CZ305163B6 - Zařízení s tepelným oběhem pro přeměnu tepelné energie na mechanickou energii a elektrickou energii - Google Patents

Abstract

Zařízení s tepelným oběhem pro přeměnu tepelné energie na mechanickou energii a elektrickou energii obsahuje kompresor (10) a plynovou turbínu (1). Výtlak kompresoru (10) je propojen středotlakým potrubím (14) s tepelným výměníkem (5), se zkapalňovací jednotkou (6) a s kryogenním napájecím čerpadlem (7), jehož vysokotlaké potrubí (15) je napojeno na zkapalňovací jednotku (6), tepelný výměník (5), spalovací komoru (3) a plynovou turbínu (1), jejíž výstup je spojen nízkotlakým potrubím (13) s výfukem (12) spalin.

Description

Vynález se týká zařízení s tepelným oběhem pro přeměnu tepelné energie na mechanickou energii a elektrickou energii. Vynález se všeobecně týká oblasti výroby mechanické energie a elektrické energie, popřípadě zařízení pro zkapalňování plynů, v oblasti petrochemie a dalších technologických zařízení.

Dosavadní stav techniky

Princip výroby mechanické energie z tepelné energie je založen na několika tepelných obězích neboli cyklech. Společné všem těmto oběhům je to, že pracovní látka se v plynném nebo tekutém stavu nejprve stlačí, potom se zahřeje na požadovanou teplotu a při pracovním procesu, neboli expanzním procesu proběhne přeměna tepelné energie na mechanickou energii.

U pístových spalovacích motorů a u spalovacích turbín se používá jako pracovní látka vzduch. Tento vzduch se stlačuje při kompresním zdvihu pístu. U spalovacích turbín probíhá stlačování vzduchu v kompresoru. Po přivedení tepelné energie vzniklé spálením paliva v prostoru válce, popřípadě ve spalovací komoře spalovací turbíny, čímž nastane zvýšení teploty pracovní látky, následuje expanzní proces, neboli expanzní takt ve spalovacím motoru, popřípadě expanze v plynové turbíně.

Na kompresi se spotřebují až dvě třetiny práce, generované v expanzním procesu.

Podobně je tomu u parního oběhu neboli cyklu. Zde se zvyšuje tlak vody na vstupu do kotle napájecími čerpadly. Potom se tato voda v kotli zahřeje a odpaří a takto vzniklá tlaková pára se přivádí do parní turbíny, kde proběhne expanzní proces za vzniku mechanické energie. Nevýhodou tohoto procesuje to, že teplo, jehož je nutně zapotřebí na odpaření vody, není v turbíně využito a musí být odváděno do okolí.

Jak kompresní práce, tak i přiváděné popřípadě odváděné výpamé teplo, podstatně snižují účinnost těchto obou oběhů, takže účinnost se pohybuje na průměrné hodnotě 35 %.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky částečně odstraňuje zařízení s tepelným oběhem pro přeměnu tepelné energie na mechanickou energii a elektrickou energii, obsahující kompresor a plynovou turbínu, podle vynálezu, jehož podstatou je, že výtlak kompresoru je propojen středotlakým potrubím s tepelným výměníkem, se zkapalňovací jednotkou a s kryogenním napájecím čerpadlem, jehož vysokotlaké potrubí je napojeno na zkapalňovací jednotku, tepelný výměník, spalovací komoru a plynovou turbínu, jejíž výstup je spojen nízkotlakým potrubím s výfukem spalin.

Tím, že se vzduch nejprve zkapalňuje ve zkapalňovací jednotce a jeho tlak se zvyšuje v kryogenním napájecím čerpadle, a tím, že se vzduch odpařuje nízkopotenciálním teplem z okolí, popřípadě odpadním teplem z tepelného oběhu, se podstatně sníží množství tepla, popřípadě velikost mechanické energie pro získání tlakového pracovního média.

Aby se co nejlépe využila tepelná energie, která je do oběhu přiváděna, je v regeneračním výměníku vzduch dále ohříván teplem, které obsahují spaliny vystupující z plynové turbíny.

- 1 CZ 305163 B6

Ve spalovací komoře se spaluje palivo přiváděné potrubím se vzduchem, čímž se teplota spalin zvyšuje na požadovanou úroveň. V k ní připojené plynové turbíně probíhá expanzní proces a vyrobená mechanická práce je využívána ve spotřebiči mechanické energie, například v elektrickém generátoru.

Zvýšení výkonu a tepelné účinnosti oproti výše popsanému případu je možno dosáhnout rozdělením expanze na větší počet částí, například na dvě části, zejména na vysokotlakou část, tvořenou vysokotlakou plynovou turbínou, a nízkotlakou část, tvořenou nízkotlakou plynovou turbínou. Před těmito oběma částmi může být umístěna vždy alespoň jedna další spalovací komora, která může být nahrazena vysokoteplotním tepelným výměníkem. Každá plynová turbína může pracovat samostatně, popřípadě hřídele turbín mohou být propojeny, například prostřednictvím převodovky.

Odpadní teplo z tepelného oběhu může být rovněž využíváno pro další potřebu zařazením technologického tepelného výměníku za plynovou turbínu. Prostřednictvím rekuperační armatury a spalinové armatury lze nastavovat plynule množství tepla, které je využíváno v regeneračním výměníku a v technologickém tepelném výměníku, aniž by byl ovlivňován výkon plynové turbíny.

Objasnění výkresů

Vynález bude blíže objasněn podle připojených výkresů, na nichž obr. 1 znázorňuje schéma zapojení zařízení s tepelným oběhem, s kryogenním čerpadlem a plynovou turbínou, s tepelnými výměníky a propojovacím potrubím, obr. 2 znázorňuje obdobné schéma s alespoň dvěma plynovými turbínami a s alespoň jednou spalovací komorou, která může být nahrazena vysokoteplotním tepelným výměníkem, a obr. 3 znázorňuje schéma zapojení zařízení s tepelným oběhem s technologickým tepelným výměníkem.

Příklady uskutečnění vynálezu

Na obr. 1 je znázorněno schematicky jedno provedení zařízení s tepelným oběhem pro přeměnu tepelné energie na mechanickou energii a elektrickou energii, které obsahuje kompresor 10, který je sacím potrubím spojen se sacím ústrojím 11 vzduchu. Kompresor 10 je poháněn elektromotorem 8. Výtlačná strana kompresoru 10 je spojena středotlakým potrubím 14 s tepelným výměníkem 5 a dále se zkapalňovací jednotkou 6 a se vstupem kryogenního napájecího čerpadla 7. Vysokotlaké potrubí 15 kryogenního napájecího čerpadla 7 je napojeno na zkapalňovací jednotku 6 a na tepelný výměník 5, odkud je napojeno na regenerační výměník 4. Regenerační výměník 4 je vysokotlakým potrubím 15 spojen se spalovací komorou 3 a se vstupem plynové turbíny L Plynová turbína I je propojena hřídelem se spotřebičem 2 energie. Výstup plynové turbíny i je nízkotlakým potrubím 13 spojen s regeneračním výměníkem 4 a s výfukem 12 spalin.

Zvýšení výkonu a zvýšení tepelné účinnosti oproti tomuto výše uvedenému zařízení s tepelným oběhem pro přeměnu tepelné energie na mechanickou energii a elektrickou energii je možno dosáhnout rozdělením expanze na alespoň dvě části. Na obr. 2 je znázorněno další provedení zařízení s tepelným oběhem pro přeměnu tepelné energie na mechanickou energii, v němž je plynová turbína I nahrazena alespoň dvěma plynovými turbínami, v tomto případě jednou vysokotlakou plynovou turbínou i, tvořící vysokotlakou část, a další, nízkotlakou plynovou turbínou 17, tvořící nízkotlakou část. Vysokotlaká plynová turbína I je přitom opatřena vysokotlakou spalovací komorou 3 a nízkotlaká plynová turbína 17 je opatřena nízkotlakou spalovací komorou 16. Tyto spalovací komory 3,16 mohou být nahrazeny příslušnými vysokoteplotními tepelnými výměníky, tj. vysokotlakým tepelným výměníkem a nízkotlakým tepelným výměníkem.

-2CZ 305163 B6

Každá z těchto plynových turbín 1,17 může být použita k samostatnému pohonu různých zařízení. Alternativně mohou být hřídele plynových turbín 1, 17 vzájemně propojeny, například prostřednictvím převodovky J_8, a mohou pohánět jeden spotřebič 2 energie, jak je znázorněno na obr. 2.

Odpadní teplo z tepelného oběhu může být rovněž využito pro další potřebu zařazením technologického tepelného výměníku 20 za plynovou turbínu 1, jak je znázorněno u ještě dalšího provedení zařízení s tepelným oběhem pro přeměnu tepelné energie na mechanickou práci na obr. 3. V tomto případě je možno rekuperační armaturou 21 a spalinovou armaturou 22, které jsou uspořádány v příslušném nízkotlakém potrubí 13 z plynové turbíny 1, plynule nastavovat množství tepla, které je využíváno v regeneračním výměníku 4 a v technologickém tepelném výměníku 20, aniž by byl ovlivněn výkon plynové turbíny 1. To znamená, že plynová turbína 1 může pracovat nezávisle na spotřebě tepla s maximální účinností a s maximálním výkonem. Technologický tepelný výměník 20 je napojen na výfuk 23 spalin.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (6)

1. Zařízení s tepelným oběhem pro přeměnu tepelné energie na mechanickou energii a elektrickou energii, obsahující kompresor (10) a plynovou turbínu (1), vyznačující se tím, že výtlak kompresoru (10) je propojen středotlakým potrubím (14) s tepelným výměníkem (5), se zkapalňovací jednotkou (6) a s kryogenním napájecím čerpadlem (7), jehož vysokotlaké potrubí (15) je napojeno na zkapalňovací jednotku (6), tepelný výměník (5), spalovací komoru (3) a plynovou turbínu (1), jejíž výstup je spojen nízkotlakým potrubím (13) s výfukem (12) spalin.

2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že do vysokotlakého potrubí (15) je za tepelným výměníkem (5) zařazen regenerační výměník (4), jeho výstupní vysokotlaké potrubí (15) je spojeno se spalovací komorou (3), přičemž regenerační výměník (4) je nízkotlakým potrubím (13) spojen s plynovou turbínou (1) a s výfukem (12) spalin.

3. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že do vysokotlakého potrubí (15) je za tepelným výměníkem (5) zařazen regenerační výměník (4), jehož výstupní vysokotlaké potrubí (15) je spojeno s vysokoteplotním tepelným výměníkem, přičemž regenerační výměník (4) je nízkotlakým potrubím (13) spojen s plynovou turbínou (1) a s výfukem (12) spalin.

4. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že plynová turbína (1) je provedena v alespoň dvoustupňovém uspořádání, přičemž její vysokotlakou část tvoří vysokotlaká plynová turbína (1), před níž je zařazena alespoň jedna vysokotlaká spalovací komora (3), a její nízkotlakou část tvoří nízkotlaká plynová turbína (17), před níž je zařazena alespoň jedna nízkotlaká spalovací komora (19).

5. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že plynová turbína (1) je provedena v alespoň dvoustupňovém uspořádání, přičemž její vysokotlakou část tvoří vysokotlaká plynová turbína (1), před níž je zařazen alespoň jeden vysokoteplotní vysokotlaký tepelný výměník, a její nízkotlakou část tvoří nízkotlaká plynová turbína (17), před níž je zařazen alespoň jeden vysokoteplotní nízkotlaký tepelný výměník (16).

6. Zařízení podle jednoho z nároků laž4, vyznačující se tím, že výstup plynové turbíny (1), popřípadě výstup plynové turbíny (17) je napojen přes regenerační výměník (4) na výfuk (12) spalin, popřípadě přes technologický tepelný výměník (20) na výfuk (23) spalin.