и технического кондиционирования воды, кроме того, входное сужающее сопло водонагревательного газожидкостного струйного аппарата выполнено в виде системы коаксиально расположенных сопел, в том числе для сжатия атмосферного воздуха.
На фиг.1 представлена общая схема конструктивного исполнения и работы энергогенерирующей системы, на фиг.2 представлена схема конструктивного исполнения топливного элемента 12, на фиг.3 представлена схема конструктивного исполнения электропиролизного реактора 10, на фиг.4 представлена схема конструктивного исполнения сепаратора 11.
Энергогенерирующая система в соответствии с заявленным изобретением содержит: 1 - генератор перегретой воды, выполненный в виде электродного водогрейного устройства проточного типа с объемным разогревом воды, в межэлектродном пространстве (можно использовать традиционный котлоагрегат); 2 - газожидкостный струйный аппарат превращения тепловой энергии в кинетическую для гомогенной среды; 3 - диаэратор (устройство для сепарации гетерогенных сред, то есть отделения неконденсирующегося газа); 4 - детандер, например, эрлифтного типа 1-й ступени (для повышения давления поступающей воды); 5 - детандер эрлифтного типа 2-й ступени (для принудительной подачи воды из гидросферы окружающей среды); 6 - аэродинамический испаритель; 7 - обратный клапан; 8 - элеватор для забора и подачи в сепаратор 9 коагулянтов и активного угля; 9 - сепаратор гидроциклонного типа для очистки воды и осаждения шламов; 10 - электропиролизный реактор; 11 - сепаратор для продуктов термической переработки материалов; 12 - топливный элемент; 13 - фитокомплекс; 14 - трансформатор и преобразователь постоянного тока в переменный; 15 - задвижка; 16 - задвижка; 17 - солнечный коллектор (сегментный, или параболический, или параболоцилиндрический); Вхп - вода хозпитьевого качества и/или холодная обратная вода из системы теплоснабжения; Тп - теплопотребители (система горячего водоснабжения и отопления); Хп - хладопотребители; Эп - потребители электроэнергии; Фп - потребители фитопродукции; Ас - атмосфера; Гс - гидросфера (подземные и/или поверхностные источники воды, из которых «откачивается» тепловая энергия); Зс - поток загрязненный (жидкий или газообразный, в частности
SO3, SO2, NO2 - продукты выбросов химпроизводства, вентиляционные выбросы); Ос - поток очищенный (жидкий или газообразный).
Генератор перегретой воды 1 представляет собой объемный электроразогрев воды переменным электротоком, то есть электродное водогрейное устройство проточного типа.
Конструктивно генератор перегретой воды представляет собой стальную трубу, одновременно являющуюся электродом и емкостью для разогрева воды. Внутренние стенки трубы выполнены с антикоррозийным покрытием, а по центру коаксиально и электроизолированно установлен второй электрод, выполненный, например, из графита. На вход генератора подают воду от сепаратора 3 через обратный клапан 7. На электроды подают переменный ток, посредством которого происходит разогрев протекающей в межэлектродном пространстве воды. Выход водогрейного устройства 1 соединен патрубком с входным соплом 2.1 струйного аппарата 2.
Возможно использование в качестве генератора перегретой воды существующего традиционного котлоагрегата.
Топливный элемент 12, схематически изображенный на Фиг.2, содержит следующие конструктивные элементы:
- 12.1 положительный электрод, например, из активного электропроводного угля;
- 12.2 отрицательный электрод, например, из графитового токосъемника обложенного металлическими гранулами, например, из железа и пространством между гранулами заполненным электролитом;
- 12.3 мембрана, например, из спрессованного неэлектропроводного древесного угля (полукокса);
- 12.4 токосъемник положительного электрода, например, из графита в виде газоводонепроницаемого ограждения;
12.5 днище и крышка (из газоводонепроницаемого неэлектропроводного материала, например стекла).
Топливный элемент конструктивно выполнен в виде коаксиально расположенных цилиндров соответственно: положительного токосъемника 12.4; положительного электрода - 12.1; мембраны - 12.3; отрицательного электрода 12.2, которые сверху и снизу скреплены днищем и крышкой с отверстиями для входных и выходных патрубков.
Струйная тепловыделяющая установка работает следующим образом.
К предварительно заполненному водой электродному водогрейному проточного типа устройству 1 подается электроэнергия от электропреобразователя 14. В результате вода в устройстве нагревается до температуры 300°С (перегретая вода). Образованная перегретая вода в качестве рабочего тела подается к сужающему соплу 2.1 газожидкостного струйного аппарата 2, при этом с увеличением скорости в сопле падает давление внутри потока, что приводит к вскипанию перегретой воды с образованием гомогенной парожидкостной смеси, и увеличением скорости потока. Обратный клапан 7 предотвращает выход рабочего тела из входа в устройство 1. Образованный скоростной поток парогазовой смеси, выходящий из сопла 2.1, создавая разрежение в камере смешения 2.2, способствует притоку в камеру посредством коаксиально установленных сопел 2.3 и 2.4 соответственно воды из сепаратора циклонного типа 9 и влажного воздуха из аэродинамического испарителя 6, при этом в камере смешения образуется газожидкостный поток со звуковой скоростью, который в расширяющемся сопле 2.5 (диффузоре) разгоняется до сверхзвуковой скорости и затем в горловине 2.6 происходит скачок уплотнения со статическим давлением выше, чем в электродном проточном устройстве 1, причем водяной пар и вода образуют однородную гомогенную среду. Из газожидкостного струйного аппарата 2 поток в виде горячей воды и горячего сжатого воздуха (гетерогенная среда) подается в сепаратор 3, в котором происходит отделение газа (воздуха) и воды. Сжатый горячий газ (воздух) подается в детандер эрлифтного типа 1-й ступени 4, а горячая вода поступает к потребителю тепла Тп, а 1/3 часть ее подается через обратный клапан 7 к электродному проточному водогрейному устройству 1 с давлением (за счет сверхзвукового скачка в газожидкостном струйном аппарате 2), превышающим рабочее давление в нем.
Поступающий в основание детандера 4 сжатый воздух при своем расширении увлекает в верхнюю часть воду, поступающую в основание детандера 4, от, например, хозпитьевого водопровода, создавая дополнительное пьезометрическое (напор по высоте столба жидкости) давление. В верхней части детандера 4 в диффузоре 4.1 происходит отделение жидкой фазы от газообразной, причем жидкая фаза (вода) подается к элеватору 8, в котором происходит подсос пульпы угля и коагулянтов от сепаратора 11. При этом образованная смесь воды угольного адсорбента и коагулянтов подается к сепаратору гидроциклонного типа 9, в котором происходит адсорбция органических и химических веществ, их осаждение и накопление в основании сепаратора 9 с дальнейшей их подачей в виде пастообразной массы посредством открытого вентиля 15 к электропиролизному реактору 10. Очищенная вода из центральной зоны сепаратора 9 подается к соплу 2.3 газожидкостного струйного аппарата 2.
Из I ступени детандера 4 воздух с остаточным напором подается в основание детандера II ступени 5, причем одновременно из гидросферы Гс (например, поверхностного или подземного источника воды) с подкомандным напором (при погружении основания детандера 5 под уровень воды в источнике) подается в основание детандера 5 вода, при этом в процессе расширения воздуха вода перемещается вверх, создавая пьезометрический напор, необходимый для подачи воды из источника гидросферы Гс к верхней части аэродинамического испарителя 6, в котором вода равномерно распределяется и стекает очень тонким слоем по вертикально установленному цилиндру 6.1, а затем скапливается в поддоне 6.2, из которого с пьезометрическим командованием в охлажденном виде подается потребителю холода Хп с последующим сбросом в естественный источник Гс, удаленный от точки забора воды.
Охлаждение воды осуществляется за счет ее испарения с поверхности цилиндра 6.1 под действием потока атмосферного воздуха, подаваемого в верхнюю часть устройства 6, причем движение воздуха создается подсосом из сопла 2.4, создаваемым коаксиально движущимся потоком рабочего тела из сопел 2.1 и 2.3 в аппарате 2.
Образующееся парциальное давление паровой фазы в рабочей смеси после скачка уплотнения на выходе из аппарата 2 больше давления испарения воды, что обеспечивает конденсацию пара, при этом тепло окружающей среды (при конденсации части пара, полученного в аэродинамическом испарителе 6) поступает в виде горячей воды потребителю. Одновременно тепло от сжатия атмосферного воздуха в аппарате 2 также передается горячей воде при образовании скачка уплотнения, а энергия сжатого атмосферного воздуха используется для создания гидроэнергии с последующим апосредованием ее в аппарате 2 для сжатия газа, поступающего из аэродинамического испарителя 6. После соответствующего накопления шлама на дне сепаратора 9 открывается вентиль 15 и шлам в виде пастообразной массы через шлюзовой аппарат 10.1 поступает в электропиролизный реактор 10. Одновременно к 10.1 переносится соль FeSO4 от топливного элемента 12 и фитопродукты от фитокомплекса 13. Предварительно межэлектродное пространство реактора 10 заполняют на 1/3 электропроводным углеродным сыпучим материалом. Затем на электроды 10.2 от преобразователя 14 подают электроэнергию и/или солнечную концентрированную энергию через световоды от солнечного коллектора (например, параболического концентратора) 17. Электроды 10.2 выполнены в виде труб, например, из графита со светопроводным каналом. Межэлектродное пространство наполняют компонентами, поступающими от сепаратора 9, топливного элемента 12, фитокомплекса 13.
В электропиролизном реакторе 10 (фиг.3) происходят послойно сверху вниз следующие процессы:
- в верхних слоях шихты разогрев и испарение воды (эндотермический процесс, при температуре ≈100°C);
- пиролиз органических веществ в средних слоях (экзотермический процесс, при температуре ≈400-500°С);
- дегидратация солей металлов, образование кокса и выделение SO3 (эндотермический процесс, при температуре ≈500-700°С);
- газификация кокса разогретыми парами воды с получением синтез газа СО, Н2 (экзотермический процесс, при температуре ≈700-900°С);
- восстановление окислов металлов синтез газом (эндотермический процесс, при температуре ≈700-350°С).
Конечные продукты термической переработки через шлюзовой аппарат 10.3 поступают в сепаратор 11, а SO3 в процессе его образования поглощается в качестве деполяризатора на положительном пористом углеродном электроде 12.1 топливного элемента 12.
В сепараторе 11 (фиг.4) при поступлении твердых продуктов переработки происходит магнитная сепарация магнитом 11.1 путем отклонения траектории падения железосодержащих продуктов, накопление их в отдельном отсеке 11.2 и механический перенос к отрицательному электроду 12.2 топливного элемента 12. Остальная часть твердых продуктов, содержащая активный уголь, минеральные вещества, накапливается в отсеке 11.3, оборудованном на дне наклонной сеткой, через которую на днище 11.4 поступают растворенные минеральные вещества, вода и углекислый газ, которые затем по коммуникации поступают к фитокомплексу 13 и/или в окружающую среду. В фотореакторе 13.1 из воды, углекислого газа, растворенных минеральных солей и солнечной энергии создается питательная среда для воспроизводства фитопродукции (микроводорослей, другой растительности). В результате образования фитопродукции вырабатывается кислород, который поступает к положительному электроду 12.1 топливного элемента 12 и используется в качестве деполяризатора водорода. Часть полученной фитопродукции поступает к потребителю Фп, а технологически необходимая часть поступает к электропиролизному реактору 10 в качестве основного энергоресурса в виде воспроизводимого источника углерода и водорода.
В топливном элементе 12 на отрицательном электроде 12.2 происходят процессы окисления и растворения железа, а на положительном углеродном электроде происходит восстановление ионов железа и водорода, при этом происходит его поляризация, которая снимается химическим взаимодействием с деполяризаторами:
SO3, О2, Н2SO4, - а также процессов термического рассеивания водорода, в результате сохраняется потенциал и во внешней цепи протекает электроток. Образующиеся соли металлов, например FeSO4, в концентрированном виде отводятся к шлюзовому аппарату 10.1 электропиролизного реактора 10, а электроэнергия постоянного тока по токопроводам поступает к преобразователю постоянного тока в переменный 14.
Технологически необходимая часть электроэнергии переменного тока поступает к электропиролизному реактору 10 и электродному проточному котлу 1, а остальная часть электроэнергии поступает к внешнему потребителю электроэнергии Эп.
Способ работы энергогенерирующей системы и энергогенерирующая система для его осуществления апробированы в лабораторных условиях отдельными конструктивными элементами и узлами, а возможное ее промышленное применение подтверждаются следующим расчетным примером.
Удельные техноэкономические показатели системы зависят от конкретных конструктивных решений.
Наибольшие объемы занимают топливные элементы и фитокомплекс. Наименьший объем (1:10 от общего) занимают силовые преобразователи энергии (по схеме отдельные конструктивные устройства - 1, 2, 3, 4, 5, 6, 14).
Для стационарных решений рекомендуются варианты с загрузкой энергоаккумулирующих веществ (например, железа) из расчета постоянной работы в течение одного месяца. В этом случае удельная мощность топливного элемента составит 5 Вт на 1 л объема брутто. Для жилого образования с расходом электроэнергии 3 кВт в сутки топливный элемент будет занимать 1 м3 с исходной загрузкой 90 кг железа.
Для предприятия с суточным расходом электроэнергии 1000 кВт·час потребуется объем в 300 м3 и производственная площадка 10×10 м.
В вариантах с выполнением топливного элемента в виде электрохимического реактора с непрерывным оборотом энергоаккумулирующего вещества и деполяризатора удельная мощность составит 50 Вт на 1 л брутто.
КПД использования солнечной энергии в фотореакторах при выработке хлореллы или в форме растительной массы составляет в среднем 10%, с использованием выработанного углеродного материала для внутритехнологических целей. Остальные 90% в виде тепловой энергии с помощью теплонасоса установки поступают к потребителю тепла в виде горячего водяного теплоносителя.
На 1 м2 освещенной поверхности падает 2·103 кВт·ч солнечной энергии в год, причем только 10% реально можно превратить при использовании заявленных способа и системы в энергоаккумулирующее вещество (уголь, оборотный металл, например железо). Для малого хозяйства необходима площадь фитокомплекса не менее 11 м с учетом того, что в зимнее время (3 месяца) интенсивность солнечной радиации в три раза меньше, чем летом.
Для предприятия с расходом энергии 1000 кВт·ч в сутки потребуется 11:330≈3600 м2, например, размещение фотореакторов на кровле цеха размером 36×100 м или интенсивного использования зеленых насаждений на территории предприятия и прилегающих участках городского благоустройства, причем теплообеспечение составит 0,9·2·103×3600≈6,5·106 ккал ≈6,5 Гкал.
Кроме того, заявленные способ и система позволяют использовать аэродинамический испаритель в качестве устройства для получения рассолов и дистиллированной воды.
Использовать топливный элемент в качестве активного утилизатора загрязненной среды. Использовать солнечные параболоидные, параболические, параболоцилиндрические и др. коллекторы для наработки энергоаккумулирующих веществ путем помещения в фокус контейнера со смесью окислов железа и угля (по аналогу доменного процесса), а образовавшийся углекислый газ направить в фитокомплекс.
Таким образом использование заявленных способа и системы позволит осуществить полномасштабное автономное экологически безопасное жизнеобеспечение практически всех видов хозяйствующих субъектов, при этом утилизировать все санитарные (бытовые и канализационные отходы) и тепловые выбросы в окружающую среду.
1. Способ работы энергогенерирующей системы, включающий образование тепла посредством струйной тепловыделяющей установки, путем нагрева жидкой среды в водонагревательном устройстве, выполненном в виде газожидкостного струйного аппарата, на входе оборудованного сужающим соплом, подачу с выхода газожидкостного струйного аппарата нагретой жидкой среды к теплопотребителю и возврат от теплопотребителя охлажденной жидкой среды для последующего нагрева в газожидкостном струйном аппарате с формированием контура циркуляции жидкой среды, отличающийся тем, что энергию неконденсирующегося газового компонента газожидкостной смеси на выходе газожидкостного струйного аппарата используют для забора и создания дополнительного напора поступающей в аппарат воды, сжатия атмосферного воздуха посредством выполнения входного сужающего сопла газожидкостного струйного аппарата в виде системы коаксиально расположенных сопел и в газовом цикле для перекачки тепла из атмосферы и гидросферы посредством аэродинамического испарения, компремирования и расширения в детандере, электроэнергию при этом получают из воспроизводимых фитопродуктов, полученных в фитокомплексе, технологически связанном с топливным элементом и электропиролизным реактором, также технологически связанным с цепью санитарного и технического кондиционирования воды, при этом технологический цикл запускают перегретой водой, которую подают от генератора перегретой воды.
2. Энергогенерирующая система, содержащая струйную тепловыделяющую установку, выполненную в виде водонагревательного газожидкостного струйного аппарата, подключенного со стороны выхода из него потока нагретой жидкой среды к теплопотребителю, а со стороны входа оборудованного сужающим соплом, подключенного к отводу от потребителя охлажденной жидкой среды с формированием контура циркуляции жидкой среды, отличающаяся тем, что дополнительно содержит генератор перегретой воды, выполненный в виде электродного водогрейного устройства проточного типа, детандеры, использующие энергию неконденсирующегося газового компонента рабочего тела, для забора и создания дополнительного напора поступающей в систему воды, аэродинамический испаритель для отбора тепла из гидросферы, электропиролизный реактор, технологически связанный с топливным элементом и фитокомплексом для получения электроэнергии из воспроизводимых фитопродуктов, гидроциклоном и элеватором, посредством которых электропиролизный реактор связан с технологической цепью санитарного и технического кондиционирования воды, кроме того, входное сужающее сопло водонагревательного газожидкостного струйного аппарата выполнено в виде системы коаксиально расположенных сопел, в том числе для сжатия атмосферного воздуха.
