EA006048B1

EA006048B1 - Тепловые двигатели и способы получения механической энергии и их использование на транспортных средствах

Info

Publication number: EA006048B1
Application number: EA200201187A
Authority: EA
Inventors: Майкл Уэндт; Ши Сью; Патрик Дж. Глинн
Original assignee: Коммонуэлс Сайентифик Энд Индастриэл Рисёрч Органайзейшн
Priority date: 2000-05-30
Filing date: 2001-05-30
Publication date: 2005-08-25
Also published as: US20040050049A1; PL360351A1; IL153199A0; CN1283914C; NZ522890A; EP1287246A1; CA2410952A1; KR20030007832A; BR0111372A; US7062914B2; EA200201187A1; CN1443274A; ZA200209814B; NO20025794L; KR100857486B1; NO20025794D0; CZ20024081A3; JP2003535257A; UA76954C2; IL153199A

Abstract

Газотурбинная система замкнутого цикла содержит систему, содержащую компрессор, предназначенный для получения сжатого газа, газовую турбину, предназначенную для приема сжатого газа, тепловой аккумулятор, имеющий первое теплообменное средство и выполненный с возможностью приема сжатого газа от компрессора и передачи сжатого газа к газовой турбине, и второе теплообменное средство, предназначенное для приема отработавшего газа из газовой турбины и передачи его к компрессору, в которой второе теплообменное средство выполнено с возможностью передачи, по меньшей мере, некоторого количества тепла от отработавшего газа перед его передачей к компрессору.

Description

Область техники, к которой относится настоящее изобретение

Настоящее изобретение относится к тепловым двигателям, в частности к двигателям, которые работают в соответствии с циклами Карно и Брайтона. Более конкретно, настоящее изобретение относится к новым применениям этих двигателей.

Предпосылки для создания настоящего изобретения

Одной из опасностей подземной разработки месторождения является то, что при обрушении рудника люди, которые работают под землей, могут быть раздавлены или могут задохнуться. Удушье в такой ситуации может иметь место, поскольку персонал находится в замкнутом пространстве, так что имеется только ограниченный подвод кислорода. Однако, поскольку, как правило, необходимо обеспечивать постоянный подвод кислорода к туннелям, которые проходят через подземный рудник, удушье также может иметь место, если подвод кислорода к туннелю прекращен.

Таким образом, важно как можно скорее эвакуировать людей, которые оказались заблокированными под землей в результате обрушения в руднике. Одним способом облегчения быстрой эвакуации является необходимость иметь аварийное транспортное средство, которое способно опускаться в рудник и спасать выживших в результате обрушения. Такие транспортные средства, как правило, называют мареоходами. Однако, поскольку в случае обрушения кислород, как правило, ограничен, важно, чтобы такие транспортные средства были способны работать в окружающей среде с дефицитом кислорода или при его отсутствии.

Таким образом, желательно иметь двигатель, который способен работать в условиях дефицита кислорода или при отсутствии кислорода в окружающей среде.

Также желательно иметь транспортное средство, которое способно работать в условиях дефицита кислорода или при отсутствии кислорода в окружающей среде.

В патенте США 3932996 раскрыты процедура и устройство, пригодные к контролю скорости замкнутой газотурбинной установки, содержащей цикл рабочей среды. Раскрытая процедура включает предварительное нагревание рабочей среды в теплообменнике до ее поступления в нагреватель или реактор, в котором она нагревается до максимальной температуры процесса. Затем газ выпускается в турбину.

Скорость машины регулируется регулятором, который управляет работой перепускного клапана, который контролирует перепад давления между давлением газа на входе и выходе турбины.

Раскрытая выше замкнутая газотурбинная установка не является полностью замкнутой, потому что требуется вводить энергию в реактор и теплообменник до того, как газ поступит в газовую турбину.

Описанная выше газотурбинная установка не была бы пригодна для подземных шахтных транспортных средств, потому что в систему нужно подавать энергию, и не дано никакой информации о том, как это достигается. Таким образом, в отношении окружающей среды с летучими веществами, такой как подземный рудник, нет никакой информации о том, как турбинная установка справится с окружающей средой, содержащей потенциально опасные количества газа метана.

Настоящее изобретение создает поистине газотурбинную систему с замкнутым циклом, в которой используется средство хранения тепла, чтобы преодолеть недостатки уровня техники.

Сущность настоящего изобретения

Согласно первому аспекту данного изобретения имеется газотурбинная система замкнутого цикла, содержащая компрессор для получения сжатого газа, газовую турбину для приема сжатого газа, средство хранения тепла, имеющее первое теплообменное средство и способное принимать сжатый газ из компрессора, нагревать сжатый газ и переносить сжатый газ к газовой турбине, и второе теплообменное средство для приема отработанного газа из газовой турбины и передачи его компрессору, причем второе теплообменное средство способно переносить, по меньшей мере, некоторое количество тепла от отработанного газа до его передачи в компрессор.

Предпочтительно, второе теплообменное средство выполнено с возможностью передачи тепла от отработавшего газа к сжатому газу до приема сжатого газа тепловым аккумулятором, второе теплообменное средство содержит рекуператор.

Дополнительно газотурбинная система замкнутого цикла содержит увлажнитель, соединенный между выходом компрессора и входом теплового аккумулятора для передачи сжатого газа между ними, причем увлажнитель выполнен с возможностью уменьшения температуры газа, выходящего из компрессора, до его передачи к рекуператору.

Кроме того, в газотурбинной системе замкнутого цикла рекуператор выполнен с возможностью повышения температуры газа, принимаемого из увлажнителя, и она содержит контроллер для регулирования скорости потока жидкости, подаваемой к увлажнителю.

Предпочтительно, газотурбинная система замкнутого цикла содержит газожидкостный теплообменник, расположенный между выходом рекуператора и входом компрессора для понижения температуры отработавшего газа до его передачи к компрессору, и клапан управления скоростью потока газа, выполненный с возможностью регулирования потока отработавшего газа к газовой турбине.

Кроме того, в этой системе контроллер содержит пропорционально-интегрально-дифференциальный контроллер, регулирующий поток жидкости в увлажнителе на основании скорости потока отработавшего газа через клапан управления, а тепловой аккумулятор содержит нагревательную ячейку.

- 1 006048

Дополнительно в газотурбинной системе замкнутого цикла компрессор газотурбинного двигателя выполнен с возможностью сжимать газ в отношении 6,2:1, а тепловой аккумулятор и связанные с ним первое и второе теплообменные средства выполнены с возможностью поддерживать температуру газа, поступающего в газовую турбину, в принципе, на постоянном уровне 930°С.

Предпочтительно, газовая турбина содержит газотурбинный двигатель влажного газа, который включает в себя средство для инжекции жидкости, предназначенное для инжекции жидкости в сжатый газ после того, как он покидает компрессор, и до того, как он нагреется первым и вторым теплообменными средствами, причем газотурбинная система замкнутого цикла включает в себя средство конденсирования жидкости, предназначенное для конденсирования жидкости из отработавшего газа до его подачи в компрессор.

Кроме того, в газотурбинной системе жидкость конденсируется из отработавшего газа до или после того, как он проходит через второе теплообменное средство, при этом жидкость, инжектируемая средством для инжекции жидкости, выбирается так, что второе теплообменное средство снижает температуру отработавшего газа, в принципе, до температуры окружающей среды до того, как он пройдет в компрессор, без использования второго теплообменного средства.

Дополнительно компрессор выполнен с возможностью сжимать газ в отношении, большем или равном 15:1, или с возможностью сжимать газ в отношении, меньшем или равном приблизительно 30:1.

Предпочтительно, в газотурбинной системе замкнутого цикла компрессор и первое теплообменное средство выполнены с возможностью поддержания температуры сжатого газа, выходящего из компрессора, в принципе, на уровне 400°С и средство для инжекции жидкости снижает температуру сжатого газа до приблизительно 195°С.

Кроме того, в газотурбинной системе замкнутого цикла газ представляет собой одно из следующих: воздух, аммиак, аргон, диоксид углерода, моноксид углерода, гелий, водород, метан, кислород или водяной пар, а второе теплообменное средство выполнено с возможностью понижения температуры отработавшего газа приблизительно до 200°С и повышения температуры газа, выходящего из компрессора, приблизительно до 400°С, причем второе теплообменное средство включает в себя третичный теплообменник, содержащий средство охлаждения жидкости для прохода охлаждающей жидкости через третичный теплообменник с целью охлаждение отработавшего газа.

Дополнительно в газотурбинной системе замкнутого цикла контроллер выполнен с возможностью регулирования мощности на выходе из газотурбинной системы путем регулирования как скорости потока газа, протекающего через газовую турбину, так и скорости потока жидкости, которая впрыскивается в сжатый газ средством для инжекции жидкости, а тепловой аккумулятор содержит емкость, имеющую впускное отверстие, выпускное отверстие, теплоаккумулирующее вещество и теплообменное средство, выполненное с возможностью передавать текучую среду в емкость, позволяя текучей среде проходить через теплоаккумулирующее вещество и выходить через выпускное отверстие.

Предпочтительно, в газотурбинной системе газ способен подниматься пузырьками через теплоаккумулирующее вещество, теплоаккумулирующим веществом является расплавленная соль, а теплообменное средство включает в себя трубопровод, который проходит к нижней области емкости и имеет выпускные отверстия для обеспечения возможности выпуска газа из него в теплоаккумулирующее вещество.

В другом аспекте настоящего изобретения заявляется транспортное средство, имеющее двигатель, включающий в себя газотурбинную систему замкнутого цикла, содержащую компрессор, предназначенный для получения сжатого газа, газовую турбину, предназначенную для приема сжатого газа, тепловой аккумулятор, имеющий первое теплообменное средство и выполненный с возможностью приема сжатого газа от компрессора и передачи сжатого газа к газовой турбине, и второе теплообменное средство, предназначенное для приема отработавшего газа из газовой турбины и передачи его к компрессору и выполненное с возможностью передачи, по меньшей мере, некоторого количества тепла от отработавшего газа перед его передачей к компрессору, причем второе теплообменное средство выполнено с возможностью передачи тепла от отработавшего газа к сжатому газу до приема сжатого газа тепловым аккумулятором, а газотурбинная система замкнутого цикла содержит увлажнитель, выполненный с возможностью приема сжатого газа из компрессора и передачи его в тепловой аккумулятор посредством второго теплообменного средства.

В вышеизложенном кратком изложении сущности настоящего изобретения, за исключением тех мест, где контекст требует иного, слова содержащий, содержит или содержат использованы в смысле включающий в себя, то есть определенные элементы могут действовать совместно с дополнительными элементами в различных вариантах осуществления настоящего изобретения.

Краткое описание чертежей

Теперь будет описан предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения, выбранный только в качестве примера, со ссылкой на следующие сопроводительные чертежи, на которых фиг. 1 - схематическое сечение одного примера поршневого двигателя, соответствующего настоящему изобретению;

фиг. 2 - принципиальная блок-схема одного примера газотурбинного двигателя, соответствующего настоящему изобретению;

- 2 006048 фиг. 3 - иллюстрация жидкосолевого теплоаккумуляторного элемента, соответствующего настоящему изобретению.

Предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения

Как показано на фиг. 1, поршневой двигатель 10, в общем, содержит поршень 12, вытеснитель 14, цилиндр 16, маховик 18, шатуны 20 и 22, жидкосолевой теплоаккумуляторный элемент и действующий совместно теплообменник 24, регенератор 26, дроссельную заслонку 28 и теплообменник 30. Поршень 12 предназначен для скольжения вверх и вниз вдоль продольного участка цилиндра 16. Внешняя цилиндрическая поверхность поршня 12 уплотнена к внутренней цилиндрической поверхности цилиндра 16. Вытеснитель 14 имеет форму, аналогичную форме поршня 12, хотя его верхняя поверхность является полусферической, чтобы соответствовать верхней внутренней поверхности цилиндра 16. В отличие от поршня 12, вытеснитель 14 не уплотнен к внутренней цилиндрической поверхности цилиндра 16. Вытеснитель 14 предназначен для перемещения вверх и вниз вдоль продольного участка цилиндра 16. Движение вытеснителя 14 и поршня 12 относительно друг друга регулируют посредством их соединения с маховиком 18. Поршень 12 соединен с маховиком 18 посредством шатуна 22, тогда как вытеснитель 14 соединен с маховиком 18 посредством шатуна 20. Шатуны 20 и 22 соединены с маховиком 18 так, чтобы поршень 12 и вытеснитель 14 двигались в цилиндре 16 со сдвигом по фазе относительно друг друга на 90°.

Поршень 12 делит цилиндр 16 на верхнюю и нижнюю концевые части или отделения 32 и 34, соответственно. В обеих, верхней и нижней концевых частях 32 и 34, соответственно, содержится газообразный гелий. Газообразный гелий также может свободно проходить через холодную и горячую трубы 36 и 38, соответственно, что дает возможность газообразному гелию проходить из цилиндра 16 через регенератор 26 и жидкосолевой теплоаккумуляторный элемент и действующий совместно теплообменник 24. Холодная труба 36 проходит приблизительно перпендикулярно из цилиндра 16 примерно на половине пути вдоль продольного участка цилиндра 16, тогда как горячая труба 38 проходит в направлении вертикально вверх от верхней поверхности цилиндра 16. Холодная труба 36 соединяет цилиндр 16 с регенератором 26, тогда как горячая труба 38 соединяет цилиндр 16 с жидкосолевым теплоаккумуляторным элементом и действующим совместно теплообменником 24. Холодная труба 36 также продолжается за регенератором 26 для соединения регенератора 26 с жидкосолевым теплоаккумуляторным элементом и действующим совместно теплообменником 24.

Нижняя половина цилиндра 16 присоединена к теплообменнику 30, который предназначен для отведения тепла от нижней половины цилиндра 16. Жидкосолевой теплоаккумуляторный элемент и действующий совместно теплообменник 24 вместе с регенератором 26 и холодной и горячей трубами 36 и 38, соответственно, предназначены для нагрева газообразного гелия, который содержится в верхней концевой части 32 цилиндра 16. Посредством нагрева газа, который находится в верхней концевой части 32 цилиндра 16, и охлаждения газа, который находится в нижней концевой части 34 цилиндра 16, поршень совершает возвратно-поступательное движение вверх и вниз в цилиндре 16 в соответствии с теоретическим циклом Карно. Движение поршня 12 приводит в результате к вращению маховика 18. Таким образом, двигатель 10 способен преобразовывать тепловую энергию в механическую энергию.

Хотя поршень 12 и вытеснитель 14 соединены с маховиком 18, движущиеся поршень 12 и вытеснитель 14 могут быть использованы, скорее для генерирования электрической энергии, чем механической энергии. Такая альтернатива была бы возможна, например, посредством крепления магнитов к штоку, например шатуну 20, и обеспечения возможности движения штока вперед и назад через обмотку. Такой возможный альтернативный вариант потребовал бы, однако, пружины или аналогичного приспособления, которое способно инициировать движение поршня 12 в направлении вверх. В случае варианта осуществления, иллюстрируемого на фиг. 1, такое движение в направлении вверх обеспечивается благодаря инерции маховика 18.

Возвратно-поступательное движение поршня 12 и вытеснителя 14 имеет место как результат следующего цикла. Газообразный гелий из верхней концевой части 32 цилиндра 16 проходит через холодную трубу 36 и через регенератор 26 в жидкосолевой теплоаккумуляторный элемент и действующий совместно теплообменник 24. Этот теплообменник, который работает совместно с жидкосолевым теплоаккумуляторным элементом, предназначен для передачи тепла от жидкосолевого теплоаккумуляторного элемента к газу, который проходит через теплообменник. Когда газообразный газ проходит через теплообменник, то он, таким образом, нагревается и затем проходит через горячую трубу 38 в верхнюю концевую часть цилиндра 16. Горячий газообразный гелий способен проходить вниз через верхнюю концевую часть 32 цилиндра 16 между внешней боковой стенкой вытеснителя 14 и внутренней боковой поверхностью цилиндра 16. Горячий газ, следовательно, заполняет верхнюю концевую часть 32 цилиндра 16. Расширение горячего газообразного гелия в результате приводит к возникновению сил, прикладываемых как к поршню 12, так и к вытеснителю 14, и последующему движению вниз поршня 12 и вытеснителя 14. Когда поршень 12 и вытеснитель 14 движутся вниз, горячий газ охлаждается как результат работы, которую он совершает на поршне 12 и вытеснителе 14. Когда газ охлаждается, он проходит через холодную трубу 36 и в регенератор 26. Генератор предназначен для поглощения тепла из газа, который проходит через него. Когда движение поршня 12 и вытеснителя 14 продолжается в цилиндре 16, газ в цилиндре 16 охлаждается дополнительно. Когда поршень 12 находится в своей самой нижней точке в цилиндре 16,

- 3 006048 охлаждение газа в верхней концевой части 32 цилиндра 16 приводит в результате к созданию вакуума и поршень 12 втягивается в направлении вверх в цилиндр 16. Движение поршня 12 вверх также облегчается инерцией маховика 18. Когда поршень 12 движется вверх, холодный газ, который содержится в верхней концевой части 32 цилиндра 16, выходит из верхней концевой части 32 цилиндра 16 через холодную трубу 36 и затем через регенератор 26. Когда холодный газ проходит через регенератор 26, он поглощает тепло из регенератора 26, которое было поглощено из газа в цилиндре 16 в течение предшествующей части цикла. Следовательно, газ, проходящий через холодную трубу 36, подогревается в регенераторе 26 перед прохождением через теплообменник, который работает совместно с жидкосолевым теплоаккумуляторным элементом. Когда газ проходит через теплообменник, действующий совместно с жидкосолевым теплоаккумуляторным элементом, то он нагревается и, как было описано ранее, после этого проходит через горячую трубу 38 и в верхнюю концевую часть цилиндра 16 для продолжения цикла.

Выходная мощность двигателя 10 может регулироваться посредством дроссельной заслонки 28. Дроссельная заслонка 28 может быть использована для ограничения скорости потока газа, проходящего через холодную трубу 36, ограничивая в соответствии с этим скорость, с которой горячий газ входит в верхнюю концевую часть 32 цилиндра 16. Такое ограничение скорости потока газа в цилиндре 16 приводит в результате к уменьшенной или дросселированной выходной мощности, развиваемой двигателем

10. Таким образом, дроссельная заслонка 28 может быть использована для увеличения или уменьшения выходной мощности, развиваемой двигателем 10.

Вытеснитель 14 имеет три основные функции. Он обеспечивает некоторую направленную вниз силу, которая помогает вращать маховик, вращение которого обеспечивает инерцию для движения поршня 12 в направлении вниз. Он также уменьшает объем верхней концевой части 32 цилиндра 16, что имеет значение в том отношении, что для приведения в движение поршня 12 в направлении вниз требуется меньшее расширение горячего газа. И, наконец, он действует в качестве теплоотвода, что означает, что он помогает в нагреве газа в верхней концевой части 32 цилиндра 16.

Жидкосолевой теплоаккумуляторный элемент является фторидно-натриевым жидкосолевым теплоаккумуляторным элементом, имеющим массу, составляющую приблизительно 2,97 т. Жидкосолевой теплоаккумуляторный элемент и действующий совместно теплообменник 24 и регенератор 26 сконструированы для двигателя 10 так, чтобы температура и давление в регенераторе 26, и жидкосолевом теплоаккумуляторном элементе, и действующем совместно теплообменнике 24 не превышали приблизительно 800°С и 15-25 МПа, соответственно.

Поршневой двигатель 10, работающий таким образом, может быть использован для приведения в действие транспортного средства. Для мареохода жидкосолевой теплоаккумуляторный элемент 14 предпочтительно способен обеспечивать 100 кВт хранимой энергии при температуре в диапазоне от 650 до 1000°С. Хлорид натрия (ЫаС1), фторид лития (Ь1Е) и фторид натрия (№1Е). все способны обеспечивать 1000 кВт мощности в диапазоне температур 650-1000°С, а фторид натрия представляется наилучшим компромиссом между уменьшением величины массы соли, требуемой для обеспечения 1000 кВт мощности при минимальной стоимости. Приблизительно 2,97 т фторида натрия способно удовлетворить вышеупомянутые требования конструкции жидкосолевого теплоаккумуляторного элемента для мареохода.

Ожидается, что поршневой двигатель 10, иллюстрируемый на фиг. 1, будет способен развивать выходную мощность 100 кВт. Хотя такая выходная мощность способна привести в действие мареоход, предпочтительно, чтобы мареоход приводился в действие источником мощности, развивающим более высокую мощность, чем эта. Газотурбинный двигатель 22, иллюстрируемый на фиг. 2, способен развивать мощность, составляющую приблизительно 236 кВт, и, следовательно, в настоящее время он является предпочтительным источником энергии для приведения в действие мареохода.

Предпочтительно, чтобы поршневой двигатель работал в соответствии с двигателем Стерлинга и имел изотермическое сжатие, нагрев в постоянном объеме, изотермическое расширение и охлаждение в постоянном объеме в соответствии с циклом Карно с производительностью поршневого двигателя, измеряемой площадью, охватываемой циклом на диаграмме давление-объем.

Как следует из фиг. 2, газотурбинный двигатель 40, работающий на влажном газе, в общем, содержит газовую турбину 42, фторидно-натриевый жидкосолевой теплоаккумуляторный элемент и действующий совместно теплообменник 44, рекуператор 46, газожидкостный теплообменник 48, увлажнитель 49, клапан 50 управления скоростью потока газа (далее расходный клапан 50) и компрессор 52. Газотурбинный двигатель 40 является газотурбинным двигателем замкнутого цикла; отработавший газ, покидающий газовую турбину 42, подают по каналу в компрессор 52, который затем нагнетает отработавший газ назад на вход газовой турбины 42. Сжатый газообразный гелий, который нагнетают посредством компрессора 52 из компрессора 52 на вход газовой турбины 42, сначала проходит через увлажнитель 49, затем через рекуператор 46 и, наконец, через фторидно-натриевый жидкосолевой теплоаккумуляторный элемент, и действующий совместно теплообменник 44 проходит в газовую турбину 42. Газ, который нагнетают через газотурбинный двигатель 40, является гелием. Компрессор 52 предназначен для сжатия отработавшего газа в соответствии с отношением 15:1.

Рекуператор 46, по существу, является теплообменником, который функционирует для передачи тепла от отработавшего газа в сжатый газ, который затем нагнетают через теплообменник, который дей

- 4 006048 ствует совместно с фторидно-натриевым жидкосолевым теплоаккумуляторным элементом. Температура отработавшего газа, который выходит из газовой турбины 42, составляет приблизительно 470°С. Температура газа, выходящего из компрессора 52, составляет приблизительно 400°С. Увлажнитель 49 уменьшает температуру газа, выходящего из компрессора 52, приблизительно до 195°С, а рекуператор 46 повышает температуру сжатого газа приблизительно до 400°С прежде, чем он проходит через теплообменник, который действует совместно с фторидно-натриевым жидкосолевым теплоаккумуляторным элементом.

Нагнетание сжатого газа через теплообменник, который действует совместно с фторидно-натриевым жидкосолевым теплоаккумуляторным элементом, приводит в результате к повышению температуры сжатого газа до температуры, составляющей приблизительно 930°С.

После того как отработавший газ проходит через рекуператор 46, он находится при температуре, составляющей приблизительно 200°С. Таким образом, для уменьшения температуры отработавшего газа, прежде чем он пройдет через компрессор 52, необходимо пропустить отработавший газ через газожидкостный теплообменник 48. Газожидкостный теплообменник 48 уменьшает температуру отработавшего газа приблизительно до 30°С. Через газожидкостный теплообменник 48 нагнетают охлаждающую воду 51.

Расходный клапан 50 размещен между газожидкостным теплообменником 48 и компрессором 52. Расходный клапан 50 может управляться для дросселирования газотурбинного двигателя 40 путем ограничения потока газа к газовой турбине 42. Расходный клапан 50 является дыхательным клапаном, который модулируют посредством системы управления. Дистиллированная вода 53 конденсируется из газа после того, как он выходит из газожидкостного теплообменника 48.

Как описано выше, расходный клапан 50 может быть использован для уменьшения или увеличения выходной мощности 54, развиваемой газовой турбиной 42. Однако при использовании этого способа выходная мощность 54 газотурбинного двигателя 40, работающего на влажном газе, уменьшается. Путем регулирования скорости потока 56 дистиллированной воды в увлажнитель 49 ожидается, что выходная мощность 54 будет поддаваться регулированию без отрицательного влияния на выходную мощность газотурбинного двигателя 40. Для регулирования скорости потока 56 дистиллированной воды в увлажнитель 49 будет пригоден пропорционально-интегрально-дифференциальный контроллер. Пропорционально-интегрально-дифференциальный контроллер может регулировать скорость потока дистиллированной воды 56 пропорционально регулированию скорости потока газа расходным клапаном 50 так, что выходная мощность 54 регулируется как расходным клапаном 50, так и пропорционально-интегральнодифференциальным контроллером.

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения в увлажнитель 49 может нагнетаться текучая среда, причем выбор текучей среды делают для максимизации количества тепла, которое способно храниться как скрытое тепло, как часть процесса изменения состояния из твердого в жидкое и/или из жидкости в газ.

Для уменьшения температуры отработавшего газа, входящего в компрессор 52, также предусматривают, чтобы газожидкостный теплообменник 48 был модифицирован с возможностью увеличения давления, которое способно дополнительно понижать температуру отработавшего газа. Это может повлечь за собой использование устройства Вентури на выходе теплообменника 48. В такой ситуации можно обходиться без расходного клапана 50.

Предпочтительно, чтобы газовая турбина работала в соответствии со скоростью и циклом, но в модифицированной конфигурации.

Хотя предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения был описан со ссылкой на использование воды, можно также использовать другие жидкости, например аммиак.

Для приведения в действие мареохода может быть использована газовая турбина Аллисона [Т63-А700 (250-С18)], которая развивает выходную мощность, составляющую приблизительно 236 кВт. Оцененный коэффициент полезного действия вышеописанного газотурбинного двигателя 40 составляет приблизительно 37%. Фторидно-натриевый жидкосолевой теплоаккумуляторный элемент предпочтительно способен обеспечивать 1000 кВт накопленной энергии для передачи тепла сжатому газу при температуре в диапазоне 650-1000°С. Как описано выше со ссылкой на поршневой двигатель 10, таким образом, требуется 2,97 т фторида натрия. Газовая турбина Аллисона соединена с коробкой передач, которая обеспечивает понижение приблизительно 6:1 (от 35000 до 6000 об./мин), которая, в свою очередь, соединена с гидравлическим насосом, который предназначен для передачи мощности к тракам или колесам мареохода через ряд гидравлических двигателей.

На фиг. 3 приведена иллюстрация жидкосолевого теплоаккумуляторного элемента в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. Жидкосолевой теплоаккумуляторный элемент 60 имеет, в общем, цилиндрическую форму с газоприемником 61, проходящим через верхнюю секцию 62. Вход 61 газа является цилиндрическим каналом, который проходит через середину емкости 60 и у ее дна разветвляется под углом 90° в канал 63, имеющий отверстия на каждом конце.

Емкость наполнена высокотемпературной солью, которую нагревают до расплавленного состояния. Емкость выполнена из керамического материала, который способен, по существу, сохранять тепло в емкости.

Газоотвод 64 проходит из верхней секции 62 емкости 60.

- 5 006048

При работе газ нагнетают через канал 61, при этом он выходит через концы канала 63 в нижнюю часть емкости 60. Газ, который находится под давлением, поднимается пузырьками через расплавленную соль, которая может быть хлоридом лития, и в течение этого процесса поглощает тепло. После этого газ выходит через газоотвод 64 при значительно более высокой температуре.

Газовые пузырьки, проходящие через расплавленную соль, находятся в прямом контактном взаимодействии с расплавленной солью. Это является отличием от существующих теплоаккумуляторных элементов, в которых тепло должно пройти через металлический барьер в виде теплообменного трубопровода.

Ожидается, что теплопередача при прямом контактном взаимодействии поднимающихся газовых пузырьков с расплавленной солью будет примерно в несколько сот раз выше, чем при косвенном контактном взаимодействии в стандартных трубчатых теплообменниках. Кроме того, ожидается, что стоимость производства такого накопителя тепла будет значительно меньше, чем стоимость стандартных накопителей тепла.

Размер теплоаккумуляторного элемента также может быть уменьшен вследствие отсутствия необходимости в теплообменном трубопроводе.

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения газ может подниматься пузырьками через расплавленную соль при использовании альтернативных способов выпуска газа.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Газотурбинная система замкнутого цикла, содержащая компрессор, предназначенный для получения сжатого газа, газовую турбину, предназначенную для приема сжатого газа, тепловой аккумулятор, имеющий первое теплообменное средство и выполненный с возможностью приема сжатого газа от компрессора, нагрева сжатого газа и передачи сжатого газа к газовой турбине, и второе теплообменное средство, предназначенное для приема отработавшего газа из газовой турбины и передачи его к компрессору и выполненное с возможностью передачи, по меньшей мере, некоторого количества тепла от отработавшего газа перед его передачей к компрессору.
2. Газотурбинная система замкнутого цикла по п.1, отличающаяся тем, что второе теплообменное средство выполнено с возможностью передачи тепла от отработавшего газа к сжатому газу до приема сжатого газа тепловым аккумулятором.
3. Газотурбинная система замкнутого цикла по п.2, отличающаяся тем, что второе теплообменное средство содержит рекуператор.
4. Газотурбинная система замкнутого цикла по п.3, отличающаяся тем, что она содержит увлажнитель, соединенный между выходом компрессора и входом теплового аккумулятора для передачи сжатого газа между ними.
5. Газотурбинная система замкнутого цикла по п.4, отличающаяся тем, что увлажнитель выполнен с возможностью уменьшения температуры газа, выходящего из компрессора, до его передачи к рекуператору.
6. Газотурбинная система замкнутого цикла по п.5, отличающаяся тем, что рекуператор выполнен с возможностью повышения температуры газа, принимаемого из увлажнителя.
7. Газотурбинная система замкнутого цикла по п.6, отличающаяся тем, что она содержит контроллер для регулирования скорости потока жидкости, подаваемой к увлажнителю.
8. Газотурбинная система замкнутого цикла по п.7, отличающаяся тем, что она содержит газожидкостный теплообменник, расположенный между выходом рекуператора и входом компрессора для понижения температуры отработавшего газа до его передачи к компрессору.
9. Газотурбинная система замкнутого цикла по п.8, отличающаяся тем, что она содержит клапан управления скоростью потока газа, выполненный с возможностью регулирования потока отработавшего газа к газовой турбине.
10. Газотурбинная система замкнутого цикла по п.9, отличающаяся тем, что контроллер содержит пропорционально-интегрально-дифференциальный контроллер, регулирующий поток жидкости в увлажнителе на основании скорости потока отработавшего газа через клапан управления.
11. Газотурбинная система замкнутого цикла по п.1, отличающаяся тем, что тепловой аккумулятор содержит нагревательную ячейку.
12. Газотурбинная система замкнутого цикла по п.11, отличающаяся тем, что компрессор газотурбинного двигателя выполнен с возможностью сжимать газ в отношении 6,2:1.
13. Газотурбинная система замкнутого цикла по п.1 или 12, отличающаяся тем, что тепловой аккумулятор и связанные с ним первое и второе теплообменные средства выполнены с возможностью поддерживать температуру газа, поступающего в газовую турбину, в принципе, на постоянном уровне 930°С.
14. Газотурбинная система замкнутого цикла по п.1, отличающаяся тем, что газовая турбина содержит газотурбинный двигатель влажного газа, который включает в себя средство для инжекции жидкости,

- 6 006048 предназначенное для инжекции жидкости в сжатый газ после того, как он покидает компрессор, и до того, как он нагреется первым и вторым теплообменными средствами.
15. Газотурбинная система замкнутого цикла по п.14, отличающаяся тем, что она включает в себя средство конденсирования жидкости, предназначенное для конденсирования жидкости из отработавшего газа до его подачи в компрессор.
16. Газотурбинная система замкнутого цикла по п.15, отличающаяся тем, что жидкость конденсируется из отработавшего газа до или после того, как он проходит через второе теплообменное средство.
17. Газотурбинная система замкнутого цикла по п.16, отличающаяся тем, что жидкость, инжектируемая средством для инжекции жидкости, выбирается так, что второе теплообменное средство снижает температуру отработавшего газа, в принципе, до температуры окружающей среды до того, как он пройдет в компрессор, без использования второго теплообменного средства.
18. Газотурбинная система замкнутого цикла по п.17, отличающаяся тем, что компрессор выполнен с возможностью сжимать газ в отношении, большем или равном 15:1.
19. Газотурбинная система замкнутого цикла по п.17, отличающаяся тем, что компрессор выполнен с возможностью сжимать газ в отношении, меньшем или равном приблизительно 30:1.
20. Газотурбинная система замкнутого цикла по п.18 или 19, отличающаяся тем, что компрессор и первое теплообменное средство выполнены с возможностью поддержания температуры сжатого газа, выходящего из компрессора, на уровне 400°С и что средство для инжекции жидкости снижает температуру сжатого газа приблизительно до 195°С.
21. Газотурбинная система замкнутого цикла по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что газ представляет собой одно из следующих: воздух, аммиак, аргон, диоксид углерода, моноксид углерода, гелий, водород, метан, кислород или водяной пар.
22. Газотурбинная система замкнутого цикла по п.21, отличающаяся тем, что второе теплообменное средство выполнено с возможностью понижения температуры отработавшего газа приблизительно до 200°С и повышения температуры газа, выходящего из компрессора, приблизительно до 400°С.
23. Газотурбинная система замкнутого цикла по п.22, отличающаяся тем, что второе теплообменное средство включает в себя третичный теплообменник, содержащий средство охлаждения жидкости для прохода охлаждающей жидкости через третичный теплообменник с целью охлаждения отработавшего газа.
24. Газотурбинная система замкнутого цикла по п.23, отличающаяся тем, что контроллер выполнен с возможностью регулирования мощности на выходе из газотурбинной системы путем регулирования как скорости потока газа, протекающего через газовую турбину, так и скорости потока жидкости, которая впрыскивается в сжатый газ средством для инжекции жидкости.
25. Газотурбинная система замкнутого цикла по п.1, отличающаяся тем, что тепловой аккумулятор содержит емкость, имеющую впускное отверстие, выпускное отверстие, теплоаккумулирующее вещество и теплообменное средство, выполненное с возможностью передавать текучую среду в емкость, позволяя текучей среде проходить через теплоаккумулирующее вещество и выходить через выпускное отверстие.
26. Газотурбинная система замкнутого цикла по п.25, отличающаяся тем, что в ней газ способен подниматься пузырьками через теплоаккумулирующее вещество.
27. Газотурбинная система замкнутого цикла по п.26, отличающаяся тем, что теплоаккумулирующим веществом является расплавленная соль.
28. Газотурбинная система замкнутого цикла по п.27, отличающаяся тем, что теплообменное средство включает в себя трубопровод, который проходит к нижней области емкости и имеет выпускные отверстия для обеспечения возможности выпуска газа из него в теплоаккумулирующее вещество.
29. Транспортное средство, имеющее двигатель, включающий в себя газотурбинную систему замкнутого цикла по пп.1-28, отличающееся тем, что второе теплообменное средство выполнено с возможностью передачи тепла от отработавшего газа к сжатому газу до приема сжатого газа тепловым аккумулятором, причем указанная газотурбинная система замкнутого цикла содержит увлажнитель, выполненный с возможностью приема сжатого газа из компрессора и передачи его в тепловой аккумулятор посредством второго теплообменного средства.