PL172335B1 - Sprezarka do gazu PL PL PL PL PL - Google Patents

Abstract

1 . Sprezarka do gazu zawierajaca pier­ wsza komore sprezania, pierwszy tlok spre­ zajacy, uklad do napedzania tloka, przy czym do pierwszej komory sprezania jest doprowa­ dzona dysza rozpylajaca ciecz oraz zawór wylotowy gazu polaczony z komora, zna­ mienna tym, ze uklad do napedzania pie­ rwszego tloka (7,12) zawiera wylotowy zawór (25,27) gazu polaczony z pierwsza komora sprezania (9,11). P L 1 7 2 3 3 5 B 1 F IG .1 . PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sprężarka do gazu.

W szczególności wynalazek dotyczy sprężarki do dostarczania sprężonego powietrza lub innego gazu w zespołach turbin gazowych wytwarzających energię elektryczną.

Znane są ze stanu techniki sprężarki do wytwarzania gorącego sprężonego gazu, na przykład powietrza do spalania wraz z paliwem w komorze spalania turbiny gazowej. Gaz wytwarzany przez sprężarkę jest nagrzewany podczas sprężania, wskutek adiabatycznego charakteru cyklu sprężania. W związku z nagrzewaniem gazu podczas sprężania, osiągnięcie wymaganego stopnia sprężania wymaga dostarczenia większej ilości energii niż byłoby to niezbędne w przypadku, gdyby podczas sprężania była utrzymywana stała temperatura gazu, tzn. gdyby gaz był sprężany izotermicznie. Wykorzystywanie mechanicznej energii sprężarki do podgrzewania sprężanego gazu jest na ogół także mało wydajne.

Znanym przykładem aparatury przeznaczonej do bardziej wydajnego sprężania gazu jest hydrauliczna sprężarka gazu, w której gaz jest sprężany w poruszającej się w dół kolumnie cieczy. Podczas sprężania, gaz w postaci pęcherzyków jest chłodzony przez ciecz. Następnie gaz jest oddzielany od cieczy, w dolnej części kolumny, gdzie jest dogodnie magazynowany, stanowiąc źródło zimnego sprężonego gazu, który można następnie wykorzystać do wytwarzania energii.

Z opisu patentu amerykańskiego nr 3 608 311 znany jest silnik cieplny, którego działanie opiera się na cyklu Carnota. Izotermiczne sprężanie płynu roboczego w trakcie cyklu osiąga się przez rozpylanie cieczy w komorze zawierającej płyn roboczy tak, że temperatura gazu podczas sprężania pozostaje stała. Urządzenie to dotyczy silników cieplnych i obejmuje silnik cieplny o zamkniętym cyklu, w którym dowolna objętość płynu roboczego pozostaje stale w odpowiadającej jej komorze. Nie dotyczy ono sprężarek do gazu dostarczających sprężony gaz.

W konwencjonalnych zespołach turbin gazowych gazy wylotowe z turbiny gazowej posiadają na ogół temperaturę znacznie wyższą od temperatury otaczającej atmosfery, tak więc nadwyżka ciepła gazów wylotowych jest tracona, jeśli nie zmieni się na powrót w użyteczną energię, wykorzystywaną na przykład do wytwarzania prądu elektrycznego. W pewnym szczególnym rodzaju systemu energetycznego z turbiną gazową - o kombinowanym cyklu, z zespołem parowym, nadwyżka ciepła gazów wychodzących z turbiny gazowej jest zamieniana w parę napędzającą drugą turbinę. Wprawdzie system turbiny gazowej o kombinowanym cyklu jest wydajny, niemniej wymaga on dodatkowych zespołów, takich jak generator pary do odzyskiwania ciepła oraz towarzyszącej mu turbiny parowej.

172 335

Celem niniejszego wynalazku jest sprężarka do gazu.

Sprężarkado gazu zawierająca pierwszą komorę sprężania, pierwszy tłok sprężający, układ do napędzania tłoka, przy czym do pierwszej komory sprężania jest doprowadzona dysza rozpylająca ciecz oraz zawór wylotowy gazu połączony z komorą, według wynalazku charakteryzuje się tym, że układ do napędzania pierwszego tłoka zawiera wlotowy zawór gazu połączony z pierwszą komorą sprężania.

Korzystnie z pierwszym tłokiem jest integralnie połączony drugi tłok umieszczony w drugiej komorze sprężania, przy czym układ do napędzania drugiego tłoka zawiera czynnik gazowy znajdujący się w drugiej komorze.

Korzystnie układ do napędzania drugiego tłoka zawiera wlotowy zawór gazu połączony z drugą komorą.

Korzystnie pierwszy tłok i/lub drugi tłok zawiera czynnik ciekły zawarty w przewodzie w kształcie litery U, stanowiący ciekły tłok.

Korzystnie jedno z ramion przewodu w kształcie litery U, zawiera pierwszą komorę sprężania.

Korzystnie drugie ramię przewodu zawiera drugą komorę sprężania.

Korzystnie w przewodzie, pomiędzy ciekłym tłokiem a pierwszą komorą sprężania jest usytuowany pierwszy stały tłok.

Korzystnie w przewodzie, po przeciwnej stronie ciekłego tłoka niż pierwsza komora sprężania jest usytuowany drugi stały tłok.

Korzystnie stały tłok ma większą gęstość niż ciecz w ciekłym tłoku.

Korzystnie pomiędzy co najmniej jednym z tłoków stałych i przewodem jest umieszczony układ uszczelniający.

Korzystnie osie tłoka i komory sprężania są usytuowane w płaszczyźnie pionowej.

Korzystnie osie tłoka i komory sprężania są usytuowane w płaszczyźnie poziomej.

Korzystnie z drugą komorą sprężania jest połączony wylotowy zawór sprężonego gazu.

Korzystnie druga komora sprężania zawiera dyszę rozpylającą ciecz.

Korzystnie z pierwszą komorą sprężania jest połączony wlotowy zawór gazu o niskim ciśnieniu.

Korzystnie z drugą komorą sprężania jest połączony wlotowy zawór gazu o niskim ciśnieniu.

Korzystnie tłoki pierwszy i drugi usytuowane są podobnie.

Korzystnie układ do napędzania tłoków zawiera sprężarkę rotacyjną lub mechaniczną sprężarkę tłokową połączoną z komorami sprężania za pomocą wlotowych zaworów gazu.

Korzystnie układ do napędzania tłoka zawiera drugą komorę sprężania i drugi tłok sprężający, wylot gazu sprężonego w drugiej komorze sprężania połączony z komorą sprężania za pomocą wlotowego zaworu gazu, tłok rozprężający integralnie połączony z drugim tłokiem sprężającym, komorę rozprężania i wlotowy zawór gazu połączony z komorą rozprężania.

Korzystnie układ do napędzania tłoka zawiera wlot substancji palnej w komorze rozprężania.

Korzystnie układ do napędzania tłoka zawiera doprowadzający gaz przewód dołączony pomiędzy wylotem sprężonego gazu w komorze sprężania i wlotem sprężonego gazu w komorze rozprężania.

Korzystnie układ do napędzania tłoka zawiera wylot gazu w komorze rozprężania i wymiennik ciepła połączony z wlotem gazu i usytuowany w doprowadzającym gaz przewodzie.

Korzystnie z wylotem sprężonego gazu w drugiej komorze sprężania jest połączony wlot turbiny.

Korzystnie układ do napędzania tłoka zawiera dodatkowy tłok integralnie połączony z drugim tłokiem sprężającym i dodatkową komorę zawierającą czynnik gazowy.

Korzystnie tłok sprężający połączony jest z układem do magazynowania energii kinetycznej.

Sprężarka zawierająca pierwszą komorę sprężania, pierwszy tłok sprężający, układ do napędzania tłoka, przy czym do pierwszej komory sprężania jest doprowadzona dysza rozpylająca ciecz oraz zawór wylotowy gazu połączony z komorą, według wynalazku charakteryzuje

172 335 się tym, że układ do napędzania tłoka zawiera drugi tłok integralnie połączony z tłokiem sprężającym, komorę sprężającą i wlotowy zawór gazu połączony z komorą rozprężania.

Korzystnie układ do napędzania tłoka zawiera wlot substancji palnej w komorze rozprężania.

Korzystnie układ do napędzania tłoka zawiera dodatkowo dyszę rozpylającą gorącą ciecz w komorze rozprężania.

Korzystnie układ do napędzania tłoka zawiera wlot substancji tworzącej gaz w komorze rozprężania.

Korzystnie układ do napędzania tłoka zawiera dodatkowo przewód doprowadzający gaz, dołączony pomiędzy wylotem sprężonego gazu i wlotem komory rozprężania.

Korzystnie układ do napędzania tłoka zawiera dodatkowo wylot gazu połączony z komorą rozprężania i wymiennik ciepła połączony z wylotem gazu i usytuowany w przewodzie doprowadzającym gaz.

Korzystnie układ do napędzania tłoka zawiera układ do ogrzewania sprężonego gazu, dołączony pomiędzy wylotem sprężonego gazu i wlotem.

Korzystnie wylot gorącego gazu wymiennika ciepła jest połączony z wlotem turbiny.

Korzystnie integralnie z tłokiem rozprężającym jest połączony drugi tłok sprężający, umieszczony w drugiej komorze sprężania zawierający wylotowy zawór sprężonego gazu.

Korzystnie z wylotem sprężonego gazu w drugiej komorze sprężania jest połączony wlot turbiny.

Korzystnie układ do napędzania tłoka zawiera czwarty tłok integralnie połączony z tłokiem rozprężającym i czwartą komorę zawierającą czynnik gazowy.

Korzystnie głowice tłoka sprężającego i drugiego tłoka są zwrócone w tym samym kierunku zaś głowica drugiego tłoka sprężającego jest zwrócona w kierunku przeciwnym.

Korzystnie układ do napędzania tłoka zawiera sprężarkę rotacyjną lub mechaniczną sprężarkę tłokową połączoną z drugą komorą za pomocą wlotowego zaworu gazu.

Korzystnie układ do napędzania tłoka zawiera drugą komorę sprężania i drugi tłok sprężający, wylot sprężonego gazu w drugiej komorze sprężania połączony z drugą komorą za pomocą wlotowego zaworu gazu, przy czym z drugim tłokiem sprężającym jest połączony integralnie tłok rozprężający, a ponadto zawiera drugą komorę rozprężania i wlotowy zawór gazu połączony z drugą komorą rozprężania.

Korzystnie układ do napędzania tłoka zawiera wlot substancji palnej w drugiej komorze rozprężania.

Korzystnie układ do napędzania tłoka zawiera przewód dostarczający gaz, dołączony pomiędzy wylotem sprężonego gazu w komorze sprężania i wlotem sprężonego gazu w drugiej komorze rozprężania.

Korzystnie układ do napędzania tłoka zawiera wylot gazu w drugiej komorze rozprężania i wymiennik ciepła połączony z wylotem gazu i usytuowany w przewodzie doprowadzającym gaz.

Korzystnie wylot sprężonego gazu w drugiej komorze sprężania jest połączony z wlotem turbiny.

Korzystnie układ do napędzania tłoka zawiera dodatkowy tłok integralnie połączony z drugim tłokiem sprężającym i dodatkową komorę zawierającą czynnik gazowy.

Korzystnie tłok sprężający połączony jest z układem do magazynowania energii kinetycznej.

Sprężarka zawierająca pierwszą komorę sprężania, pierwszy tłok sprężający, układ do napędzania tłoka, przy czym do pierwszej komory sprężania jest doprowadzona dysza rozpylająca ciecz oraz zawór wylotowy gazu połączony z komorą, według wynalazku charakteryzuje się tym, że układ do napędzania tłoka zawiera przewód, zbiornik do przechowywania cieczy na jednym końcu przewodu, zawór głównego przepływu w przewodzie i spustowy zawór cieczy umieszczony w przewodzie pomiędzy zaworem głównego przepływu i komorą sprężania.

Korzystnie układ do napędzania tłoka zawiera pompę dołączoną pomiędzy zaworem spustowym i zbiornikiem.

Korzystnie układ do napędzania tłoka zawiera w zbiorniku, ponad cieczą, sprężony gaz.

172 335

Sprężarka do gazu zawierająca komorę sprężania, tłok sprężający, dyszę rozpylającą ciecz w komorze sprężania oraz zawór wylotowy gazu połączony ze wspomnianą komorą sprężania, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera komorę spalania z wlotem gazu, okno wlotowe spalanego paliwa oraz wylot gazów spalinowych, przy czym stały tłok jest pośrednio mechanicznie połączony z tłokiem sprężającym zaś wymiennik ciepła zawiera wlot zimnego gazu połączony z wylotem sprężonego gazu komory spalania, wylot gorącego gazu połączony z wlotem gazu komory spalania oraz wlot gorącego gazu połączony z wylotem gazów spalinowych, oraz turbinę, której wlot jest połączony z wylotem gorącego gazu z wymiennikiem ciepła.

Sprężarka do gazu zawierająca komorę sprężania, tłok sprężający, dyszę rozpylającą ciecz w komorze sprężania, zawór wylotowy gazu połączony z komorą sprężania, według wynalazku charakteryzuje się tym, że w skład komory sprężania wchodzi okno wlotowe spalanego paliwa oraz tłok spalania pośrednio sprzężony mechanicznie z tłokiem sprężającym, wymiennik ciepła zawierający koniec i/lub ściankę komory spalania, i którego wlot zimnego gazu jest połączony z oknem wylotowym komory sprężania, oraz turbina, której wlot jest połączony z wylotem gorącego gazu z wymiennika ciepła.

Sprężarka do gazu zawierająca komorę sprężania, tłok sprężający, dyszę rozpylającą ciecz w komorze spi^^^^nia oraz zawór wylotowy sprężonego gazu połączony z komorą sprężania według wynalazku charakteryzuje się tym, że w jej skład wchodzi urządzenie rozprężające z komorą rozprężania i tłokiem rozprężającym sprzężonym z tłokiem sprężającym, źródło ciepła zewnętrzne do komory rozprężania, którego wlot gazu jest połączony z wylotem sprężonego gazu ze sprężarki gazu, i którego wylot sprężonego gorącego gazu jest połączony z wlotem gazu komory rozprężania, turbina oraz wymiennik ciepła powiązany na zasadzie wymiany ciepła z zewnętrznym źródłem ciepła i którego wlot zimnego gazu jest połączony z wylotem sprężonego gazu i wylot gorącego gazu jest połączony z wlotem turbiny.

Korzystnie sprężarka zawiera ponadto wymiennik ciepła z wlotem zimnego gazu połączonym z wylotem sprężonego gazu, wylot gorącego gazu połączony z wlotem gazu zewnętrznego źródła ciepła oraz wlot gorącego gazu połączony z wylotem gazu z komory rozprężania.

Korzystnie zewnętrzne źródło ciepła zawiera piec, korzystnie komorę spalania.

Korzystnie w skład pieca lub komory spalania wchodzi okno wylotowe gazów połączone z wlotem gorących gazów wymiennika ciepła.

Korzystnie sprężarka zawiera ponadto komorę sprężania z zaworem wylotowym sprężonego gazu oraz dodatkowy tłok sprężający sprzężony ze wspomnianym tłokiem rozprężającym, oraz dodatkowo turbinę, której wlot jest połączony z wylotem sprężonego gazu z dodatkowej komory sprężania.

Przedmiot wynalazku jest bliżej objaśniony w przykładach wykonania uwidocznionych na rysunku, na którym: fig. 1 przedstawia wariant sprężarki napędzanej gazem, z tłokiem ciekłym; fig. 2 przedstawia inny wariant sprężarki napędzanej gazem, zawierającej zarówno tłok stały, jak i ciekły; fig. 3 przedstawia trzeci wariant sprężarki napędzanej gazem, z tłokiem stałym; fig. 4 przedstawia czwarty wariant sprężarki napędzanej gazem, z tłokiem stałym; fig. 5 przedstawia piąty wariant sprężarki napędzanej gazem, z tłokiem stałym; fig. 6 przedstawia szósty wariant sprężarki napędzanej gazem, z tłokiem stałym; fig. 7 przedstawia siódmy wariant sprężarki napędzanej gazem, z tłokiem stałym; fig. 8 przedstawia wariant sprężarki napędzanej cieczą, z tłokiem ciekłym; fig. 9 przedstawia schemat blokowy wariantu zespołu turbiny gazowej zawierającej sprężarkę izotermiczną; fig. 10 przedstawia schemat blokowy innego wariantu zespołu turbiny gazowej zawierającej sprężarkę izotermiczną; fig. 1 1 przedstawia wariant instalacji opalanej węglem lub innym paliwem, zawierającej sprężarkę izotermiczną i turbinę powietrzną; fig. 12 przedstawia schemat blokowy innego wariantu zespołu turbiny gazowej, zawierającej zarówno turbinę gazową, jak i turbinę powietrzną; fig. 13(a) przedstawia rozwiązanie problemu magazynowania zimnego sprężonego gazu; fig. 13(b) przedstawia rozwiązanie problemu odzyskiwania zmagazynowanego sprężonego gazu, używanego do wytwarzania mocy; fig. 14 przedstawia schemat magazynowania energii; fig. 15 przedstawia wariant sprężarki o napędzie cieplnym oraz dodatkowego zespołu do wytwarzania mocy; fig. 116 przedstawia inny wariant sprężarki o napędzie cieplnym wraz z dodatkowym zespołem do wytwarzania mocy; fig. 17 przedstawia inny wariant sprężarki o napędzie cieplnym wraz z dodatkowym zespołem

172 335 do wytwarzania mocy; fig. 18 przedstawia inny wariant sprężarki o napędzie cieplnym wraz z dodatkowym zespołem do wytwarzania mocy; fig. 19 przedstawia inny wariant sprężarki o napędzie cieplnym wraz z dodatkowym zespołem do wytwarzania mocy; fig. 20 przedstawia schemat blokowy systemu odzyskiwania pary wodnej z gazów wylotowych; fig. 21 zawiera schemat blokowy rozwiązania zespołu turbiny gazowej o zamkniętym cyklu, ze sprężarką o napędzie cieplnym; fig. 22 przedstawia schemat blokowy rozwiązania zespołu wytwarzania mocy, zawierający sprężarkę o napędzie cieplnym oraz drugą turbinę gazową wstawioną w celu odzyskiwania nadwyżki ciepła; fig. 23 przedstawia wariant sprężarki o napędzie cieplnym, o cyklu zamkniętym i otwartym, gdzie ciepło jest dostarczane przez wtryskiwanie gorącej cieczy; fig. 24 przedstawia wariant sprężarki o napędzie cieplnym, umieszczonej w cyklu wytwarzania mocy i w cyklu zgazowywania; fig. 25 przedstawia wariant sprężarki o napędzie cieplnym, umieszczonej w cyklu wytwarzania mocy i w cyklu zgazowywania; fig. 26 przedstawia wariant sprężarki o napędzie cieplnym, obejmującej dwa alternatywne rozwiązania układu magazynowania energii.

Jak przedstawiono na fig. 1, sprężarka izotermiczna z ciekłym tłokiem oznaczona w całości jako 1, zawiera długi przewód rurowy 2, mniej więcej w kształcie litery U, posiadający wydłużony, prosty odcinek środkowy 3, poziomy lub prawie poziomy, oraz dwa ramiona 4 i 5, skierowane pionowo w górę. Przewód 2 jest częściowo napełniony wodą lub inną cieczą, tworzącą tym samym ciekły tłok 7. Przewód 2 posiada wystarczającą długość i średnicę dla zapewnienia ciekłemu tłokowi masy wymaganej do kontrolowania stopnia sprężania. Komory 9 i 11 są utworzone przez pionowe ramiona 4 i 5. Każda komora posiada pewną ilość otworów wlotowych i wylotowych, steruj ących wlotem i wylotem gazu z i do każdej komory. Oba otwory 13 i 15 są wyposażone w zawory 17 i 19, pozwalające na wydalanie zimnego sprężonego gazu z każdej komory. Oba otwory 21 i 23 są wyposażone w zawory 25 i 27, wprowadzające kontrolowaną ilość gorącego sprężonego gazu do każdej z komór, a otwory 29 i 31 są sterowane zaworami 33 i 35, wpuszczającymi dodatkową masę gazu do każdej z komór. Obie komory, 9 i 11, posiadają kolejne otwory, 37 i 39, umożliwiające wtryskiwanie rozpylonej cieczy do każdej z komór. Pompy wtryskowe cieczy 43 i 44 są połączone z odpowiadającymi im otworami wtryskowymi 37 i 39. Otwór wylotowy 41, utworzony w części środkowej 3 przewodu 2, jest połączony z każdą z pomp 43 i 44 w celu dostarczania cieczy z ciekłego tłoka do otworów 37 i 39 i rozpylania jej. W tym wariancie każda pompa jest pompą wyporową, w której ciecz jest doprowadzana do komory pompy 40, 42 przez wspornik 46, 48 w tym okresie w cyklu pracy sprężarki, w którym ciecz jest ciągle wytłaczana z komory 40,42 pompy przez wspornik 46, 48, podczas gdy gaz podlega sprężaniu w komorze 9, 11 przy ruchu ciekłego tłoka do wnętrza komory 9, 11. Chłodnica 45, włączona pomiędzy otworem wylotowym 41 a pompą 43, 44, chodzi ciecz pobieraną z ciekłego tłoka przed wtryśnięciem jej do każdej z komór 9, 11, w formie rozpylonej strugi.

W celu utrzymania stałej ilości cieczy w ciekłym tłoku, podczas całego przebiegu, przewiduje się pojemnik 51 cieczy używanej do rozpylania, dopełniający ciecz traconą w oddzielaczach wilgoci 47, 49. W razie potrzeby, poprzez zbiornik 51 ciecz zbierana w oddzielaczach wilgoci 47, 49 może być zawracana do ciekłego tłoka lub do rozpylania. Ponadto zbiornik 51 dostarcza cieczy do rozpylania podczas rozruchu sprężarki.

W każdej z komór 9, 11 można umieścić pływające po powierzchni ciekłych tłoków pływaki 50 i 52, wykonane z porowatego lub włóknistego materiału, przez który może dyfundować ciecz wykorzystana w ciekłym tłoku. Pływaki mogą być sztywne lub giętkie. Pływaki zapobiegają powstawaniu fal na powierzchni tłoka i przenikaniu cieczy do otworów, przez które przepływa chłodny sprężony gaz. Dodatkowo porowata struktura tłoków 50, 52 pozwala na łączenie się rozpylonej cieczy z cieczą w tłoku.

Podczas pracy, do komory 9 przez otwór 21 wtryskiwana jest pewna ilość gorącego sprężonego gazu, pochodzącego z zewnętrznego źródła, takiego jak konwencjonalna sprężarka wirnikowa. W tym momencie zawory 17 i 33 są już zamknięte, a ciekły tłok 7 znajduje się w swoim górnym punkcie zwrotnym w komorze 9. Gorący sprężony gaz rozpręża się w komorze 9 powodując przyspieszenie ciekłego tłoka w kierunku przeciwnego końca długiej rury 2. W miarę rozprężania się gazu ulega on chłodzeniu, tak że zarówno energia cieplna, jak i energia ciśnienia

172 335 gazu są przekształcane na energię kinetyczną tłoka 7. Gdy ciśnienie gazu spadnie do wartości ciśnienia atmosferycznego (lub do innej wartości ciśnienia, pod jakim dostępny jest dodatkowy stosunkowo nie sprężony gaz), otwiera się zawór 33 i wpuszcza przez otwór 29 dodatkową ilość gazu. Ciekły tłok kontynuuje swój ruch, zasysając gaz do powiększającej się objętości komory 9.

W momencie, gdy ciekły tłok 7 znajdował się w swoim górnym punkcie zwrotnym w komorze 9, komora 11 zawierała gaz, na który składała się pewna ilość chłodnego rozprężonego gazu wprowadzanego uprzednio jako gorący sprężony gaz przez otwór 23 oraz pewna ilość stosunkowo nie sprężonego wstępnie gazu wprowadzanego przez otwór 31. W miarę jak ciekły tłok 7 pr/emieszcza się z komory 9 do komory 11, gaz w komorze 11 ulega sprężaniu. Podczas sprężania gazu, w celu utrzymania go w stałej temperaturze, do komory 11 wtryskiwana jest ciecz w postaci rozpylonych małych kropelek. Rozpylona ciecz opada przez wypełnioną gazem przestrzeń i miesza się z cieczą tworzącą ciekły tłok 7. W tym wariancie rozpylona ciecz jest doprowadzana z cieczy w rurze 2 i poprzez chłodnicę 45 pompowana na powrót do otworów wlotowych cieczy 37 i 39 przez pompy 43 i 44.

Na pewnym etapie sprężania gaz w komorze 11 osiągnie wymagane ciśnienie, przy którym ustaje wtryskiwanie rozpylanej cieczy i otwiera się zawór 19, wypuszczając gaz z komory. Do usuwania wszelkiej cieczy, która dostała się do gazu przewidziane są oddzielacze 47 i 49.

Gdy ciekły tłok 7 w komorze 11 osiąga swój górny punkt zwrotny, zamyka się zawór wylotowy 19, aotwierasię zawór 27, wtryskując dokomory 11 pewną ilość gorącego sprężonego gazu i napędzając tłok 7 w kierunku drugiego końca rury 2. Jednocześnie zamyka się zawór 33 i zawarty w komorze 9 gaz, składający się z pewnej ilości ochłodzonego rozprężonego gazu wpuszczonego przez otwór 21 oraz pewnej dodatkowej ilości gazu wpuszczonego przez otwór 29, który jest sprężany w komorze 9. W miarę sprężania gazu, w komorze 9 w postaci drobnych kropelek rozpylana jest ciecz, utrzymująca gaz w przybliżeniu w stałej temperaturze. Rozpylona ciecz opada przez wypełnioną gazem przestrzeń i miesza się z cieczą tworzącą ciekły tłok 7. Na pewnym etapie sprężania gaz osiągnie wymagane ciśnienie, przy którym otwiera się zawór 17, wypuszczając gaz z komory. W celu usunięcia wszelkiej cieczy, która dostała się do gazu, gaz przechodzi przez oddzielacz 47. Z chwilą gdy ciekły tłok osiąga górny punkt zwrotny w komorze 9 zamyka się zawór wylotowy 13 i do niewielkiej ilości resztkowego gazu pozostałego w komorze 9 wtryskiwana jest następna porcja gorącego sprężonego gazu. Gaz ten napędza ciekły tłok 7 na powrót w kierunku drugiego końca rury 2 i cały cykl się powtarza.

W ustalonych warunkach pracy, zawory wlotowe gorącego sprężonego gazu 25 i 27 są sterowane czasowo tak, aby otwierały się wtedy, gdy poziom cieczy osiągnie górny pułap swojego ruchu w komorach 9 i 11. Zamykają się one ponownie, gdy ustalona objętość gazu wniknie do jednej z komór. Może to zachodzić wtedy, gdy ciekły tłok opadnie o ustaloną wysokość.

Zawory wylotowe ochłodzonego sprężonego gazu 17 i 19 Otwierają się tylko podczas tej części cyklu, w której ciekły tłok porusza się w kierunku do wnętrza komór 9 i 11. Zawory te otwierają się, gdy ciśnienie w systemie przekracza ciśnienie w systemie zewnętrznych rur wylotowych, lecz zamykają się zanim otworzą się zawory wlotowe gorącego gazu 25 i 27. Można tu wykorzystać zawory jednokierunkowe (zawory zwrotne) pod warunkiem, że są one uruchamiane tylko wtedy, gdy tłok porusza się w górę odpowiedniej komory. Zawory wlotowe gazu pod niskim ciśnieniem 33 i 35 otwierają się wtedy, kiedy ciśnienie odpowiednio w komorze 9 lub 11 spadnie poniżej ciśnienia niskociśnieniowego źródła gazu. W tym celu można zastosować zawór zwrotny.

Działanie zaworów może być zdeterminowane przez zmiany ciśnienia i poziomu wody. W odniesieniu do ciśnienia może być wykorzystany wewnętrzny system mechaniczny, podobny do istniejącego dla zaworu zwrotnego. Zamiast tego można wykorzystać czujniki ciśnienia dające sygnał elektryczny, który może być użyty do przełączenia układu wykonawczego zaworu. W odniesieniu do poziomu cieczy, wprawdzie istnieje możliwość używania systemu mechanicznego, bardziej praktyczną alternatywą wydaje się być czujnik wytwarzający sygnał elektryczny. Czujnik poziomu cieczy może działać w oparciu o najróżniejsze metody, jak na przykład wykrywanie poziomu pływaka, wykorzystanie czujnika przewodnościowego lub pojemnościo172 335 wego, metodę optyczną lub wykorzystanie ultradźwięków. Same zawory mogą być pobudzane (tj. napędzane) elektrycznie lub przez sprężone powietrze.

System wytwarzania rozpylanej cieczy jest przeznaczony do wytwarzania wielkiej liczby kropelek w określonym zakresie wielkości, który maksymalizuje wymianę ciepła pomiędzy cieczą i gazem, a minimalizując moc potrzebną do wytworzenia rozpylonej cieczy. Ważne jest także, aby krople nie były zbyt małe, ze względu na oddzielanie kropli od gazu dzięki grawitacji lub dzięki działaniu oddzielaczy 47 i 49. Oddzielacze usuwają wszystkie kropelki cieczy, które następnie są przenoszone w górę, do rury odprowadzającej po drugiej stronie otworów wylotowych 13 i 15. Oddzielacze mogą być różnego typu. Można na przykład wykorzystywać oddzielacze bezwładnościowe lub odśrodkowe; lub pewne ich kombinacje.

Pompy rozpylanej cieczy 43 i 44 wymuszają obieg wody z rury 2 przez zewnętrzną chłodnicę 45 i rozpylacze wtryskowe 37 i 39, z powrotem do rury 2. W celu utrzymania stałej wartości natężenia przepływu przy zmiennej różnicy ciśnień pomiędzy komorami 9 i 11, można wykorzystywać pompę wyporową. Pompa wyporowa może być pompą tłokową sterowaną czasowo w taki sposób, aby pracowała w fazie z ruchem tłoka 7 i wtrysk następował tylko w czasie sprężania gazu. W takim przypadku może nie być konieczne używanie zaworów sterujących wstryskiem rozpylanej cieczy. W przypadku stosowania pomp odśrodkowych lub diagonalnych, o ciągłym przebiegu, wymagane jest używanie zaworów wtryskowych rozpylanej cieczy. Zewnętrzna chłodnica 45 oddaje ciepło, zaabsorbowane przez rozpyloną ciecz. Zmniejszenie temperatury rozpylanej cieczy zmniejsza energię potrzebną do sprężania danej masy gazu. W celu osiągnięcia możliwie najniższej temperatury rozpylanej cieczy, jest ona przepuszczana przez chłodnicę bezpośrednio przed wtryskiem. Chłodzenie może być zapewnione przez wymuszony ciąg powietrza lub przez cyrkulację wody z jeziora, rzeki i morza.

Unoszące się w każdej komorze na powierzchni ciekłego tłoka pływaki 50 i 52 zapobiegają powstawaniu fali i wnikaniu cieczy do otworów, przez które przepływa chłodny sprężony gaz. Zaletą wstawiania pływaków jest fakt, że uniemożliwienie wnikania cieczy do tych otworów pozwala na wykonanie większej ilości cykli ciekłego tłoka w danym, czasie. W konsekwencji zwiększaniu ulega wydajność zimnego sprężonego gazu z maszyny o danej wielkości.

Inny wariant sprężarki do gazu, zawierającej zarówno tłok stały, jak i ciekły, jest przedstawiony na fig. 2, na której sprężarka izotermiczna 1 zawiera przewód rurowy 2, w przybliżeniu w kształcie litery U, częściowo napełniony cieczą tworzącą ciekły tłok 7. Tłoki stałe 55, 57 są podtrzymywane w każdym ramieniu 4, 5 przewodu 2 przez tłoki ciekłe. Każde z ramion 4 i 5 jest wydłużone, proste i skonstruowane- w taki sposób, aby tłoki stałe 55, 57 mogły swobodnie wykonywać prostoliniowe ruchy pionowe w kierunku na zewnątrz i do wewnątrz komór 9, 11.

Gęstość tłoków stałych 55, 57 jest większa od gęstości cieczy w ciekłym tłoku 7, tak że całkowite rozmiary złożonego tłoka, zawierającego część stałą i ciekłą, mogą być stosunkowo niewielkie. Na tłokach stałych 55, 57, w pobliżu ich dna, znajdują się uszczelki 56, 58 uszczelniające szczelinę pomiędzy tłokami stałymi 56, 57 i ramionami 4, 5 przewodu 2. Jakkolwiek zadaniem uszczelek 56, 58 jest zapobieganie wyciekaniu cieczy spod tłoków 55, 57, występowanie pewnego wycieku jest nieuniknione, a zatem konieczne jest uzupełnianie ubytków cieczy. Można to realizować przez pompowanie cieczy bezpośrednio do części przewodu rurowego zawierającej tłok ciekły. Tłoki stałe 55, 57 w dogodny sposób zapobiegają zaburzeniom międzyfazowym na powierzchni tłoka ciekłego 7 oraz umożliwiają przechodzenie cieczy z jej powierzchni do gazu. Tłoki stałe 55, 57 i odpowiadające im uszczelki 56, 58 uniemożliwiają jednak łączenie się cieczy wykorzystywanej do rozpylania, z cieczą w ciekłym tłoku. Z tego powodu ciecz przeznaczona do rozpylania jest dostarczana z oddzielnego źródła, a nie przez sam ciekły tłok, jak to miało miejsce w wariancie opisanym poprzednio. W przedstawionym wariancie cieczjest przechowywana w zbiorniku 51, który dostarczają do pomp rozpylanej cieczy 43 i 44. Rozpylona cieczjest usuwana z komór 9, 11 skutkiem działania tłoków stałych 55, 57, które po prostu wydalają ją na zewnątrz przez odpowiednie otwory wylotowe sprężonego gazu 13, 15, wraz z izotermicznie sprężonym gazem. Ciecz ta jest następnie oddzielana odsprężonego gazu w zewnętrznym oddzielaczu wilgoci 47. Oddzielona w oddzielaczu wilgoci ciecz jest skierowywana na powrót do zbiornika 51 przez jedną lub więcej chłodnic 45.

172 335

Niezależnie od metody usuwania rozpylonej cieczy z komór, działanie sprężarki do gazu przedstawionej na fig. 2 jest zasadniczo takie samo, jak sprężarki opisanej poprzednio i przedstawionej na fig. 1.

Opisane dotychczas sprężarki są zasadniczo symetryczne w tym sensie, że wszystkie posiadają tłok poruszający się ruchem posuwisto-zwrotnym, pomiędzy dwiema komorami, z których w każdej zachodzi ten sam proces, a mianowicie naprzemienne sprężanie i rozprężanie gazu. Niemniej, w innych rozwiązaniach sprężanie może następować tylko po jednej stronie tłoka, a więc zachodzi tylko przy przemieszczaniu tłoka w jedną stronę. Podobnie, rozprężanie gorącego sprężonego gazu, nadające energię kinetyczną tłokowi w celu sprężenia gazu, może też następować tylko po jednej stronie tłoka, to jest albo po tej samej stronie co sprężanie, albo po stronie przeciwnej. Takie rozwiązanie może być opisane jako asymetryczne.

W wariancie sprężarki asymetrycznej z tłokiem ciekłym rura może być uformowana w kształcie litery U, tak jak jest to widoczne na fig. fig. 1 i 2, lub w kształcie litery J. Jedno ramię rury zawierałoby komorę sprężania, podczas gdy drugie ramię mogłoby pozostać otwarte i wystawione na ciśnienie atmosferyczne, albo zamknięte i zawierać zamknięty w swej przestrzeni gaz. Podczas pracy pewna ilość gorącego sprężonego gazu jest wytryski wana do komory, gdzie ulega rozprężaniu i ochłodzeniu, wymuszając ruch tłoka w kierunku drugiego końca rury. Ciśnienie i energia cieplna gazu są zamieniane na energię kinetyczną ciekłego tłoka, a w trakcie ruchu tłoka do komory wpuszczanajest pewna objętość gazu pod stosunkowo niskim ciśnieniem. W miarę jak ciekły tłok unosi się w drugim końcu rury, energia kinetyczna ulega zamianie na energię potencjalną wynikającą z wysokości tłoka w rurze w przypadku rury o otwartym końcu, albo na kombinację energii potencjalnej wynikającej z wysokości ciekłego tłoka oraz ciśnienia i energii cieplnej gazu sprężonego nad ciekłym tłokiem, w przypadku rury o zamkniętym końcu. To drugie rozwiązanie jest preferowane, gdyż ramię rury nie musi być w nim zbyt wysokie. Energia potencjalna jest następnie zamieniana na energię kinetyczną ruchu tłoka w kierunku komory sprężania. Gdy gaz w zamkniętym końcu rury jest sprężany adiabatycznie, wówczas przy zawróceniu ciekłego tłoka i jego wniknięcia do komory sprężania w celu sprężenia gazu, energia potencjalna gazu jest zamieniana z powrotem na energię kinetyczną. Gaz jest sprężany izotermicznie przez uruchomienie wtryskiwaczy cieczy.

Oprócz cieczy, masa tłoka może pochodzić od materiału stałego. Wybierając materiał o gęstości dużo większej, niż gęstość cieczy, jako zaletę uzyskuje się możliwość bardzo znacznego zmniejszenia rozmiarów sprężarki. Tłok może być zbudowany całkowicie z materiału stałego, albo może stanowić kombinację wielu tłoków stałych i ciekłych.

Jak wspomniano powyżej, w celu zredukowania rozmiarów sprężarki korzystne może być użycie tłoków stałych z materiału o wysokiej gęstości. Wariant sprężarki, posiadającej pojedynczy tłok stały i przeznaczonej do pracy w trybie asymetrycznym przedstawiono na fig. 3, na której sprężarka do gazu zawiera górną komorę 8 gromadzącą sprężony gaz, usytuowaną przeważnie pionowo nad dolną komorą 10. Stały tłok 12 wykonany ze stałego materiału może się swobodnie poruszać w górę i w dół, w kierunku do wnętrza i na zewnątrz górnej i dolnej komory 8,10. Górna komora 8 posiada otwór wlotowy gazu 29, sterowany zaworem wlotowym gazu 33, oraz otwór wylotowy gazu 13, 29, sterowany zaworem wylotowym gazu 17. Przewidziany jest otwór do wtryskiwania rozpylanej cieczy 37 do górnej komory 8. Dolna komora 10 posiada otwór wlotowy gazu 23, sterowany zaworem wlotowym gazu 27, oraz otwór wylotowy gazu 24, sterowany zaworem wylotowym gazu 26.

Opisany zostanie teraz typowy cykl działania sprężarki, poczynając od spoczynkowego położenia tłoka stałego, podpieranego przez poduszkę sprężonego gazu bezpośrednio nad podstawą dolnej komory 10.

W tym punkcie górna komora 8 zawiera świeżą ilość gazu do sprężenia i oba zawory, wlotowy 33 i wylotowy 17 są zamknięte.

Pewna ilość gorącego sprężonego gazu z dogodnego źródła, na przykład z konwencjonalnej sprężarki, jest wtryskiwana do dolnej komory 10 poprzez otwór wlotowy gazu 23. Gorący sprężony gaz się rozpręża, nadając tłokowi energię kinetyczną i przesuwając tłok 12 w gorę, do górnej komory 8. Wraz z ruchem tłoka 12 do wnętrza górnej komory 8, sprężany jest gaz w górnej komorze. Celem chłodzenia gazu, podczas procesu sprężania przez otwór wtryskowy

172 335 rozpylanej cieczy 37, w górnej komorze 8; wtryskuje się rozpyloną ciecz, tak aby sprężanie przebiegało w przybliżeniu izotermicznie. W pewnym punkcie podczas ruchu tłoka 12 do góry, zamyka się zawór wlotowy 27 w dolnej komorze 10 i gaz w dolnej komorze rozpręża się adiabatycznie.

Gdy gaz w górnej komorze 8 osiąga określone ciśnienie, otwiera się zawór wylotowy sprężonego gazu 17, ustaje rozpylanie cieczy i sprężony gaz wraz z rozpyloną cieczą jest wytłaczany z komory poprzez otwór wylotowy 13. Z chwilą gdy tłok 12 w górnej komorze 8 osiąga górny punkt zwrotny, zamyka się zawór wylotowy sprężonego gazu 17 i cały gaz pozostały w górnej komorze 8 może posłużyć do zaabsorbowania całej energii kinetycznej tłoka stałego przed jego zatrzymaniem u góry komory. Pozostający w komorze gaz jest sprężany adiabatycznie tak, że magazynowana w nim energia może zostać uwolniona poprzez dopuszczenie do adiabatycznego rozprężenia się gazu, nadając w ten sposób energię kinetyczną tłokowi 12 poruszającemu się w kierunku przeciwnym, na zewnątrz górnej komory.

Po odwróceniu kierunku ruchu tłoka 12 otwiera się zawór wylotowy gazu 26 w dolnej komorze 10 i stosunkowo chłodny rozprężony gaz z dolnej komory zostaje wydalany przez otwór wylotowy 24. Gdy ciśnienie w górnej komorze spada do ciśnienia gazu wlotowego, otwiera się zawór wlotowy gazu 33 w górnej komorze i przy ruchu 8 tłoka 12 w dół na zewnątrz komory, do górnej komory 8 zostaje wprowadzony gaz pod stosunkowo niskim ciśnieniem.

Gdy tłok 12 zbliża się do podstawy dolnej komory 10, zamyka się zawór wylotowy gazu 26 i pozostały w dolnej komorze gaz jest sprężany adiabatycznie, opóźniając ruch tłoka do dołu i służąc jako poduszka pomiędzy tłokiem 12 i podstawą komory.

Moment zamknięcia zaworu wylotowego gazu 26 może być tak wybrany, aby ciśnienie gazu w dolnej komorze w chwili zmiany kierunku ruchu tłoka było równe ciśnieniu wlotowemu gorącego sprężonego gazu. Z chwilą zatrzymania się tłoka w dolnej komorze otwiera się zawór wlotowy sprężonego gazu 27, a do dolnej komory wtryskiwany jest świeży ładunek gorącego sprężonego gazu po czym cykl się powtarza.

W tym wariancie, układem do zmiany energii kinetycznej ruchu tłoka w jednym kierunku na energię potencjalną nadającą tłokowi energię kinetyczną ruchu w drugim kierunku jest sama grawitacja. W tym przypadku częstotliwość robocza sprężarki jest ograniczona przez grawitacyjną siłę przywracającą równowagę układu. Częstotliwość można jednak zwiększyć przez wstawieniejakiegoś układu absorbującego przekazującego energię kinetyczną tłoka w większym stopniu, niż umożliwia to grawitacja, na przykład przez umieszczenie nad tłokiem przestrzeni dla gazu, który byłby sprężany i rozprężany podczas powrotnego ruchu tłoka w górnej komorze, jak wspomniano powyżej.

W innym wariancie sprężarki do gazu, w którym stały tłok jest ustawiony w taki sposób, aby poruszał się prostoliniowo i pionowo, można także umieścić układ do wtryskiwania gorącego sprężonego gazu zarówno do górnej, jak i do dolnej komory, tak że energia jest przekazywana poruszającemu się w obu kierunkach tłokowi przez wtryskwanie i rozprężanie gazu. Sprężarka może także zostać przystosowana do wytwarzania izotermicznie sprężonego gazu zarówno w komorze dolnej, jak i górnej. Co więcej, sprężarka może być zbudowana w taki sposób, że po rozprężeniu gorącego sprężonego gazu, do każdej komory jest wprowadzana dodatkowa masa gazu pod stosunkowo niskim ciśnieniem tak, aby sprężarka wytwarzała większą ilość sprężonego gazu, niż jest wymagane do jej napędzania. Sprężarka ta jest symetryczna w tym sensie, że ten sam proces zachodzi po każdej stronie tłoka, ale jest asymetryczna w tym sensie, że siły napędzająca i przywracająca równowagę są spolaryzowane przez grawitację.

Sprężarka do gazu przedstawiona na fig. 4 zawiera górną komorę 9 usytuowaną głownie pionowo nad dolną komorą 11 i tłokiem stałym 12, który może swobodnie poruszać się w górę i w dół, do wewnątrz i na zewnątrz komory górnej i dolnej. W celu zapobieżenia wyciekom gazu z każdej z komór, pomiędzy tłokiem i ścianami komory umieszczony jest układ uszczelniający 14. Każda komora 9, 11 posiada otwór wlotowy gorącego sprężonego gazu 21,23, sterowany zaworem wlotowym sprężonego gazu 25,27, wprowadzający ładunek gorącego sprężonego gazu do komory, otwór wylotowy sprężonego gazu 13, 15, sterowany zaworem wylotowym sprężonego gazu 17, 19, umożliwiający wydalanie z komory chłodnego sprężonego gazu, otwór wlotowy gazu 29,31 sterowany zaworem wlotowym gazu 33,35, wpuszczający dodatkową masę

172 335 gazu do komory, oraz otwór do wtryskiwania rozpylanej cieczy 37, 39, doprowadzający rozpyloną ciecz do komory, podczas sprężania.

Ciecz wtryskiwana do każdej komory sprężania podlega odzyskowi i recyrkulacji. System odzyskiwania cieczy składa się z oddzielacza wilgoci 47, 49, podłączonego do każdego z otworów wylotowych sprężonego gazu 13, 15, którego zadaniem jest oddzielanie rozpylonej cieczy ze sprężonego gazu, z systemu chłodzącego 45, dołączonego do każdego oddzielacza wilgoci 47, 49 w celu chłodzenia rozpylanej cieczy, oraz z oddzielanych pomp 43 i 44, włączonych pomiędzy system chłodzenia i każdy z otworów wtryskowych 37, 39, przepompowujących ciecz z oddzielaczy wilgoci 47, 49, poprzez system chłodzenia 45 do komór sprężania 9 i 11. Zalecane jest używanie pomp wtryskujących rozpyloną ciecz do komór ze stałą szybkością, w miarę jak wzrasta ciśnienie w komorach, podczas sprężania. Do uzupełnienia cieczy nie odzyskanej lub traconej z systemu odzysku przewidziany jest zbiornik opadowy 51.

Typowy cykl działania sprężarki 1, pokazanej na fig. 4, przebiega następująco, poczynając od położenia tłoka stałego 12 w stanie chwilowego spoczynku bezpośrednio nad podstawą dolnej komory 11 i podpieranego przez poduszkę sprężonego gazu. W tym punkcie wszystkie zawory wlotowe i wylotowe gazu w obu komorach, dolnej 11 i górnej 9 są zamknięte, a górna komora zawiera masę chłodnego rozprężonego gazu wprowadzonego poprzednio przez otwór wlotowy gorącego sprężonego gazu 21, wraz z dodatkową masą gazu wprowadzonego uprzednio przez otwór wlotowy gazu 29.

Z chwilą gdy tłok 12 w dolnej komorze 11 zatrzymuje się chwilowo, otwiera się zawór wlotowy gorącego sprężonego powietrza 27 i do dolnej komory wprowadzany jest ładunek gorącego sprężonego gazu. Po z góry określonym czasie zawór wlotowy się zamyka. Następnie gaz rozpręża się adiabatycznie, przepychając tłok 12 z dolnej komory 11 do górnej komory 9. Tym sposobem energia rozprężania gorącego sprężonego gazu jest zamieniana na energię kinetyczną dużego tłoka stałego, który zostaje wypchnięty do góry uzyskując energię potencjalną. Energia kinetyczna tłoka jest z kolei częściowo zamieniana na energię sprężania sprężonego gazu w górnej komorze 9. Wraz z ruchem tłoka 12 do wnętrza górnej komory 9, gaz w górnej komorze jest sprężany, a w celu zapobieżenia nagrzania się gazu, w górnej komorze 9 rozpylana jest chłodna ciecz tak, aby sprężanie mogło zachodzić w przybliżeniu izotermicznie.

Adiabatyczne rozprężanie gorącego sprężonego gazu wprowadzonego do dolnej komory 11 przekazuje wystarczającą ilość energii kinetycznej tłokowi 12 w kierunku górnej komory 9 tak, że gdy wytwarzane przez rozprężający się gaz w dolnej komorze 1 1 i skierowane na tłok 12 parcie do góry staje się mniejsze, niż działająca na tłok siła skierowana w dół (wywołana jego masą i ciężarem oraz ciśnieniem gazu w górnej komorze), tłok 12 dzięki swej dużej bezwładności będzie kontynuował ruc h oo óóry oo komory óóreej 9. Zchwilą gdy ciśnienie gazu w oolnej komorze spadnie poniżej ciśnienia pod jakim dostarczany jest gaz dodatkowy, otwiera się zawór wlotowy gazu 35 w dolnej komorze i podczas gdy tłok kontynuuje ruch ku górze, dodatkowa masa gazu jest wprowadzana do dolnej komory.

Z chwilą gdy ciśnienie w górnej komorze osiągnie określoną wartość, otwiera się zawór wylotowy sprężonego gazu 17 i chłodny sprężony gaz wraz z rozpyloną cieczą jest wytłaczany z górnej komory przez otwór wylotowy sprężonego gazu 13. Sprężony gaz przechodzi przez oddzielacz wilgoci 47, w którym rozpylana ciecz jest usuwana ze sprężonego gazu, a oddzielona ciecz jest doprowadzana do chłodnicy 45, w której jest ona ochładzana przed ponownym rozpyleniem.

Z chwilą gdy tłok 12 osiąga końcowy punkt swego suwu w górnej komorze 9, zamyka się zawór wylotowy sprężonego gazu 17, a resztkowy gaz pozostały w górnej komorze doprowadza do zatrzymania się tłoka. Zaleca się takie ustalenie momentu zamknięcia zaworu wylotowego gazu 17, aby w punkcie zwrotu tłoka w górnej komorze 9 ciśnienie gazu w komorze było równe ciśnieniu wlotowemu gorącego sprężonego gazu. Gdy tłok przechodzi do położenia spoczynkowego, zamyka się zawór wlotowy sprężonego gazu 95 w dolnej komorze tak, że w tym momencie wszystkie zawory wlotowe i wylotowe w dolnej komorze 11 są zamknięte. Następnie w górnej komorze otwiera się zawór wlotowy gorącego sprężonego gazu i do górnej komory, przez otwór wlotowy gorącego sprężonego gazu 21, wprowadzany jest ładunek gorącego sprężonego gazu. Po upływie założonego czasu zawór wlotowy gazu się zamyka i gaz rozpręża

172 335 się adiabatycznie, przepychając tłok 12 z komory górnej 9 do komory dolnej 11. Tak więc energia rozprężania gazu w górnej komorze jest zamieniana na energię kinetyczną ruchu tłoka w kierunku dolnej komory. Ze względu na masę i ciężar tłoka, jego energia potencjalna również jest zamieniana na energię kinetyczną. Gaz w komorze dolnej (składający się z masy chłodnego rozprężonego gazu zassanego uprzednio przez otwór wlotowy gorącego sprężonego gazu 23 oraz z masy gazu dodatkowego, zassanego przez otwór wlotowy gazu 31) jest sprężany podczas ruchu tłoka 12 do komory dolnej 11, a w celu odebrania od gazu ciepła sprężania, do komory dolnej 11 wtryskiwana jest rozpylana ciecz, zapobiegając w ten sposób wzrostowi temperatury gazu, tak aby proces sprężania mógł przebiegać w przybliżeniu iz.otermicznie. Tak więc kinetyczna energia tłoka jest zamieniana na energię sprężania gazu w dolnej komorze 11.

Z chwilą gdy ciśnienie gazu w górnej komorze 9 spadnie poniżej ciśnienia pod jakim dostarczany jest gaz dodatkowy, otwiera się zawór wlotowy gazu 33 i podczas gdy tłok 12 kontynuuje ruch ku górze, do górnej komory 9 zostaje wprowadzona dodatkowa masa gazu.

Z chwilą gdy ciśnienie w dolnej komorze 11 osiągnie określoną wartość, otwiera się zawór wylotowy sprężonego gazu 19 i sprężony gaz wraz z rozpyloną cieczą jest wyprowadzany z dolnej komory przez otwór wylotowy sprężonego gazu 15. Sprężony gaz i rozpylona ciecz są doprowadzane do oddzielacza wilgoci 49, w którym rozpylona ciecz jest usuwana ze sprężonego gazu, a następnie ciecz jest doprowadzana do chłodnicy 45, w której jest ochładzana przed ponownym rozpyleniem.

Tuż przed osiągnięciem przez tłok 12 górnej granicy jego ruchu w dolnej komorze 11, zamyka się zawór wylotowy sprężonego gazu 19 schwytując pozostały sprężony gaz w dolnej komorze; służy on później do zatrzymania tłoka. Zaleca się takie ustawienie momentu zamknięcia zaworu wylotowego gazu, aby w punkcie zwrotu tłoka w dolnej komorze, ciśnienie gazu w komorze było równe ciśnieniu na wlocie gorącego sprężonego gazu. Z chwilą gdy tłok przechodzi do położenia spoczynkowego, zamyka się zawór wlotowy gazu 33 w dolnej komorze, tak że w tym momencie wszystkie zawory wlotowe i wylotowe w górnej komorze 9 są zamknięte. Następnie otwiera się zawór wlotowy gorącego sprężonego gazu 27, wprowadzając do dolnej komory świeży ładunek gorącego sprężonego gazu. Następnie cykl się powtarza.

Jak już wspomniano, liniowa pionowa sprężarka do gazu przedstawiona na fig. 4 jest symetryczna tylko w przybliżeniu, a to ze względu na wagę tłoka, która polaryzuje siły przywracające równowagę w kierunku dolnej komory. Na ogół może być pożądane, aby ciśnienie wylotowe sprężonego gazu było takie samo w dolnej i górnej komorze tak, aby w czasie całego cyklu sprężony gaz mógł być dostarczany pod stałym ciśnieniem. Co więcej, może być także pożądane, aby ciśnienie wlotowe sprężonego gazu było takie samo w dolnej i górnej komorze. Każdy z powyższych celów może być osiągnięty przez zapewnienie dopływu różnych mas gazu do komory dolnej i górnej. Przepływ gazu przez górną i dolną komorę może być kontrolowany dobrem wielkości otworów wlotowych i wylotowych gazu i/lub czasu, podczas którego zawory wlotowe i wylotowe są otwarte.

Ze względu na skończone rozmiary szczeliny, która zawsze istnieje pomiędzy tłokiem i górnym końcem górnej komory z chwilą gdy tłok dochodzi do punktu spoczynkowego, nie cała ciecz rozpylona w górnej komorze jest wydalana i w górnej komorze pozostaje zawsze jakaś jej część. Nie należy jednak oczekiwać istotnego wpływu tej resztkowej cieczy na osiągi sprężarki. Po każdym cyklu sprężania pewna ilość cieczy może także pozostawiać w dolnej komorze, niemniej usuwaniu rozpylonej cieczy może sprzyjać, na przykład, odpowiednie ukształtowanie dna komory i umieszc/enie otworów wlotowych i wylotowych w taki sposób, aby ciecz mogła wypływać z komory.

Inny wariant sprężarki do gazu z poruszającym się prostoliniowo pionowo stałym tłokiem, zastosowanej w instalacji turbiny gazowej, jest przedstawiony na fig. 5. W tym wariancie chłodny sprężony gaz jest wytwarzany w górnej komorze i w tym sensie wariant ten jest podobny do sprężarki w wariantach przedstawionych fig. 3 i 4. Niemniej, w przeciwieństwie do tamtych, dolna komora jest zamknięta i zawiera gaz pracujący jako sprężyna absorbująca energię kinetyczną tłoka podczas jego ruchu w dół, w kierunku na zewnątrz górnej komory i oddająca energię kinetyczną tłokowi podczas jego ruchu w kierunku przeciwnym, do wnętrza górnej komory.

172 335

W nawiązaniu do fig. 5, sprężarka do gazu 1 zawiera komorę górną 8 ustawioną głównie pionowo nad komorą dolną 11, oraz tłok stały 12 tak usytuowany, że może swobodnie poruszać się ruchem posuwisto-zwrotnym między obiema komorami 8, 11. Pomiędzy tłokiem 12 a ścianami komór 8,11 sprężarka 1 zawiera układ uszczelniający 14, zapobiegający wyciekom z obu komór 8,11. Komora górna 8 posiada otwór wlotowy gorącego sprężonego gazu 21, sterowany zaworem 25, wpuszczający gorący sprężony gaz do komory 8, sterowany zaworem 17 otwór wylotowy chłodnego sprężonego gazu 13 pozwalający na wytłoczenie chłodnego sprężonego gazu z komory 8, oraz otwór wlotowy gazu 29, sterowany zaworem 33 i wpuszczający dodatkową masę gazu do górnej komory 8, gdy ciśnienie gazu w komorze 8 spadnie poniżej określonej wartości.

W górnej komorze 8 utworzony jest także otwór wtryskowy rozpylanej cieczy 37, przeznaczony do wtryskiwania rozpylanej cieczy w czasie sprężania. W celu regeneracji rozpylanej cieczy z komory sprężania i chłodzenia po kompresji, przewidziany został system regeneracyjny. System regeneracyjny obejmuje oddzielacz wilgoci 47, dołączony do otworu wylotowego 13 komory górnej, usuwający rozpylaną ciecz z chłodnego sprężonego gazu opuszczającego komorę, system chłodzenia 45 dołączony do oddzielacza wilgoci 47 i chłodzący rozpylaną ciecz, oraz pompę 43, włączoną pomiędzy system chłodzenia 45 i otwór wtryskowy rozpylanej cieczy 13 w komorze górnej, pompującą ciecz z oddzielacza wilgoci 47, poprzez system chłodzenia 45, do wnętrza komory górnej 9 przez dyszę rozpylającą. Przewiduje się zbiornik opadowy zawierający rozpylaną ciecz, uzupełniający braki cieczy nie odzyskanej lub straconej w systemie regeneracji. Otwór wlotowy 21 gorącego sprężonego gazu jest podłączony do rotacyjnej sprężarki 61, do której jest dołączony główny generator 63. Do sprętżarki rotacyjnej 61 jest dołączona turbina gazowa 59 z komorą spalania 57. Turbina gazowa 59 jest podłączona do wymiennika ciepła gazowo-powietrznego 55. Otwór wylotowy chłodnego sprężonego gazu 13 jest połączony z układem w skład którego wchodzi generator 65 połączony z turbiną powietrzną 67 i turbiną powietrzną 69 oraz wymiennikiem ciepła 56.

Komora dolna 11 zawiera pewną objętość gazu, zamkniętą na stałe, jak najszczelniej, wewnątrz komory 11. Wycieki pewnej ilości gazu z dolnej komory, poprzez uszczelkę 14 pomiędzy stałym tłokiem a ścianami komory, są nieuniknione, możliwe jest jednak podejmowanie pewnych kroków w celu uzupełnienia ubytków gazu, przez na przykład, umieszczenie w dolnej komorze otworu wlotowego gazu, sterowanego zaworem, doprowadzającego uzupełniający sprężony gaz z odpowiedniego źródła.

Typowy cykl działania sprężarki przedstawionej na fig. 5 przebiega następująco, poczynając od stałego tłoka 12 chwilowo spoczywającego w górnym punkcie swojego suwu w komorze górnej 9. W tym momencie zawór wylotowy sprężonego gazu 17 i zawory wlotowe gazu 25 i 33 są zamknięte, a komora może zawierać porcję sprężonego gazu.

Gdy tłok zmienia kierunek, otwiera się zawór wlotowy gorącego sprężonego gazu 25, wprowadzając do komory górnej ładunek gorącego sprężonego gazu. Po założonym okresie czasu, zawór wlotowy gorącego sprężonego gazu zamyka się i gorący sprężony gaz rozpręża się adiabatycznie, napędzając tłok 12 w dół, na zewnątrz komory górnej. W miaręjak tłok 12 porusza się do wnętrza komory dolnej 11, gaz w komorze dolnej jest adiabatycznie sprężany tak, że energia kinetyczna nadana tłokowi 12 w kierunku dolnej komory jest absorbowana przez gaz jako energia sprężania i energia cieplna, a ta druga daje w wyniku towarzyszący procesowi wzrost temperatury gazu. Z chwilą gdy ciśnienie rozprężonego gazu w komorze górnej 9 spadnie do poziomu ciśnienia źródła gazu dodatkowego, otwiera się zawór wlotowy gazu 33 i przy wciąż trwającym ruchu tłoka 12 w dół, do komory górnej jest wprowadzana dodatkowa masa gazu. Z chwilą gdy cała energia kinetyczna tłoka zostanie pochłonięta przez gaz w komorze dolnej, tłok zatrzymuje się na moment i zamyka się zawór wlotowy gazu 33 w górnej komorze. Gorący teraz gaz w dolnej komorze rozpręża się następnie adiabatycznie, nadając energię kinetyczną tłokowi 12 poruszającemu się w kierunku komory górnej 9. Wraz z powrotnym ruchem tłoka do komory górnej 9, sprężany jest gaz w górnej komorze, składający się z masy gazu wprowadzonego uprzednio jako gorący sprężony gaz przez otwór wlotowy 13 oraz z dodatkowej masy gazu o stosunkowo niskim ciśnieniu, wprowadzonego przez otwór wlotowy 29. Podczas sprężania gazu, do wnętrza górnej komory wtryskiwana jest rozpylona ciecz w postaci małych

172 335 kropelek, mająca za zadanie odebranie ciepła sprężania od gazu, tak aby proces sprężania mógł przebiegać w przybliżeniu izotermicznie. Wtrysk rozpylanej cieczy może następować w momencie, gdy temperatura gazu w górnej komorze osiągnie temperaturę rozpylanej cieczy. Z chwilą gdy ciśnienie gazu w komorze górnej 9 osiągnie pożądaną wartość, otwiera się zawór wylotowy sprężonego gazu 17 i chłodny sprężony gaz, wraz z rozpyloną cieczą, jest odprowadzany z komory górnej przez otwór wylotowy gazu 13. Sprężony gaz i rozpylona ciecz są doprowadzane do oddzielacza wilgoci 47, w którym rozpylona ciecz jest oddzielona od gazu.

Zanim tłok osiągnie górną granicę swego suwu w górnej komorze, zamyka się zawór wylotowy sprężonego gazu 17, a pozostały w tej komorze gaz pomaga doprowadzić do zatrzymania tłoka. Z chwilą zatrzymania się tłoka otwiera się zawór wlotowy gorącego sprężonego gazu 25 i do górnej komory 9, przez otwór wlotowy gazu 21 wprowadzony zostaje świeży ładunek gorącego sprężonego gazu i cykl się powtarza.

Ponieważ ten wariant posiada tylko jedną komorę wytwarzającą chłodny sprężony gaz, sprężony gaz jest wytwarzany tylko raz w ciągu cyklu. W celu wytwarzania gazu o bardziej stałym natężeniu przepływu podczas trwania cyklu, można dodać jedną lub więcej dodatkowych sprężarek do gazu, pracujących niefazowo z pozostałymi. Na przykład przy używaniu jednej dodatkowej sprężarki, cykl pracy obu sprężarek należy przesunąć o 180°. W zależności od ustawienia sprężarek, przesunięcie fazowe może być wykorzystane do zapobiegania mechanicznym wibracjom, wytwarzanym przez przyspieszanie i zwalnianie masywnych tłoków stałych.

W alternatywnym wariancie sprężarki z tłokiem stałym poruszającym się prostoliniowo i pionowo, komora dolna może być przystosowana do wytwarzania gazu sprężonego izotermicznie oraz do wprowadzania gorącego sprężonego gazu, przekazującego energię kinetyczną tłokowi poruszającemu się do góry. Komora górna może zawierać czynnik gazowy, który jest adiabatycznie sprężany przez tłok i absorbuje jego energię kinetyczną podczas suwu do góry, a następnie ro/.pręża się nadając energię kinetyczną tłokowi poruszającemu się w dół, w kierunku komory dolnej. W tym wariancie, który zasadniczo jest odwróconą formą wariantu pokazanego na fig. 5, energia kinetyczna ruchu tłoka w kierunku do komory górnej jest zamieniana zarówno na energię sprężania i energię cieplną gazu w komorze górnej, jak i na energię potencjalną związaną z grawitacją. Alternatywnie, komora górna może być całkowicie pominięta, tak że cała energia kinetyczna nadana tłokowi stałemu przez wprowadzenie gorącego sprężonego gazu do dolnej komory jest zamieniana na grawitacyjną energię potencjalną, a następnie uwalniana jako energia kinetyczna ruchu w przeciwnym kierunku, do komory dolnej, powodująca sprężenie znajdującego się tam gazu. Tak więc zaletą tego wariantu jest fakt, że posiada on tylko jedną komorę i nie wymaga zewnętrznego oprzyrządowania, związanego z komorą adiabatycznego sprężania/rozprężania gazu, służącego do uzupełniania strat. Zaletą izotermicznego sprężania w komorze dolnej jest możliwość takiego zaprojektowania komory, aby wykorzystywać siły grawitacji do usuwania resztek rozpylanej cieczy.

W innym wariancie sprężarka do gazu może zawierać tłok stały usytuowany tak, aby poruszał się w płaszczyźnie poziomej. Fig. 6 przedstawia przykład takiego wariantu, zawierający dwie umieszczone naprzeciw siebie poziome komory oraz masywny tłok stały umieszczony w taki sposób, aby poruszał się prostoliniowo w jedną i drugą stronę, do wewnątrz i na zewnątrz każdej z komór.

Sprężarka do gazu przedstawiona na fig. 6 zawiera dwie leżące poziomo naprzeciw siebie komory 9, 11, z których każda posiada otwór wlotowy gorącego sprężonego gazu 21, 23, sterowany zaworem sprężonego gazu 25,27, wprowadzający ładunek gorącego sprężonego gazu do każdej komory, otwór wylotowy sprężonego gazu 13, 15, sterowany zaworem 17, 19, umożliwiający wytłoczenie sprężonego gazu z każdej komory, otwór wlotowy gazu 31, 33 sterowany zaworem wlotowym gazu 35, 37, wpuszczający dodatkową masę gazu do komory, oraz otwór do wtryskiwania rozpylanej cieczy 38, 39, wprowadzający rozpyloną ciecz do komory w celu regulowania temperatury gazu. Sprężarka do gazu posiada masywny tłok stały 12, podparty na zmniejszających tarcie łożyskach 14, 16 i swobodnie poruszający się ruchem posuwisto-zwrotnym pomiędzy obiema komorami 9, 11. Pomiędzy tłokiem 12 a ścianami każdej komory przewidziane są uszczelnienia ślizgowe, 56, 58, zapobiegające przeciekom gazu między

172 335 tłokiem 12 i ścianami komór. W tym wariancie każdy koniec tłoka 12 jest zaokrąglony, podobnie jak zakończenia komór 9, 11.

W celu odzyskiwania rozpylanej cieczy po izotenmcznym sprężaniu gazu w każdej komorze oraz jej przetwarzania i ponownego użycia, przewidziany jest system odzyskiwania cieczy. System odzyskiwania cieczy zawiera oddzielacze wilgoci 47,49, podłączone do każdego otworu wylotowego sprężonego gazu 13, 15 i mające za zadanie oddzielanie rozpylanej cieczy od sprężonego gazu. Dla ułatwienia usuwania cieczy, w dolnych częściach obu komór wykonano otwory wylotowe. Oba oddzielacze wilgoci 47, 49 są dołączone do systemu chłodzącego 45, zapewniającego chłodzenie rozpylanej cieczy. Dla każdej komory przewidziano pompę 43, 44 wstawioną pomiędzy system chłodzenia i otwory wtryskowe rozpylanej cieczy 38, 39, mające za zadanie przepompowywanie cieczy z oddzielacza wilgoci 47,49, poprzez system chłodzenia, z powrotem do każdej z komór sprężania, poprzez otwory wtryskowe rozpylanej cieczy.

Cykl działania tego wariantu sprężarki gazu przebiega następująco, poczynając od położenia stałego tłoka 12 w punkcie zwrotnym w prawej komorze, gdy wszystkie zawory w komorze 11 pozostają zamknięte. Prawa komora zawiera niewielką ilość adiabatycznie sprężonego gazu, wykorzystanego do spowodowania zatrzymania tłoka. W tym stanie lewa komora zawiera pewną masę gazu, składającą się z masy ochłodzonego sprężonego gazu wprowadzonego poprzednio jako gorący sprężony gaz przez otwór wlotowy gorącego sprężonego gazu 21, oraz z dodatkowej masy gazu o stosunkowo niskim ciśnieniu wprowadzonego uprzednio przez otwór wlotowy gazu 31. Wszystkie zawory w lewej komorze 9 są zamknięte.

Po zatrzymaniu się tłoka, sprężony gaz w prawej komorze 11 zaczyna się rozprężać i wypychać tłok 12 na zewnątrz komory. W tym samym momencie otwiera się zawór wlotowy gorącego sprężonego gazu 27 i do prawej komory wprowadzany jest ładunek gorącego sprężonego gazu. Po z góry określonym czasie zawór wlotowy się zamyka. Następnie gaz rozpręża się adiabatycznie, przepychając tłok 12 z komory prawej 11 do komory lewej 9. Tym sposobem energia rozprężania jest zamieniana na energię kinetyczną ruchu tłoka w kierunku komory lewej 9. Tłok 12 poruszający się do wnętrza komory lewej 9, spręża gaz, a w tym samym czasie do komory wtryskiwana jest rozpylona ciecz, mająca za zadanie chłodzenie gazu podczas sprężania.

Z chwilą gdy ciśnienie rozprężającego się gazu w komorze prawej 11 spadnie poniżej założonej wartości, otwiera się zawór wlotowy gazu 37 i przez otwór wlotowy gazu 33 prawej komory wprowadzana jest dodatkowa masa gazu pod stosunkowo niskim ciśnieniem.

Z chwilą gdy ciśnienie gazu w lewej komorze 9 osiągnie żądaną wartość, wtryskiwanie rozpylanej cieczy przez otwór 38 zostaje zatrzymane, otwiera się zawór wylotowy sprężonego gazu 17 i sprężony gaz wraz z rozpyloną cieczą jest wytłaczany z komory przez otwór wylotowy sprężonego gazu 13. Sprężony gaz i rozpylona ciecz przechodzą przez oddzielacz wilgoci 47, w którym rozpylona ciecz jest usuwana z gazu. Przed ponownym użyciem oddzielona ciecz przeznaczona do rozpylania jest doprowadzana do chłodnicy 45.

Zanim tłok 12 osiągnie swoje graniczne położenie w lewej komorze 9, zamyka się zawór wylotowy sprężonego gazu 17, a resztkowy gaz pozostały w komorze jest sprężany adiabatycznie, doprowadzając do chwilowego zatrzymania tłoka. W tym momencie zamyka się zawór wlotowy gazu 37 w prawej komorze 11. Następnie, wskutek rozprężania się gazu resztkowego, tłok zmienia kierunek ruchu na przeciwny, otwiera się zawór wlotowy gorącego sprężonego gazu 25 i do lewej komory 9, przez otwór wlotowy gorącego sprężonego gazu 21, wtryskiwany jest świeży ładunek gorącego sprężonego gazu. Po upływie założonego czasu zawór wlotowy gazu 25 się zamyka i gaz rozpręża się adiabatycznie, wypychając tłok 12 z lewej komory 9 do prawej komory 11.

Wszystkie zawory wlotowe i wylotowe w prawej komorze 11 są zamknięte, a sama komora 11 zawiera masę gazu, składającą się z masy ochłodzonego rozprężonego gazu wprowadzonego uprzednio jako gorący sprężony gaz przez otwór wlotowy 23 oraz z dodatkowej masy gazu o stosunkowo niskim ciśnieniu, wprowadzonego poprzednio przez otwór wlotowy 33. Wraz z ruchem tłoka 12 do prawej komory 11 gaz ulega sprężaniu, a jednocześnie, w celu chłodzenia gazu podczas sprężania, do komory tej jest wtryskiwana rozpylona ciecz, przez otwór wtryskowy 39.

172 335

Z chwilą gdy ciśnienie gazu w komorze lewej 9 spadnie do pewnej określonej wartości, otwiera się zawór wlotowy gazu 17 i dodatkowa masa gazu pod stosunkowo niskim ciśnieniem zostaje wprowadzona do lewej komory 9, przez otwór wlotowy 13.

Z chwilą gdy ciśnienie w prawej komorze 1 1 osiągnie żądaną wartość, otwiera się zawór wylotowy sprężonego gazu 19 i sprężony gaz wraz z rozpyloną cieczą jest wytłaczany z komory przez otwór wylotowy 15. Sprężony gaz i rozpylona ciecz są następnie doprowadzane do oddzielacza wilgoci 49, w którym rozpylona ciecz jest usuwana ze sprężonego gazu. Następnie ciecz jest doprowadzana do chłodnicy 45, w której jest ochładzana przed ponownym użyciem.

Przed osiągnięciem przez tłok 12 granicznego położenia w komorze prawej 11, zamyka się zawór wylotowy sprężonego gazu 19, zatrzymuje się wtryskiwanie rozpylanej cieczy, a pozostały gaz jest sprężany adiabatycznie, powodując chwilowe zatrzymanie tłoka 12. W tym momencie wszystkie zawory wlotowe i wylotowe w komorze lewej 9 są zamknięte. Otwiera się zawór wlotowy gorącego sprężonego gazu 27, wprowadzając do prawej komory świeży ładunek gorącego sprężonego gazu, który rozpręża się przepychając tłok z komory prawej do lewej i cykl się powtarza. Ze względu na to, że stały tłok porusza się w płaszczyźnie poziomej, należy przewidzieć środki do podpierania tłoka, a równocześnie do redukowania do minimum sił tarcia przeciwstawiających się poziomemu ruchowi tłoka. Łożyskami podpierającymi mogą być łożyska mechaniczne, na przykład wałeczkowe, specjalnie zaprojektowane w celu utrzymania ciężaru tłoka. Ciężar tłoka podtrzymywany przez każde łożysko może być zmniejszony przez zwiększenie liczby łożysk. Chociaż pożądane jest wykonanie tłoka możliwie zwartego, ciężar tłoka na jednostkę długości i szerokości może być zmieniany przez odpowiednią zmianę jego wymiarów. Tłok może posiadać dowolny kształt, a jego geometria i rozmiar przekroju poprzecznego mogą zmieniać się wraz z długością. Stąd masa tłoka może być zmienna wraz z długością i, co więcej, może się okazać właściwe skoncentrowanie masy tłoka, na przykład w tym, a nie innym miejscu. W pewnych zastosowaniach może być właściwe zaprojektowanie łożysk podpierających tak, aby ich masa stanowiła znaczną część całkowitej masy tłoka. Do podpierania tłoka można też wykorzystać innego typu łożyska przeciwwartościowe, na przykład łożyska, których działanie oparte jest na zasadzie magnetycznej lewitacji lub unoszenia przez tłoczony płyn.

W niektórych zastosowaniach korzystne może być, aby rozpylona ciecz, która podczas sprężania utrzymuje gaz lub powietrze w komorze sprężania blisko warunków izotermicznych, była wytwarzana poza komorą sprężania. Rozpylona ciecz lub mgła może być wytwarzana w oddzielnym zewnętrznym naczyniu, zawierającym powietrze lub inny gaz. Rozpylona ciecz lub mgła może być następnie przed sprężeniem zasysana do komory sprężania wraz z powietrzem lub innym gazem.

Figura 7 przedstawia liniową pionową sprężarkę do gazu, podobną do przedstawionej na fig. 5, ale zawierającą wydzielone naczynie na zewnątrz komory sprężania, w którym wytwarzana jest mgła do chłodzenia gazu podczas sprężania przed doprowadzeniem do komory sprężania i mieszana z powietrzem atmosferycznym. Jak przedstawiono na fig. 7, sprężarka zawiera komorę górną 9 umieszczoną pionowo nad komorą dolną 11 oraz tłok stały 12, który może poruszać się ruchem posuwisto-zwrotnym w kierunku pionowym, do wnętrza i na zewnątrz każdej komory. Górna komora 9 posiada otwór wlotowy gorącego sprężonego gazu 21, sterowany zaworem 25, wpuszczający sprężony gorący gaz do komory, w celu napędzania tłoka 12 do dołu, otwór wylotowy chłodnego sprężonego gazu 13, sterowalny zaworem 17, umożliwiający wytłoczenie chłodnego sprężonego gazu z komory 9, oraz otwór wlotowy gazu 29 sterowany zaworem 33, pozwalający na zassanie do komory rozpylanej cieczy wraz z gazem pod stosunkowo niskim ciśnieniem. Otwór wlotowy gazu 29 jest dołączony do oddzielnego naczynia 55, w którym wytwarzana jest mgła. Przewidziany jest otwór wlotowy gazu 57, pozwalający na doprowadzenie gazu do wytwornicy mgły 55.

Ciecz wydzielona z chłodnego sprężonego gazu, opuszczającego komorę sprężania, jest utrzymywana w obiegu przez pompę 43 i zawracana do wytwornicy mgły 55 poprzez chłodnicę 45. Rozpylona ciecz lub mgła może być wytwarzana wewnątrz wytwornicy mgły przy pomocy dowolnych środków konwencjonalnych, na przykład przez przetłaczanie cieczy przez jedną lub więcej dysz rozpylających. Podczas ruchu tłoka 12 w dół otwiera się zawór wlotowy

172 335 gazu 33 i przez otwór wlotowy gazu 57 do wnętrza wytwornicy mgły zasysany jest gaz, który porywa drobne kropelki do komory sprężania przez otwór wlotowy gazu 29. Ponieważ rozpylana ciecz jest wprowadzana do komory sprężania w czasie, gdy ciśnienie w jej wnętrzu jest stosunkowo niskie, oraz ponieważ rozpylana ciecz jest doprowadzana raczej przed niż podczas sprężania, wymagana praca pompowania jest mniejsza, a jednocześnie powinno się uzyskiwać lepszą dystrybucję kropelek wewnątrz komory sprężania. Przez wytwarzanie rozpylonej cieczy poza komorą sprężania można osiągnąć ponadto drobniejsze krople rozpylanej cieczy. Na przykład, bardziej korzystne może być oddzielenie większych kropli i zawrócenie ich do obiegu, niż wtryskiwanie do izotermicznej sprężarki. Może być także pożądane wspomaganie dopływu gazu do wytwornicy mgły przez niskociśnieniowe wentylatory. Wytwornica mgły może także zawierać urządzenie mechaniczne, jak obrotowy dysk lub obrotowe ostrza, rozszczepiające krople na drobną mgiełkę.

Niezależnie od sposobu wprowadzania rozpylonej cieczy i powietrza atmosferycznego do komory sprężania, sprężarka do gazu przedstawiona na fig. 7 działa dokładnie w taki sam sposób, jak sprężarka opisana powyżej, przedstawiona na fig. 5. Wszystkie opisane wcześniej warianty sprężarek były napędzane gorącym sprężonym gazem.

Alternatywną metodą napędzania sprężania jest wykorzystanie ciśnienia cieczy. Układ magazynowania energii kinetycznej może być w dogodny sposób zapewniony przez masywny tłok, zarówno stały, ciekły jak i oba naraz, zamieniający energię cieczy na energię sprężania gazu. Wariant izotermicznej sprężarki z ciekłym tłokiem, działającej w ten sposób, jest przedstawiony na fig. 8.

W nawiązaniu do fig. 8, izotermiczna sprężarka zawiera dwie rury 102 i 103, z których każda zawiera poziomo ułożoną część środkową 105 i 107 oraz ciekły tłok 109 i 11. Jeden z końców 113 i 115 każdej z rur 102 i 103 jest przedłużony pionowo do góry i zawiera utworzoną w nim odpowiednio komorę 117 i 119 do sprężania gazu. Końcowe odcinki obu rur 102 i 103 są uformowane jako jedno duże naczynie 127.

W poziomych częściach 105 i 107 rur 102 i 103 wstawione są zawory przepływu głównego 129 i 131, sterujące przepływem cieczy ze zbiornika 127. Pomiędzy zaworami przepływu głównego 129 i 131 i odcinkami pionowymi 113 i 115 rur 102 i 103 utworzone są otwory wylotowe 133 i 135. W otworach wylotowych 133 i 135 dostępne są zawory spustowe 137 i 139, sterujące odpływem cieczy z rur 102 i 103. Pomiędzy otworami wylotowymi 133 i 135 i zbiornikiem zasobnikowym 127 włączona jest pompa główna 141, napełniająca ponownie zbiornik cieczą spuszczoną przez otwory wylotowe 133 i 135.

Tak jak poprzednio, do chłodzenia sprężanego gazu w obu komorach 117 i 119 przewidziana jest rozpylana ciecz. Każda komora 117 i 119 jest zaopatrzona w otwór wylotowy gazu 147 i 149, który posiada zawór 151, 153, umożliwiający wytłoczenie zimnego sprężonego gazu z każdej komory 117 i 119. Każda komora posiada otwory wlotowe gazu 155 i 157, doprowadzające gaz z odpowiedniego źródła do komory.

Podczas pracy, zbiornik działajako zasobnik wstępnie sprężonej cieczy, zapewniający fale uderzeniowe napędzające ciekłe tłoki 109 i ,111. Czas występowania tych fal jest sterowany zaworami głównego przepływu 129 i 131, umieszczonymi w rurach 102 i 103. Podczas gdy otwarty jest zawór przepływu głównego, fala cieczy przepływa przez ten zawór i napędza ciekły tłok w kierunku do wnętrza komory, sprężając gaz. W tym samym czasie, w celu chłodzenia gazu podczas sprężania, uaktywniana jest związana z tą komorą rozpylana ciecz. Zawór wylotowy sprężonego gazu otwiera się, gdy ciśnienie w komorze osiągnie założoną wartość.

Z chwilą gdy ciekły tłok osiąga górny punkt swojego ruchu, zamyka się zawór przepływu głównego, a otwiera zawór spustowy. W tym samym momencie zamyka się zawór wylotowy gazu i otwiera zawór wlotowy gazu, pozwalając gazowi o niskim ciśnieniu zająć miejsce spuszczonej cieczy. Spuszczona ciecz jest zawracana do zbiornika zasobnikowego przez pompę główną 141.

Zalecane zależności czasowe działania ciekłych tłoków 109 i 111 w każdej rurze są takie, aby ciecz była zwracana z jednej rury do zbiornika akumulacyjnego w tym samym czasie, gdy do drugiej rury ciecz dopływa ze zbiornika. Zatem w systemach z dwoma rurami, cykle pracy ciekłych tłoków w obu rurach powinny być ustawione w przeciwfazie. Ogólnie, gaz ponad

172 335 poziomem cieczy jest sprężany wtedy, kiedy dopływ przewyższa odpływ i rozprężany, gdy zachodzi sytuacja odwrotna. Ma to na celu minimalizację zmian poziomu cieczy i natężenia przepływu dostarczanego przez pompę 141, tak aby przez cały czas mogła ona działać w punkcie o najwyższej sjpra^wio.ści. Preferuje się adiabatyczne sprężanie i rozprężanie gazu. W celu zminimalizowania strat ciepła podczas sprężania gazu w zbiorniku zasobnikowym, zbiornik ten jest izolowany. Gromadzony gaz nie jest połączony z gazem podlegającym sprężaniu i w rzeczywistości nie ma potrzeby, aby skład obu gazów był taki sam. Zaletą tego jest, że natężenie wypływu cieczy ze zbiornikajest ograniczone przez bezwładność ciekłego tłoka, która zapobiega zbyt dużym zmianom ciśnienia gazu w zbiorniku akumulacyjnym.

Zawory głównego przepływu 129 i 131 inicjują przemieszczanie się ciekłego tłoka. Zawory sterujące otwierają się gdy ciecz zostanie wypompowana z komory sprężania. Zamykają się po osiągnięciu przez ciekły tłok maksymalnego punktu wychylenia w komorze sprężania. Zawory głównego przepływu są krytyczną częścią sprężarki i/otermic/nej napędzanej cieczą. Średnica rury może być dość duża, niemniej ważne jest aby zawór mógł otwierać się i zamykać szybko i często. Zawory muszą wytrzymywać ciśnienie dochodzące nawet do ośmiu barów. Dodatkowym wymaganiem jest, aby w stanie otwarcia zawory zapewniały minimalne opory przepływu. Cechą łagodzącą wymagania jest fakt, że zawory otwierają się lub zamykają tylko w momencie, gdy przepływ cieczy zmienia kierunek i jego szybkość jest chwilowo równa zeru. Chociaż do wykonywania tego zadania można wykorzystać inne konstrukcje zaworów, zalecany jest zawór składający się z zestawu żaluzji osadzonych na licznych prętach, przecinających przekrój rury. Żaluzje są tak wyprofilowane, aby przy ustawieniu zgodnie z kierunkiem przepływu dawały minimalne opory przepływu.

Zawory spustowe 137 i 139 są zbudowane tak, aby otwierały się gdy ciekły tłok osiąga maksymalny zasięg swojej drogi i zamykały, gdy komora sprężania jest opóźniana. Oznacza to, że działanie tłoków jest przesunięte w fazie o 180° w stos unku do zaworów głównego przepływu 129 i 131. Korzystnym jest, aby zawory spustowe cieczy były tego samego typu, co zawory głównego przepływu.

W celu dostarczania cieczy do rozpylania, pomiędzy naczynie zasobnikowe włączone są pompy rozpylaczy 159 i 161. Pożądane jest, aby w celu chłodzenia cieczy pomiędzy pompy rozpylaczy 159 i 161 i rozpylacze włączać chłodnice 153 i 165. Pompy spryskiwaczy mogą być pompami wyporowymi, zapewniającymi stałe natężenie przepływu podczas zmian ciśnienia w komorze sprężania.

Główne różnice pomiędzy opisanymi dotychczas izotermic/nymi sprężarkami z napędem gazowym i z napędem ciekłym są następujące. Chociaż oba rodzaje sprężarek opierają się na tych samych prawach fizyki, to znaczy do dokonania sprężenia wykorzystują masywny stały i/lub ciekły tłok, główna energia napędowa jest dostarczana w rożny sposób. W porównaniu do sprężarek z ciekłym tłokiem, systemy z napędem gazowym nie posiadają dużych zaworów zanurzanych w cieczy w głównym przewodzie rurowym. W systemach z napędem gazowym straty tarcia ciekłego tłoka są więc zminimalizowane. Przedstawiony na fig. 1 wariant sprężarki z napędem gazowym z tłokiem ciekłym spręża dwie objętości gazu podczas każdego cyklu ciekłego tłoka, w odróżnieniu od jednej objętości gazu sprężanej w ciągu cyklu w sprężarce z napędem ciekłym. Zazwyczaj sprężarka z napędem ciekłym wymaga dużej pompy w charakterze głównego źródła napędu, podczas gdy sprężarka z napędem gazowym wymaga konwencjonalnej sprężarki do gazu, takiej jak sprężarka dołączana zwykle do turbiny gazowej.

Jak widać na fig. 1, 2 i 8 ramiona rury formującej ciekły tłok są przeważnie pionowe, a rura jest opisana jako posiadająca przeważnie poziomą część środkową tak, że kształtem przypomina literę U”, ramiona mogą być odchylone pod dowolnym kątem, a U może być szerokie, wąskie, niskie lub wysokie. Kilka rur w kształcie U można łączyć w ten sposób, że jedno ramię może być wspólne dla kilku rur, tak jak przedstawiono na fig. 8, chociaż może się to w równym stopniu odnosić do sprężarek z napędem gazowym, przedstawionych na fig. 1 i 2. Rura może mieć dowolną geometrię przekroju poprzecznego, a w szczególności kształt przekroju może być kołowy, owalny, eliptyczny, trójkątny, kwadratowy, prostokątny, sześciokątny, wielokątny lub nieregularny. Na swojej długości rura może mieć przekrój poprzeczny stały, albo zmienny (co do powierzchni i/lub kształtu). Stąd powierzchnia przekroju poprzecznego komory

172 335 (komór) sprężania może być większa lub mniejsza niż część przewodu ks^t^-łt^ijącego ciekły tłok. Korzystnie, przewód rurowy posiadający stosunkowo niewielką powierzchnię przekroju poprzecznego może być mniej kosztowny i mieć mniej skomplikowaną konstrukcję. Długość rury może zawierać się w przedziale od 10 do 500 metrów, a średnica w przedziale od 0,2 do 10 metrów. Wymiary te mają jednak wyłącznie znaczenie orientacyjne i w pewnych zastosowaniach mogą wystąpić wartości spoza podanych zakresów. W części poziomej rura może być zbudowanajako tunel w ziemi, może być ułożona w wykopie lub po prostu podparta od gruntu. Zalecane jest jednak takie dobranie wymiarów rury, aby pomieściła ona masywny tłok ciekły, zapewniający magazynowanie energii w formie energii kinetycznej tłoka, oraz aby straty tarcia spowodowane przepływem cieczy przy powierzchni rury były utrzymywane na minimalnym poziomie.

Zamiast sprężarki izotermicznej z napędem ciekłym, posiadającej dwie rury i dwa ciekłe tłoki, możliwe są jej wersje z jedną lub więcej niż dwoma rurami i ciekłymi tłokami. Przy wykorzystywaniu tylko jednej rury, pompa główna może działać tylko podczas połowy trwania pełnego cyklu ciekłego tłoka. W tej sytuacji dobrze sprawdza się pompa tłokowa, zawierająca tłok mechaniczny działający w fazie z tłokiem ciekłym. Co więcej, znika wtedy potrzeba wstawienia zaworu spustowego w wylocie utworzonym w rurze głównej.

Alternatywnie, warianty sprężarki posiadającej ciekły tłok mogą obejmować wariant z mechanicznym tłokiem stałym umieszczonym w rurze głównej i, w celu napędzania ciekłego tłoka, napędzanym przez jakieś zewnętrzne środki. Zaleca się, aby tłok stały poruszał się ruchem posuwistom^s^ortotiym w poziomej części rury głównej, a po obu stronach tłoka stałego mogą istnieć tłoki ciekłe.

Chociaż w odniesieniu do sprężarek z ciekłym tłokiem możliwa jest ciągła recyrkulacja rozpylanej cieczy przez odprowadzenie jej z dużej rury i przepuszczenie przez zewnętrzną chłodnicę przed wtryśnięciem do gazu, jak w wariantach ukazanych na fig. 1, 2 i 8, ciecz do rozpylania może być pobierana z dużego źródła lub zbiornika. W takim przypadku, aby utrzymać ilość na w przybliżeniu stałym poziomie, ciecz mogłaby jednocześnie być spuszczona z dużej rury.

Ciepło przekazywane pomiędzy rozpylaną cieczą a gazem może być związane z pewnym odparowaniem, lub nie. Zależy to przede wszystkim od początkowej temperatury kropel rozpylonej cieczy, ilości ciepła absorbowanego przez krople oraz czasu, w jakim gaz jest sprężany.

Jeszcze inny wariant sprężarki do gazu przedstawiony jest na fig. 9.

Przewiduje się, że izotermiczna sprężarka gazu znajdzie zastosowanie głównie w energetyce. Na przykład, sprężarka ta może być używana w połączeniu z turbiną gazową. Nawiązując do fig. 9, zespół turbiny gazowej, oznaczony ogólnie jako 200, zawiera turbinę gazową 201, sprężarkę izotermiczną 203 połączona z układem chłodzenia 210, wymiennik ciepła 205 służący do wstępnego ogrzewania zimnego sprężonego gazu korzystając z gorącego niskociśnieniowego gazu wychodzącego z turbiny 201, oraz główny grzejnik 207 do wytwarzania gorącego wysokociśnieniowego gazu ze wstępnie ogrzanego sprężonego gazu, dla napędzania turbiny 201. Turbina gazowa 201 napędza generator prądu elektrycznego 209. Główny grzejnik 207 zawiera komorę spalania służącą do spalania paliwa w atmosferze wstępnie ogrzanego, sprężonego gazu, gdzie gorący wysokociśnieniowy gaz stanowi gaz spalinowy.

Sprężarka izotermiczna będąca sprężarką do gazu zgodną z niniejszym wynalazkiem, będzie na ogół napędzana turbiną gazową. Na przykład, w przypadku sprężarki napędzanej gazem gorący sprężony gaz może być doprowadzany z konwencjonalnej sprężarki. Jak stwierdzono powyżej, ten typ izotermicznej sprężarki dostarcza przy danym zużyciu energii większych ilości zimnego sprężonego gazu niż konwencjonalna sprężarka. Równocześnie, w sprężarce izotermicznej napędzanej cieczą, wytworzona zostanie ta sama masa gazu co w sprężarce konwencjonalnej, jednak przy mniejszym poborze energii. Tak więc zmniejszy się moc turbiny zużywana do napędu sprężarki, lub alternatywnie, przy tej samej ilości energii zużywanej do napędu sprężarki izotermicznej co do napędu sprężarki konwencjonalnej, zwiększy się ilość gazu wytwarzanego dla napędu turbiny gazowej.

Dzięki wykorzystaniu ciepł gazów wylotowych z turbiny gazowej do wstępnego ogrzewania gazu wlotowego, którym jest na ogół powietrze, nie zachodzi potrzeba stosowania wytwornicy pary do rekuperacji ciepła ani związanej z tym turbiny parowej wymaganej w

172 335 przypadku turbiny o kombinowanym cyklu i zespołu parowego. Brak potrzeby stosowania zespołu parowego usuwa ograniczenia jakie na zespół turbiny gazowej nakłada zespół parowy. W związku z tym można zwiększyć temperaturę wyjściowy gazów turbinowych ponad wartości stosowane dla cyklu parowego i optymalizować je w w celu uzyskaniajak najlepszej wydajności turbiny gazowej. Może to obejmować wykorzystywanie turbiny gazowej o więcej niż jednym stopniu spalania (tj. przegrzew mięgzystopeiowy turbiny gazowej). Ponadto, pewną część zimnego, sprężonego gazu ze sprężarki izotermicznej można wykorzystywać do poprawy chłodzenia łopatek turbiny gazowej, w celu osiągania wyższych temperatur na wlocie turbiny.

W cyklu tym można wykorzystywać dowolne formy systemów chłodzenia, takie jak chłodnice kominowe mokre, suche lub hybrydowe lub też bezpośrednie odprowadzanie ciepła do atmosfery albo zbiorników wodnych takich jak morze, rzeka lub jezioro.

W przypadku gdy zimnym, sprężonym gazem jest powietrze a gorącym wysokociśnieniowym gazem jest gazowy produkt spalania, gaz spalinowy będzie z reguły zawierał więcej ciepła niż jest to potrzebne do wstępnego ogrzewania zimnego sprężonego powietrza (na skutek różnicy pojemności cieplnej dwóch strumieni gazu). Ten nadmiar ciepła można wykorzystywać w innych celach, takich jak ogrzewanie dodatkowego strumienia zimnego sprężonego powietrza, które następnie rozpręża się (bez spalania paliwa) poprzez jedną lub więcej turbin powietrznych, generując dodatkowe ilości energii, wykorzystując być może w tym celu jeden lub więcej wymienników ciepła. Dodatkowe turbiny i pomocnicze wymienniki ciepła byłyby znacznie mniejsze niż główne podzespoły systemu, jako że strumień przepływający przez tą część obwodu stanowiłby jedynie niewielki ułamek głównego strumienia. Alternatywnie, dodatkowe ciepło pochodzące z gazów spalinowych można wykorzystywać w charakterze ciepła procesu, ogrzewania pomieszczeń lub do innych zewnętrznych celów.

Figura 10 przedstawia schemat blokowy zespołu turbiny gazowej 300 stosującej pierwszą z tych alternatyw.

Zespół turbiny gazowej 300 zawiera turbinę gazową 301 napędzającą pierwszy generator 309, sprężarkę izotermiczną 303 połączoną z układem chłodzenia 310, wymiennik ciepła 305 do grzania zimnego sprężonego powietrza ze sprężarki wykorzystując gazy wylotowe turbiny gazowej 301. Większość wstępnie ogrzanego, sprężonego powietrza jest doprowadzana do komory spalania dla spalania z paliwem, w celu dostarczania gazu spadowego dla turbiny gazowej 301, zaś pewien ułamek wstępnie ogrzanego sprężonego powietrza jest dostarczany na wejście pierwszej turbiny powietrznej 313 napędzającej drugi generator 315. Powietrze wylotowe z turbiny powietrznej 313 przechodzi przez wymiennik ciepła typu powietrze-powietrze 317, ogrzewając wstępnie pewną część zimnego sprężonego powietrza ze sprężarki izotermicznej wykorzystywanego do napędu drugiej turbiny powietrznej 319. W tym wariancie zespołu turbiny gazowej sprężarka izotermiczna jest sprężarką napędzaną gazem, poprzez sprężarkę wirnikową 311 napędzaną turbiną gazową 301.

Główny grzejnik 307 może zamiast komory spalania stanowić zewnętrzne źródło ciepła, którym może być piec ogrzewany węglem lub ropą, ciepło wytwarzane w procesach chemicznych lub przemysłowych, reaktor jądrowy lub piec słoneczny.

Figura 11 przedstawia schemat blokowy zespołu turbiny gazowej zawierającego turbinę powietrzną 401, połączoną z generatorem 409, w którym głównym źródłem ciepła jest piec 407 opalany węglem. Do pieca 407 jest podłączony wymiennik powietrzno-powietrzny 405 połączony ze sprężarką izmtnrmiczeą 403 i układem chłodzenia 410. Do pieca 407 jest również podłączony układ, w skład którego wchodzi wymiennik gazowo-powietrzny 406 połączony z układem do odsiarczania spalin 408 oraz wentylatorem 404. Rozwiązanie to jest podobne do tego przngstahΊorngo na fig. 9, z wyjątkiem, że zimne sprężone powietrze ze sprężarki izotermicznej jest wstępnie ogrzewane powietrzem wylotowym z turbiny powietrznej, zaś wstępnie ogrzane powietrze z wymiennika ciepła jest ogrzewane głównym grzejnikiem 407 a następnie rozprężam w turbinie powietrznej. To rozwiązanie byłoby stosowane w przypadkach, kiedy jest niepożądane przechodzenie przez turbinę produktów spalania z komory spalania. Bardzo podobny obwód byłby wykorzystywany w odniesieniu do źródeł ciepła (tj. przemysłowych, chemiuzedcC, słonecznych, jądrowych, geotermicznych) gdzie nie występuą produkty spalania.

172 335

Zasadnicza różnica polegałaby na zastąpieniu ogrzewanego węglem pieca innym wymiennikiem ciepła.

W odniesieniu do zespołu turbiny gazowej na fig. 9, ogrzewany zewnętrznie cykl może obejmować stopnie przegrzewania międzystopniowego podczas rozprężania się powietrza w turbinie. Cechą każdego zamkniętego lub otwartego systemu z zewnętrznym ogrzewaniem nie zawierającym produktów spalania w płynie roboczym jest to, że pojemność cieplna gazu wyjściowego z turbiny jest w zasadzie ta orna co gazu wlotowego. Tak więc nie występuje nadwyżka ciepła, która w przeciwnym razie byłaby skutkiem różnicy pojemności cieplnej dwóch strumieni gazu, a zatem w tej części obwodu nie ma dodatkowych turbin.

Figura 12 przedstawia inny wariant zespołu turbiny gazowej, oznaczonej ogólnie jako 450, zawierający zarówno turbinę gazową 451 napędzającą pierwszy generator 453 oraz turbinę powietrzną 455 napędzającą drugi generator 457. Ciepło zawarte w gazie wylotowym z turbiny gazowej 451 odzyskuje się przez wykorzystanie go do ogrzewania dostarczanego zimnego sprężonego powietrza, które następnie rozpręża się przez turbinę 455. Skutkiem wykorzystywania turbiny powietrznej w ostatnim, niskotemperaturowym stopniu cyklu wytwarzania prądu elektrycznego, cykl ten jest zwany cyklem dołowania powietrza.

W nawiązaniu do fig. 12, gorące sprężone powietrze z pierwszej sprężarki wirnikowej jest dostarczane do komory spalania 461 w celu spalania z paliwem. Gaz spalinowy jest następnie dostarczany na wlot turbiny gazowej 451, napędzającej pierwszy generator 453. Gorące sprężone powietrze z drugiej, konwencjonalnej sprężarki wirnikowej 463 jest doprowadzane do sprężarki izotermicznej 465, którą może być sprężarka napędzana gazem typu opisanego powyżej i przedstawionego najednej z fig. od 1 do 7. Sprężarka izotermiczna 465 jest połączona z układem chłodzenia 465 jest skierowywane do wymiennika ciepła 467, w którym sprężone powietrze jest podgrzewane gorącym gazem wylotowym z turbiny gazowej 451. Gorące sprężone powietrze z wymiennika ciepła 467 jest dostarczane na wejście turbiny powietrznej 455, napędzającej drugi generator 457.

Pomimo, iż cykl doładowania powietrza ze sprężarką izotermiczną może nie być równie wydajny jak cykl zilustrowany na fig. 9 i 10, niemniej ważną zaletą tego cyklu jest fakt, że używana w nim turbina gazowa może być jedną z tych stosowanych obecnie w istniejących zespołach turbinowych. Tak więc, wariant ten pozwala uniknąć kosztów związanych z opracowaniem nowej turbiny, a także wydatków kapitałowych na zespół parowy stosowany w turbinach gazowych o kombinowanym cyklu.

Sprężarkę izotermiczną można wykorzystywać do magazynowania energii w formie sprężonego gazu, takiego jak powietrze. Istnieją już plany magazynowania energii w formie sprężonego gazu, niemniej wykorzystywanie konwencjonalnych sprężarek oznacza, że znaczna część energii ulega rozproszeniu w formie ciepła i nie daje się odzyskać. Izotermiczne sprężanie powietrza oznacza mniejsze zużycie energii w procesie sprężania i możl i wość odzysku wyższego procentu oryginalnej energii. Zimne sprężone powietrze można magazynować w odpowiednio dużym zbiorniku zdolnym do wytrzymywania wytworzonego ciśnienia, bez wykazywania nadmiernych przecieków. Na przykład, można w tym celu wykorzystywać nieużywane szyby węglowe lub naftowe. Wyczerpany szyb naftowy na morzu miałby tę zaletę, że woda morska dostarczałaby naturalnego zewnętrznego ciśnienia przeciwdziałającego wyciekom.

Ogólnie biorąc, w celu wykorzystywania sprężarki izotermicznej w charakterze rozprężarki izotermicznej doprowadza się zimne sprężone powietrze ze zbiornika do komory sprężania i zezwala się na jego rozprężenie przez wycofanie tłoka z komory. W miarę rozprężania się gazu komorę spryskuje się cieczą, w celu utrzymania stałej temperatury gazu lub zwiększenia temperatury gazu. Energia ciśnienia (i energia cieplna) gazu jest przekształcana w energię kinetyczną przekazywaną na drugi tłok w celu sprężania gazu w drugiej komorze lub na ten sam tłok, w celu sprężania gazu przy powrotnym suwie do komory sprężania. Gaz jest sprężany adiabatycznie tak, że temperatura wzrasta do temperatury pracy turbiny, np. do około 300°C w przypadku turbiny powietrznej.

Figury 13a, 13b przedstawiają w bliższych szczegółach system magazynowania energii; w tym przypadku magazynowana energia jest odzyskiwana przez odwrotne wykorzystanie izotermicznej sprężarki, jako izotermicznej rozprężarki. Nawiązując do fig. 13a, układ magazy172 335 nowania energii zawiera sprężarkę izotermiezną 501, podobną do tej przedstawionej na fig. 5, napędzaną sprężarką wirnikową 503, napędzaną z kolei silnikiem 505. Sprężarka zawiera górną komorę 509 usytuowaną pionowo nad dolną komorą 511 oraz stały tłok, mogący się poruszać pionowo, w górę i w dół, do wnętrza i na zewnątrz każdej komory. Dolna komora 51 1 stanowi uszczelnioną przestrzeń wypełnioną gazem i służy jako adiabatyczna komora odbijająca, przepychająca tłok na powrót do komory sprężania 509. Górna komora 509 jest wyposażona w otwór wlotowy gorącego sprężonego gazu 521, sterowany zaworem 525, służący do wprowadzania gorącego sprężonego powietrza ze sprężarki wirnikowej do komory. Otwór wlotowy powietrza 529 sterowany zaworem 533 służy do wprowadzania dodatkowych ilości powietrza pod niskim ciśnieniem do górnej komory 509 podczas ruchu tłoka 512 skierowanym na zewnątrz. Otwór wylotowy sprężonego powietrza 513, sterowany zaworem 517, służy do pobierania sprężonego gazu z komory. Otwór wylotowy gazu 513 jest połączony poprzez oddzielacz wilgoci z dużym zbiornikiem, na przykład wyeksploatowaną kopalnią, w' celu magazynowania zimnego sprężonego powietrza. Górna komora 509 posiada otwór 537 służący do wstrzykiwania do komory rozpylonej cieczy dostarczanej przez pompę wtryskową 543. Ciecz tajest doprowadzana do pompy wtryskowej z odpowiedniego źródła, na przykład ze zbiornika, rzeki, jeziora lub pojemnika zasobnikowego 544 a następnie powraca z oddzielacza wilgoci do pojemnika zasobnikowego wody lub zbiornika 544. Rozpylona ciecz wydalana z komory sprężania po sprężeniu będzie na ogół posiadać temperaturę powyżej temperatury otoczeń ia, a ciepsie odzysku energii. W tym przypadku jest korzystnym cieplne odizolowanie pojemnika zasobnikowego wody, w celu uniknięcia upływu ciepła ze zmagazynowanej wody do otoczenia.

Figura 13b przedstawia jeden możliwy sposób odzyskiwania energii ze zmagazynowanego, sprężonego powietrza i zawiera izotermiezną rozprężarkę oznaczoną 501.

Izotermiczną rozprężarka 501 zawiera górną komorę 508 usytuowaną pionowo ponad dolną komorą 511 oraz stały tłok 512, który może swobodnie poruszać się ruchem pionowym, skierowanym do wnętrza i na zewnątrz każdej komory. Górna komora posiada otwór wylotowy chłodnego sprężonego powietrza 512 umieszczony u szczytu komory, sterowany zaworem 525, połączony z pojemnikiem zasobnikowym sprężonego gazu 548. Górna komora posiada także otwór wtryskowy rozpylonej cieczy 537 połączony z pojemnikiem zasobnikowym wody 544 poprzez pompę wtryskową rozpylonej cieczy 543. Otwór wylotowy gazu 513, sterowany zaworem 517 jest wykonany w ścianie górnej komory, w pewnej odległości od szczytu i jest połączony z oddzielaczem wilgoci 547.

Dolna komora 511 posiada otwór wlotowy gazu, 518, sterowany zaworem 519, umożliwiający wprowadzanie powietrza do komory, oraz otwór wylotowy sprężonego gazu, 527, sterowany zaworem 529 połączonym z wyjściem turbiny gazowej 531. Otwory wlotowy i wylotowy gazu, 517 i 527, mieszczą się w ścianach komory, w pewnej odległości od podstawy dolnej komory. Turbina powietrzna 531 jest ustawiana na napędzanie generatora 533.

Poniżej opisano typowy cykl operacyjny systemu odzysku energii, przedstawiony na fig. 13b, poczynając od tłoka 512 w jego najwyższym punkcie, w górnej komorze 509. W tym punkcie dolna komora 511 zawiera nowy ładunek powietrza przeznaczonego do sprężania, a zawory wejściowy i wyjściowy, 519 i 529, są zamknięte.

W chwili, kiedy tłok zatrzymuje się na moment, w górnym punkcie zwrotnym suwu, otwiera się zawór wlotowy sprężonego gazu 525 umożliwiając wprowadzenie nowego ładunku chłodnego, sprężonego powietrza z pojemnika zasobnikowego sprężonego powietrza 548 do górnej komory 509, poprzez otwór wlotowy gazu 521. Sprężone powietrze rozpręża się, popychając tłok w dół. Równocześnie ciepła woda z pojemnika zasobnikowego wody 544 jest wtryskiwana do górnej komory w postaci rozpylonej strugi. Rozpylona struga przekazuje ciepło sprężonemu powietrzu w miarę jego rozprężania się, w celu zapobieżenia schładzaniu się powietrza, zapewniając w [przybliżeniu izotermiczność procesu rozprężania.

W miarę przesuwania się tłoka do dolnej komory, powietrze w dolnej komorze jest sprężane adiabatycznie, a z chwilą gdy ciśnienie powietrza osiągnie pożądaną wartość otwiera się zawór wylotowy gazu 529 i gorące sprężone powietrze wypływa z dolnej komory i ulega rozprężeniu w turbinie powietrznej 53 1. W miarę jak tłok 512 mija otwory wlotowy i wylotowy gazu, 518 i 527, szczątkowe powietrze schwytane w komorze poniżej otworów wlotowego i

172 335 wylotowego jest sprężane adiabatycznie i służy jako tymczasowy nośnik pozostałej energii tłoka, wykorzystywanej do przywracania tłoka w szczytowe położenie suwu, w górnej komorze.

Tłok zatrzymuje się chwilowo nad podstawą dolnej komory, a następnie jest przesuwany w górę, w miarę rozprężania się schwytanego gorącego, sprężonego powietrza. Wraz ze zmianą kierunku ruchu tłoka otwiera się zawór wylotowy gazu, 517, w górnej komorze, a rozprężone powietrze wraz z rozpyloną cieczą zostaje wydalone z komory poprzez oddzielacz wilgoci 547. Rozpylona ciecz jest oddzielana od powietrza i powraca do pojemnika zasobnikowego wody 544, zaś powietrze z oddzielacza wilgoci zostaje wydalone do atmosfery. W miarę przesuwania się tłoka w górę, po minięciu otworu wlotowego powietrza 518 w dolnej komorze, otwiera się zawór wlotowy 519 i do komory zostaje zassany nowy ładunek powietrza, do sprężenia w następnym cyklu. W ruchu do góry tłok jest zatrzymywany przez szczątkowy korek powietrza schwytanego w górnej komorze w chwili kiedy tłok mija otwór wlotowy gazu 513. Na koniec, tłok osiąga szczytowy punkt suwu w górnej komorze, zamykając cykl.

Pomimo iż fig. 13a i b przedstawiają pojedynczy pojemnik zasobnikowy wody, optymalna metoda magazynowania obejmowałaby jeden lub więcej izolowanych pojemników z wodą, która przeszła przez rozprężarkę izotermiczną oraz jeden lub więcej izolowanych pojemników zasobnikowych na ciepłą wodę, która przeszła przez sprężarkę izotermiczną. W następnym cyklu magazynowania i odzysku, zimna woda byłaby wykorzystywana do sprężania izotermicznego, podczas gdy ciepła woda byłaby wykorzystywana do rozprężania izotermicznego.

System magazynowania i odzysku energii zilustrowany na fig. 13a i 13b oraz opisany powyżej nie wymaga żadnego paliwa ani zewnętrznego źródła ciepła w procesie odzysku energi i. Sprężarka izotermiczna i rozprężarka izotermiczną mogą być w formie tego samego urządzenia, odpowiednio zmodyfikowanego zależnie od wykonywanej funkcji (sprężarki lub rozprężarki) lub mogą stanowić dwa oddzielne urządzenia, jedno przeznaczone wyłącznie do izotermicznego sprężania gazu, w celu magazynowania energii, a drugie do izotermicznego rozprężania gazu, przy odzysku energii. Wprawdzie izotermiczne rozprężanie gazu w procesie odzysku energii wymaga doprowadzania ciepła w celu przeciwdziałania chłodzeniu powietrza przy jego rozprężaniu, ciepło to może być jednak dostarczane w formie dopływu wody w temperaturze otoczenia. Tam gdzie dostępne jest źródło ciepła o temperaturze powyżej temperatury otoczenia (np. z procesów przemysłowych, systemów chłodzenia lub istniejącej elektrowni), istniałaby możliwość odzysku większej ilości energii elektrycznej niż ta oryginalnie zmagazynowana.

Alternatywne podejście do zagadnienia magazynowania energii polega na stosowaniu cyklu podobnego do tego opisanego powyżej i zilustrowanego na fig. od 9 do 11, z dodatkową możliwością magazynowania zimnego sprężonego powietrza. W okresach niskiego zapotrzebowania na energię nadmiar mocy wykorzystuje się do zwiększania ciśnienia w zbiorniku. W okresach wysokiego zapotrzebowania pobiera się chłodne powietrze ze zbiornika i dostarcza maksymalną moc dla odbiorcy.

Jedna z możliwych metod odzysku zmagazynowanej energii przy użyciu opisanego powyżej zespołu sprężarki izotermicznej i turbiny gazowej, zilustrowanego nafig. 9, przedstawia fig. 14. Części składowe zespołu turbiny gazowej, przedstawionej na fig. 14, są dokładnie te same co te przedstawione na fig. 9 i zostały oznaczone identycznymi numerami.

Dwie alternatywne metody magazynowania energii przedstawiono na fig. 14; jedna z nich polega na magazynowaniu energii cieplnej w formie lodu, a druga na magazynowaniu energii w formie zimnego sprężonego powietrza, jak opisano powyżej. W tej drugiej metodzie wyjście izotermicznej sprężarki jest połączone z dużym zbiornikiem, w którym można przechowywać sprężone powietrze. W okresach niskiego zapotrzebowania na moc wytwarza się więcej izotermicznego powietrza niż ilości wymagane do napędzania zespołu turbiny gazowej; powietrze to zostaje zmagazynowane. W okresach wysokiego zapotrzebowania na moc, ilość izotermicznego powietrza wytwarzanego przez zespół spada i wówczas pobiera się powietrze ze zbiornika. Zaletą systemu magazynowania energii przy wykorzystaniu izotermicznej sprężarki, w porównaniu z konwencjonalnymi systemami magazynowania sprężonego powietrza jest to, że ponieważ powietrze jest sprężone w tej samej temperaturze co temperatura magazynowania, nie zużywa się energii na wytwarzanie dodatkowego ciepła, które byłoby tracone.

172 335

Drugi system magazynowania energii zilustrowany na fig. 14 obejmuje system chłodzenia 213 połączony ze zbiornikiem zasobnikowym na lód/wodę. Woda ze zbiornika zasobnikowego 215 może być dostarczana do sprężarki izotermicznej 203, do wykorzystania w formie rozpylonej podczas sprężania. Lodowy/wodny system magazynowania energii cieplnej stanowi atrs^l^^^jną alternatywę tam, gdzie występują duże różnice między temperaturą dzie2nną a nocną. Typowo, w nocy, kiedy temperatura otoczenia jest niska, przy równoczesnym niskim zapotrzebowaniu na moc, zespół może pracować z pełną wydajnością a nadwyżkę mocy można wykorzystywać do napędzania systemu chłodzenia 213, schładzającego wodę, do przechowywania jej w formie lodu. W tym czasie wykorzystywałoby się w pełni zewnętrzny system chłodzenia strumieniem rozpylonej wody 217. W dzień, kiedy zapotrzebowanie na moc jest wysokie, system chłodzenia strumieniem rozpylonej wody 217, zostałby zastąpiony lub uzupełniony chłodzeniem dostarczanym przez topienie lodu.

Istnieje szereg procesów przemysłowych obejmujących sprężanie gazów, w tym także powietrza, na dużą skalę. Przykładem tego są procesy chłodzenia i skraplania. Stosuje się je często jako metody oddzielania i oc/yszc/anla gazów. Proces sprężania jest energochłonny. Sprężarka izotermic/na obniża zużycie energii i może być wykorzystywana do chłodzenia oraz/lub skraplania szerokiego zakresu gazów.

Figura 15 przedstawia wariant sprężarki do gazu o napędzie cieplnym, wykorzystywanej jako jeden z zespołów w elektrowni. Jak przedstawiono na fig. 15, sprężarka oznaczana na ogół liczbą 700 składa się ze sprężarki gazu 701 napędzanej gorącym sprężonym powietrzem oraz sprężarki spalania 703 napędzanej energią spalania paliwa. Sprężarka i/otermic/na 701 napędzana gazem jest bardzo zbliżona do izotermicznej sprężarki opisanej powyżej w odniesieniu do fig. 5, której części ponumerowano analogicznie do sprężarki 700.

Sprężarka spalinowa 703 zwiera górny przedział 726 usytuowany nad dolnym przedziałem 728, oba cylindrycznie symetryczne. Średnica górnego przedziału 726 jest mniejsza od średnicy dolnego przedziału; przedziały są ustawione mniej więcej współosiowo. Komora spalania 730 jest utworzona z górnego przedziału 726 i posiada otwór wlotowy gorącego sprężonego powietrza 736 sterowany zaworem 738, otwór wlotowy paliwa 744 i otwór wylotowy gazów spalinowych 740 sterowany zaworem 736. Otwór wlotowy gorącego sprężonego gazu 736 jest połączony z otworem wylotowym sprężonego gazu sprężarki izotermicznej 701, napędzanej gazem, poprzez wymiennik ciepła gaz-powietrze 770, który wstępnie ogrzewa chłodny sprężony gaz lub powietrze z izotermicznej sprężarki 701, gazem wylotowym z komory spalania 726.

Sprężarka spalinowa 703 zawiera taką komorę sprężania adiabatycznego 732 utworzoną w górnej części dolnego przedziału 728, komorę sprężania 732 wyposażoną w otwór wlotowy gazu 746 sterowany zaworem 748 oraz otwór wylotowy sprężonego gazu 750 sterowany zaworem 752, połączony z turbiną powietrzną 776 napędzającą generator 782. System adiabatycznego sprężania/rozprężania, czyli komora odbijająca 734 jest utworzona w dolnej części dolnego przedziału 728. Sprężarka spalinowa posiada stały tłok 759 złożony z górnej części 760, wykonanej na wymiar średnicy górnego przedziału 726 oraz dolną część 762 wykonaną na wymiar średnicy dolnego przedziału 728.

Adiabatyczna komora odbijająca 734 zawiera szczdną przestrzeń wypełnioną określoną ilością powietrza lub innego gazu, dostarczającego środka przekształcania energii kinetycznej tłoka, skierowanej w dół, na energię kinetyczną skierowaną do góry, napędzając w ten sposób suw powrotny tłoka.

Płaszcz chłodzący 758 jest utworzony wokół ścian komory spalania oraz w głowicy komory spalania, w której mieszczą się zawory wlotowy i wylotowy; dostarcza on obiegu płynnego chłodziwa, chłodzącego ściany komory. Korzystnym zjawiskiem jest fakt, że część chłodnego sprężonego powietrza z izotermicznej sprężarki 701 działa w charakterze płynnego chłodziwa i jest skierowywana do płaszcza chłodzącego 758 po usunięciu wilgoci ze sprężonego gazu przy pomocy oddzielacza wilgoci 749. Płaszcz chłodzący 758 posiada otwór wylotowy 764 połączony z linią zasilającą łączącą otwór wylotowy sprężonego gazu 750 w komorze sprężania adiabatycznego 732 z turbiną powietrzną 776. Tak więc, chłodny sprężony gaz skierowywany do płaszcza chłodzącego odzyskuje ciepło ze ścian komory spalania, a energia ta jest przekształ28

172 335 cana na moc mechaniczną przez rozprężanie gorącego sprężonego gazu wychodzącego z płaszcza chłodzącego, w turbinie powietrznej 766.

Izotermiczna sprężarka gazu 701 jest napędzana częścią gorącego sprężonego gazu wytwarzanego przez sprężarkę spalinową 703 w komorze sprężania adiabatycznego 732. Funkcją sprężarki gazu 701 jest dostarczanie dużych ilości chłodnego sprężonego powietrza lub innego utleniacza, w temperaturze, powiedzmy, 40°C. Sprężarka 701 dostarcza znacznie większych ilości sprężonego powietrza niż te wymagane do jej napędzania. Chłodne sprężone powietrze ze sprężarki izotermicznej 701 jest podgrzewane i wykorzystywane do napędzania sprężarki spalinowej 703. Zadaniem sprężarki spalinowej 703 jest dostarczenie dużych ilości gorącego sprężonego powietrza, które może być następnie wykorzystywane do napędzania turbiny w celu wytwarzania energii elektrycznej. Jak wyżej wspomniano, część gorącego sprężonego powietrza wytwarzanego w sprężarce spalinowej jest wykorzystywana do napędu izotermicznej sprężark 701.

Otwór wylotowy zimnego sprężonego powietrza 713 w sprężarce izotermicznej 701 jest połączony z otworem wlotowym gorącego sprężonego powietrza 736 sprężarki spalinowej 703 poprzez oddzielacz wilgoci 749 oraz wymiennik ciepła gaz-powietrze 770. Otwór wylotowy gazu wydechowego 740 sprężarki spalinowej jest połączony z wymiennikiem ciepła gaz-powietrze 770 tak, że ciepło z gorącego gazu wydechowego opuszczającego komorę spalania jest przekazywane chłodnemu, sprężonemu powietrzu z izotermicznej sprężarki 701. Otwór wylotowy gorącego sprężonego powietrza 750 sprężarki spalinowej jest połączony z otworem wlotowym gorącego sprężonego powietrza 721 sprężarki izotermicznej 701.

Opisany teraz zostanie typowy cykl roboczy sprężarki, przedstawiony na fig. 15, poczynając od punktu, w którym tłok 712 znajduje się w najwyższym punkcie suwu, w komorze sprężania izotermicznego 709 izotermicznej sprężarki 701. Wszystkie zawory wlotowe i wylotowe komory sprężania są zamknięte.

W chwili, kiedy tłok 712 zatrzymuje się na moment, otwiera się zawór wlotowy gorącego sprężonego gazu 725, umożliwiając wprowadzenie gorącego sprężonego powietrza ze sprężarki spalinowej 703 do komory 709 poprzez otwór wlotowy gorącego sprężonego gazu, 721. Przesuwa on tłok 712 w dół, z najwyższego położenia w komorze 709. W chwili osiągnięcia przez tłok określonej pozycji, zawór wlotowy gorącego powietrza 725 zamyka się a powietrze rozpręża się adiabatycznie i kontynuuje przesuwanie tłoka w dół. Z chwilą kiedy ciśnienie powietrza w komorze 709 spadnie poniżej pewnej zadanej wartości, otwiera się zawór wlotowy 733 i do komory 709 pobrana zostaje pewna dodatkowa ilość powietrza pod stosunkowo niskim ciśnieniem (np. atmosferycznym) przy trwającym nadal ruchu tłoka 712 w komorze 709 skierowanym na zewnątrz. Na tym etapie, tłok 712 kontynuuje swój ruch w dół, na skutek dużej bezwładności.

W miarę przesuwania się tłoka w dół sprężany jest gaz w adiabatycznej komorze odbijającej 711, poniżej, sprężanie to odbywa się adiabatycznie. Ostatecznie cała energia kinetyczna tłoka zostaje przekształcona w energię gazu w komorze odbijającej 711, a tłok 712 zatrzymuje się na moment. W tym momencie zamyka się zawór wlotowy gazu 733 w komorze sprężania izotermicznego.

Następnie kierunek ruchu tłoka ulega odwróceniu, w miarę jak gaz w komorze odbijającej 711 zaczyna się rozprężać; przesuwając tłok do góry. Tłok 712 jest przesuwany na powrót do komory sprężania izotermicznego, sprężając zawarte w niej powietrze złożone z masy chłodnego rozprężonego powietrza wprowadzonej poprzednio przez otwór 712 ze sprężarki spalinowej 703 oraz z dodatkowej masy powietrza, o stosunkowo niskiej temperaturze, wprowadzonego przez otwór 729. Wstępne sprężaniejest adiabatyczne, niemniej z chwilą osiągnięcia przez powietrze temperatury dostępnej rozpylonej cieczy, ciecz ta jest wtryskiwana do komory sprężania 709 poprzez otwór wtryskowy 737. Średnica kropelek tworzących rozpyloną ciecz wynosi typowo około 0,4 mm, co zapewnia dużą powierzchnię przekazywania ciepła tak, że temperatura powietrzajest utrzymywana -poniżej około 40°C. Bez stosowania rozpylonej cieczy temperatura ta wzrosłaby do ponad 300°C.

Z chwilą gdy ciśnienie w komorze sprężania 709 osiągnie wymaganą wartość, otwiera się zawór wylotowy sprężonego gazu 717 i chłodne sprężone powietrze wraz z rozpyloną cieczą

172 335 jest pobierane z komory poprzez otwór wylotowy gazu 713. Mieszanka chłodnego sprężonego powietrza i rozpylonej cieczy jest podawana do oddzielacza wilgoci 749, gdzie rozpylona ciecz jest oddzielana i przesyłana linią 53, na powrót do systemu chłodzenia 745, w którym jest chłodzona przed jej ponownym wykorzystaniem w formie rozpylonej strugi.

Przed osiągnięciem przez tłok 712 górnego punktu suwu, zawór wylotowy sprężonego powietrza 717 może się zamknąć a pozostała energia kinetyczna tłoka może zostać częściowo pochłonięta przez sprężanie resztek gazu u góry komory 709. Z chwilą gdy tłok 712 zatrzymuje się chwilowo w komorze 709, zawór wylotowy gorącego sprężonego powietrza 725 otwiera się i do komory 709 wchodzi nowy ładunek gorącego, sprężonego powietrza ze sprężarki spalinowej 703, poprzez otwór wlotowy gorącego sprężonego gazu, 721. Tłok jest teraz przesuwany w dół, przez rozprężające się sprężone powietrze i cykl powtarza się na nowo. Chłodny sprężony gaz z komory sprężania 709 sprężarki izotermicznej 701, po przejściu przez oddzielacz wilgoci 749 przechodzi następnie przez wymiennik ciepła gaz - powietrze 770, w którym jest ogrzewany ciepłem gazów wylotowych ze sprężarki spalinowej, od temperatury, na przykład około 40°C do około 850°C lub wyższej. Temperatura ta jest określona ograniczeniami materiałowymi wymiennika ciepła 770 oraz rurociągami prowadzącymi od wymiennika ciepła do sprężarki spalinowej.

Wracając teraz do sprężarki spalinowej 703, z chwilą gdy tłok 759 zatrzymuje się na moment w górnym punkcie suwu w komorze spalania 730, otwiera się zawór wlotowy gorącego sprężonego powietrza 738 i zadana masa wstępnie ogrzanego powietrza z wymiennika ciepła 770 zostaje wprowadzana do komory 730 przez otwór wlotowy gorącego sprężonego gazu 736. Otwiera się zawór wlotowy powietrza 738 i zadana ilość wstępnie ogrzanego powietrza z wymiennika ciepła 770 zostaje wprowadzona do komory 730 poprzez otwór wlotowy gorącego sprężonego powietrza 736. Następnie zamyka się zawór wlotowy powietrza 738, a do komory 730 zostaje wstrzyknięta zadana ilość paliwa, poprzez otwór wtryskowy paliwa, 744. Paliwo zapala się i następuje proces spalania powodujący przesunięcie tłoka 759 w dół, poza komorę spalania 730, nadając w ten sposób tłokowi energię kinetyczną. Paliwo jest dodawane w taki sposób, że ciśnienie gazu podczas wstrzykiwania paliwa pozostaje mniej więcej stałe. Po wstrzyknięciu wymaganej ilości paliwa wstrzykiwanie paliwa ustaje, a gazy spalinowe rozprężają się w przybliżeniu adiabatycznie; z około 20 lub 30 barów do ciśnienia bliskiego atmos fe rycz ne miu.

W stałociśnieniowej fazie spalania chłodne sprężone powietrze jest wstrzykiwane do płaszcza chłodzącego 758 wokół komory spalania 730 w celu chłodzenia ścian komory spalania.

W miarę przesuwania się tłoka 759 od najwyższego punktu, pobrane zostaje powietrze atmosferyczne do komory sprężania adiabatycznego 732 poprzez otwór wlotowy gazu 746. Równocześnie tłok przechodzi do adiabatycznej komory odbijającej 734 i rozpoczyna sprężanie gazu zawartego w uszczelnionej przestrzeni. Po zamknięciu się zaworu wlotowego sprężonego gazu 738 i zakończeniu wtrysku paliwa do komory spalania, gazy spalinowe rozprężają się adiabatycznie i kontynuują udzielanie energii kinetycznej tłokowi 712. Energia ta jest pochłaniana przez gaz w adiabatycznej komorze odbijającej 734, po czym tłok chwilowo zatrzymuje się i w tym momencie zamyka się zawór wlotowy gazu 748 w komorze sprężania adiabatycznego 732. Gaz w adiabatycznej komorze odbijającej 734 zaczyna się rozprężać adiatycznie przesuwając tłok w górę, do komory adiabatycznego sprężania 732 oraz komory spalania 730. W miarę jak tłok przechodzi do komory spalania 730, gorące gazy spalinowe są wydalane z komory spalania poprzez otwór wylotowy gazu wydechowego 740. Tłok przechodzący w górę do komory sprężania 732, spręża adiabatycznie powietrze zassane poprzednio do komory tak, że ciepło sprężania zwiększa temperaturę powietrza w procesie do, na przykład, ponad 300°C. Z chwilą kiedy powietrze w komorze sprężania adiabatycznego 732 osiągnie wymagane ciśnienie, np. ciśnienie robocze powietrza na wlocie turbiny powietrznej, które może wynosić pomiędzy 20 a 30 barów, otwiera się zawór gorącego sprężonego gazu, 752, i gorące sprężone powietrze opuszcza komorę spalania 732 poprzez otwór wylotowy gazu 750. Tłok 759 kontynuuje ruch w kierunku górnego punktu zwrotnego, a z chwilą osiągnięcia go zamyka się zawór wylotowy gorącego sprężonego gazu, 752.

172 335

Większość gorącego sprężonego powietrza jest wykorzystywana do napędzania głównej turbiny powietrznej 776, z tym, że część sprężonego powietrza jest wykorzystywana do napędzania izotermicznej sprężarki 701.

Ponieważ ilość ciepła z gazów wylotowych sprężarki spalinowej 703 przekracza ilość wymaganą do ogrzewania izotermicznie sprężanego powietrza wymaganego do napędzania sprężarki spalinowej, zatem nadwyżka ciepła jest wykorzystywana do ogrzewania dodatkowego powietrza z izotermicznej sprężarki, a to wstępnie ogrzane sprężone powietrze, o temperaturze około 850°C lub wyżej, przechodzi bezpośrednio przez turbinę powietrzną 776, w której rozpręża się dostarczając dodatkową moc.

W celu zwiększenia do maksimum ilości energii odzyskiwanej z gorących gazów, sprężarka napędzana cieplnie powinna być tak zaprojektowana, że temperatura i ciśnienie sprężonego powietrza wychodzącego z wymiennika ciepła gaz-powietrze 770 odpowiada lub prawie odpowiada temperaturze i ciśnieniu sprężonego powietrza z komory adiabatycznego sprężania 732. Jest to możliwe przez zaprojektowanie sprężarki o wysokim stopniu sprężania (np. pomiędzy 25 do 40). Optymalny stopień sprężania jest określony stosunkiem absolutnej temperatury spalania do absolutnej temperatury gazu wydechowego, opuszczającego komorę spalania. W tym przypadku wygodnie jest wydobyć cały nadmiar ciepła w pojedynczym rozprężaniu, po prostu przez dodanie nadmiaru powietrza z wymiennika ciepła gaz-powietrze, do strumienia powietrza dopływającego do turbiny. Ten sposób odzyskiwania ciepła ma tę korzyść, że eliminuje potrzebę oddzielnej małej turbiny powietrznej i związanego z nią generatora i w ten sposób obniża koszty kapitałowe instalacji. Ciepło zawarte w gazach wylotowych, które nie jest wymagane do wstępnego ogrzewania chłodnego sprężonego gazu wymaganego do spalania będzie na ogół stanowić niewielki ułamek (rzędu 12%) całkowitego ciepła dostępnego w gazach wylotowych. Niemniej, w celu zmaksymalizowania wydajności elektrowni wymagane jest odzyskiwanie całej nadwyżki ciepła z dowolnego procesu. Oczywiście nadwyżka ciepła wydechowego z komory spalinowej może być odzyskiwana na różne sposoby, a stosowana metoda będzie zależeć od parametrów konstrukcyjnych (takich jak stopień sprężania gazu, temperatura powietrza wprowadzanego do komory spalania oraz temperatura spalania) danej sprężarki. Na przykład, w niektórych zastosowaniach może się okazać wskazanym użycie więcej niż jednej pomocniczej turbiny powietrznej lub gazowej oraz związanych z nią wymienników ciepła i generatorów mocy.

Uruchomienie sprężarki 700 ze stanu spoczynku wymaga dostarczenia wstępnej energii dla wprawienia w ruch tłoków; można tego dokonać przez zastosowanie stosunkowo małej sprężarki osiowej, dostarczającej gorące sprężone powietrze do rozruchu izotermicznej sprężarki. Z chwilą gdy izotermiczna sprężarka wytwarza chłodne sprężone powietrze, można je wykorzystywać do rozruchu sprężarki spalinowej.

Mimo iż działanie izotermicznej sprężarki jest uzależnione od sprężarki spalinowej i vice versa, względna faza pomiędzy cyklem roboczym sprężarki izotermicznej a sprężarki spalinowej jest zupełnie dowolna. Również, częstotliwość robocza sprężarki izotermicznej może się różnić od częstotliwości sprężarki spalinowej. Ogólnie biorąc, będzie istniał skończonej wielkości przedział czasowy pomiędzy wyjściem chłodnego sprężonego powietrza ze sprężarki izotermicznej a wstrzyknięciem wstępnie ogrzanego sprężonego powietrza do sprężarki spalinowej. Podobnie, będzie istniał skończonej wielkości przedział czasowy pomiędzy wyjściem gorącego sprężonego powietrza ze sprężarki spalinowej a wtryskiem gorącego sprężonego powietrza do sprężarki izotermicznej. Tak więc, system będzie posiadał skończoną stalą czasu, którą można zmieniać w zależności od charakterystyki elementów składowych, na przykład, długości rurociągów używanych do przesyłania sprężonego gazu pomiędzy sprężarkami. Konstrukcję sprężarki izotermic/nej można zmieniać na dowolną z wyżej opisanych, w stosunku do fig. od 1 do 4 lub 6 lub modyfikacji oczywistych dla fachowców w tej dziedzinie.

Ponadto, sprężarka spalinowa może taką posiadać konstrukcję podobną do konstrukcji dowolnej opisanej tu sprężarki izotermicznej oraz zawierać modyfikacje oczywiste dla fachowców w tej dziedzinie. Na przykład, sprężarka spalinowa może zawierać złożony, stały/ciekły tłok umieszczony w przewodzie w kształcie litery U, podobny do opisanego powyżej w odniesieniu

172 335 do fig. 2, a praca sprężarki spalinowej może być symetryczna tak, że wytwarza ona gorące sprężone powietrze dwukrotnie na cykl.

W innym wariancie cieplnie napędzanej sprężarki, zarówno proces sprężania adiabatycznego jak i izotermicznego mogą być napędzane bezpośrednio przez spalanie paliwa, wykorzystując pojedynczy duży tłok.

Komora po jednej stronie tłoka może służyć jako komora spalania, w której mieszanka paliwa z powietrzem lub innym utleniaczem jest zapalana wytwarzając gaz spalinowy o wysokiej temperaturze, nadający tłokowi energię kinetyczną. Komora po drugiej stronie tłoka zawiera gaz przeznaczony do sprężania, który można następnie wykorzystywać do napędzania turbiny. Ponieważ gaz spalinowy będzie na ogół posiadać temperaturę znacznie wyższą od temperatury gazu ze sprężarki wirnikowej, energia udzielana tłokowi będzie znacznie wyższa, pod warunkiem, że dopuści się do pełnego rozprężenia gazu, umożliwiającego sprężenie większej ilości gazu w komorze sprężania. Powietrze lub inny utleniacz wykorzystywany do spalania paliwa można także sprężać w części komory sprężania. Powietrze/utleniacz mogą być chłodzone w trakcie sprężania, korzystając z rozpylonej cieczy w celu minimalizacji pracy sprężania. Korzystnym jest usytuowanie wymiennika ciepła tak, aby podgrzewać co najmniej część chłodnego sprężonego gazu przy pomocy gazu wydechowego z komory spalania, a część tego wstępnie ogrzanego gazu może być wprowadzana do komory spalania, do spalania z odpowiednim paliwem.

Część gazu w komorze sprężania może być sprężana adiabatycznie i dostarczana bezpośrednio do napędzania turbiny gazowej. Sprężone powietrze może, na przykład, być powietrzem napędzającym turbinę powietrzną pracującą w stosunkowo niskiej temperaturze i której gazy wylotowe posiadają temperaturę zbliżoną do temperatury otaczającej atmosfery. Tak więc, kombinacja sprężarki gazu napędzanej gazem spalinowym, w bardzo wysokich temperaturach umożliwiających przekształcenie energii cieplnej w energię sprężania zawartą w dużej objętości sprężonego powietrza, z ciepłem odrzucanym w stosunkowo niskich temperaturach, może być uważana za silnik cieplny,którego praca jest zbliżona do idealnego cyklu Carnota, o wydajności η ,gdzie η = 1- t|/t2, tt, jest temperaturą, w której następuje odrzucanie ciepła, a to jest temperaturą, w której następuje pochłanianie ciepła.

Tłok może być tak usytuowany aby poruszał się w górę i w dół, lub w przód i w tył, w płaszczyźnie poziomej. Wariant, w którym stały tłok jest ustawiony na poruszanie się ruchem zwrotnym, w górę i w dół, pomiędzy sąsiadującymi komorami spalania, górną i dolną, jest przedstawiony na fig. 16 jako zespół składowy wykorzystywany w elektrowni.

Jak przedstawiono na fig. 16, sprężarka do gazu napędzana cieplnie, oznaczona ogólnie liczbą 500, zawiera komorę izotermicznego sprężania 503 oraz sąsiednią komorę adiabatycznego sprężania 505, obie umieszczone nad komorą spalania 507. Komory sprężania 503, 505 są oddzielone pionową przegrodą 509, rozciągającą się od szczytu każdej komory w dół. Tłok 511 wykonany z ciała stałego posiada szczelinę 510 idącą od szczytu 512 tłoka 511, w dół, dla pomieszczenia pionowej przegrody 509 tak, że tłok może się poruszać swobodnie w górę i w dół, do wnętrza i na zewnątrz komór izotermicznego i adiabatycznego sprężania 503, 505.

Komora spalania 507 posiada otwór wlotowy gorącego sprężonego powietrza 513, sterowany zaworem wlotowym gorącego sprężonego powietrza 515, do wtryskiwania gorącego sprężonego powietrza do komory, otwór wtryskowy paliwa 517 oraz otwór wylotowy gazu wydechowego 519 sterowany zaworem wylotowym gazu wydechowego, 521, umożliwiający wydalanie gorącego gazu wydechowego z komory 507. Komora spalania jest otoczona płaszczem chłodzącym 523, w którym może obiegać powietrze chłodzące ściany komory spalania 525. Każda z komór spalania izotermicznego i adiabatycznego, 503, 505, posiada otwór wlotowy powietrza 527, 529 sterowany zaworem 531,533, umożliwiającym pobieranie powietrza do każdej komory, oraz otwory wylotowe sprężonego powietrza 535, 537, sterowane zaworem wylotowym sprężonego powietrza 539, 541, umożliwiającym odciąganie sprężonego powietrza z każdej komory. Komora sprężania izotermicznego 503 posiada otwór wtryskowy

172 335 rozpylonej cieczy 543 do wtryskiwania chłodnej rozpylonej cieczy. Ciecz ta jest wtryskiwana przy pomocy pompy 545, pobierającej ciecz z systemu chłodzenia 547 połączonego ze zbiornikiem 560.

Otwór wylotowy sprężonego powietrza 535 w komorze sprężania izotermicznego 503 jest połączony z oddzielaczem wilgoci 549, w którym oddzielana jest rozpylona ciecz, zawarta w sprężonym powietrzu. Otwór wylotowy sprężonego powietrza 537 w komorze adiabatycznego sprężania 505 jest połączony z wyjściem głównej turbiny powietrznej, która wraz z turbiną powietrzną 553, napędza generator prądu 555.

Chłodne sprężone powietrze z oddzielacza wilgoci, 549, jest skierowywane w trzech kierunkach. Część powietrza przechodzi do wymiennika ciepła gaz-powietrze 557, w którym jest podgrzewane ciepłem pochodzącym z gazu wydechowego z komory spalania 507. Część chłodnego sprężonego powietrza z oddzielacza wilgoci 549 jest skierowywana do płaszcza chłodzącego 523 lub komory spalania 507, w celu chłodzenia ścian komory spalania 525. Inna część chłodnego sprężonego powietrza z oddzielacza wilgoci jest skierowywana do wymiennika ciepła powietrze-powietrze, 559, w którym jest wstępnie podgrzewana powietrzem wylotowym z drugiej turbiny powietrznej 553; przed przejściem na wejście głównej turbiny powietrznej 551, wraz z głównym strumieniem gorącego sprężonego powietrza z komory adiabatycznego sprężania 505.

Opisany zostanie teraz typowy cykl roboczy sprężarki 500, poczynając od tłoka 511 w chwilowym spoczynku, tuż ponad podstawą 508 komory spalania 507 i podpieranym przez korek sprężonego powietrza w tejże komorze spalania. Każda komora adiabatycznego i izotermicznego sprężania 503, 505, zawiera powietrze zassane poprzez ich odpowiednie otwory wlotowe gazu 529, 527 podczas poprzedniej części cyklu, a ich odpowiednie zawory wlotowe gazu, 533, 535 i zawory wylotowe gazu, 539, 541, są teraz zamknięte.

Po zatrzymaniu się tłoka w komorze spalania 507, kierunek ruchu tłoka może ulec odwróceniu w miarę jak schwytane powietrze zaczyna się adiabatycznie rozprężać. Równocześnie otwiera się zawór gorącego sprężonego gazu, 515, i ładunek gorącego sprężonego powietrza zostaje wprowadzony do komory poprzez otwór wlotowy sprężonego gazu 513. Paliwo, wstrzykiwane do komory poprzez otwór wtryskowy paliwa 517, miesza się z gorącym powietrzem wlotowym i zapala, wytwarzając gaz spalinowy o temperaturze przekraczającej 2000°C. Gaz spalinowy rozszerza się przy stałym ciśnieniu, przesuwając tłok do góry i poza komorę spalania.

Jeśli stosowanym paliwem jest gaz ziemny, wówczas ulega on samozapłonowi przy temperaturze powietrza wynoszącej około 550°C. W przypadku ogrzewania powietrza do niższych temperatur wymagane będzie stosowanie zewnętrznego zapłonu, na przykład do rozruchu. Niektóre paliwa mogą wymagać zapłonu w każdym cyklu, nawet przy bardzo wąskiej temperaturze powietrza. Dawkowanie wtryskiwanego paliwa jest regulowane tak, że ciśnienie w komorze spalania 507 pozostaje w przybliżeniu stałe. Zaletą tego jest fakt, że szczytowe ciśnienia uzyskiwane w naczyniu są całkiem umiarkowane. Unika się w ten sposób konieczności stosowania naczyń ciśnieniowych o bardzo grubych ścianach, a także ogranicza poziom hałasów i wstrząsów podczas przebiegu. Ceną tego jest niewielki spadek wydajności.

Ciśnienie w komorze spalania pozostaje w przybliżeniu stałe na etapie spalania. Równocześnie tłok 511 zaczyna sprężać powietrze zawarte w komorach sprężania izotermicznego i adiabatycznego, 503, 505. Podczas sprężania powietrza w komorze sprężania izotermicznego, wstrzykuje się do niej rozpyloną ciecz w celu chłodzenia gazu i pochłaniania ciepła sprężania. Wtryskiwanie rozpylonej cieczy do komory może się rozpocząć z chwilą, kiedy temperatura powietrza w komorze sprężania osiągnie temperaturę rozpylonej cieczy. Rozpylona ciecz może być wstrzykiwana ze stałą szybkością. W pewnym punkcie, przy ruchu tłoka 511 w górę, zamyka się zawór wlotowy sprężonego powietrza, 515 w komorze spalania, a wtrysk paliwa zostaje zatrzymany. Może to nastąpić po wstrzyknięciu zadanej ilości paliwa. Następnie gazy spalinowe rozprężają się adiabatycznie w dół, być może do ciśnienia atmosferycznego. Rozprężanie się gazów spalinowych wywiera siłę na tłok 511, który w rezultacie uzyskuje energię kinetyczną i potencjalną i kontynuuje ruch w górę suwu, w każdej z komór sprężania, 503, 505.

172 335

Z chwilą kiedy ciśnienie sprężonego powietrza w komorze sprężania adiabatycznego 505 osiągnie wymaganą wartość, otwiera się zawór wylotowy gazu, 541 i gorące sprężone powietrze wypływa z komory poprzez otwór wylotowy sprężonego gazu 537. Gorący sprężony gaz jest następnie skierowywany na wejście głównej turbiny powietrznej 551, w której rozpręża się, wytwarzając siłę mechaniczną do napędu generatora 555. Najkorzystniej, temperatura wejściowa głównej turbiny powietrznej i temperatura wyjściowa adiabatycznie sprężonego powietrza ze sprężarki powinny być do siebie dopasowane. Temperatura powietrza wylotowego z głównej turbiny powietrznej jest zbliżona do temperatury otaczającej atmosfery.

Z chwilą kiedy ciśnienie powietrza w komorze izotermicznego sprężania 503 osiągnie wymaganą wartość, otwiera się zawór wylotowy sprężonego gazu 539 i chłodne sprężone powietrze wraz z rozpyloną ciecząjnst odciągane z komory poprzez otwór wylotowy sprężonego gazu 535 i przesyłane do oddzielacza wilgoci 549, w którym rozpylona ciecz jest oddzielana od sprężonego powietrza. Rozpylona ciecz z oddzielacza wilgoci przechodzi przez system chłodzenia 547, a następnie zostaje ponownie używana w rozpylonej formie.

Część chłodnego sprężonego powietrza przechodzi z oddzielacza wilgoci 549 do wymiennika ciepła gaz-powietrze, 557, w którym jest wstępnie podgrzewana ciepłem gazu wydechowego usuwanego z komory spalania w poprzedniej części cyklu. Pewna ilość wstępnie ogrzanego sprężonego powietrza wychodzącego z wymiennika ciepła gaz-powietrze 557 jest skierowywana do komory spalania 507, podczas gdy inna część jest skierowywana na wejście drugiej turbiny powietrznej, 553, w której rozpręża się wytwarzając moc mechaniczną napędzającą generator 555.

Pewna część chłodnego sprężonego powietrza z oddzielacza wilgoci 549 przechodzi przez wymiennik ciepła powietrzn-powintrzn, 559, w którym jest ogrzewana powietrzem wylotowym z drugiej turbiny powietrznej 553, a to wstępnie ogrzane sprężone powietrze jest dalej skierowywane do głównej turbiny powietrznej 551, dla uzupełniania głównego strumienia gorącego sprężonego powietrza z komory sprężania adiabatycznego 505.

Chłodne sprężone powietrze z oddzielacza wilgoci 549 jest również skierowywane do płaszcza chłodzącego 523 otaczającego komorę spalania, w celu chłodzenia ścian komory spalania. Pewna część powietrza chłodzącego może być także wykorzystywana do chłodzenia głowicy tłoka 514 w komorze spalania. Można to osiągnąć przez wykonanie wielu otworów w ścianach komory spalania, przez które może przepływać powietrze z płaszcza chłodzącego 523. Otwory lub szczeliny wykonuje się z boku tłoka, w położeniach odpowiadających położeniom otworów w ścianach komory. Wnętrze tłoka jest tak skonstruowane, aby umożliwiać przepływ powietrza ze szczelin lub otworów do głowicy tłoka w celu chłodzenia go. Alternatywnie nie można tworzyć przejścia w tłoku umożliwiające bezpośredni, choć ograniczony przepływ powietrza z jednej lub obu komór sprężania, do głowicy tłoka 514.

Powietrze chłodzące przechodzi ostatecznie z płaszcza chłodzącego 523 do komory spalania, poprzez otwory w ścianach komory spalania. Powietrze obiega także w przewodach powietrznych utworzonych w podstawie 508 komory sprężania 507, w celu chłodzenia podstawy zaworów i gniazd zaworowych. Alternatywnie, urządzenia mogą być tak skonstruowane, że powietrze chłodzące nie wchodzi do komory spalania, ale jest dodawane do powietrza płynącego do głównej turbiny powietrznej. Umożliwia to wydajniejszy odzysk ciepła odprowadzanego do powietrza chłodzącego.

Z chwilą kiedy tłok 511 osiąga szczyt swego suwu zamykają się zawory wylotowe sprężonego powietrza 539, 541 w każdej z komór sprężania 503, 505, tak że pewna część sprężonego powietrza pozostaje w każdej z komór. Kierunek ruchu tłoka 511 zostaje odwrócony pod wpływem działania siły ciężkości oraz skutkiem rozprężania się schwytanego sprężonego powietrza i tłok zaczyna wysuwać się z komory sprężania, przechodząc do komory spalania 507. Z chwilą kiedy ciśnienie w komorach sprężania osiąga ciśnienie powietrza wlotowego otwierają się odpowiednie zawory wlotowe gazu 527, 533 i powietrze jest pobierane do komór poprzez odpowiednie otwory wlotowe gazu, 535, 537.

Z chwilą kiedy ciśnienie gazów spalinowych w komorze spalania osiągnie wartość wystarczającą do przepchania gazów przez wymiennik ciepła gaz-powietrze, 557 i ostatecznie do atmosfery, otwiera się zawór wydechowy 521 i gaz wydechowy zostaje wydalany z komory

172 335 spalania, poprzez otwór wylotowy gazu wydechowego 519. Powietrze chłodzące pod niskim ciśnieniem może obiegać wewnątrz płaszcza chłodzącego komorę spalinową i być wprowadzane do komory spalinowej podczas tej części cyklu. Powietrze wpuszczane do komory spalinowej będzie służyło do wypierania i wypłukiwania pozostałego gazu wydechowego. Powietrze chłodzące pod niskim ciśnieniem może być dostarczane przez wentylatory pobierające powietrze wprost z atmosfery.

Zanim tłok 511 dojdzie do podstawy komory spalania 508 i zanim całe powietrze chłodzące zostanie wyparte z komory spalania 507, zamknie się zawór wydechowy 521, a pozostałe powietrze i gaz wydechowy zostanie sprężony adiabatycznie, wycofując tłok i ostatecznie powodując zatrzymanie się tłoka tuż ponad podstawą komory spalania. Moment zamykania się zaworu wydechowego 521 jest tak dobrany, że ciśnienie w komorze spalania w momencie nawrotu tłoka równa się w przybliżeniu ciśnieniu gorącego sprężonego powietrza dostarczanego przez wymiennik ciepła na początku fazy spalania.

Z chwilą zatrzymania się tłoka w komorze spalania zamykają się zawory wlotowe gazu 527, 529 w komorach spalania 503, 505. Otwiera się zawór wlotowy gorącego sprężonego powietrza 515 w komorze spalania i zadana ilość gorącego sprężonego powietrza z wymiennika ciepła gaz-powietrze 557 zostaje wprowadzona do komory spalania. Paliwo jest wstrzykiwane do komory poprzez otwór wtryskowy paliwa 517; następuje zapłon paliwa i powstałe w wyniku spalania mieszanki paliwa z gorącym sprężonym powietrzem popycha tłok 511 w górę, rozpoczynając nowy cykl.

Nawiązując do fig. 16, dodatkową turbina powietrzna 553 oraz wymiennik ciepła powietrze-po wietrze 559 mają za zadanie zmaksymalizować odzysk ciepła z gorących gazów wychodzących z komory spalania 507. Ogólnie biorąc, gaz wydechowy zawiera więcej ciepła niż to wymagane do ogrzewania doprowadzonego sprężonego powietrza spalania. Nadmiar ciepła jest wykorzystywany do ogrzewania dalszych ilości sprężonego powietrza dostarczanego do drugiej, mniejszej turbiny powietrznej 553, która działa z wyższą temperaturą wlotową niż główna turbina powietrzna 551. Powietrze wylotowe z drugiej turbiny powietrznej 553 jest nadal wystarczająco gorące do przeprowadzania dodatkowego odzysku ciepła. Ciepło to jest przekazywane, w małym wymienniku ciepła 559, oddzielnemu strumieniowi chłodnego sprężonego powietrza. System może być tak zaprojektowany, że wynikowe gorące sprężone powietrze posiada temperaturę i ciśnienie odpowiednie do rozprężania w głównej turbinie powietrznej i w tym przypadku strumień ten może zostać dodany do głównego strumienia adiabatycznie sprężonego powietrza.

Dostępnych jest wiele typów oddzielaczy wilgoci, z których większość jest już od wielu lat stosowana w energetyce i w innych gałęziach przemysłu. Z pospolitych zastosowań można wymienić oddzielacze cyklonowe, oddzielacze z zawirowaczem i oddzielacze z płytą falistą. Niemniej, bez względu na używany oddzielacz, należy starać się ograniczyć do minimum wywoływany przez niego spadek ciśnienia, gdyż wpłynie ona na wydajność sprężarki.

W związku z wysoką temperaturą gazów wylotowych wymienniki ciepła stsmowią krytyczny element składowy systemu: Można powiedzieć, że temperatura gazu wydechowego będzie jednym z krytycznych parametrów dyktujących konstrukcję całego systemu. W poprzek ścian wymiennika ciepła będzie istniała różnica ciśnień, wynosząca co najmniej 10x10⁵Pa. Oznacza to, że wirnikowy regeneracyjny wymiennik ciepła nie byłby tu stosowany ze względu na trudności związane z uszczelnianiem przy takiej różnicy ciśnień. Można byłoby stosować regenerator zaworowy, niemniej nawet w tym przypadku występowałyby znaczne przecieki strumienia z obszaru wysokiego ciśnienia do obszaru niskiego ciśnienia, w rezultacie wchodzących tu w grę pojemności objętościowych. Tak więc, najlepszy wybór stanowi prawdopodobnie przeciwprądowy, rekuperacyjny wymiennik ciepła. W celu ograniczenia kosztów do minimum, istniałaby możliwość stosowania różnych materiałów na nisko- i wysokotemperaturowe części wymiennika.

Wymagana będzie możliwość okresowego czyszczenia różnych powierzchni wymiennika ciepła. Będzie ono prawdopodobnie przeprowadzane przy nieobciążonym systemie, choć można też rozważyć system czyszczenia pod obciążeniem.

172 335

Jak przedstawiono na fig. 16, wymiennik ciepła gazowo-powietrzny 557, musi posiadać pojemność zdolną do magazynowania ciepła pochodzącego z gorących gazów wylotowych lub magazynowania sprężonego gazu, jako że wytwarzanie gazu wydechowego i gazu sprężonego nie przebiegają równocześnie, a są oddzielone przedziałem czasu równym połowie okresu jednego kompletnego cyklu ciekłego tłoka.

Co więcej, sprężarka do gazu napędzana cieplnie, przedstawiona na fig. 16, przekazująca moc na drodze adiabatycznego sprężania dużych ilości gazu do rozprężania poprzez turbinę powietrzną, dostarcza sprężonego powietrza jedynie w dyskretnych przedziałach czasowych, normalnie biorąc występujących co kilka sekund. Turbina energetyczna wymaga jednak stałego dopływu sprężonego powietrza. Temu niedopasowaniu w czasie dopływu powietrza do różnych części systemu można przeciwdziałać przez korzystanie z naczyń zawdmikowych (nie pokazanych tutaj) do chwilowego magazynowania powietrza. Niemniej, w dużych instalacjach można uniknąć potrzeby naczyń zasobnikowych przez stosowanie szeregu sprężarek (około 8 lub 12), połączonych w dogodny sposób, przewodem zbiorczym. Podobna opcja łączenia przewodem zbiorczym istniałaby w odniesieniu do wymiennika ciepła gaz-powietrze, choć w tym przypadku mogłoby być korzystnym korzystanie z mniejszej grupy sprężarek (może 4) podłączonych do jednego wymiennika ciepła gaz-powietrze.

Korzystanie z łączenia przewodem zbiorczym jako alternatywy naczyń zasobnikowych świadczy o potrzebie koordynacji sprężarek. Można ją realizować korzystając ze sterowania mikroprocesowego zaworami powietrza i gazu spalinowego.

Wariant cieplnie napędzanej sprężarki, przedstawiony na fig. 16, posiada komorę spalania po jednej stronie tłoka oraz obie komory - adiabatyczną i izotermiczna - po drugiej stronie tłoka. Spalanie i następujące po nim rozprężanie gazów nadaje energię kinetyczną tłokowi, który w rezultacie wchodzi do komory sprężania, sprężając zawarty w niej gaz. Po sprężeniu gazu i wydaleniu go z obu komór sprężania tłok zawraca i przechodzi na powrót do komory spalania. Ruch powrotny tłoka jest napędzany siłą ciężkości oraz rozprężaniem się resztki sprężonego gazu pozostałej w komorach sprężania. Mechanizmy ruchu tłoka w przód i wstecz są odmienne od siebie, a gaz jest sprężany tylko w ruchu tłoka w jednym kierunku. Ten wariant jest zatem rozwiązaniem asymetrycznym.

Jest ważnym, aby ruch tłoka w dół następował z dostateczną szybkością; uzyskuje się to przez ustawienie całej masy tłoka tak, aby przesuwał się on w stronę siły przywracającej równowagę układu, dostarczanej przez siłę ciężkości w całym okresie suwu powrotnego. Tak więc, maksymalna siła przywracająca równowagę, dostarczana przez siłę ciężkości działa na tłok w czasie ruchu powrotnego wskazując na fakt, że maksymalne przyspieszenie w dół wynosi około 1 g. Przyspieszenie w ruchu na dół można jeszcze zwiększyć przez rozprężanie powietrza lub innego gazu w co najmniej jednej z komór adiabatycznego i i/otermicznego sprężania.

Ważną cechą sprężarki do gazu o napędzie cieplnym jest to, że tłok ma masę wystarczającą do chwilowego magazynowania energii rozprężania się gazu spalinowego, w formie energii kinetycznej lub potencjalnej tłoka. Tłok stały może osiągać tę samą masę co tłok ciekły, w znacznie bardziej zwartej przestrzeni. Ponadto, tarcie tłoka będzie znacznie mniejsze przy korzystaniu z tłoka stałego raczej niż ciekłego z jednym lub więcej zagięciami. Tak więc, przyspieszenie udzielane tłokowi w procesie spalania może być większe w przypadku tłoka stałego niż w przypadku tłoka ciekłego, chociaż przyspieszenie jest w ostateczności ograniczone szybkością przekazywania ciepła pomiędzy kropelkami rozpylonej cieczy a gazem w komorze izotermicznego sprężania.

Oczekuje się, że punkt rosy gazu wylotowego zostanie osiągnięty na końcu wymiennika ciepła gaz-powietrze; prowadząc do kondensacji występującej w samym wymienniku ciepła lub w dymie kominowym. Dymu kominowego i, w razie potrzeby, skraplania w wymienniku ciepła można uniknąć przez dodawanie do gazu wylotowego pewnych ilości ciepłego powietrza pobieranego z dowolnej z dwóch turbin powietrznych. Zakład energetyczny może korzystać z wielu sprężarek, ustawionych na wspólne napędzanie pojedynczej pary turbin powietrznych. Sprężarki mogą być ustawione na działanie niewspółfazowe. Może to umożliwić ciągłe dostarczanie gorącego sprężonego powietrza do turbin, a także ułatwić przebieg poszczególnych sprężarek. Na przykład, na skutek skończonej stałej czasu w systemie, chłodne sprężone

172 335 powietrze wytwarzane w jednej sprężarce może być wykorzystywane do napędzania procesu spalania w innej sprężarce. Powietrze chłodzące używane do chłodzenia ścian komory spalania podczas suwu wydalania w jednej sprężarce może być pobierane z komory sprężania izotermicznego innej sprężarki. Ponadto, wykorzystywanie sprężarek w układzie niewspółfazowym może pomóc zredukować poziom drgań wytwarzanych na skutek przyspieszania i zwalniania ruchu tłoka stałego.

W innym wariancie sprężarki do gazu o napędzie cieplnym, z pojedynczym stałym tłokiem, komory sprężania adiabatycznego i izotermicznego mogą być oddzielone w kierunku równoległym do ruchu stałego tłoka, raczej niż w kierunku prostopadłym do tego ruchu, jak pokazano na fig. 16. Wariant wykorzystujący to rozwiązanie jest przedstawiony na fig. 17 jatko element składowy zakładu energetycznego.

Jak przedstawiono na fig. 17, sprężarka z napędem cieplnym, na ogół oznaczona jako 600, zawiera zasadniczo dwie komory usytuowane pionowo jedna nad drugą. Komora spalania 603 jest utworzona w górnej części górnego przedziału 601, zaś komora sprężania adiabatycznego 605 jest utworzona w dolnej części górnego przedziału 601. Komora sprężania izotermicznego 609 jest utworzona w górnej części dolnego przedziału 607, zaś komora sprężania/rozprężania adiabatycznego 613 jest utworzona w dolnej części dolnego przedział 607.

Komora spalania 603 posiada otwór wlotowy gorącego sprężonego powietrza 623, sterowany zaworem 625, służący do wprowadzania gorącego powietrza do komory, także otwór wtryskowy paliwa 627 służący do wstrzykiwania paliwa do komory oraz otwór wylotowy gazu 629 sterowany zaworem 631, umożliwiający usuwanie gazów spalinowych z komory spalania 603. Otwór wylotowy sprężonego powietrza, 623 oraz otwór wylotowy gazu wydechowego/gazu są podłączone z tej samej strony wymiennika ciepła gaz-powietrze 670.

Zarówno komora sprężania adiabatycznego 605 jak i komora sprężania izotermicznego, 609, posiadają otwory wlotowe powietrza, 633, 635, sterowane zaworami 637, 639, umożliwiające wprowadzanie powietrza do każdej z komór 605,609, a także otwory wylotowe sprężanego powietrza 641,643, sterowane zaworami 645, 647, umożliwiające pobór sprężonego powietrza z każdej z tych komór.

Komora sprężania izotermicznego 609 posiada także szereg otworów wtryskowych, 648, służących do wtrysl^kwania do komory rozpylonej cieczy. Dysze wtryskowe najkorzystniej jest ustawiać w sposób zapewniający jednolite zraszanie pierścieniowej przestrzeni. Otwór wylotowy sprężonego powietrza 643 w komorze sprężania izotermicznego 609, jest podłączony do oddzielacza wilgoci 680 oddzielającego rozpyloną ciecz zawartą w sprężonym powietrzu. Oddzielacz wilgoci 680jest podłączony do otworu wytryskiwania rozpylonej cieczy 648 poprzez system chłodzenia 628 i pompę wtryskową rozpylonej cieczy schładza rozpyloną ciecz wychodzącą z oddzielacza wilgoci, zanim zostanie ona ponownie użyta w rozpylonej formie. Pompa 650 napędza ciągły obieg cieczy, oddzielacza wilgoci 680 do komory sprężania izotermicznego. Zbiornik opadowy 684 zawierający rezerwową ciecz do rozpylania, ma za zadanie uzupełnienie strat cieczy w obwodzie.

Otwór wylotowy sprężonego powietrza 641 w komorze sprężania adiabatycznego 605 jest połączony z wejściem głównej turbiny powietrznej 672, napędzającej generator 674. Gorące sprężone powietrze ze sprężarki jest rozprężane w turbinie 672, dostarczając mocy mechanicznej wykorzystywanej do wytwarzania prądu elektrycznego. Część zimnego sprężonego powietrza z oddzielacza wilgoci jest skierowywana do wymiennika ciepła gazowo-powietrzny 670, w którym jest podgrzewana ciepłem gazu wydechowego z komory spalania. Pewna ilość wstępnie ogrzanego powietrza jest następnie skierowywana do komory spalania 603, do wykorzystywania w procesie spalania.

Niemniej, ilość ciepła dostępnego z gazów wylotowych przekracza na ogół ilość wymaganą do wstępnego ogrzewania chłodnego sprężonego powietrza potrzebnego do spalania. W celu odzyskania tego nadmiaru ciepła, sprężarka jest zaprojektowana tak, aby dostarczać sprężone powietrze w ilościach przekraczających te wymagane do spalania. Część tej nadwyżki sprężonego powietrza jest przesyłana przez wymiennik ciepła gazowo-powietrzny 670, w celu

172 335 wchłonięcia nadmiaru ciepła z gazu wydechowego, a następnie jest skierowywana do drugiej turbiny powietrznej 676, w której ulega rozprężaniu dostarczając użytecznej siły mechanicznej.

Temperatura powietrza wylotowego z drugiej turbiny gazowej 676 jest znacznie wyższa od temperatury otaczającej atmosfery, a ciepło zawarte w powietrzu wylotowym można odzyskiwać przez przekazywanie go pewnej części chłodnego sprężonego powietrza wychodzącego z oddzielacza wilgoci 680, korzystając z wymiennika ciepła 678. Wstępnie ogrzane sprężone powietrze jest następnie skierowywane do głównej turbiny powietrznej 672, w której ulega rozprężeniu wraz z gorącym sprężonym powietrzem z komory adiabatycznego sprężania 605.

Komora sprężania adiabatycznego, 613, zawiera masę gazu, np. powietrza, które podczas przebiegu sprężarki jest na zmianę sprężane i rozprężane. Gaz ten działa w charakterze sprężyny, której celem jest przetwarzanie energii kinetycznej tłoka poruszającego się w jedną stronę, na energię kinetyczną tłoka poruszającego się w przeciwną stronę. Gaz stanowi środek przywracania tłoka w górne położenie stawu, w celu zakończenia cyklu roboczego sprężarki. Tak więc, komora ta nie wymaga wylotowego ani wylotowego otworu gazu, sterowanych zaworami otwierającymi i zamykającymi je w trakcie normalnego cyklu roboczego sprężarki. Niemniej, mogą być wymagane środki uzupełniania powietrza wyciekającego z komory (nie pokazane).

Tłok 615 składa się z górnej, środkowej i dolnej części wykonanych z ciała stałego i posiada swobodę ruchu posuwisto-zwrotnego, liniowego i pionowego. Górna część, 617, tłoka 615 jest wykonana na wymiar średnicy górnego przedziału 601 i może się swobodnie poruszać w górę i w dół, pomiędzy pionowymi punktami krańcowymi przedziału, w kierunkach do wnętrza i na zewnątrz komór spalania i adiabatycznego sprężania, 603, 605. Dolna część 619 tłoka 615 jest wykonana na wymiar średnicy dolnego przedziału, 607, i może się swobodnie poruszać w górę i w dół, pomiędzy pionowym i punktami krańcowymi przedziału, w kierunkach do wnętrza i na zewnątrz komory izotermicznego sprężania 609 i komory adiabatycznego sprężani a/rozprężania 613. Górna i dolna 617, 619 część tłoka 615 są połączone ze sobą i oddzielone w pionie częścią środkową, 621, zawierającą wałek o średnicy mniejszej niż średnica górnej i dolnej przegrody. Wałek przechodzi przez otwór 623 wykonany w przegrodzie 611 oddzielającej górny i dolny przedział. Otwór 611 jest wyposażony w ruchowe uszczelnienie 612, uszczelniające wałek i zapobiegające przedostawaniu się powietrza przez otwór 611 pomiędzy komorą adiabatycznego sprężania 605 a komorą izotermicznego sprężania 609. Ruchowe uszczelnienie 612 jest tak skonstruowane, aby umożliwiało swobodne przesuwanie się wałka w obu kierunkach, w worze 611. Pomiędzy tłokiem a ścianami komór znajdują się uszczelki 614,616, zapobiegające przeciekom gazu z jednej komory do drugiej.

W tym wariancie, kiedy górna część 617 tłoka 615 znajduje się w najwyższym położeniu w komorze spalania, wolna przestrzeń wewnątrz komory adiabatycznego sprężania 605 oraz komorze adiabatycznego sprężania rozprężania 613 osiąga wielkość maksymalną, podczas gdy wolna przestrzeń pierścieniowa w komorze sprężania izotermicznego 609 osiąga wartość minimalną. Odwrotnie, kiedy górna część 617 tłoka 615 znajduje się w swoim najniższym położeniu, wolna przestrzeń zarówno w komorze spalania jak i w komorze izotermicznego sprężania, 603 i 609, osiągają wartości maksymalne, zaś wolna przestrzeń zarówno w komorze sprężania adiabatycznego 605 jak i komorze sprężania/rozprężania adiabatycznego, 613, osiąga wartość minimalną;. Tak więc, w tym wariancie proces spalania napędza bezpośrednio proces adiabatycznego sprężania, wprowadzanie powietrza do komory izotermicznego sprężania oraz adiabatyczne sprężanie gazu w komorze adiabatycznego sprężania/rozprężania. Adiabatyczne rozprężanie gazu w komorze adiabatycznego sprężania rozprężania 613 napędza proces sprężania izotermicznego, wprowadzanie powietrza do komory adiabatycznego sprężania 605 oraz wydalanie gazu wydechowego z komory spalania 603.

Typowy cykl roboczy sprężarki 600, przedstawiony na fig. 17 przedstawia się następująco, poczynając od tłoka 615 w szczytowym górnym położeniu w komorze spalania 603, tuż przed zmianąjego kierunku ruchu. W tym momencie zawory wylotowe gazu 645, 647 w obu komorach sprężania, 605, 609, są zamknięte. Komora sprężania adiabatycznego 605 zawiera powietrze zassane poprzez otwór wlotowy gazu 633 podczas poprzedniej części cyklu, a zawór wlotowy gazu, 637, jest teraz zamknięty. Dolna część, 619, tłoka 615 znajduje się na szczytowym górnym poziomie w komorze sprężania izotermicznego 609 tak, że wolna przestrzeń w komorze

172 335 sprężania izotermicznego osiąga wartość minimalną, a zawór wlotowy gazu 639 pozostaje otwarty umożliwiając pobranie powietrza do komory przy ruchu tłoka w dół. Dolna część 619 tłoka 615 zostaje wycofana z komory adiabatycznego sprężania/rozprężania 613 tak, że wolna jej przestrzeń osiąga maksymalną wielkość.

W chwili kiedy tłok 615 w komorze spalania 603 zatrzymuje się na moment, przed zmianą kierunku ruchu, zawór wlotowy gorącego sprężonego gazu 625 otwiera się i do komory spalania zostaje wprowadzona zadana ilość gorącego sprężonego powietrza. Paliwo jest wtryskiwane do komory spalaniapoprzez otwór wtryskowy paliwa627 i zapala się rozpoczynając proces spalania mieszanki paliwa z gorącym sprężonym powietrzem. Gazy spalinowe rozprężają się pod stałym ciśnieniem, przesuwając tłok 615 w dół, z komory spalania 603, do komory adiabatycznego sprężania 605, a górna część tłoka rozpoczyna sprężanie powietrza zawartego w tej komorze. Równocześnie, dolna część, 619, tłoka 615 wychodzi z komory sprężania izotermicznego 609 i wchodzi do komory adiabatycznego sprężania/rozprężania 613. W miarę postępu tłoka w dół, do poszerzającej się przestrzeni w komorze izotermicznego sprężania 609 pobierane jest powietrze przez otwór wlotowy gazu 635. W tym samym czasie dolna część tłoka spręża gaz zawarty w komorze adiabatycznego sprężania/rozprężania 613.

Z chwilą osiągnięcia przez tłok 615 pewnego poziomu, wtrysk paliwa zostaje zatrzymany. Gazy spalinowe nadal rozprężają się adiabatycznie, aż do chwili kiedy tłok 615 osiągnie najniższy punkt suwu.

W chwili kiedy ciśnienie powietrza w komorze adiabatycznego sprężania 605 osiągnie wymaganą wartość, otwiera się zawór wylotowy gazu 645 i gorący sprężony gaz wypływa z komory sprężania adiabatycznego 605, przez otwór wylotowy sprężonego gazu, 641, przechodząc na wejście głównej turbiny powietrznej 672. Gorące sprężone powietrze ulega rozprężeniu w turbinie, wytwarzając moc mechaniczną do napędu generatora 674.

Przy kontynuowanym ruchu w dół, tłok 615 jest stopniowo wycofywany, w miarę jak energia kinetyczna jest przekształcana w energię sprężania gazu zawartego w komorze adiabatycznego sprężania/rozprężania, 613. Ostatecznie energia kinetyczna tłoka osiąga wartość zerową i tłok zatrzymuje się na moment, w dolnym położeniu suwu. W chwili gdy tłok 615 zatrzymuje się na moment, przed zmianą kierunku ruchu, zawór wylotowy sprężonego gazu 645 w komorze adiabatycznego sprężania, 605, zamyka się, a zawór wlotowy gazu 637 otwiera się umożliwiając pobranie powietrza do komory w trakcie ruchu tłoka 615 w górę. Równocześnie zamyka się zawór wlotowy gazu 639 w komorze sprężania izotermicznego.

Gorący sprężony gaz w komorze adiabatycznego sprężania/rozprężania 613 zaczyna się rozprężać adiabatycznie, przesuwając tłok 615 do góry, przy czym dolna jego część jest przepychana z komory 613 do komory izotermicznego sprężania 609. W miarę jak tłok zaczyna sprężać powietrze w komorze izotermicznego sprężania 609, w komorze 609 zostaje rozpylona ciecz, przez otwór wtryskiwania cieczy, 648, w celu chłodzenia powietrza tak, że proces sprężania może przebiegać mniej więcej izotermicznie. Równocześnie górna część, 617, tłoka 615 zaczyna wychodzić z komory sprężania adiabatycznego 605 i wchodzić do komory spalania 603. W rezultacie powietrze zostaje pobrane do komory sprężania adiabatycznego, przez otwór wlotowy gazu, 633. Z chwilą kiedy ciśnienie gazów spalinowych osiągnie wartość wystarczającą do przepchnięcia gazów spalinowych przez wymiennik ciepła gaz-powietrze, 670, i dalej do atmosfery, otwiera się zawór wylotowy gazu, 631, umożliwiając wydalenie gazów spalinowych z komory spalania, 603.

Z chwilą gdy ciśnienie powietrza w komorze sprężania izotermicznego 609 osiągnie wymaganą wartość, otwiera się zawór wylotowy 647 i chłodne sprężone powietrze zostaje zassane z komory sprężania izotermicznego 609, wraz z rozpyloną cieczą. Chłodne sprężone powietrze i rozpylona ciecz zostają przesłane do oddzielacza wilgoci 680, w którym ciecz jest oddzielana od sprężonego powietrza. Oddzielona ciecz jest następnie przekazywana do systemu chłodzenia, 682, w którym jest schładzana przed ponownym użyciem w rozpylonej formie.

Część zimnego sprężonego powietrza z oddzielacza wilgoci jest przesyłana przez wymiennik ciepła gaz-powietrze, 670, w którym jest wstępnie ogrzewana ciepłem gazów spalinowych wychodzących z komory spalania 603. Część wstępnie ogrzanego powietrza jest skierowywana do komory spalania 603 do wykorzystania w następnym cyklu, a część jest przesyłana na wejście

172 335 drugiej turbiny powietrznej 676 napędzającej generator 674. Część chłodnego sprężonego powietrza wychodzącego z oddzielacza wilgoci 680 jest przesyłana przez wymiennik ciepła powietrze-powietrze, 678, w którym jest wstępnie podgrzewana gorącym powietrzem wylotowym wychodzącym z drugiej turbiny 676. Wstępnie ogrzane sprężone powietrze z wymiennika ciepła powietrze-powietrze, 678, jest następnie przesyłane do głównej turbiny, 672, w której rozpręża się wraz z gorącym sprężonym powietrzem z komory adiabatycznego sprężania, 605.

W chwili kiedy tłok 615 osiąga górne szczytowe położenie suwu, zawór wydechowy 631 w komorze spalania 603, zawór wlotowy gazu 639 w komorze sprężania adiabatycznego 605 oraz zawór wylotowy sprężonego gazu 647 w komorze izotermicznego sprężania 609 pozostają zamknięte, zaś zawór wlotowy gazu 639 w komorze sprężania adiabatycznego 609 jest otwarty. Zawór wlotowy gorącego sprężonego gazu, 625, w komorze spalania 603 zostaje otwarty, w celu dopuszczenia świeżego ładunku gorącego sprężonego powietrza z wymiennika ciepła gaz-powietrze 670 do komory spalania. Paliwo jest wstrzykiwane do komory spalania poprzez otwór wtryskowy 627 zapalając się w gorącym sprężonym gazie. Wynikły proces spalania powoduje przesunięcie tłoka w dół i cykl się powtarza od nowa.

Wprowadzenie komory adiabatycznego sprężania/rozprężania w celu zwalniania i odwracania ruchu stałego tłoka w końcowym dolnym punkcie suwu, pozwala uniknąć potrzeby stosowania bardziej skomplikowanych metod, w których gaz przechodzi do komory i z powrotem; wymagając zaworów otwierających i zamykających z dużą dokładnością w czasie.

Podobnie jak w przypadkach wszystkich wyżej opisanych wariantów wynalazku, w których pożądane jest chłodzenie ścian komór, można korzystać z płaszcza chłodzącego wokół ścian komory spalania jak w wariancie pokazanym na fig. 17, w którym obiega płyn chłodzący, pochłaniający ciepło ze ścian komory. Płyn chłodzący może zawierać pewną część zimnego sprężonego gazu wytwarzanego w komorze izotermicznego sprężania. Ściany komory spalania mogą posiadać szereg otworów umożliwiających doprowadzenie sprężonego powietrza (lub innego gazu) do komory spalania i rozprężania go wraz z gazami spalinowymi. Niemniej, nawet po wchłonięciu ciepła ze ścian komory spalania, przez płyn chłodzący, będzie on wciąż stosunkowo chłodny w porównaniu z temperaturą gazów spalinowych. Tak więc wprowadzenie stosunkowo chłodnego gazu do komór spalania może powodować straty wydajności systemu (na przykład na skutek stosunkowo dużej zmiany entropii). Tak więc transpiracyjna metoda chłodzenia jest nie koniecznie najbardziej wydajną metodą odzyskiwania ciepła ze ścian komory spalania.

Alternatywnie, płyn chłodzący może obiegać wokół ścian komory chłodzemapochłaniając ciepło, a następnie może być przesyłany do innej części systemu, w której pochłonięte ciepło może być wyzwalane w tej części cyklu, w której temperatura jest bardziej zbliżona do temperatury płynu chłodzącego. Na przykład, jeśli płyn chłodzący jest sprężany izotermicznie, powietrze z komory izotermicznego sprężania, jako część sprężonego powietrza można skierować wokół ścian komory spalania, a wówczas ogrzane sprężone powietrze można skierowywać do turbiny powietrznej, której temperatura wlotowa jest dopasowana do temperatury ogrzanego sprężonego powietrza.

Wariant obejmujący tę metodę odzysku ciepła oddawanego ścianom komory spalania jest przedstawiony na fig. 18. Wariant przedstawiony na fig. 18 jest pod wieloma względami podobny do tego przedstawionego na fig. 17, a odpowiadające sobie części są oznaczone tymi samymi numerami. Jak przedstawiono na fig. 18, górny przedział 601 jest otoczony płaszczem chłodzącym 620, zapewniającym chłodzenie ścian komory spalania 603 i ewentualnie komory sprężania adiabatycznego 605. Oddzielacz wilgoci 680 jest podłączony do zimnej strony wymiennika ciepła gaz-powietrze 670 główną linią zasilającą, doprowadzającą sprężony gaz, 618. Podłączenie linii doprowadzającej płyn chłodzący, 622, do płaszcza chłodzącego jest wykonane w pobliżu dolnego końca górnego przedziału 601, gdzie temperatura ścian komory spalania jest stosunkowo niska. Płaszcz chłodzący 620 rozciąga się w górę, do szczytu komory spalania i jest tak skonstruowany, że powietrze chłodzące może opływać górę komory spalania, w której mieści się zawór wlotowy gorącego sprężonego gazu 625 oraz zawór wylotwoy gazu wydechowego, 631.

172 335

Otwór wylotowy gorącego sprężonego gazu 641 w komorze sprężania adiabatycznego, 605, jest połączony z wyjściem turbiny powietrznej, 672, linią doprowadzania gazu, 626. Otwór wylotowy płynu chłodzącego w płaszczu chłodzącym 620 jest podłączony do linii doprowadzania gazu, 626 linią zasilającą 624. Otwór wyjściowy płynu chłodzącego i płaszcza chłodzącego mieści się u szczytu komory spalania 603 gdzie temperatura jest najwyższa. Takie usytuowanie otworu wyjściowego płynu chłodzącego zapewnia, że sprężone powietrze opuszczające płaszcz chłodzący wchłonęło wystarczającą ilość ciepła tak, że temperatura sprężonego powietrza odpowiada temperaturze gorącego sprężonego powietrza wychodzącego z komory adiabatycznego sprężania 605.

Wariant przedstawiony na fig. 18 jest przewidziany do napędu pojedynczej turbiny powietrznej 672, unikając potrzeby stosowania drugiej turbiny powietrznej i związanego z nią wymiennika ciepła zawartych w zespole energetycznym, przedstawionym na fig. 17. W wariancie przedstawionym na fig. 18 chłodny sprężony gaz wykorzystywany do odzysku nadwyżki ciepła z gazu wydechowego, w wymienniku ciepła gazowo-powietrznym 670 przechodzi wprost na wejście turbiny powietrznej 672 przewodem zasilającym gazu 628. Taki aspekt niniejszego wariantu, przedstawiony na fig. 18, został już poprzednio opisany w odniesieniu do wariantu przedstawionego na fig. 15.

W eksploatacji, zimny gaz z komory sprężania izotermicznego 609 przechodzi przez oddzielacz wilgoci, 680, skąd główna część sprężonego gazu jest skierowywana do wymiennika ciepła gaz.-powietrze, 670. Chłodny sprężony gaz jest wstępnie ogrzewany w wymienniku ciepła 670, a część wstępnie ogrzanego sprężonego gazu, wymagana w procesie spalania, jest skierowywana do komory spalania 603. Ta część wstępnie ogrzanego sprężonego gazu, która jest wykorzystywana do odzyskiwania nadwyżki ciepła z gazu wydechowego, jest przesyłana wprost do turbiny powietrznej 672, w której jest rozprężana wraz z adiabatycznie sprężonym gazem z komory sprężania adiabatycznego, 605.

Część chłodnego sprężonego gazu z oddzielacza wilgoci jest skierowywana do płaszcza chłodzącego 620, w celu chłodzenia ścian komory spalania. Sprężony gaz obiega w płaszczu chłodzącym, odprowadzając ciepło ze ścian komory spalania, i ostatecznie wychodzi przez otwór wylotowy płynu chłodzącego i dołącza się do głównego strumienia adiabatycznie sprężonego gazu płynącego do turbiny powietrznej 672. Mogą tu być wymagane zawory (nie pokazane), do sterowania przepływem chłodzącego powietrza, z oddzielacza wilgoci, poprzez płaszcz chłodzący, do linii zasilającej 626 przenoszącej główny strumień adiabatycznie sprężonego gazu.

Wariant symetrycznej sprężarki z napędem cieplnym, obejmującej pionowo oddzielone komory, przedstawiono na fig. 19, w połączeniu z zespołem energetycznym skonstruowanym w sposób podobny do opisanego powyżej, na podstawie fig. 16 i 17. Jak pokazano na fig. 19, sprężarka 900, zawiera przewód 901, w kształcie litery U, częściowo wypełniony cieczą tworzącą ciekły tłok 903. Ramiona 905 i 907 przewodu 901 są liniowe i przebiegają pionowo do góry. W sąsiedztwie szczytów każdego ramienia, 905, 907, utworzony jest przedział 908, 910, którego górna część służy jako komora spalania 909, 911, a dolna część jako komora adiabatycznego sprężania 913, 915. W każdej odnodze, 905, 907, poniżej górnych przedziałów 908, 910, utworzony jest dolny przedział 912, 914. Dolne przedziały służą w charakterze komór sprężania izotermicznego 917, 919. W każdej odnodze, pomiędzy komorą spalania a komorą izoter^icznego sprężania, umieszczono komorę adiabatycznego sprężania, w celu zredukowania, tak dalece jak to jest możliwe, gradientu ciepła wzdłuż ramienia, a przez to zmniejszenia do minimum przewodności cieplnej z komory spalania do komory sprężania izotermicznego.

W każdej odnodze 905, 907, przewodu 901 znajduje się stały tłok 921,932, posiadający gęstość wyższą od tłoka ciekłego 903, składający się zasadniczo z trzech części: górnej, środkowej i dolnej. Dolna część każdego tłoka, 921, 923, wykonana na wymiar średnicy ramienia, 905, 907 przewodu 901, jest podpierana z dołu tłokiem ciekłym, 903, i może się swobodnie poruszać w górę i w dół, wchodząc i wychodząc z komory sprężania izotenmcz.ncgo 917, 919. Przy dolnej krawędzi tłoka umieszczono uszczelnienia 984, dla zapobiegania przeciekom pomiędzy tłokiem a ścianami komory. Górna część, 929,931 stałego tłoka 921 i 923 jest wykonana na wymiar średnicy górnej komory 908, 910 i może się swobodnie poruszać w pionie pomiędzy górnym a dolnym końcowym punktem górnej komory 908, 910. Górna i dolna

172 335 część stałego tłoka 921,923, są połączone ze sobą i rozdzielone w pionie częścią środkową, 930, 932, w formie wałka, posiadającą średnicę mniejszą niż średnica zarówno górnej jak i dolnej części. Część środkowa, 930, 932, przechodzi z przedziału górnego do dolnego poprzez otwór 933, 935 utworzony w przegrodzie 937, 939 oddzielającej przedział górny od dolnego. Pomiędzy otworami 933, 935 a wałkiem znajdują się uszczelnienia ruchowe 941,943, zapobiegające przeciekaniu gazu pomiędzy komorami sprężania izotermicznego i adiabatycznego.

W chwili kiedy każdy stały tłok znajduje się w najniższym położeniu w stosunku do danego ramienia przewodu, wolna przestrzeń wewnątrz zarówno komory spalania jak i komory izotermicznego sprężania jest w pełni rozciągnięta i maksymalna. Równocześnie, wolna przestrzeń wewnątrz komory sprężania adiabatycznego jest minimalna, przy górnej części tłoka w najniższym położeniu jego suwu, w górnym przedziale. Na odwrót, kiedy każdy stały tłok znajduje się w swoim górnym granicznym położeniu, wolna przestrzeń wewnątrz komór spalania i i/otermic/nego sprężaniajest minimalna, natomiast wolna przestrzeń wewnątrz komory sprężania adiabatycznego jest maksymalna, z górną częścią tłoka w górnym granicznym położeniu suwu, w górnym przedziale.

Każda komora spalania, 909, 911 posiada otwór wlotowy gorącego sprężonego gazu, 945, 947, sterowany zaworem 949, 951, służący do wprowadzania wstępnie ogrzanego sprężonego powietrza lub innego gazu utleniającego, do komory; otwór wtryskowy paliwa, 953, 955 służący do wstrzykiwania paliwa do komory, oraz otwór wylotowy gazu wydechowego, 957, 959, sterowany zaworem 961, 963, służący do wydalania gorącego gazu wydechowego z komory spalania. Każda komora adiabatycznego sprężania, 913, 915 posiada otwór wlotowy gazu, 965, 967, sterowany zaworem 969, 971, umożliwiający pobranie gazu do komory, oraz otwór wylotowy sprężonego gazu, 973, 975, sterowany zaworem 977, 979; umożliwiający pobieranie adiabatycznie sprężonego gazu z tej komory. Każda komora i/otermicznego sprężania, 917,919, posiada otwór wlotowy gazu, 981,983, sterowany zaworem, 985, 987, umożliwiający pobranie gazu do komory, oraz otwór wylotowy sprężonego gazu, 989, 991, sterowany zaworem 993, 995, umożliwiający odsysanie izotermicznie sprężonego gazu z tej komory. Każda komora izotermicznego sprężaniazawieraponadto szereg otworów wtryskowych rozpylonej cieczy, 918, 820, 922, 924, wykonanych tak, aby zapewniać jednolite rozpylanie cieczy w całej pierścieniowej przestrzeni każdej komory, podczas sprężania.

W cyklu roboczym sprężarki pokazanej na fig. 19, procesie spalania w jednej odnodze przewodu napędza równocześnie proces sprężania adiabatycznego w tej samej odnodze oraz proces sprężania izotermicznego w drugiej odnodze.

Typowy cykl roboczy sprężarki o napędzie cieplnym, przedstawionej na fig. 19, przebiega następująco, poczynając od tłoka 923 w krańcowym górnym punkcie suwu w komorze spalania 911 oraz tłoka 921 w krańcowym dolnym punkcie suwu w komorze spahnia 909. Komora spalania 909 zawiera gorące, rozprężone gazy spalinowe z poprzedniego spalenia a zarówno zawór wlotowy gorącego sprężonego gazu, 949, jak i zawór wylotowy gazu wydechowego, 961, są zamknięte. Komora sprężania izotermicznego, 917, zawiera powietrze zassane poprzednio poprzez otwór wlotowy 981 w czasie poprzedniej części cyklu, a zawory wlotowy i wylotowy gazu, 985, 993, są zamknięte. Komora sprężania adiabatycznego 915 w drugiej odnodze, 907, przewodu 901 zawiera także powietrze wprowadzone poprzednio przez otwór wlotowy gazu 967, a zawory wlotowy i wylotowy gazu, 987, 995, są zamknięte.

W chwili kiedy stały tłok, 923, zatrzymuje się na moment, w szczytowym punkcie swego suwu, przed odwróceniem kierunku ruchu, otwiera się zawór wlotowy gorącego sprężonego gazu, 951, i zadana ilość gorącego sprężonego gazu z wymiennika ciepła gazowo-powietrznego 970, zostaje wprowadzona do komory spalania 911. Paliwo jest wstrzykiwane do komory spalania 911. Paliwo jest wstrzykiwane do komory spahnia 911, poprzez otwór wtryskowy paliwa 955. Paliwo zapala się, a proces spalania się mieszanki powietrza z paliwem napędza tłok w dół wycofując go z komory spalania 911 oraz komory sprężania izotermic/nego 919. Początkowo, paliwo jest nadal doprowadzane do komory spalania, tak że spalanie przebiega pod mniej więcej stałym ciśnieniem. Zawór wylotowy sprężonego gazu, 995, w komorze sprężania i/otermicznego 919 jest zamknięty, a zawór wlotowy gazu, 987, jest otwarty, umożliwiając pobranie gazu do komory sprt^^,żania 919, w miarę wycofywania się tłoka z komory.

172 335

W miarę jak górna część, 931, tłoka 923 przesuwa się w dół, wycofując się z komory spalania 911, przechodzi ona do komory sprężania adiabatycznego 915 i spręża powietrze wprowadzone poprzednio do komory podczas ostatniej części cyklu.

Ruchowi stałego tłoka, 923, w dół towarzyszy ruch w górę drugiego tłoka, 921, napędzany procesem spalania w przeciwnej odnodze, 907. Podczas ruchu w górę stałego tłoka 921, w odnodze 905, zawór wylotowy sprężonego gazu 977, w komorze sprężania adiabatycznego 913 jest zamknięty a zawór wlotowy gazu 969 jest otwarty umożliwiając pobieranie powietrza do komory. Oba zawory gazu - wlotowy i wylotowy - w komorze sprężania izotermicznego 917 są zamknięte a dolna część 925 tłoka 921 rozpoczyna sprężanie powietrza zawartego w komorze sprężania izotermicznego. Podczas sprężania, do komory izotermicznego sprężania wstrzykiwana jest chłodna rozpylona ciecz, poprzez otwory wtryskowe 918, 924, w celu chłodzenia powietrza, tak aby sprężanie przebiegało mniej więcej izotermicznie. Zawór wylotowy 961 w komorze spalania 909 otwiera się w chwili kiedy ciśnienie staje się wystarczające do wydalenia gazów spalinowych poza komorę spalania, poprzez wymiennik ciepła gaz-powietrze, 970, i ostatecznie do atmosfery.

W pewnym momencie, podczas ruchu stałego tłoka 923 w dół, zatrzymuje się proces wstrzykiwania paliwa. Tłok 923 jest nadal napędzany w dół, do dolnego końcowego punktu suwu, przez adiabatyczne rozprężanie się gazów spalinowych.

Z chwilą gdy ciśnienie powietrza w komorze izotermicznego sprężania, 917, osiągnie żądaną wartość, otwiera się zawór wylotowy sprężonego gazu, 993, i sprężone powietrze wraz z rozpyloną cieczą zostaje pobrane z komory przez otwór wylotowy sprężonego gazu, 989. Mieszanka sprężonego gazu i rozpylonej cieczy przechodzi przez oddzielacz wilgoci 972, w którym oddzielana jest rozpylona ciecz. Ta ostatnia jest następnie przesyłana na powrót do systemu chłodzenia, 974 zawierającego zbiornik 997, gdzie jest chłodzona przed ponownym wykorzystaniem jej w charakterze rozpylonej cieczy. Część chłodnego sprężonego powietrza jest przesyłana z oddzielacza wilgoci do wymiennika ciepła gazowo-powietrznego, 970, w którym jest wstępnie ogrzewana ciepłem gorącego gazu wydechowego z procesu spalania. Część wstępnie ogrzanego sprężonego powietrza przechodzi następnie z wymiennika ciepła gazowopowietrznego 970, do wykorzystania w procesie spalania, zaś inna część jest przesyłana na wejście małej turbiny powietrznej 978.

Z chwilą kiedy ciśnienie powietrza w komorze sprężania adiabatycznego 915 osiąga wymaganą wartość, otwiera się zawór wylotowy sprężonego gazu 979, gorące sprężone powietrze wypływa z komory, poprzez otwór wylotowy sprężonego gazu, 975, i zostaje przesłane do głównej turbiny powietrznej, 976 w której się rozpręża dostarczając mocy mechanicznej do napędu generatora 980. Ciepło z gazu wydechowego drugiej turbiny powietrznej 978, jest odzyskiwane przez przekazanie go części chłodnego sprężonego powietrza z oddzielacza wilgoci 972, w wymienniku ciepła powietrze-powietrze 982. Gorące sprężone powietrze opuszczające wymiennik ciepła powietrze-powietrze jest następnie przesyłane do głównej turbiny powietrznej 976, w której rozpręża się wraz z głównym strumieniem adiabatycznie sprężonego powietrza. W chwili gdy stały tłok, 923, osiąga dolny graniczny punkt swego suwu a tłok 921 osiąga górny graniczny punkt swego suwu zamykają się następujące zawory: zawór wylotowy gazu wydechowego 961 w komorze spalania 909, zawór wlotowy gazu 969 w komorze sprężania adiabatycznego 913, zawór wylotowy sprężonego gazu 993 w komorze sprężania 917, zawór wylotowy sprężonego gazu 979 w komorze sprężania adiabatycznego 915 oraz zawór wlotowy gazu 987 w komorze sprężania izotermicznego 919. Otwiera się wtedy zawór wlotowy gorącego sprężonego gazu 949 w komorze spalania 909, i wkrótce potem zamyka się, po wpuszczeniu do komory ładunku gorącego sprężonego gazu. Paliwo jest wstrzykiwane do komory spalania poprzez otwór wtryskowy paliwa 953. Paliwo zapala się, a wynikły stąd proces spalania mieszanki wstępnie ogrzanego sprężonego powietrza z paliwem napędza tłok 921 w dół, wypychając go zarówno z komory spalania 909 jak i komory sprężania izotermicznego 917, rozpoczynając powrotny suw tłoka oraz drugą połowę cyklu roboczego.

Ponieważ wariant sprężarki przedstawiony na fig. 19 jest urządzeniem symetrycznym, druga połowa cyklu jest podobna do pierwszej i obejmuje sprężanie powietrza w komorach sprężania adiabatycznego i izotenmicznego, 913 i 919, wprowadzanie powietrza do komór

172 335 sprężania adiabatycznego i izotermicznego, 915 i 917, oraz wydalanie gazów spalinowych z komory spalinowej 911. Wszystkie te procesy są napędzane spalaniem przebiegającym w komorze spalania 909. Przez zastosowanie różnych komór spalania i sprężania, oddzielonych od siebie pionowo, konstrukcja sprężarki jest stosunkowo prosta i silna.

W alternatywnych wariantach tłoki stałe i ciekłe można zastępować pojedynczym tłokiem stałym. W tym przypadku, przewód w kształcie liery U, którego główną funkcją jest ujmowanie cieczy i przekształcanie ruchu w dół jednej części tłoka na ruch w górę innej części tłoka, i vice versa, nie byłby wymagany. Tłok może być ustawiony do ruchu liniowego, a komory spalania mogą być usytuowane tak, że jedna z nich znajduje się poniżej drugiej, lub też tak, że obie znajdują się w tej samej płaszczyźnie poziomej, z oscylującym pomiędzy nimi tłokiem stałym. Podobnie mogą być usytuowane komory sprężania.

W dowolnym wariancie sprężarki gazowej wyposażonej w stały tłok, zachodzi możliwość przechodzenia tłoka poza jego graniczne położenie, powodując szkodliwe uderzenia tłoka w dno komory. Można temu zapobiec stosując czujniki i urządzenia regulacyjne, sterujące zaworami wtryskiwania gazu do komory. Ponadto, może się okazać wskazanym skonstruowanie stałego tłoka w sposób łagodzący s2kutki takich uderzeń. Na przykład, koniec czyli głowica tłoka może się zapadać pod wpływem uderzenia, pochłaniając jego energię. Można to zreaHzować przez wykonanie jednej strony tłoka w formie obszaru przewidzianego do zgniatania. Alternatywnie, koniec tłoka może się składać teleskopowo w kierunku uderzenia. Zapadająca się część końcowa powinna być możliwie jak najlżejsza, tak aby ograniczyć do minimum energię kinetyczną tej części tłoka.

We wszystkich wariantach przedstawionych na fig. 15 do fig. 19 ciepło jest dostarczane do sprężarki o napędzie cieplnym drogą spalania paliwa. Niemniej, możliwe jest wykorzystywanie innych źródeł ciepła, takich jak jądrowe, słoneczne, chemiczne oraz ciepło pochodzące z procesów przemysłowych, a warianty wykorzystujące alternatywne źródła ciepła są szczegółowo opisane poniżej. W celu rozróżnienia sprężarek wykorzystujących wewnętrzne i zewnętrzne źródła ciepła, będziemy o nich mówić odpowiednio jako o sprężarkach ze spalaniem wewnętrznym lub z ogrzewaniem zewnętrznym. Fig. od 15 do 19 ilustrują warianty sprężarki ze spalaniem wewnętrznym, wraz z elementami obwodu stosowanymi do wytwarzania mocy elektrycznej, obejmującymi co najmniej jedną turbinę powietrzną. Takie systemy będziemy nazywać SSWTP (Sprężarka o Spalaniu Wewnętrznym i Turbina Powietrzna).

Paliwo dla systemu SSWTP może być gazowe, ciekłe lub stałe. W przypadku używania stałego paliwa, takiego jak węgiel, koniecznym jest jego fazyfikacja lub zmielenie na drobny miał (paliwo pulweryzowane) tak, jak się stosuje w istniejących elektrowniach opalanych węglem. Inne alternatywy polegają na stosowaniu palenisk ze złożem fluidalnym, jak te stosowane w niektórych nowoczesnych elektrowniach, lub też posiadanie palenisk z rusztem łańcuchowym, jak te stosowane dawniej. W przypadku niektórych paliw wystąpi konieczność przewidzenia sposobów usuwania cząsteczek oraz dwutlenku siarki z gazów wydechowych oraz z samej sprężarki. Dla większości paliw wymagane będzie stosowanie metod kontroli emisji tlenków azotu, przez regulowanie samego procesu spalania lub też poprzez obróbkę gazów wydechowych.

Gaz wydechowy z komory spalania będzie na ogół zawierał pewną ilość pary wodnej. Para wodna będzie wytwarzana w samym procesie spalania, na skutek obecności wodoru w paliwie. Ilość wytwarzanej pary wodnej będzie zależeć od spalanego paliwa. Na przykład, gaz ziemny, lub metan (CH4) będzie wytwarzał więcej pary wodnej niż węgiel.

Odzysk wody z gazów spalinowych może być ważnym z różnych powodów. Jednym z nich może być konieczność oszczędzania wody, szczególnie wody odmineralizowanej. Ponadto, obecność pary wodnej może powodować nieestetyczne dymienie z kominów, którymi odprowadza się gazy wydechowe. Jeśli udałoby się usuwać wodę z gazów spalinowych przed ich odprowadzeniem do atmosfery wówczas nie występowałoby widoczne dymienie z komina. Skraplanie pary wodnej stanowi skuteczną metodę usuwania z gazów wydechowych niektórych szkodliwych zanieczyszczeń i tę metodę można stosować pojedynczo lub w uzupełnieniu innych metod ich kontroli. Zależnie od typu paliwa, zanieczyszczenia te mogą obejmować tlenki siarki, tlenki azotu, amoniak, rtęć i inne metale ciężkie oraz stałe cząsteczki. Przy skraplaniu pary

172 335 wodnej część tych zanieczyszczeń zostanie usunięta z gazów wydechowych, przez rozpuszczenie w kondensacie. W niektórych przypadkach może być konieczne dodawanie do kondensatu pewnych substancji cl·lnmnczeycC, w celu ułatwienia rozpuszczania się zanieczyszczeń w fazie wodnej. Na przykład, wychwytywanie tlenków siarki można reaHzować przez dodanie wapnia lub innych alkalii, jak to ma miejsce w konwencjonalnych systemach odsiarczania gazów kominowych. Do wychwytywania innych zanieczyszczeń można wykorzystywać inne domieszki.

Niektóre zanieczyszczenia, takie jak amoniak, są łatwo rozpuszczalne w wodzie i ich skuteczne wychwytywanie nie wymaga stosowania żadnych domieszek. Amoniak można wstrzykiwać do wymiennika ciepła, komory spalania lub przewodów łączących, w celu zmniejszaniapoziomu tlenków azotu, powstających w wysokich temperaturach. Zależnie od warunków oraz ilości wtryskanego amoniaku, mogą zajść okoliczności, kiedy gazy spalinowe zawierają nadmiar amoniaku i będzie wskazanym usuwanie go przed wydaleniem gazów do atmosfery. Skraplanie jest także skuteczną metodą usuwania z gazów wydechowych zawieszonych w nim cząsteczek stałych, w tym także popiołu. W przypadku paliw o znacznej zawartości popiołu, takich jak węgiel, skraplanie można uzupełniać konwencjonalnym odpylaniem elektrostatycznym.

Urządzenie do skraplania pary wodnej z gazów wydechowych jest przedstawione sclicmatycznie na fig. 20. Przedstawione urządzenie można podłączać wprost od strony otworu wylotowego zimnych gazów wylotowych gorącego wymiennika ciepła gaz-powietrze, przedstawionego na dowolnej z fig. od 15 do 19. Niemniej, urządzenie to może być także wykorzystywane w innych systemach, tam gdzie jest wskazane odzyskiwanie wody z gazów wydechowych lub innych.

Nawiązując do fig. 20, niskotemperaturowy wymiennik ciepła gaz-gaz, 656, jest podłączony od strony wylotowej gazów wydechowych wysokotemperaturowego wymiennika ciepła gazowo-powietrznego 649, służącego do ogrzania izotnrmiczein sprężonego powietrza gazem wydechowym z komory spalania sprężarki. Chłodnica 658 jest podłączona do wymiennika ciepła gaz-gaz 656 tak, że gaz wydechowy z wymiennika ciepła gaz-gaz przechodzi przez chłodnicę 658 i powraca do niskotemperaturowej strony wymiennika ciepła gazowo-gazowy 656. Wentylator 660 wymusza przepływ powietrza przez chłodnicę w celu chłodzenia gazu wylotowego. Wentylator ten można umieszczać w górę lub w dół strumienia od chłodnicy.

W celu zilustrowania działania urządzenia odzysku wody, założone zostaną różne temperatury w różnych jego punktach, choć w praktyce te temperatury mogą być całkiem inne. Gaz wydechowy z komory spalania przechodzi przez wysokotemperaturowy wymiennik ciepła gaz-powietrze, 649, w którym jest ochładzany do około 60°C izotermiczeln sprężonym powietrzem z komory sprężania izotermicznego o temperaturze około 40°C. Gaz wydechowy z wymiennika ciepła gazowo-powietrznego, 649, przechodzi przez niskotemperaturowy wymiennik ciepła gazowo-gazowy 656, w którym ulega dalszemu chłodzeniu, do około 35°C, chłodnym gazem wydechowym powracającym z chłodnicy 658. Gaz wydechowy jest następnie skierowywany do chłodnicy, gdzie jest ochładzany do temperatury około 25°C strumieniem powietrza atmosferycznego o początkowej temperaturze około 15°C, a następnie jest skierowywany na powrót do wymiennika ciepła gazowo-gazowego 656. Woda skroplona z gazów wydechowych skutkiem ochłodzenia jej w wymienniku ciepła gazowo-gazowym 656, jest usuwana przed przesłaniem gazu wydechowego do chłodnicy 658, a woda skroplona w wyniku dalszego ochłodzenia, w chłodnicy 658, jest usuwana po tym stopniu, a przed przesłaniem gazu wydechowego na powrót do wymiennika ciepła gazowo-gazowym 656. Ochłodzony gaz wylotowy jest skierowywany na powrót do wymiennika ciepła gaz-gaz 656 i w ten sposób przywraca się pewną część usuniętego ciepła. Suchy gaz wylotowy, którego temperatura została podniesiona do około 50°C w wymienniku ciepła gaz-gaz, 656, jest następnie wydalany do atmosfery. Przez ponowne podgrzewanie gazu wylotowego unika się nieestetycznego dymienia kominów, a.także zwiększa się wyporność gazu wydechowego ułatwiająca jego rozpraszanie się w atmosferze.

Wprawdzie chłodnica 658 przedstawiona na fig. 20 wykorzystuje powietrze do chłodzenia gazów spalinowych, można również rozważać możliwość stosowania innych metod chłodzenia, takich jak wodą z jeziora, rzeki, chłodni kominowej lub morza. Tam gdzie w charakterze paliwa

172 335 wykorzystuje się gaz ziemny, odzysk wody można przeprowadzać w stosunkowo wysokich temperaturach, ponieważ gazy kominowe wytwarzane przy spalaniu posiadają punkt rosy około 60°C.

System SSWTP posiada szereg zalet w porównaniu z turbiną gazową o kombinowanym cyklu (TGKC) oraz konwencjonalnymi systemami parowymi, opalanymi gazem lub ropą. System SSWTP nie posiada turbiny gazowej napędzanej gorącymi gazami spalinowymi z oddzielnej komory spalania. W systemie TGKC maksymalna temperatura jest ograniczona maksymalną temperaturą jaką są w stanie wytrzymać łopatki turbiny gazowej, to znaczy około 1300°C. Ponieważ ciepło z komory spalania w systemie SSWTP jest zamieniane bezpośrednio na energię kinetyczną tłoka (lub na inną formę energii kinetycznej, przeznaczonej do magazynowania, w połączeniu z tłokiem), maksymalna temperatura graniczna jest o wiele wyższa i powinna przekraczać 2000°C.

Gaz wylotowy z turbiny gazowej w systemie TGKC posiada temperaturę około 500°C i jest wykorzystywany do produkcji pary napędzającej turbinę parową. Niemniej, w systemie SSWTP temperatura gazu wydechowego może być rzędu 800°C co jest wykorzystywane do wstępnego ogrzewania powietrza wlotowego do komory spalania, poprzez wymiennik ciepła. Tak więc, system SSWTP nie wymaga systemu parowego, co ogranicza jego koszt kapitałowy.

W systemie TGKC konwencjonalna sprężarka wirnikowa dostarcza gorącego sprężonego powietrza wlotowego, o temperaturze około 350°C. Temperaturę tę osiąga się w wyniku przekazywania ciepła sprężonemu powietrzu w procesie adiabatycznego sprężania. Ciepło przekazane gazowi wlotowemu jest dostarczane w formie energii mechanicznej sprężarki wirnikowej. Niemniej, w systemie SSWTP powietrze wlotowe, którego temperatura wynosi około 800°C, nie jest podgrzewane energią mechaniczną, ale ciepłem gazu wylotowego ze sprężarki. Tak więc, w systemie TGKC temperatura zostaje podniesiona o 350°C, do 1200°C, podczas gdy w systemie SSWTP temperatura jest podnoszona z 800°C do 2000°C. W rezultacie, w systemie SSWTP średnia temperatura w której ciepło jest dodawane do systemu jest znacznie wyższa niż w systemie TGKC. Jest to bardzo korzystne z punktu widzenia zdefiniowanej poprzednio wydajności Carnota. Co więcej, ponieważ powietrze wlotowe jest sprężane izotermicznie, sprężenie danej masy gazu wymaga znacznie mniejszej ilości energii niż ta zużywana przez sprężarkę wirnikową.

Większość sprężonego powietrza, wykorzystywanego do napędu sprężarki o napędzie cieplnym w systemie SSWTP, jest zużywana w procesie spalania, podczas gdy w przypadku TGKC duże ilości sprężonego powietrza są wymagane do chłodzenia części turbiny i rozcieńczania gazów spalinowych tak, aby temperatura gazu nie przekraczała około 1300°C.

W systemie TGKC temperatura wylotowa z instalacji parowej do atmosfery wynosi około 80°C. W systemie SSWTP powinno być możliwe uzyskiwanie niższych temperatur wylotowych powietrza i gazów spalinowych, co oznacza mniej traconego ciepła i wyższą wydajność. Ponadto, w systemie SSWTP moc jest pobierana przy użyciu turbiny powietrznej, która działa w stosunkowo niskiej temperaturze i której temperatura wylotowa jest bliska temperaturze otoczenia. Fakt, że turbina powietrzna działa w stosunkowo niskiej temperaturze, oznacza że nie powinno być wymagane chłodzenie i nie powinny występować problemy materiałowe.

System SSWTP posiada także zaletą w stosunku do zespołu energetycznego przedstawionego na fig. 9, polegającą na możliwości osiągania wyższych temperatur, chociaż chłodzenie łopatek turbiny gazowej zimnym sprężonym powietrzem może umożliwić pracę turbiny gazowej w temperaturze rzędu 1500°C, w odróżnieniu od 1200°C.

Przy starannie zaprojektowanym systemie SSWTP, tracone ciepło powinno być utrzymywane na minimalnym poziomie, i idealnie biorąc jedyna część cyklu, w którym tracone są duże ilości ciepła występuje podczas sprężania izotermicznego. Oprócz strategii chłodzenia, opisanej w zarysie powyżej, w cyklu tym można wykorzystywać dowolne metody chłodzenia, takie jak mokre, suche i mieszane chłodnie kominowe lub bezpośrednie odprowadzanie ciepła do atmosfery lub zbiornika wodnego, takiego jak morze, rzeka lub jezioro.

Do napędzania sprężarki o napędzie cieplnym można wykorzystywać źródła ciepła inne niż ciepło wytwarzane w procesie spalania. W tym przypadku źródła ciepła będzie na ogół zewnętrzne w stosunku do napędzanej ciepłem sprężarki. Systemy, w których sprężarka o

172 335 napędzie cieplnym działa wydajnie jako część zespołu energetycznego napędzającego turbinę powietrzną, będą tu określane jako SOZTP (Sprężarka z Ogrzewaniem Zewnętrznym i Turbina Powietrzna). Jak wspomniano powyżej, źródłem ciepła mogą być reakcje chemiczne lub procesy przemysłowe, energia słoneczna lub energia jądrowa. Niekiedy może się okazać korzystniejsze stosowanie zewnętrznego wymiennika ciepła, przy spalaniu paliw, których nie daje się łatwo gazyfikować ani spalać wewnątrz samej sprężarki. Za przykład może tu posłużyć spalanie odpadów a także, ewentualnie, biomasy i węgla.

Figura 21 przedstawia schematycznie jeden wariant zewnętrznie ogrzewanej sprężarki działającej w systemie SOZTP. Sprężarka 701 zawiera komorę sprężania i/otermicznego wytwarzającą chłodny sprężony gaz oraz komorę sprężania adiabatycznego wytwarzającą gorący sprężony gaz. Pod tym względem sprężarka może być podobna do sprężarki ze spalaniem wewnętrznym przedstawionej na którejkolwiek z fig. od 15 do 19. W sprężarce napędzanej zewnętrznym źródłem ciepła, komora spalania obecna w sprężarce ze spalaniem wewnętrznym zostaje zastąpiona komorą rozprężania, do której wstrzykuje się bardzo gorący sprężony gaz, bez paliwa. Bardzo gorący sprężony gaz rozpręża się i chłodzi, bez spalania, nadając energię kinetyczną tłokowi lub innemu urządzeniu do magazynowania energii. Gorący gaz wydechowy jest wydalany z komory rozprężania i jest przesyłany do wymiennika ciepła gaz-gaz, 703, w celu wstępnego ogrzewania chłodnego sprężonego gazu pobieranego z komory izotermic/nego sprężania. Ten wstępnie ogrzany gaz jest podawany do wymiennika ciepła procesu, 705, w którym gaz zostaje podgrzany do ostatecznej temperatury, ciepłem wytwarzanym przez dany proces termiczny. Bardzo gorący sprężony gaz z wymiennika ciepła procesu, 705, jest dostarczany do komory rozprężania ogrzewanej zewnętrznie sprężarki, w której napędza tłok. W tym wariancie, moc jest pobierana z ogrzewanej zewnętrznie sprężarki przez adiabatyczne sprężanie pewnej ilości gazu i rozprężanie go poprzez turbinę gazową 707, napędzającą generator prądu elektrycznego 709. Sprężarka 701 jest połączona z układem chłodzenia 710.

Tam gdzie ciepło napędzające sprężarkę z ogrzewaniem zewnętrznym jest dostarczane poprzez zewnętrzny wymiennik ciepła, zachodzi możliwość kierowania gazu roboczego do obiegu w zamkniętym cyklu. Zalety systemu z zamkniętym obiegiem polegają na tym, że ciśnienie gazu roboczego można w tym przypadku zwiększać, w celu uzyskiwania wyższych osiągów z instalacji o tej samej wielkości a także na możliwości stosowania gazu innego niż powietrze, w celu polepszenia przekazywania ciepła.

System z zamkniętym obiegiem jest również przedstawiony na fig. 21, z koniecznymi modyfikacjami w stosunku do systemu z otwartym obiegiem, zaznaczonego linią przerywaną.

Chłodny gaz wydechowy wychodzący z wymiennika ciepła gazowo-gazowego 703, jest łączony z chłodnym gazem wydechowym pod niskim ciśnieniem, pochodzącym z głównej turbiny 707; gaz ten jest wprowadzany do komór sprężania sprężarki, część jego jest sprężana adiabatycznie do napędzania głównej turbiny gazowej 707, a część jest sprężana i/otermicznie, ogrzewana wstępnie w wymienniku ciepła gazowo-gazowym 703, przekazywana do głównego wymiennika ciepła, 705 w celu podgrzania ciepłem zewnętrznego procesu termicznego, a następnie wstrzykiwana jako bardzo gorący sprężony gaz, do komory rozprężania, w celu napędzania sprężarki.

Pojemność cieplna gazu wydechowego z ogrzewanej zewnętrznie sprężarki 701 jest ta sama co gazu wlotowego z komory izotermicznego sprężania. Tak więc, w gazie wylotowym sprężarki nie występuje tu nadwyżka ciepła, w odróżnieniu od sytuacji zachodzącej w przypadku sprężarki ze spalaniem wewnętrznym. W związku z tym, jak pokazano na fig. 21, w systemach SOZTP może nie zachodzić potrzeba stosowania drugiej turbiny gazowej i drugiego wymiennika ciepła, które w niektórych zastosowaniach są wskazane w systemie SSWTP. Niemniej, ciepło pochodzące z zewnętrznego procesu może być dostępne w szerokim zakresie temperatur i w takiej sytuacji, można stosować dwie lub więcej turbiny gazowe. Na przykład, jeśli zewnętrzny wymiennik ciepła jest piecem spalającym paliwo, wówczas zależnie od temperatury gazu wylotowego, może występować nadwyżka ciepła.

Figura 22 przedstawia jeden wariant sprężarki ogrzewanej zewnętrznie wykorzystanej w systemie SOZTP, w którym nadwyżka ciepła gazów wydechowych z zewnętrznego pieca jest przetwarzana na użyteczną energię.

172 335

Zespół energetyczny przedstawiony na fig. 22 zawiera piec 805 służący w charakterze głównego grzejnika do ogrzewania sprężonego powietrza używanego do napędu ogrzewanej zewnętrznie sprężarki 801 połączoną z układem chłodzenia 810. Wentylator 811 dostarcza powietrza do pieca 805, poprzez główny wymiennik ciepła gaz-powietrze, 813. Grzejnik gaz-powietrze, 813, ogrzewa wstępnie powietrze wlotowe do pieca 805, częścią gazu wylotowego wydalanego z pieca. Opisywany zespół energetyczny zawiera drugą turbinę powietrzną, 815, napędzającą drugi generator, 817, oraz drugi wymiennik ciepła gaz-powietrze, 819. Część sprężonego izotermicznie powietrza z ogrzewanej zewnętrznie sprężarki jest dostarczana do drugiego wymiennika ciepła gaz-powietrze, 819, przewidzianego do wstępnego ogrzewania tego powietrza wykorzystując część gazu wylotowego z pieca 805. Wstępnie ogrzane sprężone powietrze jest następnie podawane jako powietrze wlotowe do drugiej turbiny, 815, w celu wytwarzania dodatkowej mocy. Temperatura robocza drugiej turbiny powietrznej, 815, jest znacznie wyższa niż temperatura głównej turbiny, 807, tak, że powietrze wydechowe z drugiej turbiny powietrznej, 815, będzie zawierało znaczne ilości ciepła. Do odzyskiwania tego ciepła służy drugi wymiennik ciepła powietrze-powietrze, 821,podgrzewający wstępnie dalszą część izotermicznie sprężonego powietrza z zewnętrznie ogrzewanej sprężarki 801, która zostaje następnie dodana do strumienia adiabatycznie sprężonego powietrza napędzającego główną turbinę powietrzną 807. Zależnie od składu gazu wylotowego z pieca, można dodawać urządzenia do oczyszczania gazu wylotowego, 823, przed odprowadzeniem go do atmosfery.

Można także stosować drugą turbinę powietrzną, wtedy zewnętrzne ciepło pochodzi nie ze spalania paliwa, ale z procesu przemysłowego, stnumienia ciepła odpadowego lub innego źródła ciepła. Szczegółowa konstrukcja zależałaby od źródła ciepła oraz od jego dopasowania do obwodu zewnętrznie ogrzewanej sprężarki.

Figura 23 przedstawia wersję zewnętrznie ogrzewanej sprężarki, w której ciepło jest przekazywane cieczy, a nie gazowi, w zewnętrznym wymienniku ciepła. Sprężarka o napędzie cieplnym, oznaczona jako 900, posiada wiele punktów zbieżnych ze sprężarką o spalaniu wewnętrznym, opisaną powyżej i przedstawioną na fig. 17, a odpowiadające sobie liczby, powiększone o 300 analogicznych części. Tak więc, opisy tych części, włącznie ze stałym tłokiem, komorami sprężania adiabatycznego i izotermicznego oraz dolną komorą odbijania wraz z systemem odzysku wody, turbiną powietrzną i generatorem sprężarki ze spalaniem wewnętrznym, stosują się także do sprężarki z napędem cieplnym przedstawionej na fig. 23. Główne różnice pomiędzy sprężarką ze spalaniem wewnętrznym a sprężarką ogrzewaną zewnętrznie dotyczą funkcji górnej komory oraz sposobów przekazywania ciepła do górnej komory i te różnice zostaną opisane poniżej.

Górna komora 903 zewnętrznie ogrzewanej sprężarki posiada otwór wlotowy sprężonego gazu, 929, sterowany zaworem 931, otwór wylotowy gazu wydechowego, 923, sterowany zaworem 925 oraz otwór wtryskowy 928 służący do wtryskiwania rozpylonej cieczy. Otwór wlotowy gorącego sprężonego gazu, 929, jest połączony z otworem wylotowym sprężonego gazu, 943 w komorze izotermicznego sprężania, 909, poprzez oddzielacz wilgoci 980 oraz wymiennik ciepła gazowo-gazowy 970. Otwór wylotowy gazu wydechowego,923, jest połączony z wymiennikiem ciepła gazowo-gazowy 970, poprzez drugi oddzielacz wilgoci 982. Otwór wtryskowy rozpylonej cieczy umieszczony u szczytu komory rozprężania 903 jest połączony z wyjściem rozpylonej cieczy oddzielacza wilgoci 983, poprzez wymiennik ciepła procesu 985 oraz pompę wtryskową rozpylonej cieczy 986.

Opisany teraz zostanie sposób napędzania sprężarki, począwszy od chwili, kiedy tłok 915 znajduje się w sz.O’Uwvym górnym położeniu swego suwu w komorze sprężania 903. W chwili kiedy tłok zatrzymuje się w szczytowym górnym punkcie, otwiera się zawór wlotowy gazu 931 i wstępnie ogrzany sprężony gaz zostaje wprowadzony do komory 903 poprzez otwór wlotowy 929. Równocześnie gorąca ciecz z wymiennika ciepła procesu, 984, zostaje wstrzyknięta do komory rozprężania 903, przy pomocy pompy wtryskowej 986. Wstępnie ogrzany sprężony gaz jest dalej ogrzewany rozpyloną cieczą i rozpręża się napędzając tłok w dół. W miarę trwającego procesu rozprężania się gazu ciepło zawarte w kropelkach wstrzykniętej cieczy jest przekazywane gazowi, w celu utrzymania stałej temperatury gazu przez cały proces rozprężania.

172 335

W chwili kiedy tłok osiąga dolne położenie suwu w komorze rozprężania 903 i powraca kierunek ruchu, otwiera się zawór wylotowy gazu, 925, i gaz wydechowy pod niskim ciśnieniem, wraz z rozpyloną cieczą zostaje wydalony z komory rozprężania przez otwór wylotowy gazu, 923, i przepływa przez oddzielacz wilgoci 983, w którym usuwana jest rozpylona ciecz. Gaz wylotowy pod niskim ciśnieniem przepływa następnie przez wymiennik ciepła gazowo-gazowy 970, w którym sprężony gaz z komory sprężania izotermicznego 909 zostaje wstępnie ogrzany przed wprowadzeniem go do komory rozprężania 903. Rozpylona ciecz oddzielona w oddzielaczu wilgoci 983 jest skierowywana na powrót do wymiennika ciepła procesu, 985, w którym zostaje ponownie ogrzana przed dalszym wykorzystaniem jej w rozpylonej formie.

W systemie otwartym, w którym w charakterze gazu używane jest powietrze, powietrze wydechowe opuszczające wymiennik ciepła 970 jest wydalane do atmosfery. W systemie zamkniętym, gaz opuszczający wymiennik ciepła 970 jest skierowywany do komory sprężania izotermicznego 909, w celu sprężenia go. W ten sposób gaz może być stale wykorzystywany na nowo, w zamkniętym obwodzie. Ponadto, w systemie otwartym powietrze wydechowe z turbiny 972 jest wydalane, podczas gdy w systemie zamkniętym gaz jest skierowywany na powrót do komory adiabatycznego sprężania 905. W tym drugim przypadku gaz wykorzystywany do napędu turbiny 972 jest również stale recyrkulowany. Tak więc, sprężarka z ogrzewaniem zewnętrznym może działać w cyklu otwartym lub zamkniętym, jak przedstawiono przerywanymi liniami. Z fig. 23 widać, że gaz przechodzący przez komorę sprężania adiabatycznego i turbinę nie miesza się z gazem w pozostałej części systemu. Jest zatem możliwe używanie różnych gazów w tych dwóch obwodach, a nawet jeden obwód może być typu zamkniętego, podczas gdy drugi obwód jest typu otwartego.

Korzystanie z wstrzykiwanej cieczy jako ośrodka przekazywania ciepła posiada tę zaletę, że zewnętrzny wymiennik ciepła 970 może być mniejszy i bardziej wydajny. Inna zaleta używania cieczy polega na tym, że ciepło może być przekazywane do gazu w całym procesie rozprężania, co poprawia wydajność termodynamiczną. Wykorzystywanie cieczy w charakterze ośrodka przekazywania ciepła ogranicza maksymalną temperaturę źródła ciepła dla tej, którą można nadawać odpowiedniej cieczy. Najkorzystniej jest stosować ciecz o odpowiednich własnościach fizycznych i chemicznych, nietoksyczną, nie szkodliwą dla środowiska i nie drogą.

Ogrzewana zewnętrznie sprężarka z wstrzykiwaniem gorącej cieczy może się nadawać do wytwarzania mocy z niskotemperaturowym źródłem ciepła, takim jak energia słoneczna, geotermiczna lub niskotemperaturowe ciepło odpadkowe.

W przypadku procesu z zamkniętym obiegiem, może się okazać koniecznym zapewnienie dodatkowego chłodzenia gazu opuszczającego turbinę, w celu utrzymania stałej temperatury.

Sprężarka o napędzie cieplnym może działać wykorzystując szeroki zakres różnych paliw, w tym gaz ziemny, oleje lekkie lub ciężkie, orymulsje, węgiel, biomasę i odpady domowe. Opisane teraz zostaną różne metody używania paliw.

Gaz ziemny i oleje lekkie nadają się do bezpośredniego wstrzykiwania i spalania wewnątrz ogrzewanej komory spalania. Alternatywnie, paliwa te można spalać wewnątrz komory spalania zewnętrznej w stosunku do ogrzewanej komory, ale przyłączonej do niej. Przy odpowiedniej temperaturze i/lub ciśnieniu powietrza wlotowego można wykorzystywać zjawisko samozapłonu paliwa, jak to ma miejsce na przykład w silnikach wysokoprężnych. Produkty spalania nie zawierają w zasadzie cząstek stałych, zawierają natomiast bardzo niewielkie ilości dwutlenku siarki i pewne ilości tlenków azotu (NOX). Emisję NOX można redukować przy pomocy redukcji amoniakiem, katalitycznej lub niekatalitycznej. Istnieje szereg metod spalania ciężkich olejów, orymulsji lub węgla.

W odniesieniu do systemu SSWTP, ciężkie oleje i orymulsje można rozpylać na drobniutkie kropelki przez ogrzewanie a następnie wtryskiwanie do komory rozprężania, w wymaganych odstępach czasu i spalania w jej wnętrzu. Kropelki mogą się zapalać w gorącym powietrzu dostarczanym z wymiennika ciepła i ulegać szybkiemu spalaniu. W razie potrzeby można wykorzystywać system zapłonu, który może na przykład obejmować wtryskiwanie innego paliwa, dla zapoczątkowania procesu spalania. Do komory spalania może także wstrzykiwać węgiel, w formie pyłu (paliwo spulweryzowane) doprowadzanego do komory rozprężania przewodami rurowymi, wykorzystując strumień powietrza lub inny odpowiedni środek przeno172 335 szenia. Ważne jest zapewnienie, że nie występuje ryzyko przedwczesnej eksplozji pyłu węglowego w przenoszącym go płynie. Może to prowadzić, lub nie, do wyboru płynu innego niż powietrze, do transportowania, paliwa.

W innym wariancie, ciężkie oleje, orymulsje lub węgiel można gazyfikować przy pomocy powietrza lub tlenu, w odpowiedniej instalacji gazogeneracyjnej. Paliwo ciekłe, tj., orymulsja lub olej ciężki, jest prostsze w obchodzeniu się z nim w procesie gazyfikacji niż węgiel, gdyż nie zachodzi tu potrzeba stosowania młynów do mielenia paliwa ani odpowiednich środków gazowego transportu.

W innym wariancie można wykorzystywać zewnętrzny piec ciśnieniowy spalający ciężkie oleje, orymulsyjny węgiel lub zgazowane paliwo, do wytwarzania gorących gazów spalinowych, wchodzących ze sprężarki do komory rozprężania, sterowane wysokotemperaturowymi zaworami.

W odniesieniu do systemu SOZP, orymulsja, ciężki olej lub węgiel mogą być spalane w głównym grzejniku w celu podgrzewania płynu roboczego dla napędzanej cieplnie sprężarki. Głównym grzejnikiem może być niehermetyczny piec przewidziany do spalania paliwa we wstępnie ogrzanym powietrzu atmosferycznym i może obejmować wymiennik ciepła, przez który przechodzi płyn roboczy, którym może być wstępnie ogrzane sprężone powietrze z napędzanej cieplnej sprężarki. Wstępnie ogrzane sprężone powietrze jest ogrzewane ciepłem z pieca, a następnie wstrzykiwane w formie bardzo gorącego sprężonego powietrza, do komory rozprężania, w celu napędzania tłoka

Jeśli paliwo jest poddawane jakiejkolwiek formie gazyfikacji, wówczas przed spalaniem należałoby z niego usuwać siarkę. Usuwanie siarki przed spalaniem jest korzystne, ponieważ objętości gazu są znacznie mniejsze. Ponadto, siarkę można prawdopodobnie usuwać jako pierwiastek, raczej niż w formie gipsu. Oznacza to znacznie mniejszą masę materiału. Z drugiej strony, jeśli paliwo nie jest gazyfikowane, wówczas gaz wydechowy z procesu spalania należy poddawać procesowi odsiarczenia przed wydaleniem go do atmosfery.

Tam gdzie jest to możliwe, bezpośrednie spalanie paliwa w komorze spalania sprężarki o napędzie cieplnym jest na ogół rozwiązaniem korzystniejszym niż stosowanie zewnętrznego pieca, bez względu na to, czy paliwo jest zgazowane czy nie. Gaz spalinowy wytwarzany drogą gazyfikacji paliwa jest na ogół czystszy niż ten pochodzący z bezpośredniego spalania paliw stałych lub ciężkich paliw ciekłych. Niemniej, wybór pomiędzy tymi dwoma metodami będzie zależał w dużym stopniu od względnych kosztów i uwarunkowań środowiskowych.

W charakterze paliw można także wykorzystywać biomasy i odpady domowe, przygotowane w odpowiedniej formie. Wprawdzie na ogół nie jest praktyczne siekanie odpadów domowych i większości biomas, na drobne submilimetrowe cząsteczki, tak jak to ma miejsce w przypadku pulweryzowanego węgla, biomasę można jednak spalać w odpowiednim systemie spalania wewnętrznego, jeśli cząsteczki są na tyle małe, że umożliwiają osiąganie znacznego stopnia spalania. Alternatywnie, biomasę można gazyfikować. Na przykład, w jednym wariancie, biomasa może być gazyfikowana zewnętrznie, w generatorze ze stałym lub fluidalnym złożem, w którym gazyfikacja może przebiegać w formie ciągłego procesu. Można tu wykorzystywać tlen lub powietrze. Byłoby wskazanym osiąganie maksymalnej energii chemicznej produktu gazowania i ograniczanie do minimum ciepła wytwarzanego w stadium gazyfikacji. Ciepło gazyfikacji można przekazywać w wymienniku ciepła izotermicznie sprężanemu powietrzu, a następnie rozprężać go w celu zwiększenia mocy wyjściowej systemu. Gaz byłby spalany w systemie SSTWP podobnym do tego, używanego do gazu ziemnego.

Jak wspomniano powyżej, stosowanie w sprężarkach spalinowych paliw zgazyfikowanych takich jak węgiel, oleje ciężkie, orymulsja lub biomasa, może stanowić atrakcyjną opcję.

Figura 24 przedstawia zastosowanie jednego wariantu sprężarki ze spalaniem wewnętrznym i turbiny powietrznej, w zintegrowanym cyklu gazyfikacji i wytwarzania mocy. Nawiązując do fig. 24, sprężarka o napędzie cieplnym wraz z systemami odzysku rozpylonej cieczy i chłodzenia, została już opisana poprzednio w odniesieniu do fig. 17 i 18; zawiera ona wielki tłok stały, poruszający się pionowo, ruchem postępowo-zwrotnym. Odpowiadające sobie części zostały oznaczone analogicznymi numerami.

172 335

Instalacja generatora gazu zawiera oddzielacz gazu, 652, połączony z wyjściem z oddzielacza wilgoci 680, do odbierania części z chłodnego sprężonego powietrza wytwarzanego przez sprężarkę spalinową 600. Zespół rozdzielacza powietrza wytwarza azot i tlen pod ciśnieniem. Zespół rozdzielacza powietrza 652 jest ustawiony na dostarczanie tlenu pod ciśnieniem, do generatora gazu, 654, w którym tlen ten jest wykorzystywany do przekształcania spulweryzowanego węgla (lub innego paliwa) na surowy gaz opałowy zawierający, oprócz innych gazów, tlenek węgla i wodór. Pojemnik 653, zainstalowany poniżej generatora gazu, 654, ma za zadanie odbiór żużla wytwarzanego w procesie gazyfikacji. Zarówno generator gazu 654 jak i pojemnik na żużel, 653, są otoczone płaszczem chłodzącym, umożliwiającym obieg płynu chłodzącego 655 wokół ścian generatora gazu, w celu odzysku ciepła wytwarzanego w tym procesie gazyfikacji. W tym wariancie, azot pod ciśnieniem wytwarzany w zespole rozdzielacza powietrza 652, służy w charakterze płynu chłodzącego, zaś wylot azotu z zespołu rozdzielacza powietrza 652, jest podłączony do dolnej części płaszcza chłodzącego 655. Otwór wylotowy gorącego sprężonego azotu jest wykonany w pobliżu szczytu płaszcza chłodzącego generatora gazu i jest połączony bezpośrednio z wyjściem turbiny powietrznej 672. W ten sposób, ciepło z generatora gazu jest odzyskiwane w formie umożliwiającej jego wygodne przekształcanie w moc użyteczną.

Wylot surowego gazu opałowego z generatora gazu 654 jest połączony z wymiennikiem ciepła gaz-powietrze, 656, w którym surowe gazy są chłodzone dalszym dopływem azotu z zespołu rozdzielacza powietrza 652. Gorący sprężony azot wychodzący z wymiennika ciepła gaz-powietrze, 656, jest skierowywany do turbiny powietrznej 672, w której ulega rozprężaniu wytwarzając użyteczną moc mechaniczną. Wlot surowego gazu z powietrznego wymiennika ciepła 656 jest połączony z odpylaczem cyklonowym 658, w którym następuje usuwanie popiołu z surowego gazu. Odpylony gaz z odpylacza cyklonowego 658 jest skierowywany do zespołu odsiarczania 662, poprzez wymiennik ciepła surowy gaz - czysty gaz, 660, w którym surowy gaz jest chłodzony przed wprowadzeniem go do zespołu odsiarczania 662; na wyjściu zespołu odsiarczania otrzymuje się czysty gaz. Czysty gaz opałowy wychodzący z wymiennika ciepła surowy gaz - czysty gaz, 660, jest następnie skierowywany do komory spalania sprężarki spalinowej 600, poprzez otwór wtryskowy paliwa 627, w celu spalania go w komorze spalania 603. W razie potrzeby, część izotermiczna sprężonego powietrza wytwarzanego w sprężarce spalinowej może być wykorzystywana do uzupełniania sprężonego azotu, w celu odzyskiwania ciepła pochodzącego z procesu gazyfikacji.

Przewiduje się, że ta metoda gazyfikacji zapewni znacznie wyższe wydajności, niż obecnie stosowne konstrukcje, w wyniku następujących czynników:

Niższa praca jest wydatkowana na sprężanie, dzięki temu, że sprężone powietrze wymagane do zespołu rozdzielacza powietrza, w celu sprężania i chłodzenia, jest sprężane izotermicznie. Ciepło z procesu gazyfikacji jest odzyskiwane w sposób umożliwiający jego wykorzystywanie w temperaturze wyższej niż jest to na ogół możliwe w obecnych konstrukcjach zintegrowanych zespołów energetycznych z gazofikacją. Ponadto, wykorzystywanie zgazowanego paliwa w komorze spalania SSWTP zwiększa wydajność przekształcania czystego paliwa gazowego na energię elektryczną.

W alternatywnym wariancie, cykl gazyfikacji może przeprowadzać bez rozdzielacza powietrza, stosując izotemuczne sprężone powietrze w procesie gazyfikacji oraz do usuwania ciepła w wymienniku ciepła 656, zainstalowanego za generatorem gazu 654. Niemniej, przekształcanie paliwa na gaz opałowy jest mniej wydajne w przypadku stosowania powietrza i stwarza konieczność wstępnego ogrzewania izotermicznie sprężonego powietrza, przed wprowadzeniem go do generatora gazu.

Główną zaletą stosowania tlenu w cyklu gazyfikacji jest fakt, że temperatura gazyfikacji umożliwia uzyskiwanie pełniejszego przekształcania zawartego w paliwie węgla na tlenek węgla. Wyższe temperatury gazyfikacji mogą także umożliwić bardziej wydajne przekształcanie ciepła na energię mechaniczną i elektryczną, poprzez proces odzyskiwania ciepła, od generatora gazu po turbinę powietrzną. W innym wariancie może się okazać korzystnym stosowanie w procesie spalania tlenu, raczej niż powietrza. Ograniczyłoby to ilość tworzonych NOX, do tej wywoływanej obecnością azotu w paliwie. Dla produktów spalania węgla w powietrzu punkt

172 335 rosy w odniesieniu do skraplania wody wynosi około 38°C, co dostarcza bardzo niewielkich możliwości skraplania tej wody i odzyskiwania jakiejkolwiek części utajonego ciepła. W przypadku spalania węgla w tlenie, punkt rosy wynosi około 67°C, a zatem istnieje możliwość wykorzystywania utajonego ciepła do wstępnego ogrzewania pewnej części sprężonego azotu z zespołu rozdzielacza powietrza, na przykład, w turbinie powietrznej. Ponadto, w przypadku spalania węgla w tlenie, z usuniętymi zanieczyszczeniami takimi jak siarka i ze skroploną wodą, produktem spalania jest niemal wyłącznie dwutlenek węgla. Jeśli uzna się za konieczne odzyskiwanie dwutlenku węgla, ze względów środowiskowych, wówczas gaz jest w odpowiedniej do tego formie.

Gazyfikację paliwa można przeprowadzać w zespole sprężarki izotermicznej i turbiny gazowej. Fig. 25 przedstawia wariant napędzanej gazem sprężarki izotermicznej w zintegrowanym układzie energetycznym z gazyfikacją.

Ten szczególny wariant sprężarki izotermicznej został poprzednio opisany zgodnie z fig. 5, a numeracja, powiększona o 800, dotyczy analogicznych części. W szczególności, sprężarka izotermiczna zawiera górną komorę 809, usytuowaną pionowo nad dolną komorą 811 oraz wielki stały tłok, który może się swobodnie poruszać pionowo, w kierunku do wnętrza i na zewnątrz każdej komory. Górna komora posiada otwór wlotowy sprężonego powietrza 813, sterowany zaworem 817 oraz otwór wtryskowy rozpylonej cieczy, 837. Dolna komora zawiera uszczelnioną ilość gazu, dostarczającego środka przekształcania energii kinetycznej tłoka poruszającego się w dół, na energię kinetyczną tłoka poruszającego się w górę. Systemy odzysku wody oraz chłodzenia są identyczne do tych opisanych powyżej, w odniesieniu do fig. 5 i zawierają oddzielacz wilgoci 847 połączony z otworem wylotowym sprężonego gazu chłodnicy 845, połączonej z oddzielaczem wilgoci linią powrotną 853 i pompą wtryskową 834 znajdującą się pomiędzy chłodnicą 845 a otworem wtryskowym rozpylonej cieczy 835. Otwór wlotowy sprężonego gazu 821, w komorze sprężania izotermicznego 809, jest połączony z wyjściem sprężarki wirnikowej 861, dostarczającej gorące sprężone powietrze do napędu sprężarki izotermicznej 801.

Chłodne sprężone powietrze wytwarzane w sprężarce izotermicznej jest pobierane z otworu wylotowego sprężonego powietrza, 813, poprzez oddzielacz wilgoci 847 i jest skierowywane w zasadzie w trzech kierunkach. Część chłodnego sprężonego powietrza jest wykorzystywana w procesie gazyfikacji i jest w pierwszym rzędzie skierowywana do zespołu rozdzielacza powietrza 869, w którym sprężone powietrze jest rozdzielane na azot i tlen pod ciśnieniem. Część chłodnego sprężonego powietrza jest skierowywana do komory spalania 857, w której następuje spalanie, dostarczając gorącego gazu pod wysokim ciśnieniem, używanego do napędu turbiny gazowej 859. Turbina gazowa jest ustawiona na napędzie głównego generatora 863. Przed wprowadzeniem do komory spalania 857, chłodne sprężone powietrze ze sprężarki izotermicznej jest wstępnie ogrzewane w grzejniku gaz-powietrze 855, gazem wylotowym z turbiny gazowej.

Ogólnie biorąc, gaz wylotowy z turbiny gazowej zawiera na ogół więcej ciepła niż jest wymagane do wstępnego ogrzewania chłodnego sprężonego powietrza używanego do spalania w komorze spalania 857. Tak więc, następna część chłodnego sprężonego powietrza ze sprężarki izotermicznej jest wstępnie ogrzewana w wymienniku gazowo-powietrznym 855, w celu odzyskania tej nadwyżki ciepła, a to wstępnie ogrzane sprężone powietrze jest skierowywane do turbiny powietrznej 865, w której ulega rozprężeniu napędzając drugą turbinę 867.

Zespół generatora gazu jest podobny do opisanego powyżej w odniesieniu do wariantu przedstawionego na fig. 24 i zawiera zespół rozdzielania powietrza, 869, połączony z wyjściem oddzielacza wilgoci 847. Tlen pod ciśnieniem, wytwarzany w zespole rozdzielacza powietrza 869, jest skierowywany do generatora gazu 871, w którym spulweryzowany węgiel lub inne paliwo ulega gazyfikacji. Pojemnik 873 zainstalowany poniżej generatora gazu, 654, ma za zadanie odbiór żużla wytwarzanego w procesie gazyfikacji. Zarówno generator gazu 871 jak i pojemnik na żużel, 873 są otoczone płaszczem chłodzącym. Generator gazu posiada otwór wylotowy zgazowanego paliwa, połączony z wymiennikiem ciepła gazowo-powietrznym 875. Azot pod ciśnieniem z zespołu rozdzielania powietrza 869 jest skierowany zarówno do płaszcza chłodzącego otaczającego generator gazu i przewidzianego do chłodzenia jego ścian oraz

172 335 odzyskiwania nadwyżki ciepła, jak również do wymiennika gaz-powietrze, 875, w celu chłodzenia surowego paliwa dostarczanego przez generator gazu. Tutaj sprężony azot zarówno z płaszcza chłodzącego jak i z wymiennika ciepła jest skierowywany na wejście turbiny powietrznej 865, w której rozpręża się wraz z gorącym sprężonym powietrzem z wymiennika ciepła gazowo-powietrznego 855. Strona wylotowa chłodnego surowego gazu w wymienniku ciepła gazowo-powietrznym 875, jest połączona z komorą spalania 857, poprzez system oczyszczania gazu zawierający odpylacz cyklonowy 877, usuwający popiół, wymiennik ciepła surowy gaz - czysty gaz 879 oraz zespół odsiarczania 881. Surowy gaz z wymiennika gazu 875 przechodzi do odpylacza cyklonowego 877, w celu usunięcia resztek popiołu z surowych gazów. Gaz opałowy zostaje następnie przesłany do zespołu odsiarczania 811, poprzez wymiennik ciepła surowy gaz - czysty gaz 879, w którym gaz opałowy jest chłodzony czystym gazem opałowym wychodzącym z zespołu odsiarczania. Ten czysty gaz opałowy, po przejściu przez wymiennik ciepła surowy gaz- czysty gaz, 879, jest podawany bezpośrednio do komory spalania 857, w której jest spalany wraz z wstępnie ogrzanym sprężonym powietrzem z wymiennika ciepła gazpowietrze, 855.

Zintegrowany zespół gazyfikacji ISOGT może się okazać korzystniejszym od zintegrowanego cyklu ASSWTP, jeśli jego koszty są niższe. Turbina 856 i związany z nią generator prądu 867 zawarte w cyklu gazyfikacji ISOGT dostarczą dużej części całkowitej mocy, dzięki odzyskiwaniu ciepła gazyfikacji w turbinie powietrznej. Podobnie jak w przypadku zintegrowanego s^osti^imu gazyfikacji SSWTP, w zespole zintegrowanej gazyfikacji ISOGT może pominąć zespół rozdzielacza powietrza.

Jak opisano powyżej, w odniesieniu do sprężarek izotermic/nych napędzanych cieczą lub gazem, w zespole energetycznym zawierającym sprężarkę z napędem cieplnym może się także okazać wskazanym dostarczenie środka magazynowania energii.W okresach niskiego zapotrzebowania na moc, duża część izotermic/nie sprężonego gazu (którym może być powietrze, lub nie) może być magazynowana w dużym zbiorniku, takim jak wyczerpana kopalnia lub szyb naftowy. W okresach wysokiego zapotrzebowania na energię, chłodne sprężone powietrze zostaje pobrane ze zbiornika, w celu uzupełnienia nim powietrza dostarczanego przez sprężarkę.

Alternatywna metoda magazynowania energii polega na chłodzeniu i zamrażaniu wody w okresach niskiego zewnętrznego zapotrzebowania na moc, a następnie wykorzystywania tego zbiornika zimna do zwiększania mocy wyjściowej, w okresach wysokiego zapotrzebowania.

Figura 26 przedstawia jeden wariant kombinowanego zespołu wytwarzania i magazynowania mocy, zawierającego urządzenia do magazynowania energii w formie sprężonego gazu lub w formie lodu. W tym wariancie sprężonym gazem jest powietrze, a sprężarka jest typu cieplnego, z wewnętrznym spalaniem.

Sprężarka spalinowa 750 wytwarza chłodne sprężone powietrze, którego część jest dostarczana do wymiennika ciepła gaz-powietrze 751, w którym jest wstępnie ogrzewana gorącym gazem wydechowym ze sprężarki, przed wtryśnięciem do komory spalania. Moc jest pobierana ze sprężarki drogą adiabatycznego sprężania powietrza atmosferycznego i rozprężania go poprzez turbinę powietrzną 753, napędzającą generator 755. Sprężarka spabnowa 750 zawiera urządzenia sterowania względnymi proporcjami gazu sprężanego adiabatycznie i i/otermicznie. O ile sprężarka spalinowa posiada formę opisaną powyżej z fig. 17 lub 18, wówczas ilość powietrza sprężanego adiabatycznie może być regulowana w prosty sposób, przez czasową synchronizację zaworu wylotowego powietrza adiabatycznego. Jego wczesne zamknięcie oznacza mniej powietrza dostarczanego do turbiny powietrznej oraz możliwość wykorzystania większej części dostępnej energii do celu izotermicznego sprężania. W celu zwiększenia strumienia powietrza napływającego do turbiny powietrznej należy dokonać odwrotnej regulacji zaworu wylotowego adiabatycznego powietrza. Utrzymanie tego samego suwu tłoka będzie wymagało zredukowania masy gazu w komorze odbijającej, co można przeprowadzić stosunkowo prosto, na przykład przez zainstalowanie zaworu w komorze odbijania, regulującego wypuszczanie lub wpuszczanie gazu z lub do komory odbijającej.

W okresach niskiego zapotrzebowania produkuje się więcej sprężonego izotermic/nie powietrza niż ilość wymagana do napędu sprężarki spalinowej, nadwyżka zimnego sprężonego powietrza jest skierowywana do dużego zbiornika, 757, w którym zostaje zmagazynowana.

172 335

Następnie, w okresach wysokiego zapotrzebowania, większość mocy dostarczanej przez sprężarkę spalinową 750 jest wykorzystywana do adiabatycznego sprężania powietrza przeznaczonego do napędu turbiny powietrznej 753. Sprężone izotermicznie powietrze wymagane do spalania jest dostarczane zarówno przez sprężarkę spalinową, jak i doprowadzane z dużego zbiornika 757.

Zespół wytwarzania i magazynowania energii zawiera także zbiornik wody/lodu, 761 oraz system chłodzenia 763, chłodzący lub zamrażający magazynowaną wodę. Jak opisano powyżej, ciepło przekazywane rozpylonej cieczy procesie izotermicznego sprężania jest normalnie biorąc pobierane ze sprężarki przez system chłodzenia 759. W okresach niskiego zapotrzebowania system chłodzenia 763 schładza wodę przechowywaną w cieplnych zbiornikach zasobnikowych 761, najkorzystniej biorąc do temperatury poniżej punktu zamarzania wody, celem wytworzenia lodu. W okresach wysokiego zapotrzebowania na energię syssiom chłodzenia można wyłączyć, w celu obniżenia do minimum mocy oddawanej netto, a chłodzenie rozpylonej cieczy odbywa się częściowo przy wykorzystaniu zewnętrznego systemu chłodzenia 759, a częściowo poprzez topienie zmagazynowanego lodu. Maksymalne zapotrzebowanie będzie ona ogół występować podczas dnia, a jeśli temperatura otoczenia jest wystarczająco wysoka, lód można topić w celu dostarczania chłodnej wody dla procesu izotermicznego sprężania. Zewnętrzny system chłodzenia instalacji, 759, który musiałby odprowadzać ciepło do otoczenia o wysokiej temperaturze, nie może być w tym okresie stosowany, lub może być stosowany z mniejszą wydajnością. Atrakcją tego systemu jest fakt, że tworzenie zapasów lodu można przeprowadzać nocą, kiedy zapotrzebowanie na moc jest niskie, a temperatura otoczenia jest także niska. W tym przypadku sprężarka może pracować z pełną wydajnością, a nadwyżkę mocy można wykorzystywać do zamrażania wody i wytwarzania lodu. Posiada to podwójną zaletę, gdyż nie tylko umożliwia magazynowanie energii, do wykorzystania w okresach szczytowego zapotrzebowania, ale ponadto poprawia całkowitą wydajność cieplną systemu, przez obniżenie temperatury zimnej rozpylonej cieczy w okresie szczytowego zapotrzebowania.

Linie przerywane na fig. 26 oznaczają, że dana część w zbiorniku energii lub układzie chłodzenia może być wykorzystywana tylko przez część czasu. Metoda magazynowania sprężonego powietrza oraz lodu/wody są niezależne jedna od drugiej. Instalacja może wykorzystywać dowolną jedną lub obie te metody.

Udogodnienia opisane w odniesieniu do poszczególnych wariantów mogą być wykorzystywane w innych wariantach. Ponadto, zasady działania różnych cykli roboczych, w tym także różnych metod napędzania sprężarki, opisane w odniesieniu do danego wariantu, mogą być zastosowane do innych wariantów. Modyfikacje opisanych wariantów i ich cykli roboczych będą oczywiste dla fachowców w tej dziedzinie.

172 335

Z!MN£ SPRĘŻONE POMIETRZE

POWETRZE

ATMOSFERYCZNE

GORĄCE SPRĘŻONE POWETR2E

ZIMNE SPALINY POD NISR/M CIŚNIENIEM

ZIMNE SPREZONE POWETRZE

FIG. 3.

| GORĄCE SPRĘŻONE ' POMIETRZE

'33

FIG. 4.

172 335

FIG' 5.

172 335

F/G.6.

FIG. 7.

172 335

F/G. <9.

F/G 2

172 335

POH/ETPZE OTOCZENIA

FIG. 10.

172 335 ροΝίετΡζε komin

FIG. Ή.

172 335

FIG. 12.

172 335

FIG 13 a.

FIG. 3>b.

172 335

FG /4.

ROZPRĘŻONE POWETRZE DO ATMOSFERY t SPALINY

RE CYRKULUJĄ CA CtECZ

L

7,7

7>3

733

FIG. 55.

7„ 3a,

733-

73, 1 (
7,3	ł
7,2
-7,3

733

7]Ę

172 335 t JJ/

JM gorące spali nr

ΡΜίετίχε ΑΤΜΟ£ΡΕΡΚΖ. J3J ροΝίετεζε athcsf£r. — JM

FIG. IG.

172 335

RECYDKULUJĄCA HO DA

FDD

F/G /7

1Ί2 335

FIG. 13.

172 335

997ADIA&ATYCZrttE SpnężorfE fomeTRiz

ZECYRKW/JĄCA NOM gorące

SPALINY

F/G 19.

172 335

P0NlETRZEⁿR5*C

SPALINY

SUCHE

SRAL/NY MOKRE 25°C

SPAUNY MOKRE ^6o°C

As 2S°C

POMETRZE SPRRŻONE IZOTERMICZNIE Jo*C skroplona nora

POHIETRZE ATMOSFERYCZNE ^J5°C

FIG. 20

O8IE0 OTMARTY LUS> OPlES ΖΑΗΚΝΙΕΓΤ

F/G.2t

172 335

F/G 22.

172 335

WLOT ΡΟΝίεΓΜΑ DO ATHOSFeay

F/G 24

172 335

ΓΣΊΙ / χζζ

3E t/YLOT POWIETRZA DO ATMOSFERY

SUROWE GAZY

SORĄCT SPRĘŻONY Hi- AZOT

CZYSTE

PALIWO

GAZOWE

-s#y “=~T

GORĄCY sprężony Azor #7#

SPROSZKOWANY HĘGlEL

	£57	Tl
\	— 1U—1

SPRĘŻONY AZOT

UTLOT

SPALIN

60RĄCE SPRĘŻONE POWIETRZE

ZIMNE SPRĘŻONE POWIETRZE

SPRĘŻONY TLEN

FIG. 25.

-S7Y

S77

172 335

DO ATMOSFERY

ZIMNE SPALINY

GORĄCE

SPALINY

172 335

η 6.2.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 6,00 zł

Claims (55)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sprężarka do gazu zawierająca pierwszą komorę sprężania, pierwszy tłok sprężający, układ do napędzania tłoka, przy czym do pierwszej komory sprężania jest doprowadzona dysza rozpylająca ciecz oraz zawór wylotowy gazu połączony z komorą, znamienna tym, że układ do napędzania pierwszego tłoka (7,12) zawiera wylotowy zawór (25,27) gazu połączony z pierwszą komorą sprężania (9,11).
2. 2. Sprężarka według zastrz. 1, znamienna tym, że z pierwszym tłokiem (7, 12) jest integralnie połączony drugi tłok (7,12) umieszczony w drugiej komorze sprężania (9,11), przy czym układ do napędzania drugiego tłoka (7, 12) zawiera czynnik gazowy znajdujący się w drugiej komorze (9, 11).
3. 3. Sprężarka według zastrz. 2, znamienna tym, że układ do napędzania drugiego tłoka (7,12) zawiera wlotowy zawór (25, 27) gazu połączony z drugą komorą (9,11).
4. 4. Sprężarka według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienna tym, że pierwszy tłok i/lub drugi tłok zawiera czynnik ciekły zawarty w przewodzie (2) w kształcie litery U, stanowiący ciekły tłok (7).
5. 5. Sprężarka według zastrz. 4, znamienny tym, że jedno z ramion (4) przewodu (2) w kształcie litery U, zawiera pierwszą komorę sprężania (9, 11).
6. 6. Sprężarka według zastrz. 4, znamienna tym, że drugie ramię (5) przewodu (2) zawiera drugą komorę sprężania (9,11).
7. 7. Sprężarka według zastrz. 5, znamienna tym, że w przewodzie (2), pomiędzy ciekłym tłokiem (7), a pierwszą komorą sprężania (9,11) jest usytuowany pierwszy stały tłok (55, 57).
8. 8. Sprężarka według zastrz. 7, znamienna tym, że w przewodzie (2), po przeciwnej stronie ciekłego tłoka (7) niż pierwsza komora sprężania (9, 11) jest usytuowany drugi stały tłok (55, 57).
9. 9. Sprężarka według zastrz. 7, znamienna tym, że stały tłok (55, 57) ma większą gęstość niż ciecz w ciekłym tłoku (7).
10. 10. Sprężarka według zastrz. 7, znamienna tym, że pomiędzy co najmniej jednym z tłoków stałych (55, 57) i przewodem (2) jest umieszczony układ uszczelniający (56, 58).
11. 11. Sprężarka według zastrz. 3, znamienna tym, że osie tłoka (7, 12, 55, 57) i komory sprężania (9,11) są usytuowane w płaszczyźnie pionowej.
12. 12. Sprężarka według zastrz. 3, znamienna tym, że osie tłoka (12) i komory sprężania (9,11) są usytuowane w płaszczyźnie poziomej.
13. 13. Sprężarka według zastrz. 3, znamienna tym, że z drugą komorą sprężania (9,11) jest połączony wylotowy zawór (17,19) sprężonego gazu.
14. 14. Sprężarka według zastrz. 13, znamienna tym, że druga komora sprężania (9, 11) zawiera dyszę (37, 39) rozpylającą ciecz.
15. 15. Sprężarka według zastrz. 1, znamienna tym, że z pierwszą komorą sprężania (9,11) jest połączony wlotowy zawór (33, 35) gazu o niskim ciśnieniu.
16. 16. Sprężarka według zastrz. 3, znamienna tym, że z drugą komorą sprężania (9,11) jest połączony wlotowy zawór (33, 35) gazu o niskim ciśnieniu.
17. 17. Sprężarka według zastrz. 3, znamienna tym, że tłoki pierwszy i drugi (7, 12) usytuowane są podobnie.
18. 18. Sprężarka według zastrz. 3, znamienna tym, że układ do napędzania tłoków zawiera sprężarkę rotacyjną (311) lub mechaniczną sprężarkę tłokową połączoną z komorami sprężenia (9,11) za pomocą wlotowych zaworów (25, 27) gazu.
19. 19. Sprężarka według zastrz. 1, znamienna tym, że układ do napędzania tłoka zawiera drugą komorę sprężania (732) i drugi tłok sprężający (759), wylot (752) gazu sprężonego w drugiej komorze sprężania (732) połączony z komorą sprężania (732) za pomocą wlotowego zaworu (725) gazu, tłok rozprężający (760) integralnie połączony z drugim tłokiem sprężają172 335 cym (759), komorę rozprężania (730) i wlotowy zawór (738) gazu połączony z komorą rozprężania '(730).
20. 20. Sprężarka według zastrz. 19, znamienna tym, że układ do napędzania tłoka zawiera wlot (744) substancji palnej w komorze rozprężania (730).
21. 21. Sprężarka według zastrz. 19 albo 20, znamienna tym, że układ do napędzania tłoka zawiera doprowadzający gaz przewód (754) dołączony pomiędzy wylotem (713) sprężonego gazu w komorze sprężania (709) i wlotem (736) sprężonego gazu w komorze rozprężania (730).
22. 22. Sprężarka według zastrz. 21, znamienna tym, że układ do napędzania tłoka zawiera wylot (740) gazu w komorze rozprężania (730) i wymiennik ciepła (770) połączony z wlotem (740) gazu i usytuowany w doprowadzającym gaz przewodzie (754).
23. 23. Sprężarka według zastrz. 19, znamienna tym, że z wylotem (750) sprężonego gazu w drugiej komorze sprężania (732) jest połączony wlot turbiny (776).
24. 24. Sprężarka według zastrz. 19, znamienna tym, że układ do napędzania tłoka zawiera dodatkowy tłok (762) integralnie połączony z drugim tłokiem sprężającym (759) i dodatkową komorę (734) zawierającą czynnik gazowy.
25. 25. Sprężarka według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienna tym, że tłok sprężający połączony jest z układem do magazynowania energii kinetycznej.
26. 26. Sprężarka zawierającą pierwszą komorę sprężania, pierwszy tłok sprężający, układ do napędzania tłoka, przy czym do pierwszej komory sprężania jest doprowadzona dysza rozpylająca ciecz oraz zawór wylotowy gazu połączony z komorą, znamienna tym, że układ do napędzania tłoka zawiera drugi tłok (7, 12, 617) integralnie połączony z tłokiem sprężającym (7, 12, 615), komorę sprężającą (9, 11, 603) i wlotowy zawór (25, 27, 625) gazu połączony z komorą rozprężania (9,11, 603).
27. 27. Sprężarka według zastrz. 26, znamienna tym, że układ do napędzania tłoka zawiera wlot (627) substancji palnej w komorze rozprężania (603).
28. 28. Sprężarka według zastrz. 26, znamienna tym, że układ do napędzania tłoka zawiera dodatkowo dyszę (928) rozpylającą gorącą ciecz w komorze rozprężania (603).
29. 29. Sprężarka według zastrz. 26, znamienna tym, że układ do napędzania tłoka zawiera wlot substancji tworzącej gaz w komorze rozprężania (603).
30. 30. Sprężarka według zastrz. 26, znamienna tym, że układ do napędzania tłoka zawiera dodatkowo przewód (643) doprowadzający gaz, dołączony pomiędzy wylotem sprężonego gazu i wlotem (623) komory rozprężania (603).
31. 31. Sprężarka według zastrz. 30, znamienna tym, że układ do napędzania tłoka zawiera dodatkowo wylot (629) gazu połączony z komorą rozprężania (603) i wymiennik ciepła (670) połączony z wylotem (629) gazu i usytuowany w przewodzie (643) doprowadzającym gaz.
32. 32. Sprężarka według zastrz. 30 albo 31, znamienna tym, że układ do napędzania tłoka zawiera układ (705) do ogrzewania sprężonego gazu, dołączony pomiędzy wlotem (647) sprężonego gazu i wlotem (625).
33. 33. Sprężarka według zastrz. 31, znamienna tym, że wylot gorącego gazu wymiennika ciepła (670) jest połączony z wlotem turbiny (676).
34. 34. Sprężarka według zastrz. 26, znamienna tym, że integralnie z tłokiem rozprężającym (617) jest połączony drugi tłok sprężający (617), umieszczony w drugiej komorze sprężania (605) zawierający wylotowy zawór (645) sprężonego gazu.
35. 35. Sprężarka według zastrz. 34, znamienna tym, że z wylotem (641) sprężonego gazu w drugiej komorze sprężania (605) jest połączony wlot turbiny (672).
36. 36. Sprężarka według zastrz. 27 albo, 28 albo, 29, albo 30 albo 31, znamienna tym, że układ do napędzania tłoka zawiera czwarty tłok (619) integralnie połączony z tłokiem rozprężającym (617) i czwartą komorę (613) zawierającą czynnik gazowy.
37. 37. Sprężarka według zastrz. 26 znamienna tym, że głowice tłoka sprężającego (615) i drugiego tłoka (617) są zwrócone w tym samym kierunku zaś głowica drugiego tłoka sprężającego (617) jest zwrócona w kierunku przeciwnym.
38. 38. Sprężarka według zastrz. 26, znamienna tym, że układ do napędzania tłoka zawiera sprężarkę rotacyjną (311) lub mechaniczną sprężarkę tłokową połączoną z drugą komorą (9,11) za pomocą wlotowego zaworu (26, 27) gazu.

    172 335
39. 39. Sprężarka według zastrz. 26, znamienna tym, że układ do napędzania tłoka zawiera drugą komorę sprężania (732) i drugi tłok sprężający (759), wylot (752) sprężonego gazu w drugiej komorze sprężania (732) połączony z drugą komorą za pomocą wlotowego zaworu (725) gazu, przy czym z drugim tłokiem sprężającym (759) jest połączony integralnie tłok rozprężający (759), a ponadto zawiera drugą komorę rozprężania (730) i wlotowy zawór (738) gazu połączony z drugą komorą rozprężania (730).
40. 40. Sprężarka według zastrz. 39, znamienna tym, że układ do napędzania tłoka zawiera wlot (744) substancji palnej w drugiej komorze rozprężania (730).
41. 41. Sprężarka według zastrz. 39 lub 40, znamienna tym, że układ do napędzania tłoka zawiera przewód (754) dostarczający gaz, dołączony pomiędzy wylotem (713) sprężonego gazu w komorze sprężania (709) i wlotem (736) sprężonego gazu w drugiej komorze rozprężania (730).
42. 42. Sprężarka według zastrz. 41, znamienna tym, że układ do napędzania tłoka zawiera wylot (740) gazu w drugiej komorze rozprężania (730) i wymiennik ciepła (770) połączony z wylotem (740) gazu i usytuowany w przewodzie (754) doprowadzającym gaz.
43. 43. Sprężarka według zastrz. 39 lub 40, znamienna tym, że wylot (750) sprężonego gazu w drugiej komorze sprężania (732) jest połączony z wlotem turbiny (776).
44. 44. Sprężarka według zastrz. 39 albo 40, znamienna tym, że układ do napędzania tłoka zawiera dodatkowy tłok (762) integralnie połączony z drugim tłokiem sprężającym (759) i dodatkową komorę (734) zawierającą czynnik gazowy.
45. 45. Sprężarka według zastrz. 26 albo 27, albo 28, albo 29, albo 30, albo 31, znamienna tym, że tłok sprężający połączony jest z układem do magazynowania energii kinetycznej.
46. 46. Sprężarka zawierająca pierwszą komorę sprężania, pierwszy tłok sprężający, układ do napędzania tłoka, przy czym do pierwszej komory sprężania jest doprowadzona dysza rozpylająca ciecz oraz zawór wylotowy gazu połączony z komorą, znamienna tym, że układ do napędzania tłoka zawiera przewód (102,103), zbiornik do przechowywania cieczy na jednym końcu przewodu (102,103), zawór (129,131) głównego przepływu w przewodzie (102,103) i spustowy zawór (137, 139) cieczy umieszczony w przewodzie (102, 103) pomiędzy zaworem (129,131) głównego przepływu i komorą sprężania (115,117).
47. 47. Sprężarka według zastrz. 46, znamienna tym, że układ do napędzania tłoka zawiera pompę (141) dołączoną pomiędzy zaworem spustowym (137, 139) i zbiornikiem (127).
48. 48. Sprężarka według zastrz. 46 albo 47, znamienna tym, że układ do napędzania tłoka zawiera w zbiorniku (127), ponad cieczą, sprężony gaz.
49. 49. Sprężarka do gazu zawierająca komorę sprężania, tłok sprężający, dyszę rozpylającą ciecz w komorze sprężania oraz zawór wylotowy gazu połączony ze wspomnianą komorą sprężania, znamienna tym, że zawiera komorę spalania (730) z wlotem (736) gazu, okno wlotowe (744) spalanego paliwa oraz wylot (740) gazów spalinowych, przy czym stały tłok (759) jest pośrednio mechanicznie połączony z tłokiem sprężającym (712), zaś wymiennik ciepła (770) zawiera wlot zimnego gazu połączony z wylotem sprężonego gazu komory spalania (709), wylot gorącego gazu połączony z wlotem (736) gazu komory spalania (730) oraz wlot gorącego gazu połączony z wylotem (740) gazów spalinowych, oraz turbinę (776), której wlot jest połączony z wylotem gorącego gazu z wymiennikiem ciepła (770).
50. 50. Sprężarka do gazu zawierająca komorę sprężania, tłok sprężający, dyszę rozpylającą ciecz w komorze sprężania, zawór wylotowy gazu połączony z komorą sprężania, znamienna tym, że w skład komory sprężania (730) wchodzi okno wlotowe (744) spalanego paliwa oraz tłok spalania (759) pośrednio sprzężony mechanicznie z tłokiem sprężającym (712), wymiennik ciepła (758) zawierający koniec i/lub ściankę komory spalania (730), i którego wlot zimnego gazu jest połączony z oknem wylotowym (713) komory sprężania (709), oraz turbina (776), której wlot jest połączony z wylotem (764) gorącego gazu z wymiennika ciepła (758).
51. 51. Sprężarka do gazu zawierająca komorę sprężania, tłok sprężający, dyszę rozpylającą ciecz w komorze sprężania oraz zawór wylotowy sprężonego gazu połączony z komorą sprężania znamienna tym, że w jej skład wchodzi urządzenie rozprężające (801) z komorą rozprężania i tłokiem rozprężającym sprzężonym z tłokiem sprężającym, źródło ciepła (805) zewnętrzne do komory rozprężania, którego wlot gazu jest połączony z wylotem sprężonego gazu ze sprężar172 335 ki (801) gazu, i którego wylot sprężonego gorącego gazu jest połączony z wlotem gazu komory rozprężania, turbina (815) oraz wymiennik ciepła (819) powiązany na zasadzie wymiany ciepła z zewnętrznym źródłem ciepła (805) i którego wlot zimnego gazu jest połączony z wylotem sprężonego gazu i wylot gorącego gazu jest połączony z wlotem turbiny (815).
52. 52. Sprężarka według zastrz. 51 znamienna tym, że zawiera ponadto wymiennik ciepła (803) z wlotem zimnego gazu połączonym z wylotem sprężonego gazu, wylot gorącego gazu połączony z wlotem gazu zewnętrznego źródła ciepła (805) oraz wlot gorącego gazu połączony z wylotem gazu z komory rozprężania.
53. 53. Sprężarka według zastrz. 51 albo 52, znamienna tym, że zewnętrzne źródło ciepła (805) zawiera piec, korzystnie komorę spalania.
54. 54. Sprężarka według zastrz. 53, znamienna tym, że w skład pieca lub komory spalania wchodzi okno wylotowe gazów połączone z wlotem gorących gazów wymiennika ciepła (819).
55. 55. Sprężarka według zastrz. 51, znamienna tym, że zawiera ponadto komorę sprężania z zaworem wylotowym sprężonego gazu oraz dodatkowy tłok sprężający sprzężony z tłokiem rozprężającym, oraz dodatkowo turbinę (807), której wlot jest połączony z wylotem sprężonego gazu z dodatkową komorą sprężania.