криогенная газотурбинная установка с замкнутой схемой

Формула изобретения

Криогенная газотурбинная установка с замкнутой схемой, содержащая последовательно соединенные в циркуляционном контуре конденсатор, насос, теплообменник и турбину, отличающаяся тем, что она снабжена дроссельным вентилем, сепаратором, оросителем, насадками, ресивером-перегревателем и герметичным разъемным корпусом с охлаждаемой экрановакуумной изоляцией, в котором экран выполнен из металла в виде короба с равномерно распределенным по поверхности каналом в теле, один конец которого соединен с нагнетательной линией насоса, а другой с ресивером-перегревателем, соединенным с входом турбины, выход которой расположен на торце корпуса конденсатора, выполненного в виде вертикального цилиндрического сосуда, внутри которого размещены по высоте ороситель, насадки и образованный днищем сборник конденсата, подключенный трубопроводом к входу насоса, на нагнетательной линии которого установлен дроссельный вентиль, соединенный трубопроводом через сепаратор с оросителем.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергетической технике, в частности, может использоваться в качестве модульной электрической станции или силового агрегата.

Известны энергетические установки, работающие на двуокиси углерода, содержащие соединенные в технологический цикл конденсатор, регенераторы, газоохладитель-перегреватель, компрессор, паровые турбины, газовую турбину, насос /авт. свид. СССР N 373442, МКИ F 01 K 25/00, 1973, авт. свид. СССР N 807001, МКИ F 25 B 11/00, 1981/.

Недостатками известных установок являются потребление горючих веществ или использование высокотемпературных источников тепла, использование компрессора. Кроме того, для работы конденсаторов необходимо подводить охладитель. Все это снижает КПД установок и увеличивает затраты на их изготовление и эксплуатацию.

Известна теплоэнергетическая установка, работающая на легкокипящем веществе по замкнутой схеме, содержащая последовательно соединенные в циркуляционном контуре насос, теплообменник, турбину, конденсатор, ресивер, в утилизационном контуре компрессор и турбину /авт. свид. СССР N 1460554, МКИ F 25 B 11/02, 02.1989/. Эта установка по технической сущности наиболее близка к заявляемому изобретению.

Основным недостатком данной установки является использование в утилизационном контуре компрессора и турбины, которые связаны с валом энергетической турбины, потребляют часть полезной работы, поэтому снижают КПД и мощность установки. Теплообменник имеет такой недостаток как неполный теплообмен, а так как на производство тепла расходуется работа энергетической турбины, то и это снижает КПД установки.

Таким образом, инженерные разработки известных установок не могут обеспечить достаточной производительности без удорожания эксплуатации и увеличения их габаритов.

Целью заявляемого изобретения является получение внешней полезной работы на турбине с использованием в установке тепла окружающей среды для процесса нагрева рабочего тела в низкотемпературном цикле с надкритическим давлением.

Поставленная цель достигается тем, что криогенная газотурбинная установка с замкнутой схемой, содержащая последовательно соединенные в циркуляционном контуре конденсатор, насос, теплообменник и турбину, снабжена дроссельным вентилем, сепаратором, оросителем, насадками, ресивером-перегревателем и герметичным разъемным корпусом с охлаждаемой экрановакуумной изоляцией, в которой экран выполнен из металла в виде короба с равномерно распределенным по поверхности каналом в теле, один конец которого соединен с нагнетательной линией насоса, а другой - с ресивером-перегревателем, соединеным с входом турбины, выход которой расположен на торце корпуса конденсатора, выполненного в виде вертикального цилиндрического сосуда, внутри которого размещены по высоте ороситель, насадки и образованный днищем сборник конденсата, подключенный трубопроводом к входу насоса, на нагнетательной линии которого установлен дроссельной вентиль, соединенный трубопроводом через сепаратор с оросителем.

В предлагаемом техническом решении: дроссельный вентиль позволяет, при дросселировании рабочего тела, получать необходимый холод для покрытия тепла, вносимого и выделяющегося при работе установки; сепаратор позволяет получать нижнее давление дросселирования и смягчить скачки давления; ороситель позволят эффективно осуществлять процесс теплообмена способом прямого смешения гомогенного газа; насадки позволяют за счет накопленного холода охлаждать нагретый пар и конденсировать его на своей поверхности; охлаждаемый экран позволяет снизить теплопритоки к поверхности низкотемпературных аппаратов и принять тепло, вносимое лучистой энергией из окружающей среды стенками наружного корпуса, для того чтобы нагреть сжиженную фазу рабочего тела в канале; ресивер-перегреватель позволяет испарить нагревшееся рабочее тело и поднять его температуру также за счет тепла, поступающего в виде лучистой энергии от стенок корпуса; герметичный наружный корпус позволяет удерживать в его объеме необходимый вакуум, что снижает конвективный телообмен, а разъем улучшает сборку и обслуживание установки.

Сущность изобретения поясняется с помощью чертежа, на котором изображен общий вид заявляемой криогенной газотурбинной установки с замкнутой схемой. Насос 1 соединен нагнетательными трубопроводами с каналом входа в экран 2 и с дроссельным вентилем 3. Канал выхода из охлаждающего экрана 2 соединен с ресивером-перегревателем 4, имеющим развитую, поглощающую поверхность, обращенную к внутренней поверхности герметичного корпуса 5. Выход из перегревателя 4 соединен трубопроводом с входом в турбину 6. Турбина 6 расширяющимся выходом установлена на верхнем торце корпуса вертикального сосуда конденсации 7, имеющего внутри объема по уровням сверху вниз ороситель 8, насадки 9, переливной трубопровод и образованный днищем сборник конденсата 10, который соединен широким патрубком с входным устройством насоса 1. Дроссельный вентиль 3 присоединен к сепаратору 11, слив из которого соединен трубопроводом с оросителем 8, а переливной трубопровод введен в объем сепаратора 11 и через змеевик выведен в верхнюю часть его объема. Все узлы, аппараты и трубопроводы изолированы снаружи слоистой изоляцией от тепла, вносимого лучистой энергией /на чертеже не указана/. Узлы, аппараты и коммуникации заключены в герметичный разъемный корпус 5. Линия вакуумирования внутреннего объема корпуса 5 обозначена вакуумным клапаном 12.

Работа криогенной газотурбинной установки с замкнутой схемой осуществляется в два этапа. Подготовительный этап включает вакуумирование внутреннего объема корпуса 5 через вакуумный клапан 12, низкотемпературное охлаждение очищенным газом, например азотом /N₂/, внутреннего объема узлов, аппаратов и трубопроводов, составляющих установку, до рабочей температуры, ниже критической. Затем заполняют этим газом, находящимся в насыщенном состоянии пар-жидкость, внутренний объем узлов, аппаратов и трубопроводов установки из расчетов равновесных систем влажного пара для данной криогенной установки при заданных нижнем рабочем давлении и температуре, которым соответствует необходимое количество сжиженной фазы рабочего тела в рабочем объеме.

Второй этап включает работу установки. Так как криогенная газотурбинная установка, охлажденная до рабочей температуры, не имеет условно в данный момент пуска подвода тепла к охлаждающему экрану 2 и к ресиверу-перегревателю 4, то рабочее тело работу не производит. Кроме того, требуется обеспечить циркуляцию рабочего тела в замкнутом объеме установки. Поэтому от внешнего источника электроэнергии, например от аккумулятора, в действие приводится насос 1. Насос 1 с минимальными гидравлическими потерями засасывает из сборника конденсата 10 сжиженную фазу рабочего тела и нагнетает его в рабочий цикл. В нагнетательной линии насоса рабочее тело разбивается на два потока и направляется в цикл по двум трубопроводам. Условно считаем, что на выходе из насоса 1 в трубопроводах сразу создается надкритическое давление, и может быть принято от 3,5 МПа. Меньшая часть потока по одному из трубопроводов направляется на дроссельный вентиль 3, где расширяется без совершения внешней работы от начального давления до конечного в объем сепаратора 11, и по трубопроводу поступает на орошение в сосуд конденсации 7. Большая часть потока рабочего тела направляется на турбину 6, при этом поток попадает в канал охлаждающего экрана 2, который служит для уменьшения теплопритоков лучистой энергии к аппаратам установки. А для получения полезной работы на криогенной установке, работающей по замкнутой схеме, необходимо нагревать рабочее тело. Охлаждающий экран 2, принимая теплопритоки, выполняет функцию нагревателя, и поэтому нагрев большей части сжиженной фазы осуществляется в канале экрана 2 передачей тепла лучистой энергии стенками герметичного корпуса 5, имеющего температуру окружающей среды, к стенкам экрана 2. На выходе из охлаждающего экрана 2 температур сжиженной фазы рабочего тела не должна превышать критическую. Дальнейший нагрев также происходит передачей лучистой энергии от стенок нагретого корпуса 5 к поглощающей поверхности стенки перегревателя 4. В ресивере-перегевателе 4 осуществляется переход рабочего тела из жидкого в газообразное состояние в количестве, необходимом для устойчивой и ровной работы турбины 6. Сухой перегретый газ с расчетной температурой поступает в турбину 6 на расширение. Рабочее тело в этом случае совершает внешнюю работу, которая снимается с вала турбины электрогенератором, а температура его значительно понижается. Турбина 6 выходным патрубком установлена на верхнем торце корпуса вертикального цилиндрического сосуда конденсации 7, и поэтому расширившийся газ с конечным давлением, которое может быть принято 0,3 МПа, и температурой в области близкой к пограничной кривой парообразования, в состоянии насыщенного перегретого пара поступает в объем сосуда 7 и продавливается вниз потоком сверху к насадкам 9. Здесь газ вступает в интенсивный теплообмен прямым контактом с сжиженным газом, имеющим наименьшую величину энтальпии /теплосодержания/. В результате теплообмена между перегретым паром, поступающим из турбины 6, и сжиженной фазой дроссельного потока, распыляющейся из оросителя 8, их энтальпии усредняются до расчетного равновесного состояния пар-жидкость в сосуде конденсации 7. А так как конечное значение энтальпии зависит от количества смешивающихся потоков, то при отклонении его от заданного добиваемся расчетного значения увеличением распыления сжиженной фазы дроссельного потока. В равновесном состоянии сжиженная фаза рабочего тела, составляющая меньшую часть объема, стекает по насадкам 9 вниз, в сборник конденсата 10. Одновременно несжиженный газ в состоянии насыщенного пара под действием давления насыщенного перегретого пара, поступающего с выхода турбины 6, продавливается вниз, в объем насадок 9. Здесь пар имеет благоприятные условия для конденсации как за счет теплообмена прямым контактом с сжиженной фазой, так и охлаждением. Какая-то часть его продавливается вниз сосуда 7, к зеркалу жидкости в сборнике конденсации 10. Энтальпия охлажденного насыщенного пара близка к энтальпии жидкости, поэтому он, контактируя с поступающей сверху сжиженной фазой рабочего тела, полностью конденсируется. Для улучшения процесса конденсации необходимо распылять часть потока из сепаратора 11 у зеркала жидкости. Сжиженная фаза рабочего тела накапливается в сборнике конденсата 10, откуда постоянно закачивается в непрерывный цикл насосом 1, который, обеспечивая циркуляцию рабочего тела в установке, поддерживает расчетное нижнее давление в сосуде конденсации 7. Рабочий цикл замкнулся, поэтому внешний источник, приводящий в действие насос 1, отключается, и с этого момента установка сама обеспечивает себя электроэнергией, а излишки энергии поступают потребителю.