Способ преобразования энергии в газотурбинной установке замкнутого цикла и устройство для его осуществления

)5 Р 02 С 1/1 КОМИТЕТИ ОТКРЫТИЯ ГОСУДАРСТВЕ 1+ЬПО ИЗОБРЕТЕНИПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ительны итехническо. блик. 1966. ИЯ ЭНЕР СТАНО ВКЕ РОЙ СТВО ДЮЖ Ы(56) Труды Краснодарского полго института. Вып.3, 1973, с. 98 -Патент СШАЬЬ 3258925, кл. Р 02 С 6/00, опу(54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНГИИ В ГАЗОТУРБИННОЙ УЗАМКНУТОГО ЦИКЛА И УСТДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Использование; на тепловых и атомных электростанциях, на надводных и подводных судах, а также в наземных транспортных установках. Сущность изобретения: осуществление сепарации твердых частиц с помощью роторов винтовых машин, имеющих одинаковые размеры профиля и углы. наклона винтов. установленных на общих валах в противофазе с изохорными теплообменными аппаратами - нагревателем 3, рекуператором 4 и охладителем 5. Изобретение позволяет реализовать цикл Стирлинга, повысить экономичность и сократить габариты силовой установки. 2 с,п, ф-лы, 1 ил.Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано на тепловых и атомных электростанциях, на морских надводных и подводных судах, а также на транспортных машинах.Известен аналог - способ преобразования энергии в газотурбинной установке замкнутого цикла (1), В нем сначала производят сжатие с промежуточным охлаждением чистого газа в двух лопаточных компрессорах, затем подогревают газ в рекуператоре теплом отработавшего газа, после этого смешивают гаэ с твердыми частицами в количестве 10 кг/1 кг газа в смесителе. Затем смесь нагревают в реакторе и расширяют в лопаточной турбине. В результате этого тепловая энергия здесь преобразуется в механическую. Часть еерасходуется на сжатие газа в компрессорах.а остающаяся часть отдается внешнему потребителю, Газ расширяют в туроинепри постоянной температуре иэотермически, так как ему передают тепло твердые частицы, После этого твердые частицы удаляют из отработавшего газа в сепараторе, охлаждают газ в рекуператоре и концевом охлади- теле и вновь подают в компрессоры, а твердые частицы транспортируют струйным газовым компрессором и смешивают с газом,Газотурбинная установка замкнутого типа содержит два лопаточных компрессора на общем валу, промежуточный охлади- тель, рекуператор, нагреватель - атомный реактор, двухфазное рабочее тело - смесь газа с твердыми частицами, турбину на общем валу с компрессорами, сепаратор и смеситель твердых частиц с газом, а также концевой охладитель газа, замыкающий цикл.Недостатками аналога являются: существенное снижение КПД лопаточной машины-турбины при работе на двухфазном рабочем теле с концентрацией частиц 10 кг/1 кг газа. которая является оптимальной для получения наивысшего КПД цикла; неизотермическое сжатие газа в компрессорах с промежуточным охлаждением снижает КПД термодинамического цикла, наличие двух компрессоров, промежуточного охладителя, сепаратора значительных размеров и смесителя усложняет установку, увеличивает ее габариты, а наличие струйного газового компрессора, имеющего низкий КПД, снижает экономичность установки, Наконец, осуществление теплоотдачи в упомянутых теплообменных аппаратах при постоянном давлении также приводит к увеличению площади теплообменных поверх-.ностей и габаритов теплообменников. В результате указанные недостатки снижают эффективность способа и газотурбинной установки, которая включает в себя как экономичность, так и габариты.5 Известен прототип - способ преобразования энергии в газотурбинной установке замкнутого цикла и газотурбинная установка замкнутого типа . В этом способе производят сжатие смеси газа и твердых частиц 10 в лопаточном компрессоре при постояннойтемпературе- изотермически благодаря поглощению тепла нагревающегося газа твердыми частицами. На выходе из компрессора твердые частицы отделяют от газа в сепарв торе и возвращают на вход в концевой охладитель. После этого сжатый гаэ подогревают в рекуператоре теплом отработавшего газа, смешивают с твердыми частицами и полученную смесь окончательно20 нагревают в.нагревателе или реакторе, Далее ее расширяют в лопаточной турбине при постоянной температуре - изотермически благодаря передаче тепла от твердых частиц охлаждающемуся газу. На выходе из 25 турбины твердые частицы отделяются от газа в сепараторе и вновь подают их газо- струйным компрессором на вход в нагреватель, где они смешиваются с подсгрвтым газом, Затем очищенный отработав ший газ охлаждают в рекуператоре,смешивают с твердыми частицами и охлаждают в концевом охладителе, откуда смесь снова направляют в компрессор. Тепловую энергию рабочего тела преобразуют в меха ническую в лопаточной турбине, часть механической энергии затрачивается на сжатие газа в компрессоре, а остальную часть передают внешнему потребителю.Газотурбинная установка замкнутого 40 типа содержит лопаточный компрессор,связанную с ним лопаточную турбину, рекуператор, нагреватель, концевой охладитель, рабочее тело - смесь газа с твердыми частицами, сепараторы твердых частиц на выходе 45 иэ компрессора и турбины, смесители и газоструйные компрессоры на входе в охлади- тель и нагреватель.Недостатками этого способа преобразования энергии является пониженная эф фективность вследствие низких КПДпроцессов сжатия и расширения соответственно в компрессоре и турбине, увеличенное количество тепла, передаваемого в теплообменных аппаратах, работающих 55 при постоянном давлении.Недостатком самой гаэотурбинной установки замкнутого типа является: лопаточный тип компрессора и турбины принципиально не способный работать с высоким КПД на смеси газа с твердыми ча 1776843стицами с концентрацией последних 5-10 кг/1 кг газа, а также газоструйный тип компрессора для транспортировки отсепарированных твердых частиц., обладающий низким КПД, огромные объемы и габариты теплообменных аппаратов, обусловленные теплопередачей при постоянном давлении, составляющие в существующих ГТУ замкнутого типа около 90 О общего объема, занимаемого установкой беззубчатой передачи, а также наличие в ее составе громоздких стационарных циклонных сепараторов твердых частиц, которые еще более увеличивают габариты ГТУ. Все указанные недостатки существенно снижают эффективность, как способа преобразования энергии, так и самой ГТУ замкнутого типа.Целью изобретения является повышение эффективности способа преобразования энергии в газотурбинной установке замкнутого цикла и газотурбинной установки замкнутого типа.. Эта цель достигается тем, что в способе преобразования энергии в газотурбинной установке замкнутого цикла, заключающемся в изотермическом сжатии в компрессоре и расширении в турбине рабочего тела с твердыми частицами, сепарации твердых частиц, нагреве рабочего тела перед расширением и охлаждении его перед сжатием, тем, что сжатие и расширение производят в компрессоре и турбине винтового типа, сепарацию твердых частиц осуществляют за счет вращения винтов, а нагрев и охлаждение рабочего тела осуществляют при постоянном объеме посредством вращения винтов в противофазе с одинаковым числом оборотов,Указанная цель достигается в гаэотурбинной установке замкнутого типа, содержащей установленные на одном валу компрессор и турбину, работающие на рабочем теле с твердыми частицами, соединенный с входом турбины нагреватель, подключенный к входу в компрессор по охлаждаемой среде холодильник, теплообменник, подключенный входом по охлаждаемой среде к выходу из турбины, а по нагреваемой - к выходу из компрессора, выходом по нагреваемой среде к нагревателю, а поохлаждаемой - к холодильнику, устройства подачи холодных и горячих твердых частиц тем, что компрессор и турбина выполнены винтового типа, имеющими роторы с одинаковыми размерами, профилями и углами наклона витков и снабжены патрубками сбора отсепарированных твердых частиц, подключенными соответственно к охлаждаемой и нагреваемой сторонамхолодильника и нагревателя и соединенными с устройствами подачи твердых частиц, последние выполнены в виде шнековых транспортеров с выходами размещенными соответственно на входе в компрессор и турбину.Винтовой тип компрессора и турбины вместо лопаточных турбомашин в прототи 10 пе, в условиях работы в среде двухфазного рабочего тела содержащего 5-10 кг твердых частиц на 1 кг газа, позволяет повысить КПД процессов сжатия и расширения на 5-10 за счет уплотнения зазоров между винтовыми ротЪрами и корпусом твердыми частицами и устранить недостаток существующих винтовых машин. Последние, будучи, как поршневые машины, объемно вытеснительными позволяют осуществить в энергетиче 20 ской установке замкнутый цикл Стирлинга Однако в отличие от поршневых машин они обладают более высокой быстроходностью, отсутствием возвратно-поступательного движения массивных поршневых механизмов, поэтому позволяют реализовать более высокие агрегатные мощности, способные удовлетворить большую энергетику, Одинаковые геометрические размеры, профили,новленных на общих валах в противофазе, обеспечивают одинаковые, но противоположное изменение объема их парных полостей и этим позволяют осуществить 35 передачу тепла в теплообменных аппаратах- нагревателе, рекуператоре, охладителе при постоянном объеме, что существенно сокращает количество передаваемого тепла по сравнению с теплопередачей при посто 40 янном давлении. Это в свою очередь приводит к сокращению площади теплообменных поверхностей в них в К - - , - раз, равные показателю изоэнтропы (адиабаты) рабоче 45 го газа, нагреваемогоиохлаждаемого в этих аппаратах. В случае гелия упомянутые поверхности сокращаются в 1,6 раза, в случае азота - в 1,4 раза, что резко уменьшаетгабариты установки,50 Сепарация твердых частиц винтами компрессора и турбины в конце соответственно процессов сжатия и расширения исключает.из состава установки громоздкие стационарные сепараторы и этим также существенно сокращаются габариты установ 55 ки по сравнению с прототипом. Шнековые транспортеры твердых частиц с газом, из которых один вращает второй за счет переноса давления, создаваемого копрессором, а также обычные распылители исключают углы наклона витков соответственных рото 30 ров винтовых компрессора и турбины, уста 17768435 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 потери энергии в основном потоке рабочего тела, который в прототипе проходит через струйные транспортеры-смесители Вентури, обладающие низким КПД. Изохорные теплообменные аппараты, предложенные автором, в которых с помощью пластинчатых клапанов сокращается вредное пространство и его негативное влияние позволяет повысить КПД цикла Стирлинга в условиях мощных энергетических установок, Все это вместе взятое повышает эффективность.В результате проведенного анализа научно-технической и патентной литературы автором не обнаружены решения со сходными признаками и полезным эффектом, который они обеспечивают, Поэтому, по мнению автора, предлагаемое решение обладает существенными отличиями,На чертеже изображен продольный разрез газотурбинной установки замкнутого типа, в которой реализуется предложенный способ, цикл Стирлинга и устройство.Установка содержит винтовой компрессор 1, связанную общим валом с ним турбину винтового типа 2, изохорные нагреватель 3, рекуператор 4, охладитель 5. На выходе из компрессора 1 и винтовой турбины 2 установлены патрубки 6 для сбора и вывода твердых частиц и примыкающие к ним соответственно ведущий шнековый транспортер 7 и ведомый шнековый транспортер 7 на общем валу 8. На входе в полости сжатия компрессора 1 и полости расширения винтовой турбины 2 установлены обычные распылители 9 твердых частиц, Геометрические размеры, профили, углы наклона витков соответственных ведомых и ведущих роторов компрессоры,1 и винтовой турбины 2 одинаковы, но они установлены на общих валах в противофазе, В качестве нагревателя может использоваться атомный реактор. Вал 8 шнековых транспортеров 7 соединен цепной или зубчатой передачей 10 с общим ведущим валом компрессора 1. и винтовой турбины 2, Выход газа из винтового компрессора 1 подключен к входу в нагреваемую сторону изохорного рекуператора 4, а выходной патрубок 6 отсепарированных винтами компрессора твердых частиц связан через ведущий шнековый транспортер 7 с изохорным охладителем 5, установленным на входе в компрессор 1 и сообщающимся с выходом греющей стороны рекуператора 4. Выход газа из винтовой турбины 2 подключен к входу греющей стороны рекуператора 4, а выходной патрубок 6 твердых частиц, отсепарированных винтами турбины, связан через ведомый шнековый транспортер 7 с входом в изохорный нагреватель 3, установленный на входе в винтовую турбину 2 и сообщенный с выходом нагреваемой стороны рекуператора 4. Для пуска установки предусмотрен вспомогательный пусковой двигатель 11, а для поворота лопастей 13 ВРШ - гидравлический механизм 12. Формула изобретения 1. Способ преобразования энергии в газотурбинной установке замкнутого цикла, заключающийся в изотермических сжатиях в компрессоре и расширении в турбине рабочего тела с твердыми частицами, сепарации твердых частиц, нагреве рабочего тела перед расширением и охлаждении его перед сжатием, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения эффективности, сжатие и расширение производят в компрессоре и турбине винтового типа, сепарацию твердых частиц осуществляют за счет вращениявинтов, а нагрев и охлаждение рабочего тела осуществляют при постоянном обьемепосредством вращения винтов, в противофазе с одинаковым числом оборотов,2. Устройство для преобразования энергии в газотурбинной установке замкнутого цикла, содержащая установленные на одном валу компрессор и турбину, работающие на рабочем теле с твердыми частицами,соединенный с входом турбины нагреватель, подключенный к входу в компрессор по охлаждаемой среде холодильник, теплообменник, подключенный входом по охлаждаемой среде к выходу из турбины, а понагреваемой - к выходу из компрессора и выходом по охлаждаемой к холодильнику, устройства подачи холодных и горячих твердых частиц, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что компрессор и турбина выполнены винтового типа, имеющими роторы с одинаковыми размерами, профилями и углами наклона винтов и снабжены патрубками сбора отсепарированных твердых частиц, подключенными соответственно к охлаждаемой и нагреваемой сторонам холодильника и нагревателя и соединенными с устройствами подачи твердых частиц, последние выпал нены в виде шнековых транспортеров с выходами, размещенными соответственно на входе в компрессор и турбину.