Гравитационная паросиловая гидроэлектростанция - RU2234618C2

Описание

Изобретение относится к области энергетики, к системам получения электроэнергии и может быть использовано в качестве индивидуальных и промышленных электростанций для получения экологически чистой энергии без расходования топливных ресурсов и без создания сооружений, оказывающих вредное экологическое воздействие на окружающую среду. Изобретение может быть применено в качестве стационарного источника механической энергии вращения с возможностью преобразования ее в электрическую энергию.

В настоящее время для целей энергетики приходится ежегодно добывать и сжигать более 10 млрд. тонн условного топлива в виде нефти, угля, газа, урана. В результате энергетические и сырьевые ресурсы Земли быстро сокращаются.

При этом в земной атмосфере и в водах Мирового океана (океанах, морях, реках и т.п.) запасы теплоты огромны и непрерывно пополняются за счет излучения солнца.

В последние годы разработаны и созданы системы, в которых в качестве источника энергии используются искусственные воздушные вертикальные потоки, подобные естественным потокам в грозовых облаках. Такие гравитационно-тепловые системы открывают пути к освоению энергетических запасов атмосферы.

Из уровня техники известны технические решения, использующие гравитационные силы и внутреннюю энергию земной атмосферы и Мирового океана.

Известна гравитационно-тепловая электростанция, содержащая два вертикальных шахтных ствола, соединенных на дне шахты между собой, в стволах размещены компрессор, турбина и теплообменники, соединенные с источником теплоты с естественным перепадом температуры, например, между водой из водоема и окружающим воздухом (Патент США №4137719, МПК: F 03 G 7/04, 1977).

Современная стационарная теплоэнергетика базируется, в основном, на паросиловых установках. Известна паросиловая электростанция, которая работает по циклу Карно для насыщенного пара (см. "Теплотехника" под ред. А.П. Баскакова. М.: Энергоатомиздат, 1982, с.65). Эта электростанция содержит паровой агрегат в виде котла с топкой, где вода превращается в пар, пар расширяется в турбине, совершая работу, затем поступает в конденсатор и сжимается в компрессоре, превращаясь в воду с температурой кипения.

Недостатком этой электростанции является необходимость сжигать топливо для покрытия энергетических затрат для превращения воды в пар и, как следствие этого, загрязнение окружающей среды.

Известно устройство для получения экологически чистой механической энергии вращения, содержащее частично погруженный в воду ротор, по окружности которого установлены теплочувствительные элементы, связанные с грузом в виде массивного обода с возможностью его радиального перемещения при изменении температуры окружающей среды, верхняя и нижняя части ротора размещены соответственно в зонах нагрева и охлаждения, первой из которых является окружающий воздух, а вторая образована открытой сверху, помещенной в поверхностный теплый слой воды, емкостью в виде лотка со стенками выше уровня окружающей воды, который сообщается с верхней частью трубопровода, поднимающему вверх, как по сообщающемуся сосуду, холодную воду из глубинных ее слоев. Ротор снабжен лопатками для перемещения воды по лотку от верхней части трубопровода в сторону поверхностного слоя воды. Вращение ротора осуществляется за счет момента сил тяжести, создаваемых грузом при разных расстояниях боковых частей обода от оси в зависимости от нагрева и охлаждения теплочувствительных элементов (Патент Российской Федерации №20576455, МПК: F 03 G 7/04, 1997 г.).

Недостатком этого устройства является применение теплочувствительных элементов, имеющих относительно сложное устройство и выполненных из дорогостоящих материалов.

Известна экологически чистая силовая установка, содержащая зоны нагрева и охлаждения, последняя из которых выполнена размещенной в поверхностном слое воды, и сообщающейся с воздухом емкости, заполненной холодной проточной водой, поступающей по связанному с емкостью трубопроводу, опущенному в нижние холодные слои воды и являющемуся по отношению к окружающей воде сообщающимся сосудом, верхняя часть которого размещена выше поверхностного слоя воды и свободно сообщается с окружающим воздухом. В нижней части емкости выполнено донное отверстие, через которое осуществляется свободный отток более плотной холодной воды в окружающий поверхностный слой менее плотной воды, являющейся зоной нагрева. При этом обеспечивается непрерывный поток холодной воды по трубопроводу как по сообщающемуся сосуду и емкости из глубинных ее слоев в поверхностный слой, и в этом потоке установлен гидравлический двигатель. Трубопровод составлен из двух частей - нижней и верхней, а между этими частями трубопровода расположен гидравлический двигатель (гидротурбина), связанный с гидрогенератором с возможностью преобразования энергии потока воды в электрическую энергию (Патент Российской Федерации №2118706, МПК: F 03 G 7/05, опубл. 1998 г.).

Недостатком данной установки является низкий КПД из-за малого перепада рабочих температур, низкая удельная мощность, большие габариты (линейные размеры) трубопровода для получения ощутимой разницы в температурах поверхностного слоя воды и глубинными слоями воды.

Известна электростанция, выполненная в виде замкнутого контура, содержащего тепловой двигатель с силовой нагрузкой, емкость (котел), заполненную рабочим телом с температурой кипения не выше -50°С, теплообменники, нагнетательный насос, трубопроводы, дополнительный источник тепла. Рабочим телом в данной электростанции для одного теплообменника является вода из водоема, а для другого - поток атмосферного воздуха (Патент Российской Федерации №2125165, МПК: F 01 К 25/00, опубл. 1999 г.).

Известна гравитационно-тепловая электростанция, содержащая электрогенератор с механическим приводом, замкнутый трубопровод с вертикальными участками. Трубопроводы снабжены теплообменниками, соединенными с естественными источниками теплоты, создающими перепад температуры между вертикальными трубами (В.В.Кушин. “XXI век - начало эры гравитационно-тепловой энергетики”. Электричество и жизнь, М., №2, с.2, 2000, а также В.В.Кушин. “Гравитация и энергетика”, Электричество и жизнь, М., №5, с.2, 2000).

Недостатком этой установки является необходимость создания трубопровода высотой 1-2 км.

Известны паротурбинные электростанции, в котле которых используется не вода, а легкокипящие жидкости типа фреона, аммиака и другие. Для испарения такой жидкости не требуется топлива. Достаточно подогреть ее водой из любого водоема. В частности, известна гравитационная паротурбинная электростанция, которая содержит электрогенератор, паровой котел-испаритель, конденсаторную установку с холодильным агрегатом и питательный насос для подачи сконденсированной рабочей жидкости в испаритель (Патент Великобритании №1509040, опубл. 26.04.78, а также Свидетельство Российской Федерации на полезную модель №18716, 2001, прототип).

Недостатком прототипа является низкий коэффициент преобразования теплоты в работу из-за необходимости периодического испарения и конденсации рабочей жидкости, что сопряжено с большими потерями теплоты.

Данное изобретение устраняет недостатки аналогов и прототипа.

Техническим результатом изобретения является повышение КПД теплового цикла электростанции, уменьшение габаритов, универсальность применения как для индивидуального, так и для промышленного использования в любых условиях, где имеются либо источники воды, желательно с проточной водой, либо водоемы.

Технический результат изобретения достигается тем, что в гравитационной паросиловой электростанции, содержащей электрогенератор, испаритель рабочей низкокипящей жидкости, помещаемый в воду, конденсаторную установку с холодильным агрегатом и нагнетательный насос для подачи сконденсированной рабочей жидкости в испаритель, испаритель выполнен в виде вертикальной трубы, в нижней части которой размещена форсунка для распыления рабочей жидкости на капли, а в верхней части трубы расположена гидротурбина, соединенная с электрогенератором, при этом вход форсунки соединен с выходом нагнетательного насоса, а на выходе испарителя установлен узел для сбора паров рабочей жидкости и подачи их на вход холодильного агрегата.

Сущность изобретения состоит в том, что рабочая жидкость из холодильного агрегата, попадая в трубу, диспергируется форсункой на мельчайшие капли и испаряется, образуя пузырьковую пароводяную смесь. Поэтому плотность пароводяной среды внутри трубы становится ниже ее плотности вне трубы. Возникает неуравновешенная сила, которая будет давить снизу на ротор турбины, заставляя его вращаться и выдавать электроэнергию в цепь. В этом процессе первичным источником энергии является теплота, которая отбирается от водоема для испарения жидкости.

Например, испарение 1 кг аммиака приводит к рождению пузырьков общим объемом 1,7 м³. При смешивании этого объема пузырьков аммиака с 1 м³ воды образуется пароводяная смесь объемом V_c=2,7 м³, массой 10³ кг и плотностью ρ=0,37 кг/м³. Поэтому на объем V_c будет действовать выталкивающая (архимедова) сила F_A:

F_A=V_с(ρ_в-ρ_с )g=16·10³Н.

Поднимаясь из глубины h, где пузырьки родились, к поверхности, смесь оказывает давление на гидротурбину. В результате будет совершена работа А_т=Fh. Температура воды в водоемах, как правило, составляет 10-15° С, при такой температуре давление насыщенных паров аммиака достигнет (6-8)·10⁵ Па (6-8 атм). Такое давление позволяет проводить испарение аммиака на глубину 50-70 м. С учетом изменения объема смеси из-за изменения по глубине гидростатического давления работа А_т составит величину 250-300 кДж. Эта работа совершается за счет теплоты, которая отбирается от водоема, на испарение аммиака. Чтобы замкнуть термодинамический цикл, необходимо вновь превратить аммиак в жидкость. Если температура окружающего воздуха ниже -33°С, то для конденсации аммиака достаточно пропустить его через воздушный теплообменник.

Однако температура воздуха обычно бывает выше. Поэтому для конденсации паров приходится использовать холодильный агрегат, который при работе в режиме обратного цикла Карно затратит на получение 1 кг жидкого аммиака 150-200 кДж. В результате произведенную электроэнергию придется делить на две части. Основная ее часть будет уходить на электропитание холодильного агрегата, а оставшаяся часть будет поступать потребителю. Следует отметить, что аммиак токсичен, взрывоопасен. Поэтому для электростанций индивидуального и промышленного применения целесообразно использовать диметиловый эфир (С₂Н₆О).

Изобретение поясняется на чертеже - схематично изображен разрез электростанции, где: 1 - водоем, 2 - труба-испаритель, 3 - гидротурбина, 4 - электрогенератор, 5 - форсунка для диспергирования рабочей жидкости, 6 - шлюз для подачи воды, 7 - шлюз для возврата воды, 8 - узел для сбора выхлопных паров рабочей жидкости, 9 - трубопровод, 10 - холодильный агрегат, 11 - нагнетательный насос, 12 - трубопровод, 13 - стартовое устройство.

В водоем (резервуар) 1 желательно с проточной водой для создания большего перепада температур погружен испаритель в виде вертикальной трубы 2. В верхней части трубы 2 размещена гидротурбина 3 с электрогенератором 4. В нижней части трубы 2 расположена форсунка 5 для распыления рабочей жидкости на мелкие капли. В нижней части трубы 2 смонтирован шлюз 6 для подачи воды из водоема 1 в трубу 2, а на выходном фланце трубы 2 смонтирован шлюз 7 для возврата воды в водоем, и расположен узел 8 для сбора выхлопных паров рабочей жидкости. Узел 8 соединен трубопроводом 9 с холодильным агрегатом 10, выход которого через нагнетательный насос 11 и трубопровод 12 соединен с форсункой 5. К холодильному агрегату 10 присоединено стартовое устройство 13 с электроаккумулятором и резервным баком для рабочей жидкости. В качестве рабочей жидкости используется диметиловый эфир с температурой кипения Т_кип=-23° С.

Гравитационная паросиловая электростанция работает следующим образом. Рабочая жидкость из холодильного агрегата 10 подается через нагнетательный насос 11 по трубопроводу 12 в форсунку 5. Здесь происходит смешивание распыленной рабочей жидкости с водой, которая поступает из водоема 1 в трубу-испаритель 2 через шлюз 6. Образовавшаяся смесь пузырьков пара рабочей жидкости устремляется вверх и вращает ротор гидротурбины 3, соединенный с электрогенератором 4. Далее пароводяная смесь поступает в шлюз 7 и разделяется на два потока. Первый поток - водяной возвращается в водоем 1. Второй поток - струя паров рабочей жидкости возвращается через узел 8 и трубопровод 9 в холодильный агрегат 10.

Таким образом, в системе устанавливается стационарное состояние непрерывного отбора теплоты от водоема 1 на испарение жидкости в испарителе 2 и такое же непрерывное превращение этой теплоты в работу гидротурбины 3.

Использование гравитационных сил и сообщающихся сосудов позволяет назвать данное изобретение гравитационной паросиловой гидроэлектростанцией, т.к. труба 2 со шлюзами 6 и 7 и водоем 1 - сообщающиеся сосуды, а разная плотность жидкости внутри трубы 2 и водоема 1 позволяет использовать гравитационные силы (выталкивающую силу Архимеда).

Приведем технические данные гравитационной паросиловой гидроэлектростанции.

Испаритель электростанции выполнен в виде трубы 2 диаметром 130 мм и длиной 20 м, помещен вертикально в водоем 1 с температурой воды +10°С. В качестве рабочей жидкости использован диметилэфир (С₂Н₆О). Диметилэфир является экологически чистым материалом, невзрывоопасен и нетоксичен. Он имеет температуру кипения Т=-23°С, теплоту парообразования 500 кДж, давление насыщенных паров при 10°С 3,5·10⁵ (3,5 атмосферы), удельный объем паров при нормальных условиях составит 0,8 м³/кг.

Образовавшаяся смесь паров и воды по трубе 1 поднимается вверх. В форсунку 5 поступает рабочая жидкость в количестве 0,1 кг/с. В этих условиях плотность пароводяной смеси составит 500 кг/м³, а скорость подъема смеси - 10 м/с. При высоте испарителя (трубы) 1, равной 20 м, выталкивающая сила, действующая на столб смеси, составит величину F=10⁵S, где S - площадь поперечного сечения потока. Мощность электростанции составит величину N=11 кВт.

Для работы электростанции необходимо каждую секунду подавать в форсунку 5 примерно 0,1 кг рабочей жидкости, которую должен произвести холодильный агрегат 10. Поскольку теплота парообразования рабочей жидкости r=500 кДж/кг, то для приготовления рабочей жидкости в непрерывном режиме работы электростанции холодильный агрегат должен производить каждую секунду количество холода Q=r·0,1 кг=50 кДж. Для этого холодильный агрегат должен тратить электроэнергию А_=Q(Т_кип - Т₀)/Т₀, где Т₀ - температура окружающего воздуха.

Очевидно, что при Т₀=-23°С рабочая жидкость производится без затрат энергии холодильным агрегатом: в нем просто используется теплообменник.

Реферат

Устройство предназначено для преобразования тепловой энергии воды в электрическую энергию. Гидроэлектростанция содержит электрогенератор, испаритель рабочей низкокипящей жидкости, помещаемый в водоем, конденсаторную установку с холодильным агрегатом и нагнетательный насос для подачи сконденсированной рабочей жидкости в испаритель. Испаритель выполнен в виде вертикальной трубы, в нижней части которой размещена форсунка для распыления рабочей жидкости на капли, а в верхней части трубы расположена турбина, соединенная с электрогенератором. При этом вход форсунки соединен с выходом нагнетательного насоса, а на выходе турбины установлено устройство для сбора паров рабочей жидкости и подачи их на вход холодильного агрегата. Конструкция гидроэлектростанции позволяет повысить КПД гидроэлектростанции. 1 ил.

Формула