ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат технологической разработки

Существующие циклические процессы преобразования тепловой энергии в механическую (электрическую), основанные на представлениях классической термодинамики о равновесности и квазистатичности мало эффективны из-за низких степеней такого преобразования и загрязнения окружающей среды продуктами сгорания и тепловыми отходами.

Более того, с позиций классической термостатики считается, что такое положение непреодолимо ввиду известных температурных ограничений цикла Карно.

Целью предлагаемого способа является дальнейшее повышение эффективности тепломеханических преобразований за счет применения в цикле новых динамических процессов современной термокинетики, рассматривающей классическую термостатику в качестве одного из возможных частных случаев.

Сведения о приоритете и авторских правах субъекта.

Имеется заявка на изобретение «Способ преобразования низкотемпературной тепловой энергии в механическую» №98107977 с приоритетом от 20.04.98. Заявитель Самхан И.И.

Сущность предлагаемого объекта

Предлагаемый способ преобразования тепловой энергии основан на комбинации известных квазистатических процессов, например, процессов цикла Брайтона, и динамических неравновесных процессов движения потоков, в том числе, в механо-геометрическом сопле. Цикл включает нагревание (повышение энергии) дозвукового потока рабочей среды передачей ему теплоты от внешнего источника, расширение потока с выполнением механической работы, изменение скорости движения потока регулированием геометрии сопел или каналов и сжатие потока в соплах при его энергообмене с окружающей средой, в частности, при подводе механической энергии (работы).

В предлагаемом способе, в отличие от ранее известных, замыкание цикла проводят путем сжатия рабочей среды при подводе к потоку механической энергии с одновременным и энергетически эквивалентным повышением скорости движения потока. В этом случае процесс повышения давления рабочей среды может протекать при постоянных значениях энтальпии и температуры потока,

Таким образом, в предлагаемом способе, обычно применяемый отвод тепловой энергии на нижнем температурном уровне цикла заменяется подводом механической энергии в геометрическом диффузоре. Такая замена вполне допустима для потоков (движущихся сред), т.к. их баланс энергии (энтальпииdН)

dН= q + a + w

определяется не только потоками теплоты q или работы А (как предлагается в классических процессах при w=0), но и кинетической энергией w. Тогда, при постоянной энтальпии вещества на нижнем температурном уровне цикла и отсутствии теплообменаdН =q= 0

подводимая работа А может быть преобразована в скорость и кинетическую энергию потока, а затем и в другие формы энергии:a=w,в частности, в тепловую энергию, выделяемую на верхнем температурном уровне цикла для частичного регенеративного нагрева рабочей среды. Другая часть потребляемой для нагрева теплоты подводится на верхнем температурном (энергетическом) уровне цикла от внешнего теплового источника.

Применительно к идеальному газовому циклу с изотермическими процессами сжатия и расширения количественные соотношения между работой А_out,передаваемой внешнему потребителю, тепловой энергиейq _out,получаемой потоком от внешнего теплового источника при температуреt₁, количеством энергии А ₂, получаемым потоком при сжатии на температурном уровне Т ₂ <t₁и общим количеством теплоты

q1=(q _out + a ₂),

подводимым к потоку при температуре t ₁, определяется выражением

,

формально похожим на температурную зависимость коэффициента полезного действия цикла Карно, но имеющим другой физический смысл работоспособности (производительности) цикла. В этом случае допускается практически полное преобразование теплоты внешнего источникаq _outв механическую энергиюa _out,передаваемую внешнему потребителю, а температурный диапазонdt= t ₁ -Т ₂определяет лить количественные значения потоковq _outи А_out.

Общее количество вырабатываемой в таком цикле механической энергииa₁определяется как обычно, алгебраической суммой потоков энергии верхнего и нижнего температурного (энергетического) уровней цикла, т.е.

a ₁ = q1 = q _out + a ₂ > a _out

Часть вырабатываемой при этом механической энергии, равной А ₂, используют в качестве внутреннего, регенеративного дополнительного источника энергии, а остальную частьa _out=q _outотводят внешнему потребителю.

Способ может быть осуществлен с помощью замкнутой газотурбинной установки, схема которой дана на рисунке. Она состоит из подогревателя 1, турбины 2 с электрогенератором, сверхзвукового теплоизолированного сопла 3, диффузора 4, снабженного крыльчаткой 5 для подвода дополнительной энергии, и диффузора 6. Стрелками обозначены потоки тепловой и механической энергии. Кроме того, имеются и другие устройства для реализации способа.

Рис. Схема газотурбинной установки