RU2117884C1 - Method and device designed to obtain electric power with use of low-potential heat carriers - Google Patents
Method and device designed to obtain electric power with use of low-potential heat carriers Download PDFInfo
- Publication number
- RU2117884C1 RU2117884C1 RU95109983A RU95109983A RU2117884C1 RU 2117884 C1 RU2117884 C1 RU 2117884C1 RU 95109983 A RU95109983 A RU 95109983A RU 95109983 A RU95109983 A RU 95109983A RU 2117884 C1 RU2117884 C1 RU 2117884C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- compressor
- refrigerant
- working fluid
- expander
- temperature
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 42
- 239000000969 carrier Substances 0.000 title 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 claims abstract description 21
- 230000005494 condensation Effects 0.000 claims abstract description 21
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 16
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims abstract description 15
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims abstract description 15
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 13
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims abstract description 4
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims abstract description 4
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 claims description 67
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 58
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 16
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 claims description 7
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 3
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 claims description 3
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 claims description 3
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 claims description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000446 fuel Substances 0.000 abstract description 3
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 abstract 3
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N Propane Chemical compound CCC ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 6
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 239000001294 propane Substances 0.000 description 4
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 2
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 description 2
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000566515 Nedra Species 0.000 description 1
- 239000003570 air Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 1
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к энергетике, в частности, к преобразованию низкопотенциальной тепловой энергии в электрическую. The invention relates to energy, in particular, to the conversion of low potential thermal energy into electrical energy.
Известен способ получения электрической энергии с применением низкопотенциального теплоносителя (1), например выхлопных газов теплового двигателя. В этом способе рабочее тело - предварительно сжатый природный газ, поступающий из газовой магистрали, нагревают низкопотенциальным теплоисточником (теплоносителем) до температуры 50 - 90oC, затем расширяют в турбине с выработкой электроэнергии. После турбины рабочее тело выводится с температурой от 0oC, до минус 10oC. В таком способе на 1 кВт-ч получаемой электроэнергии затрачивается 450 ккал (0,523 кВт-ч) тепловой энергии.A known method of producing electric energy using low-grade heat carrier (1), for example, exhaust gases of a heat engine. In this method, the working fluid - pre-compressed natural gas coming from the gas line, is heated with a low-grade heat source (coolant) to a temperature of 50 - 90 o C, then expanded in a turbine with electricity generation. After the turbine, the working fluid is withdrawn with a temperature from 0 o C to minus 10 o C. In this method, 450 kcal (0.523 kW-h) of thermal energy is consumed per 1 kWh of generated electricity.
Недостатком способа является необходимость наличия газовой магистрали высокого давления. The disadvantage of this method is the need for a high-pressure gas line.
Известен способ, наиболее близкий к изобретению по технической сущности (2). A known method closest to the invention according to the technical essence (2).
Указанный способ включает прямой энергетический цикл, в котором жидкое рабочее тело сжимают, затем нагревают и испаряют с получением теплоты от теплоисточника, образовавшиеся пары расширяют в турбине с выработкой электроэнергии и конденсируют после турбины с передачей теплоты конденсации теплоприемнику, и обратный энергетический цикл, в котором хладагент сжимают в компрессоре, охлаждают после компрессора в теплообменнике и подают в детандер с последующим расширением. В этом способе в качестве хладагента используют воздух, который вводится в компрессор при температуре окружающей среды, расширение воздуха в детандере проводят до температуры, близкой к температуре окружающей среды, после детандера воздух выводят в атмосферу (окружающую среду). В качестве теплоисточника используют теплоту сжатого в компрессоре воздуха, компрессор приводится в действие тепловым двигателем, потребляющим органическое топливо. Конденсацию паров рабочего тела (низкокипящей жидкости) проводят при температуре окружающей среды. The specified method includes a direct energy cycle, in which the liquid working fluid is compressed, then heated and evaporated to obtain heat from the heat source, the generated vapors are expanded in the turbine to generate electricity and condense after the turbine with the transfer of condensation heat to the heat receiver, and a reverse energy cycle in which the refrigerant they are compressed in a compressor, cooled after a compressor in a heat exchanger and fed to an expander with subsequent expansion. In this method, air is used as a refrigerant, which is introduced into the compressor at ambient temperature, air expansion in the expander is carried out to a temperature close to ambient temperature, after the expander air is vented into the atmosphere (environment). As the heat source, the heat of compressed air is used in the compressor, the compressor is driven by a heat engine consuming fossil fuels. The condensation of the vapor of the working fluid (low boiling liquid) is carried out at ambient temperature.
Недостатком способа являются сравнительно высокие затраты органического топлива и загрязнение окружающей среды дымовыми газами. Известно устройство для получения электроэнергии, наиболее близкое по технической сущности к изобретению (2), включающее паросиловой контур прямого цикла для циркуляции рабочего тела, в котором последовательно соединены насос, нагреватель, турбогенератор и конденсатор, и контур обратного цикла (теплового насоса) для циркуляции хладагента, в котором имеется компрессор и детандер, соединенные между собой через нагреватель. В этом способе обратный цикл является разомкнутым, трубопроводы ввода воздуха в компрессор и выход из детандера сообщаются с атмосферой. The disadvantage of this method is the relatively high cost of fossil fuels and environmental pollution by flue gases. A device for producing electricity is known that is closest in technical essence to the invention (2), including a direct-cycle steam-power circuit for circulating a working fluid, in which a pump, heater, turbogenerator and condenser are connected in series, and a reverse cycle circuit (heat pump) for refrigerant circulation , in which there is a compressor and an expander, interconnected through a heater. In this method, the reverse cycle is open, the pipelines for entering air into the compressor and exiting the expander communicate with the atmosphere.
Работает устройство следующим образом. Хладагент (в качестве которого используется воздух), имеющий температуру окружающей среды, сжимается в компрессоре, при этом его температура значительно возрастает, в нагревателе нагретый хладагент отдает часть своей тепловой энергии легкокипящей жидкости паросилового контура. Затем сжатый хладагент поступает в детандер, где расширяется с совершением внешней работы и охлаждается до температуры окружающей среды. За счет работы детандера в значительной степени покрываются затраты энергии в компрессоре. The device operates as follows. The refrigerant (which is used as air), which has an ambient temperature, is compressed in the compressor, while its temperature rises significantly, in the heater, the heated refrigerant gives up part of its thermal energy to the low-boiling liquid of the steam-power circuit. Then the compressed refrigerant enters the expander, where it expands with external work and is cooled to ambient temperature. Due to the operation of the expander, the energy costs in the compressor are largely covered.
Недостатком данного устройства является недостаточная эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую и загрязнение окружающей среды. The disadvantage of this device is the lack of efficiency of conversion of thermal energy into electrical energy and environmental pollution.
Целью настоящего изобретения является повышение эффективности преобразования энергии низкопотенциальных тепловых источников в электрическую, снижение потребления топлива и выбросов дымовых газов в окружающую среду. The aim of the present invention is to increase the efficiency of energy conversion of low-grade heat sources into electrical sources, reducing fuel consumption and flue gas emissions into the environment.
Указанная цель достигается тем, что в известном способе получения электроэнергии, включающем прямой энергетический цикл, в котором жидкое рабочее тело сжимают, затем нагревают и испаряют, образовавшиеся пары расширяют в турбине с выработкой электроэнергии и конденсируют после турбины, и обратный энергетический цикл, в котором хладагент сжимают в компрессоре, охлаждают после компрессора с передачей теплоты рабочему телу и расширением в детандере с получением внешней работы, конденсацию рабочего тела проводят при температуре меньшей температуры окружающей среды, температуру хладагента перед сжатием в компрессоре снижают ниже температуры окружающей среды путем рекуперативного теплообмена, хладагент в детандере охлаждают до температуры ниже температуры конденсации рабочего тела и подают его в конденсатор, где используют в качестве теплоприемника, а рабочее тело перед турбиной дополнительно нагревают с применением низкопотенциального теплового источника. This goal is achieved by the fact that in the known method of generating electricity, including a direct energy cycle, in which the liquid working fluid is compressed, then heated and evaporated, the resulting vapors are expanded in the turbine to generate electricity and condensed after the turbine, and a reverse energy cycle in which the refrigerant compress in the compressor, cool after the compressor with heat transfer to the working fluid and expansion in the expander to obtain external work, the condensation of the working fluid is carried out at a temperature lower than ambient temperatures, the temperature of the refrigerant before compression in the compressor is reduced below the ambient temperature by recuperative heat transfer, the refrigerant in the expander is cooled to a temperature below the condensation temperature of the working fluid and fed to the condenser, where it is used as a heat sink, and the working fluid in front of the turbine is additionally heated with the use of a low potential heat source.
Другим отличием является то, что в качестве теплоисточника используют теплоноситель - жидкость или газ с температурой 50 - 150oC.Another difference is that a heat carrier is used as a heat source - a liquid or gas with a temperature of 50 - 150 o C.
Кроме того, хладагент, выходящий из компрессора, дополнительно охлаждают хладагентом, выходящим из конденсатора. In addition, the refrigerant leaving the compressor is further cooled by the refrigerant leaving the condenser.
Другим отличием является то, что сжатие и расширение хладагента проводят в несколько стадий. Another difference is that the compression and expansion of the refrigerant is carried out in several stages.
Другим отличием является дополнительное повышение давление хладагента после детандера с помощью дополнительного компрессора. Another difference is the additional increase in refrigerant pressure after the expander using an additional compressor.
Имеются еще и другие отличия, заключающиеся в том, что охлаждение хладагента перед компрессором проводят рабочим телом прямого цикла;
охлаждение хладагента перед компрессором дополнительно проводят хладагентом, выходящим из конденсатора;
охлаждение хладагента перед компрессором проводят до температуры конденсации рабочего тела;
конденсацию паров рабочего тела проводят при температуре 70 - 120 К;
в качестве рабочего тела используют легкие углеводороды, содержащие в молекуле от 2 до 4 атомов углерода и имеющие критическую температуру выше температуры окружающей среды;
рабочее тело после конденсатора сжимают до давлений в 2-4 раза превышающих критическое;
перед испарением рабочее тело дросселируют, снижая его давление;
в качестве хладагента используют воздух.There are also other differences, namely, that the refrigerant is cooled in front of the compressor by a direct-cycle working fluid;
cooling the refrigerant in front of the compressor is additionally carried out with a refrigerant leaving the condenser;
refrigerant refrigeration in front of the compressor is carried out to the condensation temperature of the working fluid;
the condensation of the vapor of the working fluid is carried out at a temperature of 70 - 120 K;
light hydrocarbons containing from 2 to 4 carbon atoms and having a critical temperature above ambient temperature are used as a working fluid;
after the condenser, the working fluid is compressed to pressures 2-4 times higher than critical;
before evaporation, the working fluid is throttled, reducing its pressure;
air is used as a refrigerant.
В устройстве для получения электроэнергии, включающем контур прямого цикла для циркуляции рабочего тела, в котором последовательно соединены насос, нагреватель, турбина с электрогенератором и конденсатор, и контур обратного цикла для циркуляции хладагента, в котором компрессор соединен с детандером через нагреватель, контур прямого цикла после нагревателя дополнительно снабжен теплообменником для охлаждения хладагента, включенным в контур обратного цикла перед компрессором, детандер подключен к конденсатору, а контур прямого цикла перед турбиной имеет дополнительный нагреватель, подключенный к внешнему источнику тепловой энергии. In a device for generating electricity, including a direct cycle circuit for circulating a working fluid, in which a pump, a heater, a turbine with an electric generator and a condenser are connected in series, and a reverse cycle circuit for refrigerant circulation, in which a compressor is connected to an expander through a heater, a direct cycle circuit after the heater is additionally equipped with a heat exchanger for cooling the refrigerant included in the reverse cycle circuit in front of the compressor, the expander is connected to the condenser, and the direct cycle circuit Before the turbine has a second heater connected to the external thermal energy source.
Другим отличием устройства является то, что контур обратного цикла содержит дополнительный компрессор, сообщающийся с конденсатором и теплообменником для охлаждения хладагента. Another difference of the device is that the reverse cycle circuit contains an additional compressor in communication with the condenser and heat exchanger for cooling the refrigerant.
Еще одним отличием устройства является то, что в контуре обратного цикла устанавливается промежуточный теплообменник, подключенный с одной стороны к компрессору и детандеру, а с другой - к конденсатору и дополнительному компрессору. Another difference of the device is that an intermediate heat exchanger is installed in the reverse cycle loop, connected on the one hand to the compressor and expander, and on the other to the condenser and additional compressor.
Следующее отличие устройства состоит в том, что обратный контур снабжен регенеративным теплообменником, сообщающимся с одной стороны с теплообменником для охлаждения хладагента и компрессором, а с другой - с промежуточным теплообменником и дополнительным компрессором. Another difference of the device is that the return circuit is equipped with a regenerative heat exchanger communicating on the one hand with the heat exchanger for cooling the refrigerant and the compressor, and on the other, with the intermediate heat exchanger and an additional compressor.
Кроме того, отличительным признаком устройства является то, что детандер содержит несколько ступеней, подключенных к конденсатору. In addition, a distinctive feature of the device is that the expander contains several stages connected to the capacitor.
Другим отличием устройства является то, что контур прямого цикла перед дополнительным нагревателем содержит дроссель. Another difference of the device is that the direct cycle circuit in front of the additional heater contains a choke.
Предлагаемые в данном способе условия взаимодействия прямого и обратного циклов являются существенно значимыми для достижения целей изобретения. В частности, в качестве прямого цикла целесообразно использовать паросиловой цикл Ренкина, приближающийся по эффективности к циклу Карно. При этом снижение температуры конденсации до значений 70 - 120 К позволяет значительно повысить термодинамический к.п.д. прямого цикла по сравнению с традиционными паросиловыми установками с температурой конденсации около 300 К. The conditions for the interaction of the forward and reverse cycles proposed in this method are essential for achieving the objectives of the invention. In particular, it is advisable to use the Rankine steam-power cycle, approaching the Carnot cycle in efficiency, as a direct cycle. In this case, a decrease in the condensation temperature to values of 70 - 120 K allows one to significantly increase the thermodynamic efficiency direct cycle compared to traditional steam power plants with a condensation temperature of about 300 K.
Для теплового насоса, отводящего теплоту конденсации, в предлагаемом способе предусматривается использование обратного треугольного цикла Лоренца с постоянной температурой теплоисточника (рабочее тело в конденсаторе) и переменной температурой теплоприемника (рабочее тело, сжатое насосом после конденсатора). Термодинамический к. п.д. треугольного цикла Лоренца в диапазоне температур 100 - 300 К почти в три раза выше к.п.д. идеального цикла Карно /3, 4/. При увеличении диапазона температур это соотношение увеличивается до 10 и более раз /3/. For a heat pump that removes the heat of condensation, the proposed method provides for the use of an inverse triangular Lorentz cycle with a constant temperature of the heat source (working fluid in the condenser) and a variable temperature of the heat sink (working fluid compressed by the pump after the condenser). Thermodynamic efficiency in the temperature range 100 - 300 K, the Lorentz triangular cycle is almost three times higher than the efficiency ideal Carnot cycle / 3, 4 /. With increasing temperature range, this ratio increases to 10 or more times / 3 /.
Для проведения обратного цикла с минимальными энергетическими потерями (т. е. для снижения внешней и внутренней необратимости реального цикла) в предлагаемом способе предусматривается ряд операций, включая: 1 - охлаждение хладагента перед сжатием в компрессоре; 2 - применение для охлаждения хладагента обратного цикла рабочего тела прямого цикла; 3 - охлаждение хладагента до и после сжатия в компрессоре до температур рабочего тела; 4 - повышение давления хладагента в конденсаторе с применением дополнительного компрессора, повышающего перепад давлений в детандере и соответствие температур рабочего тела и хладагента; 5 - многоступенчатое сжатие и расширение хладагента. To carry out the reverse cycle with minimal energy loss (that is, to reduce the external and internal irreversibility of the real cycle), the proposed method provides for a number of operations, including: 1 - cooling the refrigerant before compression in the compressor; 2 - the use of a reverse cycle working fluid reverse cycle refrigerant; 3 - cooling the refrigerant before and after compression in the compressor to the temperature of the working fluid; 4 - increasing the pressure of the refrigerant in the condenser using an additional compressor that increases the pressure drop in the expander and the correspondence of the temperatures of the working fluid and the refrigerant; 5 - multi-stage compression and expansion of the refrigerant.
Энергетическая эффективность предлагаемого способа и устройства могут быть сравнительно высокими, а выработка электроэнергии в прямом цикле может существенно превысить затраты энергии в обратном цикле. Этому также способствует выбор рабочего тела со сравнительно высокой критической температурой и повышение степени сжатия рабочего тела в насосе. Эти факторы позволяют многократно повысить теплоемкость рабочего тела после конденсатора и, следовательно, снизить температуры хладагента в обратном цикле Лоренца, определяющие его холодильный коэффициент. В частности, для жидкого пропана (C3H8), имеющего критическое давление Pкр = 4,21 МПа, критическую температуру Tкр = 369,9 К, теплоту испарения Qк≈480 кДж/кг при T≈ 100 - 150 К, средняя теплоемкость при постоянном давлении Cр в диапазоне температур 100 - 200 К при давлении P/Pкр ≥ 3 составляет согласно /5/ 6,7 кДж/кг•К.The energy efficiency of the proposed method and device can be relatively high, and the generation of electricity in the direct cycle can significantly exceed the energy costs in the reverse cycle. This is also facilitated by the choice of a working fluid with a relatively high critical temperature and an increase in the degree of compression of the working fluid in the pump. These factors make it possible to repeatedly increase the heat capacity of the working fluid after the condenser and, consequently, reduce the temperature of the refrigerant in the reverse Lorentz cycle, which determines its refrigeration coefficient. In particular, for liquid propane (C 3 H 8 ) having a critical pressure P cr = 4.21 MPa, a critical temperature T cr = 369.9 K, a heat of vaporization Q k ≈480 kJ / kg at T≈ 100 - 150 K , the average heat capacity at constant pressure C p in the temperature range 100 - 200 K at a pressure P / P cr ≥ 3 is according to / 5 / 6.7 kJ / kg • K.
Количество теплоты, которое можно передать рабочему телу - пропану в этом диапазоне температур (100 К), составляет величину Q1= Cp•ΔT = 6,7 кДж/(кг•K)•100K = 670 кДж/кг. .The amount of heat that can be transferred to the working fluid propane in this temperature range (100 K) is Q 1 = C p • ΔT = 6.7 kJ / (kg • K) • 100K = 670 kJ / kg. .
Холодильный коэффициент треугольного цикла Лоренца для этого диапазона температур T1 = 100 К и T2 = 200 К можно вычислить так /3, 4/.The cooling coefficient of the triangular Lorentz cycle for this temperature range T 1 = 100 K and T 2 = 200 K can be calculated as follows / 3, 4 /.
Работу, потребляемую в обратном цикле с учетом даже низкого к.п.д. реального процесса η = 0,7 , можно оценить величиной A, равной A = Qк/(εg•η) = 480/(3,259•0,7) = 210 кДж/кг. .
The work consumed in the reverse cycle, taking into account even low efficiency of the real process η = 0.7, one can estimate the value of A equal to A = Q k / (εg • η) = 480 / (3.259 • 0.7) = 210 kJ / kg. .
При этом, количество теплоты Q2, передаваемой тепловым насосом (обратным циклом) рабочему телу, составляет величину Q2 = Qк + A = 480 + 210 = 690 кДж/кг, практически равную значению Q1, необходимой для нагрева потока жидкого пропана от 100 К до 200 К.At the same time, the amount of heat Q 2 transferred by the heat pump (reverse cycle) to the working fluid is Q 2 = Q к + A = 480 + 210 = 690 kJ / kg, which is almost equal to the value of Q 1 required to heat the liquid propane stream from 100 K to 200 K.
Выработку электроэнергии в прямом цикле при расширении паров пропана, имеющих среднее значение теплоемкости Cр = 1,5 кДж/кг•К, в диапазоне температур 400 - 100 К с учетом к.п.д. турбогенератора ηт= 0,75 можно оценить значением Aт = 1,5 • (400 - 100) • 0,75 = 337,5 кДж/кг.Electricity generation in a direct cycle with expansion of propane vapor having an average heat capacity value C p = 1.5 kJ / kg • K, in the temperature range 400 - 100 K, taking into account the efficiency turbogenerator η t = 0.75 can be estimated by the value of A t = 1.5 • (400 - 100) • 0.75 = 337.5 kJ / kg.
Таким образом, выработка электроэнергии в прямом цикле (337,5 кДж/кг) может превысить потребление энергии в обратном цикле (210 кДж/кг) на практически значимую величину. Thus, the generation of electricity in the direct cycle (337.5 kJ / kg) can exceed the energy consumption in the reverse cycle (210 kJ / kg) by a practically significant value.
Для привода компрессоров в обратном цикле можно также использовать тепловой двигатель, а энергию образующихся выхлопных газов использовать для нагрева рабочего тела. В этом случае количество вырабатываемой полезной электроэнергии может быть увеличено, а степень преобразования энергии топлива в электрическую может составить 80 - 90%. A heat engine can also be used to drive compressors in the reverse cycle, and the energy of the resulting exhaust gases can be used to heat the working fluid. In this case, the amount of generated useful electricity can be increased, and the degree of conversion of fuel energy into electrical energy can be 80 - 90%.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства для реализации способа, а на фиг. 2 - T-S-диаграмма прямого и обратного циклов предлагаемого способа, где T - абсолютная температура, S - абсолютная энтропия. In FIG. 1 is a schematic diagram of a device for implementing the method, and FIG. 2 is a T-S diagram of the forward and reverse cycles of the proposed method, where T is the absolute temperature, S is the absolute entropy.
Устройство включает контур прямого цикла 1, содержащий насос 2, нагреватель 3, теплообменник 4, дроссель 5, дополнительный нагреватель 6, турбину 7 с генератором 8, конденсатор 9 и контур обратного цикла (тепловой насос) 10, содержащий компрессор 11 со ступенями 12, детандер 13 со ступенями 14, промежуточный теплообменник 15, регенеративный теплообменник 16 дополнительный компрессор 17 с приводом 18. The device includes a direct cycle circuit 1, comprising a
Для реализации способа в качестве рабочего тела целесообразно использовать смеси углеводородов с содержанием от 2 до 4 атомов углерода в молекуле, а в качестве хладагента - воздух или азот. To implement the method, it is advisable to use a mixture of hydrocarbons containing from 2 to 4 carbon atoms in the molecule as a working fluid, and air or nitrogen as a refrigerant.
Указанный способ может быть осуществлен следующим образом. Жидкое рабочее тело с температурой, меньшей температуры окружающей среды, например, 100 К ( ≈ - 173oC) после конденсатора 9 сжимают насосом 2 до давлений выше критического и транспортируют по контуру прямого цикла 1, где последовательно нагревают в нагревателе 3, например, до температуры ≈ 140 К (-133oC), теплообменнике 4, например, до температуры 220 К (-53oC), дросселируют рабочее тело с понижением его давления до значений близких к критическому в дросселе 5.The specified method can be carried out as follows. A liquid working fluid with a temperature lower than the ambient temperature, for example, 100 K (≈ - 173 o C) after the condenser 9 is compressed by
При таком дросселировании снижается теплоемкость жидкого рабочего тела, сопровождающаяся возрастанием его температуры. Далее рабочее тело нагревают, испаряют и перегревают пары рабочего тела в дополнительном нагревателе 6 с применением внешнего источника тепловой энергии, а образовавшиеся перегретые пары, например, с температурой 400 К (+127oC) расширяют в турбине 7 с выработкой электроэнергии генератором 8. Проходя турбину, пар расширяется и охлаждается до температуры конденсации, например, 100 к. После турбины 6 пар подают в конденсатор 9, который охлаждают хладагентом обратного цикла.With this throttling, the heat capacity of the liquid working fluid decreases, accompanied by an increase in its temperature. Next, the working fluid is heated, evaporated and overheated by the vapor of the working fluid in an additional heater 6 using an external source of thermal energy, and the resulting superheated vapors, for example, with a temperature of 400 K (+127 o C) are expanded in the
Хладагент циркулирует в контуре обратного цикла 10. Хладагент поступает в компрессор 11, охлажденный до температуры близкой к температуре конденсации, например. 110 К. В ступенях компрессора 12 повышают степень сжатия рабочего тела, например, в 2 - 8 раз, с промежуточным охлаждением хладагента рабочим телом в нагревателе 3. После компрессора хладагент дополнительно охлаждают до температуры конденсации, например, 100 К, в промежуточном теплообменнике 15 хладагентом, выходящим из конденсатора. Охлажденный после компрессора хладагент далее подают в детандер 13, где он последовательно расширяется и охлаждается в ступенях 14 с промежуточным нагревом хладагента в конденсаторе 9. Работа, выделяющаяся в детандере, расходуется для привода компрессора. Далее хладагент нагревают последовательно в промежуточном теплообменнике 15, например, до температуры 108 К, регенеративном теплообменнике 16, например, до температуры 135 К, и сжимают дополнительным компрессором 17 с повышением давления хладагента, например, в 2 - 10 раз, и температуры, например до 200 К - 220 К. Затем, хладагент охлаждают, например, до температуры 140 К - 150 К, рабочим телом в теплообменнике 4, хладагентом в регенеративном теплообменнике 16 и возвращают в компрессор при температуре близкой к температуре конденсации рабочего тела. The refrigerant circulates in the
Изображенная на фиг. 2 диаграмма T-S прямого - паросилового и обратного - холодильного циклов поясняет их взаимодействие друг с другом. Depicted in FIG. Figure 2 T-S diagram of the direct - steam-power and reverse - refrigeration cycles explains their interaction with each other.
На фиг. 2 - обозначено: T - абсолютная температура хладагента; S - абсолютное значение энтропии; Tн, Tо.с и Tк - соответственно абсолютная температура нагрева паров рабочего тела, окружающей среды и температура конденсации паров рабочего тела.In FIG. 2 - indicated: T - absolute temperature of the refrigerant; S is the absolute value of entropy; T n , T o.s. and T to - respectively, the absolute temperature of the heating vapor of the working fluid, the environment and the condensation temperature of the vapor of the working fluid.
В идеальном прямом паросиловом цикле на фиг. 2 представлены следующие процессы:
1-2 - адиабатическое сжатие жидкого рабочего тела насосом;
2-3 - нагрев рабочего тела в нагревателе 3;
3-4 - нагрев рабочего тела в теплообменнике 4;
4-5 - дросселирование рабочего тела дросселем 5;
5-6, 6-7, 7-8 - соответственно нагрев, испарение и перегрев паров рабочего тела в дополнительном нагревателе 6;
8-9 - расширение паров рабочего тела в турбине с выработкой электроэнергии в электрогенераторе 8;
9-1 - конденсация паров рабочего тела в конденсаторе 9.In an ideal forward steam cycle in FIG. 2 presents the following processes:
1-2 - adiabatic compression of a liquid working fluid by a pump;
2-3 - heating of the working fluid in the
3-4 - heating of the working fluid in the
4-5 - throttling of the working fluid by the throttle 5;
5-6, 6-7, 7-8 - respectively, heating, evaporation and overheating of the vapor of the working fluid in the additional heater 6;
8-9 - expansion of the vapor of the working fluid in the turbine with the generation of electricity in the generator 8;
9-1 - condensation of the vapor of the working fluid in the condenser 9.
В обратном холодильном цикле на фиг. 2 представлены следующие процессы:
10-11-12 - многоступенчатое сжатие хладагента в компрессоре 11 с промежуточным охлаждением в нагревателе 3;
12-13 - охлаждение хладагента в промежуточном теплообменнике 15;
13-14 - многоступенчатое расширение хладагента в детандере 13 с промежуточным нагревом в конденсаторе 9;
14-15 - нагрев хладагента в промежуточном теплообменнике 15;
15-16 - нагрев хладагента в регенеративном теплообменнике 16;
16-17 - сжатие хладагента в дополнительном компрессоре 17;
17-18 - охлаждение хладагента в теплообменнике 4;
18-10 - охлаждение хладагента в регенеративном теплообменнике 16.In the reverse refrigeration cycle of FIG. 2 presents the following processes:
10-11-12 - multi-stage compression of the refrigerant in the compressor 11 with intermediate cooling in the
12-13 - refrigerant cooling in the intermediate heat exchanger 15;
13-14 - multi-stage expansion of the refrigerant in the
14-15 - heating of the refrigerant in the intermediate heat exchanger 15;
15-16 - heating of the refrigerant in the
16-17 - refrigerant compression in an additional compressor 17;
17-18 - refrigerant cooling in the
18-10 - cooling of the refrigerant in the
Для дополнительного пояснения эффектов от комбинации циклов на фиг. 2 приведены диаграммы следующих эквивалентных по степени термодинамического совершенства циклов Карно;
19 - прямого паросилового цикла предлагаемого способа;
20 - обратного холодильного цикла Лоренца предлагаемого способа;
21 - традиционного известного холодильного цикла с выводом теплоты низкого уровня на уровень окружающей среды;
22 - прямого силового цикла, являющегося комбинацией прямого цикла с номером 19 и обратного цикла с номером 20.To further explain the effects of the combination of cycles in FIG. 2 shows diagrams of the following equivalent in degree of thermodynamic perfection Carnot cycles;
19 - direct steam cycle of the proposed method;
20 - reverse refrigeration cycle of the Lorentz proposed method;
21 is a traditional well-known refrigeration cycle with the conclusion of low-level heat to the environment;
22 - direct power cycle, which is a combination of a direct cycle with
Заштрихованный участок цикла с номером 22 характеризует дополнительный энергетический эффект предлагаемого способа. The shaded section of the cycle with
Кроме того, ломаная линия на фиг. 2 характеризует многоступенчатость процессов сжатия и расширения хладагента. In addition, the broken line in FIG. 2 characterizes the multi-stage processes of compression and expansion of the refrigerant.
Таким образом, из представленных материалов следует, что предлагаемый способ является новым, имеет изобретательский уровень и может быть эффективно применен в промышленности. Thus, from the presented materials it follows that the proposed method is new, has an inventive step and can be effectively applied in industry.
Список использованных источников
1. Е. Гречнева, И. Грицевич. Проект внедрения экологически чистой технологии АО "Криокор", "Энергетическая эффективность", М., Центр по эффективному использованию энергии (ЦЭНЭФ), N 5, c. 12 - 13.List of sources used
1. E. Grechneva, I. Gritsevich. Project for the introduction of environmentally friendly technology JSC "Cryocor", "Energy Efficiency", Moscow, Center for Energy Efficiency (CENEF), N 5, p. 12 - 13.
2. Шелест П. Полувековой юбилей одной идеи. - "Наука и жизнь", 1993, N 2, с. 152 - 153. 2. The rustle of P. Half a century of one idea. - "Science and Life", 1993,
3. В. С. Мартыновский. Циклы, схемы и характеристики термотрансформаторов, - М., Энергия, 1979, с. 50 - 55. 3. V. S. Martynovsky. Cycles, schemes and characteristics of thermotransformers, - M., Energy, 1979, p. 50 - 55.
4. Г. Хайнрих, Х. Найорк, В. Нестлер. Теплонасосные установки для отопления и горячего водоснабжения. - М., Стройиздат, 1985, с. 37 - 45. 4. G. Heinrich, H. Nyork, W. Nestler. Heat pump installations for heating and hot water supply. - M., Stroyizdat, 1985, p. 37 - 45.
5. Н.Л. Стаскевич, Д.Я. Вигдорчик. Справочник по сжиженным газам. - Л., Недра, 1986, с. 24 - 93. 5. N.L. Staskevich, D.Ya. Wigdorchik. Handbook of liquefied gases. - L., Nedra, 1986, p. 24 - 93.
Claims (18)
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU95109983A RU2117884C1 (en) | 1995-06-14 | 1995-06-14 | Method and device designed to obtain electric power with use of low-potential heat carriers |
| AU68646/96A AU6864696A (en) | 1995-06-14 | 1996-06-04 | Method of converting thermal energy to mechanical energy |
| PCT/RU1996/000147 WO1997000373A1 (en) | 1995-06-14 | 1996-06-04 | Method of converting thermal energy to mechanical energy |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU95109983A RU2117884C1 (en) | 1995-06-14 | 1995-06-14 | Method and device designed to obtain electric power with use of low-potential heat carriers |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU95109983A RU95109983A (en) | 1997-09-27 |
| RU2117884C1 true RU2117884C1 (en) | 1998-08-20 |
Family
ID=20168897
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU95109983A RU2117884C1 (en) | 1995-06-14 | 1995-06-14 | Method and device designed to obtain electric power with use of low-potential heat carriers |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2117884C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2300637C2 (en) * | 2005-04-25 | 2007-06-10 | Пелипенко Андрей Иванович | Method of regeneration of energy for thermodynamic rankin cycle of basis of diaphragm technologies |
-
1995
- 1995-06-14 RU RU95109983A patent/RU2117884C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 1. Гречнева Е., Грицевич И. Проект внедрения экологически чистой технологии АО "Криокор". Энергетическая эффективность. - М.: Центр по эффективному использованию энергии (ЦЭНЭФ), 1995, N 5, с.12 и 13. 2. Шелест П. Полувековой юбилей одной идеи. Наука и жизнь. - 1993, N 2, с.152 и 153. 3. Мартыновский В.С. Циклы, схемы и характеристики термотрансформаторов. - М.: Энергия, 1979, с.50-55. 4. Хайнрих Г., Найорк Х., Неотлер В. Теплонасосные установки для отопления и горячего водоснабжения. - М.: Стройиздат, 1985, с.37-45. 5. Стаскевич Н.Л., Вигдорчик Д.Я. Справочник по сжиженным газам. - Л.: Недра, с.24-93. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2300637C2 (en) * | 2005-04-25 | 2007-06-10 | Пелипенко Андрей Иванович | Method of regeneration of energy for thermodynamic rankin cycle of basis of diaphragm technologies |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2551458C2 (en) | Combined heat system with closed loop for recuperation of waste heat and its operating method | |
| RU2434145C2 (en) | Method and system for energy generation from heat source | |
| DK2262979T3 (en) | Generating energy from medium temperature heat sources | |
| RU2722286C2 (en) | Waste heat recovery system and method with a simple cycle | |
| US8707701B2 (en) | Ultra-high-efficiency engines and corresponding thermodynamic system | |
| US4118934A (en) | Process and apparatus for transforming heat at a relatively low temperature into power or energy | |
| RU2094636C1 (en) | Gas-turbine plant and its operating process (options) | |
| CA2190675C (en) | Conversion of waste heat to power | |
| US20100263380A1 (en) | Cascaded organic rankine cycle (orc) system using waste heat from a reciprocating engine | |
| CN104185717B (en) | System and method for recovering waste heat from dual heat sources | |
| EA000058B1 (en) | METHOD FOR CONVERSION OF HEAT TO USEFUL ENERGY AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION | |
| KR20150036155A (en) | Triple expansion waste heat recovery system and method | |
| Zhang et al. | Thermo-economic analysis and optimization of ICE-ORC systems based on a splitter regulation | |
| Qureshi et al. | Thermal analysis of solar energy based organic Rankine cycle cascaded with vapor compression refrigeration cycle | |
| CN117108380B (en) | An ORC system for recovering waste heat from TCA/FGH gas turbines in combined cycle units | |
| US12044150B2 (en) | Plant based upon combined Joule-Brayton and Rankine cycles working with directly coupled reciprocating machines | |
| RU2117884C1 (en) | Method and device designed to obtain electric power with use of low-potential heat carriers | |
| JP2018021485A (en) | Multistage rankine cycle system, internal combustion engine and operation method of multistage rankine cycle system | |
| RU2799694C1 (en) | Combined power plant with waste heat recovery | |
| RU2837103C1 (en) | Power plant and method of its operation | |
| RU2560624C1 (en) | Heat power plant heat utilisation method | |
| JPH0231764B2 (en) | ||
| WO1997000373A1 (en) | Method of converting thermal energy to mechanical energy | |
| RU2127815C1 (en) | Heat power plant with cooler | |
| RU2205969C2 (en) | Method of operation of gas-steam plant with nuclear reactor |