Энергетическая установка с машинным преобразованием энергии

Изобретение относится к объектам энергетического машиностроения. Изобретение направлено на повышение КПД турбокомпрессорных энергетических установок путем уменьшения затрат энергии турбины на привод компрессора. Эта задача решается снижением потребной степени сжатия компрессора только до необходимой для прокачки газообразного теплоносителя через газовый контур величины и выработкой полезной мощности, идущей на привод электрогенератора 1, парожидкостным контуром. Для этого теплообменник-парогенератор 6 включен теплопередающим трактом в магистраль газового контура, реализующего термодинамический цикл Брайтона, между источником тепла 2 и турбиной турбокомпрессора 3, а теплопринимающим трактом - в магистраль парожидкостного контура на входе в паровую турбину турбонасосного агрегата 9, при этом в магистраль парожидкостного контура, реализующего термодинамический цикл Ренкина, между насосом турбонасосного агрегата 9 и теплообменником-парогенератором 6 последовательно включены межконтурный теплообменник 7, теплопринимающий тракт которого включен в магистраль газового контура между теплообменником-регенератором 5 и теплообменником-холодильником 8, и теплообменник-регенератор 11, теплопередающий тракт которого включен в магистраль между выходом турбины турбонасосного агрегата 9 и входом в холодильник-конденсатор 12. 1 ил.

 

Изобретение относиться к области энергетического машиностроения и может быть использовано в конструкциях турбокомпрессорных энергетических установок.

Из технической литературы известно, что достаточно высокую эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую могут обеспечить установки с машинным преобразованием энергии, реализующие замкнутый термодинамический цикл Брайтона, включающий нагрев газообразного рабочего тела, преобразование тепловой энергии в механическую энергию посредством турбокомпрессора, регенерацию тепла оставшегося в рабочем теле после преобразования и отвод остаточного (после регенерации) низкопотенциального тепла из рабочего контура во внешнюю среду (А.А. Гуров, Д.Д. Севрук, Д.Н. Суриков "Конструкция и проектирование жидкостных двигательных установок", изд. "машиностроение", 1980 г., стр. 16). Основной недостаток такой установки обусловлен значительными потерями тепловой энергии за счет отвода низкопотенциального тепла в окружающее пространство, что практически ограничивает ее коэффициент полезного действия (к.п.д.) величиной не более 30%.

Известна схема энергоустановки представленная патентом РФ №2508460 с приоритетом от 10.07.12; в которой, наряду с термодинамическим циклом Брайтона (в основном рабочем контуре) реализуется термодинамический цикл Ренкина (в контуре отвода тепла из основного рабочего контура), в котором, часть отводимого низкопотенциального тепла преобразуется в механическую энергию посредством турбонасосного агрегата, паровая турбина которого дополняет мощность, передаваемую на вал электрогенератора.

Выполненная в соответствии с вышеуказанной схемой и принятая за прототип изобретения энергетическая установка, в состав которой входят: электрогенератор; магистральный контур, реализующий замкнутый термодинамический цикл Брайтона, включающий источник тепла, турбокомпрессор, кинематически связанный с электрогенератором, теплообменник-регенератор, теплопередающий тракт теплообменника-парогенератора; и парожидкостной контур, реализующий цикл Ренкина, включающий источник тепла (в виде теплообменника-парогенератора), турбонасосный агрегат с паровой турбиной, кинематически связанный с электрогенератором, и холодильник-конденсатор. Эта установка обеспечивает за счет дополнительной мощности увеличение к.п.д. энергоустановки на 3% по сравнению с аналогом.

Недостаток данной энергоустановки, как и энергоустановки-аналога, заключается в том, что основная часть мощности турбины тратиться на привод компрессора, что обусловлено высокой работой сжатия газообразного рабочего тела с относительно низкой плотностью, при использовании его в цикле Брайтона.

Так, энергоустановки, выполненные в соответствии с аналогом и прототипом изобретения, реализующие замкнутый термодинамический цикл (цикл Брайтона) с температурой газообразного рабочего тела на входе в турбину 1200 К, на входе в компрессор 400 К, максимальным давлением в контуре 37 ата и расходом через замкнутый контур 3,6 кг/с при уровне достигнутых к настоящему времени к.п.д. компрессора и турбины μкт=0,8, имеют следующие мощностные характеристики:

у энергоустановки-аналога мощность компрессора и турбины, соответственно, равны 436 кВт и 527 кВт (затраты мощности турбины на привод компрессора соответственно 82,7%), мощность, поступающая на вал электрогенератора 91 кВт, что при к.п.д. электрогенератора ~0,91 и мощности вырабатываемой им электроэнергии, отбираемой на самопотребление энергоустановки ~10 кВт, обеспечивает выход полезной электрической мощности энергоустановки ~79,5 кВт и ее к.п.д. ~0,1346;

у энергоустановки-прототипа мощность компрессора и суммарная мощность турбин, соответственно, равны 466 кВт и 546 кВт (затраты мощности на привод компрессора и насоса ~79,8%), мощность на валу электрогенератора 110 кВт, полезная мощность ~90 кВт, к.п.д. ~0,1646.

Изобретение направлено на повышение к.п.д. энергоустановки путем уменьшения затрат энергии турбин на привод компрессора.

Результат обеспечивается тем, что теплообменник-парогенератор включен теплопередающим трактом в магистраль газового контура, реализующего термодинамический цикл Брайтона, между источником тепла и турбиной турбокомпрессора, а теплопринимающим трактом - в магистраль парожидкостного контура - на входе в паровую турбину турбонасосного агрегата; при этом в магистраль парожидкостного контура между насосом турбонасосного агрегата и теплообменником-парогенератором последовательно включены теплопринимающими трактами межконтурный теплообменник, теплопередающий тракт которого включен в магистраль между теплообменником-регенератором тепла и теплообменником-холодильником газового контура, и теплообменник-регенератор тепла парожидкостного контура, теплопередающий тракт которого включен в магистраль между выходом турбины турбонасосного агрегата и входом в холодильник-конденсатор.

При таком исполнении энергетической установки суммарные затраты мощностей турбин (располагаемой мощности) на привод компрессора и насоса (потребная мощность) могут быть уменьшены до 37% от их величины за счет уменьшения степени сжатия компрессора с 2,6, как у прототипа, до величины 1,23, достаточной для прокачки газообразного теплоносителя через контур при равенстве мощностей компрессора и турбины, что позволяет (при снижении общего уровня энергобаланса кинематической группы турбокомрессор-электрогенератор-турбонасосный агрегат) за счет мощности паровой турбины, практически полностью поступающей на вращение электрогенератора, увеличить выход полезной электроэнергии энергетической установки и, соответственно, повысить ее коэффициент полезного действия.

На рисунке представлена принципиальная схема предлагаемой энергетической установки.

В состав энергоустановки входят:

- электрогенератор 1;

- замкнутый газовый контур, включающий нагреватель 2, турбокомпрессор 3, соединенный валом через муфту 4 с валом электрогенератора 1, теплообменник-регенератор 5, теплопередающий тракт теплообменника-парогенератора 6 в магистрали между нагревателем 2 и турбиной турбокомпрессора 3, теплопередающий тракт дополнительного межконтурного теплообменника 7 в магистрали на выходе теплопередающего тракта теплообменника-регенератора 5, теплообменник-холодильник 8;

- замкнутый парожидкостной контур, включающий турбонасосный агрегат 9, соединенный валом через муфту 10 с валом электрогенератора 1, теплопринимающий тракт теплообменника-парогенератора 6, теплообменник-регенератор 11, теплопринимающий тракт межконтурного теплообменника 7 в магистрали между насосом турбонасосного агрегата 9 и теплопринимающим трактом теплообменника-регенератора 11, холодильник-конденсатор 12;

- в состав энергоустановки входит также холодильник 13 системы отвода низкопотенциального тепла из газового контура.

При работе энергетической установки в газовом контуре, реализующем замкнутый термодинамический цикл Брайтона, газообразное рабочее тело с выхода компрессора турбокомпрессора 3 поступает теплообменник-регенератор 5, где нагревается за счет теплообмена с отработанным в турбине турбокомпрессора 3 рабочим телом, после чего поступает в нагреватель р 2, где нагревается до максимальной температуры цикла. Из нагревателя 2, высокотемпературное газообразное рабочее тело поступает в теплообменник-парогенератор 6, в котором передает часть тепла рабочему телу парожидкостного контура энергоустановки, после чего направляется в турбину турбокомпрессора 3. В турбине турбокомпрессора 3 тепловая энергия газа преобразуется в механическую энергию, которая полностью или частично компенсирует затраты потребной энергии привода компрессора, а избыток ее через муфту 4 передается электрогенератору 1. Из турбины турбокомпрессора 3 газообразное рабочее тело поступает в теплообменник-регенератор 5, где часть тепловой энергии передается рабочему телу на выходе компрессора турбокомпрессора 3 и, далее, в теплопередающий тракт межконтурного теплообменника 7, где оставшаяся в газообразном теплоносителе (за вычетом низкопотенциального тепла) тепловая энергия передается в парожидкостный контур энергоустановки. Из теплообменника 7 газообразное рабочее тело поступает в теплообменник-холодильник 8, в котором осуществляется теплоотвод оставшегося в нем низкопотенциального тепла в холодильник 13.

При этом параметрической особенностью реализуемого в предлагаемой энергетической установке цикла Брайтона является следующее: потребная и располагаемая мощность турбокомпрессора 3 незначительны и близки по величине, так-как газовый контур обеспечивает лишь теплосъем с нагревателя 2 и передачу тепла в парожидкостной контур теплообменника-парогенератора 6, для чего необходим минимальный (необходимый для преодоления гидросопротивления тракта газового контура) напор компрессора и, соответственно, его минимальная потребная мощность, а передача мощности на вал электрогенератора 1 в основном осуществляется в парожидкостном контуре энергоустановки, реализующем термодинамический цикл Ренкина, где при минимальной потребной мощности насоса, обусловленной высокой плотностью его рабочего тела (в 32…55 раз выше, чем в цикле Брайтона), практически вся мощность турбины турбонасосного агрегата 9 передается на вал электрогенератора 1.

В процессе, реализующим цикл Ренкина при работе энергоустановки, в теплообменнике-парогенераторе 6 за счет поступившего из газового контура тепла происходит испарение оставшейся в теплоносителе жидкой фазы (основная часть ее переходит в парообразное состояние в теплообменнике-регенераторе 11), и подогрев его до максимальной температуры цикла - температуры рабочего тела на входе в турбину турбонасосного агрегата 9. Посредством турбины тепловая энергия перегретого пара преобразуется в механическую энергию, незначительная часть которой расходуется на привод насоса турбонасосного агрегата 9, а основная часть через муфту 10 передается электрогенератору 1, который при вращении ротора преобразует механическую энергию в электрическую энергию. Перегретый пар, с выхода турбины, поступает в теплообменник-регенератор 11, где за счет передаваемого от него тепла происходит подогрев и испарение основной части поступающего из насоса турбонасосного агрегата 9 и подогретого в межконтурном теплообменнике 7 жидкого теплоносителя. После теплообменника-регенератора 11 охлажденное парообразное рабочее тело поступает в холодильник- конденсатор 12, где происходит его конденсация и охлаждение до минимальной температуры цикла Ренкина, после чего жидкое рабочее тело поступает в насос турбонасосного агрегата 9.

Расчетная оценка, проведенная применительно к энергетической установке с расходом газового теплоносителя в цикле Брайтона 3,6 кг/с, параметрами и характеристиками, указанными выше для аналога и прототипа и использованием в парожидкостном контуре воды с расходом ~0,204 кг/с, минимальной температурой цикла Ренкина (на входе в насос турбонасосного агрегата) 400 К; с давлением на входе в насос 4,4 ата, а на выходе из насоса 60 ата, показывает, что при значении коэффициентов полезного действия насоса и турбины турбонасосного агрегата, соответственно, 0,3 и 0,7 (экспериментально подтвержденные величины) возможно достижение коэффициента полезного действия энергоустановки ~0,2, что на ~3,5% выше, чем у прототипа.

Энергетическая установка с машинным преобразованием энергии, в состав которой входят электрогенератор, магистральный замкнутый газовый контур, реализующий термодинамический цикл Брайтона, включающий источник тепла, турбокомпрессор, кинематически связанный с электрогенератором, теплообменник-регенератор тепла, теплообменник-холодильник системы отвода низкопотенциального тепла из газового контура и магистральный парожидкостный замкнутый контур, реализующий термодинамический цикл Ренкина, включающий источник тепла в виде теплообменника-парогенератора, турбонасосный агрегат, кинематически связанный с электрогенератором, холодильник-конденсатор паровой фазы рабочего тела, отличающаяся тем, что теплообменник-парогенератор включен теплопередающим трактом в магистраль газового контура между нагревателем и турбиной турбокомпрессора, теплопринимающим трактом - в магистраль парожидкостного контура на входе в турбину турбонасосного агрегата, при этом в магистраль парожидкостного контура между насосом турбонасосного агрегата и теплообменником-парогенератором последовательно включены теплопринимающими трактами межконтурный теплообменник, теплопередающий тракт которого включен в магистраль между теплообменником-регенератором тепла и теплообменником-холодильником газового контура, и теплообменник-регенератор парожидкостного контура, теплопринимающий тракт которого включен в магистраль между выходом турбины турбонасосного агрегата и входом в холодильник-конденсатор.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат заключается в уменьшении габаритов и обеспечении повышения дальности поездки электромобиля, работающего на электроэнергии.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат заключается в уменьшении габаритов и обеспечении повышения дальности поездки электромобиля, работающего на электроэнергии.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат – повышение выходного напряжения.

Изобретение относиться к энергетическому оборудованию, в частности производству электрической энергии из энергии пара или сжатого газа. В устройстве нет разделения на генерирующую и двигательную часть, благодаря чему для его построения необходим минимум частей, а также возможно обеспечение полной герметизации с созданием внутри корпуса значительного давления.

Изобретение относиться к энергетическому оборудованию, в частности производству электрической энергии из энергии пара или сжатого газа. В устройстве нет разделения на генерирующую и двигательную часть, благодаря чему для его построения необходим минимум частей, а также возможно обеспечение полной герметизации с созданием внутри корпуса значительного давления.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к генератору для передвижной станции. Технический результат – повышение технологичности конструкции.

Генератор содержит статор, имеющий центральную ось, и ротор. Статор выполнен с возможностью и приспособлен быть поддерживаемым участком несущей конструкции конвейерной ленты.

Генератор содержит статор, имеющий центральную ось, и ротор. Статор выполнен с возможностью и приспособлен быть поддерживаемым участком несущей конструкции конвейерной ленты.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Способ для двигателя с разветвленной выхлопной системой.

Двухкорпусный двухконтурный турбореактивный двигатель содержит вентилятор (S), расположенный на входе газогенератора и ограничивающий первичный поток и вторичный поток.

Изобретение относится к наземным газотурбинным силовым установкам с двухкаскадным газотурбинным устройством для генерирования электрической энергии. Изобретение содержит два каскада.

Раскрыты способы и системы для регулирования работы дроссельного турбогенератора в целях улучшения продувки поглотителя топливных паров. Перепад давления на впускном дросселе может быть использован для вращения турбины, установленной в перепускном канале дросселя, причем указанная турбина в свою очередь приводит в движение генератор в целях зарядки батареи.

Изобретением представлена новая, надежная, простая, экономичная, высокоэффективная, компактная схема «Энергетический комплекс» для выработки электрической, механической и тепловой энергии, что может найти свое применение в различных сферах человеческой деятельности, в том числе в военной промышленности, на транспорте, в авиации, в атомной энергетике и других отраслях народного хозяйства, с высокой экономичностью и экологичностью, с расширенными функциональными возможностями, с высоким КПД и мощностью, что предполагает дальнейшее развитие и большие изменения на нашей планете Земля.

Изобретение относится к силовой установке летательного аппарата. Гибридная силовая установка многомоторного летательного аппарата содержит газотурбинные двигатели со свободной турбиной и газогенераторами.

Изобретение относится к двигателестроению. Раскрыт способ для двигателя, в котором изменяют с помощью контроллера (12) степень сжатия цилиндра посредством выборочного выпуска газообразных продуктов сгорания из воздушно-топливной смеси, воспламененной в цилиндре, через стравливающий клапан (152) на головке цилиндра.

Устройство быстрой помощи применяется к двигателю (11) со свободной турбиной летательного аппарата, который имеет по меньшей мере первый двигатель (11) со свободной турбиной, снабженный газогенератором и ассоциированный с электрической машиной (12), приспособленной работать как в качестве стартера, так и в качестве генератора.

Энергетический комплекс для выработки электрической, механической и тепловой энергии, содержащий корпус, выполненный в виде барабана с полостью для выхода отработанных газов, снабженный обмоткой, установленной с внутренней стороны корпуса с образованием статора.

Приводная система для приведения в действие по меньшей мере одного компрессора. Система содержит газотурбинный двигатель (101), выполненный и установленный с возможностью приведения в действие компрессора (103).

Изобретение относится к расширительным машинам, а именно к турбодетандерам, которые могут широко применяться в криогенных системах и, особенно, в составе гелиевых и водородных установок. В корпусе турбодетандера выполнены два газодинамических подшипника скольжения, а турбинные колеса пневматически соединены параллельно. Турбинные колеса, направляющие аппарата и форкамеры выполнены идентичными. Форкамеры торцевых крышек соединены общим коллектором подачи сжатого газа, а тормозное устройство выполнено в виде высокоскоростного электрогенератора. На валу детандера диаметрально противоположно установлены постоянные магниты, а в корпусе - обмотка, изготовленная из сверхпроводника. Турбодетандер смонтирован в двухстенном криостате с экранно-вакуумной изоляцией. В криостате установлен эжектор для захолаживания обмотки до ее рабочей температуры перед пуском турбодетандера. Выполнены трубопровод отвода расширенного газа из внутреннего объема криостата и трубопровод подачи сжатого газа с двумя клапанами, один из которых подключен к коллектору подачи сжатого газа в форкамеры, а другой - к эжектору. Техническим результатом является упрощение конструкции и повышение надежности работы турбодетандера. 1 ил.

Изобретение относится к объектам энергетического машиностроения. Изобретение направлено на повышение КПД турбокомпрессорных энергетических установок путем уменьшения затрат энергии турбины на привод компрессора. Эта задача решается снижением потребной степени сжатия компрессора только до необходимой для прокачки газообразного теплоносителя через газовый контур величины и выработкой полезной мощности, идущей на привод электрогенератора 1, парожидкостным контуром. Для этого теплообменник-парогенератор 6 включен теплопередающим трактом в магистраль газового контура, реализующего термодинамический цикл Брайтона, между источником тепла 2 и турбиной турбокомпрессора 3, а теплопринимающим трактом - в магистраль парожидкостного контура на входе в паровую турбину турбонасосного агрегата 9, при этом в магистраль парожидкостного контура, реализующего термодинамический цикл Ренкина, между насосом турбонасосного агрегата 9 и теплообменником-парогенератором 6 последовательно включены межконтурный теплообменник 7, теплопринимающий тракт которого включен в магистраль газового контура между теплообменником-регенератором 5 и теплообменником-холодильником 8, и теплообменник-регенератор 11, теплопередающий тракт которого включен в магистраль между выходом турбины турбонасосного агрегата 9 и входом в холодильник-конденсатор 12. 1 ил.

Наверх