RU2711905C1 - Heat energy conversion method - Google Patents
Heat energy conversion method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2711905C1 RU2711905C1 RU2018146594A RU2018146594A RU2711905C1 RU 2711905 C1 RU2711905 C1 RU 2711905C1 RU 2018146594 A RU2018146594 A RU 2018146594A RU 2018146594 A RU2018146594 A RU 2018146594A RU 2711905 C1 RU2711905 C1 RU 2711905C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- compressor
- carbon dioxide
- inlet
- pressure
- heat
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 43
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 title abstract description 23
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 174
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 87
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims abstract description 87
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 13
- 239000007788 liquid Substances 0.000 abstract description 16
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 26
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 19
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 13
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 13
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 11
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 7
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 6
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 5
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 4
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 230000000740 bleeding effect Effects 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 241000183024 Populus tremula Species 0.000 description 1
- 239000004568 cement Substances 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 238000010926 purge Methods 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
- F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к теплоэнергетике, к способам, предназначенным для преобразования тепловой энергии потоков газа и жидкости в иной вид энергии, в частности, в электрическую или механическую энергию. Может быть применим в качестве способа для решения задач комплексного тепло-энергоснабжения в устройствах и сооружениях. Может использоваться для повышения энергоэффективности газотурбинных или поршневых установок в составе газоперекачивающих агрегатов, энергоблоков, силовых установок судов. Возможно применение для преобразования тепловой энергии в электрическую в производствах с технологическими процессами сопровождающимися сбросом тепла, например, в металлургической промышленности или в производстве цемента. Возможно использование для преобразования в электрическую энергию тепла, получаемого в установках для преобразования энергии солнечных лучей в тепловую энергию, для преобразования тепла ядерных реакторов и т.д. В качестве теплоносителей могут использоваться различные газы или жидкие теплоносители, такие как диатермическое масло, расплавы металлов или солей и т.д.The invention relates to a power system, to methods for converting the thermal energy of gas and liquid flows into another type of energy, in particular, into electrical or mechanical energy. It may be applicable as a way to solve the problems of integrated heat and power supply in devices and structures. It can be used to increase the energy efficiency of gas turbine or piston units as a part of gas pumping units, power units, and power plants of ships. It can be used for converting thermal energy into electrical energy in industries with technological processes accompanied by heat loss, for example, in the metallurgical industry or in the production of cement. It is possible to use the heat obtained in installations for converting the energy of sunlight into thermal energy for converting the heat of nuclear reactors, to convert into electrical energy, electric energy. Various gases or liquid heat carriers, such as diathermic oil, molten metals or salts, etc. can be used as heat carriers.
Известен способ преобразования тепловой энергии, описанный в патенте США US09388817, F02B 39/10, 2016. Способ преобразования тепловой энергии заключается в дополнительном сжатии в компрессоре углекислого газа сжатого до сверкритического уровня давления, в подогреве сжатого в компрессоре газа от газа, направленного с выхода турбины и подогретого в рекуператоре. Способ включает преобразование энергии нагретого сжатого углекислого газа в турбине в механическую энергию, использование части полученной в турбине механической энергии на сжатие углекислого газа в компрессоре и передаче потребителю выработанной в турбине механической энергии за вычетом величины затраченной на сжатие углекислого газа. В качестве потребителя может быть применен, например, электрогенератор. Способ так же включает возвращение части неиспользованной в турбине тепловой энергии сжатого углекислого газа в рабочий цикл за счет его подогрева в рекуператоре газом с выхода турбины. При использовании способа происходит дополнительное снижение температуры сжатого углекислого газа с выхода турбины в охладителе до величины большей, чем граница перехода углекислого газа в сверхкритическое состояние. Такой переход происходит при температуре равной 31°С при давлении 71 атм. Далее происходит возвращение охлажденного в охладителе углекислого газа на вход компрессора для повторного сжатия.A known method of converting thermal energy described in US patent US09388817, F02B 39/10, 2016. The method of converting thermal energy consists in additional compression in a carbon dioxide compressor compressed to a supercritical pressure level, in heating the gas compressed in the compressor from gas directed from the turbine exit and heated in the recuperator. The method includes converting the energy of the heated compressed carbon dioxide in the turbine into mechanical energy, using part of the mechanical energy obtained in the turbine to compress carbon dioxide in the compressor and transferring the mechanical energy generated in the turbine to the consumer minus the amount of carbon dioxide compression. As a consumer, for example, an electric generator can be used. The method also includes returning a portion of the thermal energy of compressed carbon dioxide unused in the turbine to the duty cycle by heating it in the recuperator with gas from the turbine exit. When using the method, there is an additional decrease in the temperature of compressed carbon dioxide from the turbine outlet in the cooler to a value greater than the boundary of the transition of carbon dioxide to the supercritical state. Such a transition occurs at a temperature of 31 ° C at a pressure of 71 atm. Then, the carbon dioxide cooled in the cooler returns to the compressor inlet for re-compression.
Для способа преобразования тепловой энергии в электрическую, основанного на термодинамическом цикле, в котором в качестве рабочего тела используется сжатый до сверхкритического давления углекислый газ, может быть обеспечен достаточно высокой расчетный уровень эффективности. В реальности такой способ наталкивается на ряд серьезных проблем, приводящих к значительному снижению расчетных показателей эффективности. Использование в качестве рабочего тела сжатого до сверхкритического давления углекислого газа приводит к тому, что при небольших мощностях генерируемых с помощью описанного способа, например 0,3…1 МВт, оптимальный диаметр рабочего колеса компрессора оказывается в пределах от 50 до 90 мм, а оптимальная частота вращения ротора компрессора составляет порядка 100000…50000 обротов в минуту. При таких малых диаметрах компрессора для получения требуемых значений кпд компрессоров и турбин необходимо обеспечить очень малые величины зазоров - менее 0,1 мм между ротором и статором компрессоров и турбин. Обеспечить стабильность столь малых зазоров с учетом теплового расширения материалов и расширения материалов колес под действием центробежных сил чрезвычайно сложно. Поэтому при проектировании подобных систем существенно увеличивают зазоры по сравнению с оптимальными величинами с точки зрения эффективности. Следствием увеличения зазоров неизбежно становится значительное снижение эффективности компрессора и турбины по сравнению с теоретически достижимыми значениями. Это приводит к снижению эффективности описанного выше способа преобразования тепловой энергии с использованием сжатого до сверхкритического давления углекислого газа. Кроме того, при существующем уровне развития технологий создать генератор способный вырабатывать 03…1 МВт электроэнергии при частоте вращения ротора 100000…50000 оборотов в минуту практически невозможно. При попытке редуцирования частоты вращения до приемлемых значений потери в редукторе приводят к существенному снижению эффективности описанного выше способа. При попытке снизить частоту вращения компрессоров и турбин по отношению к оптимальным значениям понижается их КПД и еще большее снижение эффективности способа.For a method of converting thermal energy into electrical energy, based on a thermodynamic cycle in which carbon dioxide compressed to supercritical pressure is used as a working fluid, a sufficiently high calculated level of efficiency can be provided. In reality, this method encounters a number of serious problems leading to a significant decrease in the calculated performance indicators. The use of carbon dioxide compressed to supercritical pressure as a working fluid leads to the fact that at low powers generated by the described method, for example 0.3 ... 1 MW, the optimal diameter of the compressor impeller is in the range from 50 to 90 mm, and the optimal frequency the rotation of the compressor rotor is about 100,000 ... 50,000 rpm. With such small diameters of the compressor, in order to obtain the required values of the efficiency of compressors and turbines, it is necessary to provide very small gaps — less than 0.1 mm between the rotor and stator of compressors and turbines. It is extremely difficult to ensure the stability of such small gaps, taking into account the thermal expansion of materials and the expansion of wheel materials under the influence of centrifugal forces. Therefore, when designing such systems, the gaps are significantly increased compared to the optimal values in terms of efficiency. The result of the increase in gaps inevitably becomes a significant decrease in the efficiency of the compressor and turbine compared to theoretically achievable values. This leads to a decrease in the efficiency of the above-described method of converting thermal energy using carbon dioxide compressed to supercritical pressure. In addition, with the current level of technology development, it is almost impossible to create a generator capable of generating 03 ... 1 MW of electricity at a rotor speed of 100,000 ... 50,000 rpm. When trying to reduce the speed to acceptable values, losses in the gearbox lead to a significant decrease in the efficiency of the method described above. When trying to reduce the speed of compressors and turbines in relation to the optimal values, their efficiency decreases and an even greater decrease in the efficiency of the method.
Существуют особенности реализации предлагаемого способа при широком диапазоне условий эксплуатации. Сверхкритическое состояние углекислого газа существует при температурах выше 31°С, поэтому охлаждение сжатого углекислого газа ниже этой температуры недопустимо, т.к. приведет к переходу углекислого газа из сверхкритического состояния в жидкость. Таким образом, при снижении температуры окружающей среды, от +40°С, например, до - 40°С… - 60°С допустимая степень захолаживания углекислого газа на входе в компрессор становится существенно ниже. Это приводит к уменьшению работы и эффективности цикла. Термический КПД цикла Карно может быть определен из следующего соотношенияThere are implementation features of the proposed method under a wide range of operating conditions. The supercritical state of carbon dioxide exists at temperatures above 31 ° C; therefore, the cooling of compressed carbon dioxide below this temperature is unacceptable, because will lead to the transition of carbon dioxide from a supercritical state to a liquid. Thus, when the ambient temperature decreases, from + 40 ° С, for example, to –40 ° С ... –60 ° С, the permissible degree of carbon dioxide cooling at the inlet to the compressor becomes significantly lower. This leads to a decrease in work and cycle efficiency. The thermal efficiency of the Carnot cycle can be determined from the following relation
гдеWhere
T1 - температура при нагреве;T1 is the temperature during heating;
Т2 - температура при захолаживании.T2 - temperature during cooling.
Из данного соотношения видно, что повышение температуры захолаживания неизбежно ведет к снижению эффективности цикла. Добиться повышения эффективности цикла, а значит и предлагаемого способа, за счет повышения температуры нагрева не представляется возможным, т.к. для увеличения этой температуры приходится увеличивать количество сжигаемого органического топлива. Таким образом, при работе в широком диапазоне эксплуатационных температур происходит снижение эффективности предлагаемого способа из-за ограничения температуры захолаживания рабочего тела. Эффективность способа преобразования тепла с использованием в качестве рабочего тела сжатого до сверхкритического давления углекислого газа для установок малой и средней мощности, работающих в широком диапазоне условий эксплуатации оказывается существенно ниже рассчитанного теоретически уровня.From this ratio it is seen that an increase in the cooling temperature inevitably leads to a decrease in the efficiency of the cycle. To achieve an increase in the efficiency of the cycle, and therefore the proposed method, by increasing the heating temperature is not possible, because To increase this temperature, the amount of fossil fuels burned has to be increased. Thus, when working in a wide range of operating temperatures, there is a decrease in the efficiency of the proposed method due to the limitation of the cooling temperature of the working fluid. The effectiveness of the method of heat conversion using carbon dioxide compressed to supercritical pressure as a working fluid for low and medium power plants operating in a wide range of operating conditions is significantly lower than the theoretically calculated level.
В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбран способ описанный в патенте РФ на изобретение №2629515 «Система для утилизации тепла замкнутого типа», F02C 6/00, 2016, шестой независимый пункт формулы. Способ заключается в сжатии углекислого газа в однокаскадном или многокаскадном компрессоре, подогреве в рекуператоре от потока углекислого газа с выхода турбины сжатого в компрессоре углекислого газа, дополнительном нагреве этого сжатого углекислого газа в теплообменнике от потока газообразного или жидкого теплоносителя, преобразовании энергии сжатого и нагретого углекислого газа в хотя бы одной ступени турбины в механическую энергию, использовании части механической энергии, выработанной турбиной, для сжатия углекислого газа в компрессоре, а также передаче оставшейся механической энергии потребителю, например, для вращения вала электрогенератора, компрессора или насоса. А так же, в - передаче с помощью рекуператора неиспользованной в турбине тепловой энергии сжатого углекислого газа с выхода турбины сжатому углекислому газу с выхода компрессора. В дополнительном охлаждении углекислого газа, передавшего в рекуператоре тепло с помощью газообразного или жидкого хладагента, и возвращении охлажденного углекислого газа на вход однокаскадного или многокаскадного, компрессора для повторного сжатия. Давление сжатого углекислого газа при описанном способе не превышает 60 атмосфер. Недостатком этого способа является ограничение рабочего давления углекислого газа значением в 60 атмосфер, что не позволяет обеспечить высокую эффективность системы в широком диапазоне условий эксплуатации, например, при изменении температур окружающей среды которая для различных регионов может составлять от - 60°С до +50°С. Недостатком также является сложность достижения высокой эффективности при использования теплоносителя с переменной температурой потока, например, такого как выхлопные газы газотурбинного двигателя. Кроме того, в рассматриваемом способе тепло, переданное хладагенту при захолаживании углекислого газа не используется. Это также приводит к снижению эффективности способа.As the closest analogue to the claimed technical solution, the method described in the patent of the Russian Federation for the invention No. 2629515 "System for the utilization of heat of closed type",
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение эффективности способа преобразования тепловой энергии в широком диапазоне условий эксплуатации системы утилизации тепла.The technical result of the claimed invention is to increase the efficiency of the method of converting thermal energy in a wide range of operating conditions of the heat recovery system.
Технический результат достигается за счет того, что в способе преобразования тепловой энергии, включающем использование в системе утилизации тепла сжатого углекислого газа, сжатие газа, по крайней мере, в одном компрессоре, нагрев газа в теплообменнике от потока теплоносителя, преобразование с помощью турбины части тепловой энергии этого газа в механическую энергию с передачей ее потребителю, направление газа с выхода турбины через рекуператор на вход компрессора через охладитель, подогрев в рекуператоре газа с выхода компрессора нагретым газом с выхода турбины, согласно изобретению, заполняют систему сжатым углекислым газом, устанавливают оптимальные значения степени повышения давления в компрессоре и давления на входе в компрессор для интервала эксплуатационных температур окружающей среды, выбирая степень повышения давления из диапазона от 2,2 до 5,9, а значение давления на входе из диапазона от 13 до 35 атм., регулируя объем газа в системе.The technical result is achieved due to the fact that in the method of converting thermal energy, including the use of compressed carbon dioxide in a heat recovery system, compressing gas in at least one compressor, heating gas in a heat exchanger from a heat carrier stream, converting part of thermal energy by means of a turbine this gas into mechanical energy with its transfer to the consumer, the direction of the gas from the turbine exit through the recuperator to the compressor inlet through the cooler, heating in the gas recuperator from the compressor outlet with saturated gas from the turbine outlet, according to the invention, the system is filled with compressed carbon dioxide, the optimal values of the degree of increase in pressure in the compressor and the pressure at the inlet to the compressor are set for the range of operating ambient temperatures, choosing the degree of increase in pressure from a range from 2.2 to 5.9 , and the pressure value at the inlet is from 13 to 35 atm., adjusting the volume of gas in the system.
При этом поток хладагента, нагревшегося при охлаждении углекислого газа используется для нагрева топлива и/или окислителя, сжигание которых обеспечивает нагрев теплоносителя, используемого для нагрева сжатого углекислого газа, для нужд потребителя, например, для отопления, или в технологическом процессе.In this case, the flow of refrigerant heated during cooling of carbon dioxide is used to heat fuel and / or oxidizer, the combustion of which provides heating of the heat carrier used to heat compressed carbon dioxide for the needs of a consumer, for example, for heating, or in a technological process.
Технический результат обеспечивается тем, что с целью достижения высокой эффективности способа преобразования тепла для заданных эксплуатационных условий подбирают оптимальные значения уровня давления сжатого углекислого газа на входе в компрессор из диапазона от 10 атмосфер до 35 атмосфер, а также соответствующую выбранному давлению оптимальную степень повышения давления в компрессоре в диапазоне от 2,2 до 5,9. Данные диапазоны обусловлены ограничениями, накладываемыми на величину давления сжатого углекислого газа при реализации предлагаемого способа. Вышеуказанные оптимальные по эффективности диапазоны значений определены экспериментально. При снижении давления на входе в компрессор ниже 13 атмосфер падает КПД установки преобразования тепла.The technical result is ensured by the fact that in order to achieve high efficiency of the heat conversion method for given operating conditions, the optimal values of the pressure level of compressed carbon dioxide at the compressor inlet are selected from a range of 10 atmospheres to 35 atmospheres, as well as the optimal degree of increase in pressure in the compressor corresponding to the selected pressure in the range from 2.2 to 5.9. These ranges are due to restrictions imposed on the pressure value of compressed carbon dioxide during the implementation of the proposed method. The above optimal ranges of values for efficiency are determined experimentally. When the pressure at the inlet to the compressor decreases below 13 atmospheres, the efficiency of the heat conversion installation drops.
При увеличении значения давления на входе в компрессор выше 35 атмосфер накладывается ограничение, обусловленное условиями перехода сжатого углекислого газа на входе в компрессор в жидкое состояние. Кроме того, необходимо учитывать, что при уменьшении давления сжатого углекислого газа:When the pressure at the inlet to the compressor increases above 35 atmospheres, a restriction is imposed due to the conditions for the transition of compressed carbon dioxide at the inlet to the compressor to a liquid state. In addition, it must be borne in mind that with a decrease in the pressure of compressed carbon dioxide:
- повышается работа сжатия углекислого газа, что приводит к снижению эффективности предлагаемого способа, и оптимальное давление углекислого газа на входе в компрессор определяется как некий компромисс между потерей эффективности из-за ограничения температуры захолаживания углекислого газа и ростом работы затрачиваемой на сжатие углекислого газа;- increases the work of compression of carbon dioxide, which leads to a decrease in the efficiency of the proposed method, and the optimal pressure of carbon dioxide at the inlet to the compressor is defined as a compromise between the loss of efficiency due to the limitation of the temperature of carbon dioxide cooling and the increase in the work spent on carbon dioxide compression;
- существенно увеличиваются габариты оборудования, что может стать причиной роста тепловых потерь в тракте.- the dimensions of the equipment significantly increase, which can cause an increase in heat losses in the tract.
На фигуре 1 представлена схема системы преобразования тепла замкнутого типа с одноступенчатым компрессором.The figure 1 presents a diagram of a closed-loop heat conversion system with a single-stage compressor.
На фигуре 2 представлена схема системы преобразования тепла замкнутого типа с двухступенчатым компрессором.The figure 2 presents a diagram of a closed-loop heat conversion system with a two-stage compressor.
На фигуре 3 представлена зависимость КПД системы преобразования тепла замкнутого типа от степени повышения давления в компрессоре.The figure 3 shows the dependence of the efficiency of the closed-loop heat conversion system on the degree of pressure increase in the compressor.
На фигуре 4 представлена зависимость потерь эффективности системы от температуры окружающей среды, для трех значений давления на входе в компрессор, приведенных в примерах 1, 2 и 3.The figure 4 presents the dependence of the loss of system efficiency on the ambient temperature, for the three values of the pressure at the inlet to the compressor, shown in examples 1, 2 and 3.
Система для преобразования тепла является замкнутой системой. В ней в качестве рабочего тела используют сжатый углекислый газ. Система содержит компрессор 1, состоящий из одной, или нескольких ступеней. Выход компрессора 1 подключен к низкотемпературному входу рекуператора 2, а высокотемпературный выход рекуператора 2 через теплообменник 3, который является подогревателем рабочего тела, связан с хотя бы одной турбиной 4. Выход турбины 4 подключен к высокотемпературному входу рекуператора 2. Низкотемпературный выход рекуператора 2 соединен через охладитель 5 с входом компрессора 1, а второй выход охладителя 5 подключен к потребителю тепловой энергии 6. С ротором компрессора механически связан элемент передачи механической энергии потребителю 7. Источник сжатого углекислого газа 8, например баллон, соединен с входом впускного клапана 9, выход которого подключен к первому входу охладителя 5, а вход сбросного клапана 10 соединен с выходом компрессора 1.The heat conversion system is a closed system. It uses compressed carbon dioxide as a working fluid. The system comprises a
Система преобразования тепла с двух и трехкаскадным компрессором реализующая предлагаемый способ, выполняется аналогичным образом. После компрессора 11 первого каскада подключают дополнительный охладитель 12, первый выход которого соединяют с входом компрессора 1 второго каскада, второй выход охладителя 12 соединяют с дополнительным потребителем тепловой энергии 13, а выход компрессора 1 подключают к низкотемпературному входу рекуператора 2. Источник сжатого углекислого газа 8, например баллон, соединен с входом впускного клапана 9, выход которого подключен к первому входу охладителя 5, а вход сбросного клапана 10 соединен с выходом компрессора 1 второго каскада.The heat conversion system with a two and three-stage compressor that implements the proposed method is performed in a similar way. After the
Рекуператор 2 и теплообменник 3 - два варианта теплообменных аппаратов. В рекуператоре 2 происходит обмен теплом между двумя потоками углекислого газа, а именно, первым - с выхода турбины 4, вторым - с выхода компрессора 1. В теплообменнике 3 происходит обмен теплом газообразного или жидкого потока теплоносителя основного объекта (устройства, сооружения, технологического процесса и т.д.) с потоком сжатого углекислого газа. В качестве теплообменника 3 могут использоваться, например, теплообменники производства компании «Анод ТЦ» (г. Нижний Новгород), которые представляют из себя группу трубок, закрученных в виде спиралей, внутри которых идет разделившийся на несколько параллельных потоков сжатый углекислый газ, а снаружи трубчатые спирали омываются потоком газообразного или жидкого теплоносителя. Охладитель 5 и промежуточный охладитель 8 - обычные теплообменники, например, производства компании «Газхолодтехника» (г. Москва), внутри которых протекает сжатый углекислый газ, а снаружи они омываются потоком газообразного или жидкого хладагента. Газообразный или жидкий хладагент может подаваться в охладитель 5 с помощью вентилятора или насоса, или каким-либо иным образом. В качестве потребителя механической энергии в системе может использоваться высокооборотный генератор, или стандартный генератор, подключаемый через редуктор либо специализированный компрессор. Элементы системы преобразования тепла связаны между собой трубопроводами. Предназначенные для установки в системе преобразования тепла компрессор 1, турбина 4 и остальное специализированное теплотехническое оборудование разрабатывается и изготавливается для каждого диапазона значений мощности системы. Уровень технологий, необходимый для производства теплотехнического оборудования соответствует современному уровню предприятий авиационного двигателестроения. Впускной и сбросной клапаны производятся малой серией ООО НТЦ «Турбопневматик».Recuperator 2 and
Способ преобразования осуществляют следующим образом.The conversion method is as follows.
Для интервала температур эксплуатации установки преобразования тепла в конкретном регионе определяют оптимальное значение давления на входе в компрессор 1 с учетом требуемого значения выходной мощности. Определяют значение оптимального соотношения между входным и выходным давлением компрессора. При этом выбор значений ограничивают указанными интервалами для давления на входе - от 10 атмосфер до 35 атмосфер, для степени сжатия - от 2,2 до 5,9. Данные оптимальные значения определяют с помощью специального ПО, в частности, могут применять следующие программы: AxCYCLE и AxSTREAM, Aspen HYSYS или Concepts ENREC.For the operating temperature range of the heat conversion installation in a particular region, the optimal pressure value at the inlet to the
Далее перед первым запуском системы для преобразования тепла открывают сбросной клапан 10, а затем открывают впускной клапан 9 и производят продувку тракта системы для преобразования тепла. Затем выпускной клапан 10 закрывают и тракт системы заполняют сжатым углекислым газом из баллона 8 до заданного уровня балансного давления. Закрывают впускной клапан 9. Проводят контрольный запуск системы, определяют с помощью манометров реальное давление компрессора 1 на входе и выходе. Устанавливают оптимальное значение давление на входе и выходе, полученное расчетным путем с применением Программы. Для этого регулируют объема газа в системе, добавляя его или стравливая через впускной клапан 9.Next, before the first start-up of the system for heat conversion, open the
Перед запуском системы для преобразования тепла для обеспечения подогрева сжатого углекислого газа производят подачу нагретого газообразного или жидкого теплоносителя к теплообменнику 3. Запуск системы для преобразования тепла при температуре окружающей среды, превышающей температуру сжижения сжатого углекислого газа в тракте системы, запуск производят при переводе охладителя 5 в режим максимальной производительности. На начальном этапе запуска системы через элемент передачи механической энергии потребителю 7 вращение ротора компрессора обеспечивается, например, от электрогенератора, переведенного в двигательный режим. На электрогенератор подается напряжение, под действием которого начинает вращаться ротор компрессора 1 и турбины 4. Углекислый газ с выхода компрессора 1 поступает на низкотемпературный вход рекуператора 2, в котором происходит подогрев углекислого газа с выхода компрессора от горячего газа поступающего в рекуператор с выхода турбины. С высокотемпературного выхода рекуператора 2 подогретый углекислый газ подается на теплообменник 3. Нагретый в теплообменнике 3 от потока газообразного или жидкого теплоносителя углекислый газ поступает на вход турбины 4, в которой происходит преобразование энергии сжатого и нагретого углекислого газа в механическую энергию которая суммируется с энергией поступающей от электрогенератора, работающего в двигательном режиме. С выхода турбины 4 углекислый газ поступает на высокотемпературный вход рекуператора 2, в котором отдает неиспользованную в турбине тепловую энергию сжатому углекислому газу с выхода компрессора, что обеспечивает повышение эффективности системы. С низкотемпературного выхода рекуператора 2 углекислый газ поступает в охладитель 5 где с помощью газообразного или жидкого хладагента от углекислого газа отбирается остаточное тепло и передается потребителю тепловой энергии 6. Охлажденный до температуры близкой к температуре хладагента углекислый газ поступает на вход компрессора 1, в котором происходит его сжатие. На начальном этапе запуска механическая энергия получаемая от турбины 4 меньше чем энергия затрачиваемая на сжатие углекислого газа компрессором 1, поэтому для увеличения частоты вращения ротора компрессора 1 и турбины 4 необходим подвод энергии от электрогенератора. Далее происходит одновременное увеличение мощности потребляемой компрессором 1 и мощности вырабатываемой турбиной 4. При некотором значении частоты вращения ротора компрессора 1 и турбины 4 механическая мощность вырабатываемая турбиной становятся больше мощности потребляемой компрессором 1, что позволяет продолжить увеличение частоты вращения ротора компрессора вплоть до номинального значения частоты вращения без потребления энергии от электрогенератора, при этом охладитель 5 переводится в рабочий режим и управляется в соответствии с заданной программой. При достижении ротором электрогенератора номинального значения частоты вращения он переводится из двигательного в генераторный режим осуществляя выработку электроэнергии для потребителя, кроме того, производится измерение давления сжатого углекислого газа на входе и выходе компрессора 1. Если значения давления на входе в компрессор 1 и на выходе из него меньше требуемых оптимальных для заданных условий эксплуатации значений открывают впускной клапан 9, обеспечивая дополнительную подачу углекислого газа в тракт системы для преобразования тепла до тех пор, пока не будут достигнуты заданные значения давлений на входе и выходе из компрессора. Если же значения давления на входе и на выходе из компрессора 1 оказываются выше требуемых оптимальных значений открывают сбросной клапан 10, обеспечивая вывод из тракта системы для преобразования тепла избыточного количества углекислого газа. Необходимо отметить, что требуемая величина степени повышения давления в компрессоре 1 обеспечивается за счет выбора его конструктивных параметров в процессе выпуска конструкторской документации на компрессор.Before starting the system for converting heat to provide heating of the compressed carbon dioxide, heated gaseous or liquid heat carrier is supplied to the
При температуре окружающей среды более низкой, чем температура сжижения углекислого газа в такте остановленной системы преобразования тепла замкнутого типа, запуск начинается при выключенном охладителе 5. При включении электрогенератора в двигательный режим начале вращения ротора компрессора начинается циркуляция углекислого газа в тракте системы. Проходя через теплообменник 3 углекислый газ нагревается от потока газообразного или жидкого теплоносителя. При достижении газом, циркулирующим в системе, заданной температуры, например +30°С, охладитель 5 включаются в работу и далее запуск системы и вывод ее на номинальный режим проходят в обычном порядке.When the ambient temperature is lower than the carbon dioxide liquefaction temperature in the cycle of a stopped closed-loop heat conversion system, the start starts when the
Выключение системы производится при прекращении подвода тепла к теплообменнику 3 от газообразного или жидкого теплоносителя. При этом снижается температура углекислого газа на входе в турбину 4, что приводит к снижению мощности вырабатываемой турбиной 4 и мощность потребляемая компрессором 1 на сжатие углекислого газа становится больше мощности вырабатываемой турбиной 4, что приводит к последовательному уменьшению частоты вращения ротора компрессора 1 и турбины 4 и связанного с ним через элементом передачи механической энергии потребителю 7 электрогенератора вплоть до останова.The system is turned off when the heat supply to the
Способ преобразования тепла в системе с двумя компрессорами осуществляют следующим образом. Так же как для системы с одним компрессором устанавливают оптимальное для интервала температур эксплуатации системы значение давления на входе, полученное расчетным путем с применением Программы. Для этого регулируют объема газа в системе, добавляя его или стравливая через впускной клапан 9. При использовании системы с двумя компрессорами углекислый газ поступает на вход дополнительного компрессора 11, с выхода которого газ поступает в дополнительный охладитель 12. В охладителе 12 происходит охлаждение нагревшегося в компрессоре 11 газа. При этом от углекислого газа отбирают тепловую энергию и передают тепло дополнительному потребителю тепловой энергии 13. А охлажденный газ с выхода дополнительного охладителя 12 поступает на вход компрессора 1. При этом за счет снижения температуры углекислого газа на входе в компрессор 1 обеспечивается снижение энергии, необходимой для сжатия углекислого газа в компрессоре 1. Это позволяет повысить эффективность системы преобразования тепла замкнутого типа. Сжатый в компрессоре 1 газ поступает на низкотемпературный вход рекуператора 2. Далее работа системы с двумя компрессорами происходит аналогично работе системы с одним компрессором.The method of heat conversion in a system with two compressors is as follows. Just as for a system with one compressor, the optimal inlet pressure value, obtained by calculation using the Program, is established for the temperature range of the system operation. To do this, regulate the volume of gas in the system by adding it or by bleeding through the
При выборе оптимальных значений давления с применением перечисленных выше программы учитывается влияние ряда факторов, влияющих на эффективность работы системы. В качестве примера могут быть приведены результаты выбора оптимальных параметров работающей на номинальном режиме системы для трех вариантов условий эксплуатации.When choosing the optimal pressure values using the programs listed above, the influence of a number of factors affecting the efficiency of the system is taken into account. As an example, the results of choosing the optimal parameters of a system operating at nominal mode for three variants of operating conditions can be given.
Пример 1.Example 1
Для климатических условий Нового Уренгоя оптимальные значения давления углекислого газа на входе в компрессор составляют 18 атмосфер, на выходе 50,5 атмосферы, при этом степень сжатия 2,8, КПД системы составляет 32,9%.For the climatic conditions of Novy Urengoy, the optimal values of carbon dioxide pressure at the compressor inlet are 18 atmospheres, at the outlet 50.5 atmospheres, while the compression ratio is 2.8, and the system efficiency is 32.9%.
Пример 2.Example 2
Для климатических условий Самары оптимальные значения давления углекислого газа на входе в компрессор составляют 24 атмосферы и 67 атмосфер - на выходе из компрессора, степень сжатия - 2,79, КПД - 33,7%.For the climatic conditions of Samara, the optimal values of carbon dioxide pressure at the compressor inlet are 24 atmospheres and 67 atmospheres at the compressor outlet, the compression ratio is 2.79, and the efficiency is 33.7%.
Пример 3.Example 3
При применении предлагаемого способа для создания корабельной энергетической установки оптимальными оказываются давление на входе около 32 атмосфер, а на выходе порядка 88 атмосфер, степень сжатия - 2,75, КПД - 34,8%.When applying the proposed method for creating a ship power plant, the inlet pressure is about 32 atmospheres, and the outlet pressure is about 88 atmospheres, the compression ratio is 2.75, and the efficiency is 34.8%.
Для системы, указанной в аналоге максимальный КПД при температурных условиях, указанных в примерах, составляет не более 30%.For the system indicated in the analogue, the maximum efficiency under the temperature conditions specified in the examples is not more than 30%.
Повышение эффективности системы утилизации тепла для приведенных примеров обусловлено следующим.The increase in the efficiency of the heat recovery system for the given examples is due to the following.
Максимум эффективности системы, реализующей заявляемый способ, может быть обеспечен, с одной стороны, (как показано на фигуре 3) за счет повышения КПД компонентов системы, а с другой стороны за счет исключения или минимизаций потерь в составляющих частях системы. Зависимости потерь эффективности системы от температуры окружающей среды, для трех значений давления на входе в компрессор, приведенных в примерах 1, 2 и 3 отображены на фигуре 4. Как видно из приведенных зависимостей при давлении углекислого газа на входе в компрессор 32 (Пример 3) атмосферы в рабочем диапазоне температур судовой установки (от - 10°С до +50°С) исключены потери, связанные с недостаточным охлаждением сжатого углекислого газа на входе в компрессор из-за ограничения по условиям сжижения углекислого газа. Для входного давления 24 атмосферы (Пример 2) также исключаются потери, связанные с недостаточным охлаждением углекислого газа для рабочего диапазона температур (от - 30°С до +45°С). Для входного давления 18 атмосфер (Пример 1) удается исключить потери связанные с недостаточным охлаждением углекислого газа для диапазона температур от - 40°С до +45°С, и минимизировать их величину для более низких температур окружающей среды.The maximum efficiency of the system that implements the inventive method can be ensured, on the one hand, (as shown in figure 3) by increasing the efficiency of the system components, and on the other hand, by eliminating or minimizing losses in the components of the system. The dependences of the loss of system efficiency on the ambient temperature, for the three values of the pressure at the inlet to the compressor, shown in examples 1, 2 and 3 are shown in figure 4. As can be seen from the above dependencies at the pressure of carbon dioxide at the inlet to the compressor 32 (Example 3) of the atmosphere in the operating temperature range of the ship’s installation (from - 10 ° С to + 50 ° С) losses due to insufficient cooling of compressed carbon dioxide at the compressor inlet are excluded due to restrictions on the conditions of carbon dioxide liquefaction. For an inlet pressure of 24 atmospheres (Example 2), losses associated with insufficient cooling of carbon dioxide for the operating temperature range (from -30 ° C to + 45 ° C) are also excluded. For an inlet pressure of 18 atmospheres (Example 1), it is possible to eliminate losses associated with insufficient cooling of carbon dioxide for the temperature range from - 40 ° C to + 45 ° C, and minimize their value for lower ambient temperatures.
Таким образом, из данных, приведенных на фигуре 4 видно, что для случая применения системы на судне удается полностью исключить потери, обусловленные недостаточным охлаждением углекислого газа на входе в компрессор. Аналогичный результат может быть достигнут и при использовании системы в климатических условиях Самары. А при эксплуатации системы в условиях Нового Уренгоя только при температурах ниже -40 градусов Цельсия допускается незначительное снижение эффективности не более чем на 1,73% в течении нескольких дней в году, а в течении основного времени работы при температурах выше -40 градусов Цельсия потери исключаются.Thus, from the data shown in figure 4 it can be seen that for the case of using the system on a ship, it is possible to completely eliminate losses caused by insufficient cooling of carbon dioxide at the inlet to the compressor. A similar result can be achieved by using the system in the climatic conditions of Samara. And when operating the system in Novy Urengoy only at temperatures below -40 degrees Celsius, a slight decrease in efficiency of no more than 1.73% is allowed for several days a year, and during the main time at temperatures above -40 degrees Celsius .
Таким образом, за счет обеспечения на входе и выходе из компрессора оптимальных для заданных условий эксплуатации значений давления сжатого углекислого газа заявляемое изобретение позволяет повысить эффективность способа преобразования тепла в широком диапазоне эксплуатационных условий.Thus, by providing at the inlet and outlet of the compressor optimal values for pressure of compressed carbon dioxide for the specified operating conditions, the claimed invention improves the efficiency of the method of heat conversion in a wide range of operating conditions.
Claims (1)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018146594A RU2711905C1 (en) | 2018-12-26 | 2018-12-26 | Heat energy conversion method |
| PCT/RU2019/000373 WO2020139128A1 (en) | 2018-12-26 | 2019-05-28 | Method for converting thermal energy |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018146594A RU2711905C1 (en) | 2018-12-26 | 2018-12-26 | Heat energy conversion method |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2711905C1 true RU2711905C1 (en) | 2020-01-23 |
Family
ID=69184134
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018146594A RU2711905C1 (en) | 2018-12-26 | 2018-12-26 | Heat energy conversion method |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2711905C1 (en) |
| WO (1) | WO2020139128A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU208402U1 (en) * | 2021-08-03 | 2021-12-16 | Общество с ограниченной ответственностью "Оверхол-Про" | TURBO GAS HEATER |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116292238B (en) * | 2023-05-17 | 2023-09-12 | 广东美的暖通设备有限公司 | Control method and device of working frequency, storage medium and electronic equipment |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5212942A (en) * | 1990-11-09 | 1993-05-25 | Tiernay Turbines, Inc. | Cogeneration system with recuperated gas turbine engine |
| RU2091592C1 (en) * | 1994-08-23 | 1997-09-27 | Валерий Игнатьевич Гуров | Method of operation of gas turbo-expander plant |
| RU2199020C2 (en) * | 2000-08-03 | 2003-02-20 | Уфимский государственный авиационный технический университет | Method of operation and design of combination gas turbine plant of gas distributing system |
| RU2520214C1 (en) * | 2013-03-05 | 2014-06-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Gas turbine plant |
| US9388817B1 (en) * | 2011-03-24 | 2016-07-12 | Sandia Corporation | Preheating of fluid in a supercritical Brayton cycle power generation system at cold startup |
| RU2629515C1 (en) * | 2016-06-09 | 2017-08-29 | Александр Анатольевич Снитко | System for utilisation heat of closed type (versions) |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2147338C1 (en) * | 1998-07-06 | 2000-04-10 | Степанов Николай Николаевич | System for converting heat into electric energy |
-
2018
- 2018-12-26 RU RU2018146594A patent/RU2711905C1/en active
-
2019
- 2019-05-28 WO PCT/RU2019/000373 patent/WO2020139128A1/en active Application Filing
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5212942A (en) * | 1990-11-09 | 1993-05-25 | Tiernay Turbines, Inc. | Cogeneration system with recuperated gas turbine engine |
| RU2091592C1 (en) * | 1994-08-23 | 1997-09-27 | Валерий Игнатьевич Гуров | Method of operation of gas turbo-expander plant |
| RU2199020C2 (en) * | 2000-08-03 | 2003-02-20 | Уфимский государственный авиационный технический университет | Method of operation and design of combination gas turbine plant of gas distributing system |
| US9388817B1 (en) * | 2011-03-24 | 2016-07-12 | Sandia Corporation | Preheating of fluid in a supercritical Brayton cycle power generation system at cold startup |
| RU2520214C1 (en) * | 2013-03-05 | 2014-06-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Gas turbine plant |
| RU2629515C1 (en) * | 2016-06-09 | 2017-08-29 | Александр Анатольевич Снитко | System for utilisation heat of closed type (versions) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU208402U1 (en) * | 2021-08-03 | 2021-12-16 | Общество с ограниченной ответственностью "Оверхол-Про" | TURBO GAS HEATER |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2020139128A1 (en) | 2020-07-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3085905B1 (en) | Turbine engine with integrated heat recovery and cooling cycle system | |
| US6295803B1 (en) | Gas turbine cooling system | |
| US20180142577A1 (en) | Energy storage device and method for storing energy | |
| EP3314096B1 (en) | Power system and method for producing useful power from heat provided by a heat source | |
| US8172521B2 (en) | Compressor clearance control system using turbine exhaust | |
| US11187150B2 (en) | Combined cycle heat engine comprising a first and second gas turbine engine | |
| RU2711905C1 (en) | Heat energy conversion method | |
| Du et al. | Exergy loss characteristics of a recuperated gas turbine and Kalina combined cycle system using different inlet guide vanes regulation approaches | |
| CN111677571A (en) | Double-shaft compact supercritical carbon dioxide turbine | |
| US11927116B2 (en) | Methods and systems for starting and stopping a closed-cycle turbomachine | |
| Nyanda et al. | Viability Analysis of Ubungo II Gas Power Plant Efficiency Improvement Using Co-generation System | |
| Seydel | Performance Potential Analysis of Heavy-Duty Gas Turbines in Combined Cycle Power Plants | |
| Fischer et al. | Augmentation of gas turbine power output by steam injection | |
| RU2629515C1 (en) | System for utilisation heat of closed type (versions) | |
| RU2528214C2 (en) | Gas turbine co-generation power plant | |
| RU2779808C1 (en) | Method for operation of a universal gas turbine power unit | |
| Qin et al. | Key parameters and influence analysis of Marine S-CO 2 Brayton cycle power generation system under off-design conditions | |
| Koura | Thermodynamics II PCE 320 | |
| RU2008480C1 (en) | Power unit | |
| EP4269756A1 (en) | Closed-loop brayton cycle system with turbine blade cooling | |
| Carlson et al. | Thermal Electric Conversion and Power Cycles for CSP | |
| Nascimento et al. | Cycle selection and compressor design of 600kw simple cycle gas turbine engine | |
| Perz et al. | Design of a 50 MW Pilot Plant for a High Efficiency Steam Cycle | |
| Iki et al. | Conceptual investigation of a small reheat gas turbine system | |
| RU117509U1 (en) | HEAT ENGINE |