Турбокомпрессорная тепловая машина, работающая по замкнутому термодинамическому циклу с внутренней регенерацией тепла

Турбокомпрессорная тепловая машина, работающая по замкнутому термодинамическому циклу с внутренней регенерацией тепла, состоит из радиальных компрессора и турбины, внутри каждого поочередно располагаются подвижные рабочие колеса, полые пространства. Вал имеет каналы между полостями вала и рабочими колесами, полыми пространствами. Каналы вала компрессора подсоединены к охлаждающему теплообменнику. Выход полых пространств между рабочими колесами турбины и вход турбины подсоединены к нагревающему теплообменнику. Тепловая машина с внутренней регенерацией тепла может быть применена в крупной, средней энергетике, индивидуальных бытовых приборах, транспортной технике и других направлениях, требующих преобразования тепловой энергии в механическую и обратно. Технический результат: повышение КПД тепловой машины за счет регенерации тепла внутри замкнутого непрерывного термодинамического цикла. 2 ил.

 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в тепловых электростанциях, автомобилях, холодильных машинах, тепловых насосах и других процессах для преобразования тепловой энергии в механическую и обратно как «тепловой насос».

Известна схема газотурбинной установки замкнутого цикла, Моисеев Г.И., Мееров Л.З. Конструкция стационарных газотурбинных установок. - М.: Госэнергоиздат, 1962.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является Газотурбинная установка замкнутого цикла фирмы Эшер Висc (стр. 94). Описанное устройство принято за прототип изобретения.

Недостатки прототипа:

Передача тепла отработавшего газа осуществляется после расширения в турбине и после сжатия в компрессоре в рекуперационном теплообменнике. В связи с чем уменьшается конечная температура подогрева газами после турбины и увеличивается начальная температура подогрева газов после компрессора из за расширения и сжатия газа в рабочих колесах. В связи с чем уменьшается возможность использования тепла при его рекуперации.

Технической задачей изобретения является:

1. Расширение температурного диапазона при рекуперации тепла в течении всего рабочего термодинамического цикла.

2. Повышение КПД тепловой машины.

Поставленная задача решена следующим образом:

Рекуперационный теплообменник тепловой машины реализован внутри компрессора и турбины. Конструктивно выполнен в виде поочередно установленных рабочих колес и полых пространств, через которые встречно текут греющий и подогреваемый газы. Вал, на который установлены колеса, имеет каналы, через которые подводятся и отводятся газы.

Сущность изобретения

На фиг. 1 изображена турбокомпрессорная тепловая машина, работающая по замкнутому термодинамическому циклу с внутренней регенерацией тепла в продольном разрезе и состоит из радиальных компрессора 1 и турбины 2. Внутри компрессора 1 и турбины 2 поочередно располагаются подвижные рабочие колеса 6 и полые пространства 3 для встречного течения газообразного рабочего тела по отношению к потоку в рабочих колесах. Валы блоков имеют каналы 4 и отверстия 5 для прохода газа между полостями вала и рабочим колесам 6, полыми пространствами 3. Каналы 4 вала компрессора подсоединены к охлаждающему теплообменнику 8. Выход полых пространств 3 между рабочими колесами турбины и вход турбины подсоединены к нагревающему теплообменнику 9. Регенерация тепла происходит через стенки рабочих колес по принципу рекуперативного теплообменника. Тепло перетекает между потоком газа полого пространства 3 и потоком газа, протекающего через рабочие колеса 6, при этом рост температурных градиентов в компрессоре и турбине направлен от центра к наружной окружности рабочих колес по радиусу. При нагревании газа, проходящего через компрессор, и охлаждении газа в турбине процесс идет приближенно изохорно, соответственно работа на его сжатие и расширение почти не расходуется.

Из-за замкнутости цикла кинетическая энергия потока, выходящего из турбины, не теряется и возвращается обратно в цикл.

При вращении рабочих колес и прохождении газа через полые пространства между рабочими колесами и внутри рабочих колес увеличиваются коэффициенты теплопередачи между потоками и стенками колес.

На фиг. 2 изображена диаграмма термодинамического цикла, проходящего в турбокомпрессорной тепловой машине, работающей по замкнутому термодинамическому циклу с внутренней регенерацией тепла. Подвод тепла Q1 в цикл осуществляется в нагревающем теплообменнике в конце изобары 2-3 при давлении газа Р2. Рекуперация тепла Qr1 в турбине осуществляется между изохорой 3-4 и изобарой 2-3. Рекуперация тепла Qr2 в компрессоре осуществляется между изохорой 1-2 и изобарой 4-1. Отвод тепла Q2 от цикла осуществляется в охлаждающем теплообменнике в конце изобары 4-1 при давлении Р1.

Турбокомпрессорная тепловая машина, работающая по замкнутому термодинамическому циклу с внутренней регенерацией тепла, состоит из радиальных компрессора и турбины, внутри каждого поочередно располагаются подвижные рабочие колеса, полые пространства, вал имеет каналы между полостями вала и рабочими колесами, полыми пространствами, каналы вала компрессора подсоединены к охлаждающему теплообменнику, выход полых пространств между рабочими колесами турбины и вход турбины подсоединены к нагревающему теплообменнику.