Цикл теплового двигателя для использования нестандартных и агрессивных видов топлив

Материалы III конференции "ТРИЗ. Практика применения методических инструментов" 

Цикл теплового двигателя для использования

нестандартных и агрессивных видов топлив

В.В. Велицко

Введение

Для обеспечения потребностей энергетики в энергоносителях используется практически весь спектр доступных органических горючих. Наибольшее распространение получили стандартизированные жидкие и газообразные горючие, например вырабатываемые из ископаемых нефти и природного газа.

Примечание.

Здесь используется именно термин горючее, а не простонародное и привычное – топливо, т.к. топливо является смесью горючего с окислителем или иным отдельным веществом например – унитарным топливом. При этом топливо, после необходимой инициации способно к поддержанию процесса экзотермического разложения, тогда как горючее к этому не способно.

Ископаемые нефть и природный газ, как биологического, как и абиогенного происхождения, а также каустобиолиты (ископаемые природные горючие биологического происхождения), в ходе выработки из них стандартизированных горючих, проходят ряд стадий очистки и переработки, в ходе которых вырабатываются природный газ, т.е. газ, применяемый нами в промышленности и в быту, бензины, дизельное топливо, реактивное топливо, мазут, печное топливо и т.д. Далее назовём эти виды горючих стандартизированными текучими горючими.

Однако не все виды органического сырья рационально перерабатывать в стандартизированные текучиегорючие, например, в них не всегда рационально перерабатывать малые количества попутного нефтяного газа (ПНГ), особенно с высоким содержанием различных вредных примесей. Также, обычно, не рационально перерабатывать в них и различные каустобиолиты, например, такие как уголь, сланцы, торф и свежую биомассу, например древесину.

Потребность в переработке загрязнённых и твердых горючих в стандартизированные текучие горючие связана с тем, что их применение затруднено в двигателях внутреннего сгорания (ДВС), например в таких как поршневые ДВС (ПДВС) и в ДВС, являющихся газотурбинными установками (ГТУ). Хотя ещё Р. Дизель рассматривал возможность работы своего двигателя на угольной пыли, но, к настоящему времени, на угле работают исключительно ГТУ с внутрицикловой газификацией, где происходит сжигание твёрдого топлива в камере сгорания, фильтрация продуктов сгорания от мехпримесей и подача подготовленных продуктов сгорания в газовую турбину, где они производят совершение полезной работы.

Недостаток внутрицикловой газификации и прямого сжигания грязных горючих в ДВС заключается в негативном воздействии загрязнённых продуктов сгорания при высоких давлениях и температуре на ДВС, что приводит к его быстрому выходу из строя. В этой связи указанные виды горючих, преимущественно, сжигаются в паросиловом цикле, например в цикле Ренкина, например – в цикле Ренкина с органическим теплоносителем (OrganicRankineCycle – ORC), что позволяет минимизировать их вредное воздействие на установку, т.к. равномерное сгорание горючего происходит при невысоких давлениях в топке (практически при атмосферном давлении), что также минимизирует количество выбросов во внешнюю среду, в частности – снижаются выбросы оксидов азота(NOx) и углеводородных продуктов неполного сгорания(CnHm).

Однако сжигание некондиционных топлив в паросиловом цикле не рационально, т.к. производится не прямое использование энергии топлива для совершения работы, а передача её посреднику, например воде или низкокипящей жидкости для совершения механической работы. Учитывая, что паросиловая установка, работающая по замкнутому циклу наиболее эффективна при подаче в нагреватель не насыщенного пара, а конденсата, т.к. в данном случае минимизируется работа на сжатие рабочего тела, то в любой паросиловой установке в той или иной мере производится потеря энергии, идущей на парообразование энергоносителя. Также при этом теряется часть мощности самой установки, идущей на передачу указанного тепла во внешнюю среду, что ухудшает общий тепловой КПД-нетто всей системы.

Также любая паротурбинная установка(ПТУ) имеет более сложную конструкцию в сравнении с ДВС, например с ГТУ, работающей по циклу Брайтона, за счёт наличия конденсатора и, например, градирни.

Ниже приведены принципиальные схемы ДВС являющегося ГТУ, работающей по циклу Брайтона, а также двигателя наружного (внешнего) сгорания (ДНС) являющегося ПТУ, работающей по циклу Ранкина.

Примечание

Различие ДВС и ДНС заключается в том, что в первом, в результате сгорание топлива происходит выработка рабочего тела, совершающего работу в ТД, тогда как в ДНС тепло, например при сжигании топлива, подводится к отдельному рабочему телу, совершающему работу в двигателе.

ГТУ, работающая по циклу Брайтона(см. Рис. 1) содержит в своем составе Компрессор (К), расширитель, например – Турбину (Т), Камеру сгорания (КС) и Рекуперативный теплообменник (РТО). Здесь, в качестве части двигателя, в которой совершается работа, принята более привычная турбина, хотя работа может производиться в любой известной из уровня техники расширительной машине, например – в объёмной расширительной машине, например – в поршневом детандере.

Рис. 1

Окислитель (О), например воздух, поступает в компрессор, где производится его сжатие до давления несколько большего, чем необходимое давление Продуктов сгорания (ПС) в расширителе. Сжатый воздух после компрессора поступает в РТО, где производится его подогрев отходящими газами (ОГ), совершившими в Турбине полезную работу.

Подогретый воздух из РТО поступает в КС, куда также производится впрыск Горючего (Г), в результате чего образуются Продукты сгорания (ПС), подаваемые в Турбину. ПС в Турбине совершают работу, которая делится на работу по приводу Компрессора, а также по приводу Нагрузки (Н), например – электрогенератора.

ПТУ, работающая по циклу Ренкина (см. Рис. 2) содержит питательный Насос (Н), Турбину (Т), Котёл (К) и Систему охлаждения (СО), включающую в себя, например, конденсатор и градирню.

Рис. 2

 

Рабочее тело (РТ), например вода, Насосом подаётся в Котёл, в котором происходит его нагрев продуктами сгорания Горючего в Окислителе. В ходе нагрева РТ испаряется и перегревается, после чего подаётся в Турбину, где совершает полезную работу по приводу Нагрузки, а также по приводу Насоса.

Отработавшее РТ поступает в СО, где от него отводится тепло во внешнюю среду. На выходе из Системы охлаждения РТ находится в жидком агрегатном состоянии, после чего поступает на всас питательного Насоса.

Задача

Создать на базе существующих промышленных компонентов экономичный и мощный тепловой двигатель (ТД), не требующий применения специализированного РТ, а также не требующий системы охлаждения для РТ. При этом указанных двигатель должен быть многотопливным и, в том числе, работать нанестандартных и агрессивных видах топлив, не требуя их обязательной очистки и подготовки.

При этом применение ПТУ без СО крайне нежелательно, т.к. будет происходить потеря большого количества подготовленного РТ, которое просто придётся сбрасывать во внешнюю среду.

Примечание.

Здесь, в качестве предпочтительных, рассматриваются исключительно варианты создания ТД на полностью стандартных компонентах, таких как компрессор, турбина, теплообменники и т.д. Полностью исключены из рассмотрения любые варианты оборудования, требующие провидения большого объёма НИР и ОКР.

Допускается применение модифицированных стандартных изделий, таких как компрессоры, турбины и т.д., т.е. приспособленных для работы на иных средах, с иными производительностями или давлениями, что не требует изменения технологической цепочки производства или применения иных конструкционных материалов.

При этом ТД должен работать на любом некачественном топливе, не требуя его специальной подготовки или применения дополнительных присадок к топливу.

Техническое противоречие (ТП) №1

Известно, что в случае необходимости, в ПС может впрыскиваться вода. Вода в ПС приводит как к снижению температуры полученной смеси, так и к росту давления, что приводит как к снижению разрушения проточной части расширителя агрессивными компонентами ПС, так и к некоторому росту КПД ТД в целом. Описанный монарный цикл близок по своим параметрам к бинарному циклу, в котором отходящие ПС остаточным теплом нагревают жидкий теплоноситель, например воду. Однако внешняя простота монарного цикла имеет и негативный момент – безвозвратную потерю теплоносителя или же необходимость охлаждения значительного или всего объёма смеси отработавших ПС и воды с целью конденсации паров воды для возвращения её в рабочий цикл ТД. Полученное ТП (ТП №1) показано на Рис. 3. Здесь и далее, негативное воздействие изменяемого фактора на потребительскую характеристику показано стрелкой с прерывистой линией, а положительное воздействие – стрелкой со сплошной линией.

Рис. 3

Выберем для дальнейшего рассмотрения ТД, в котором РТ состоит из ПС не разбавленных дополнительным теплоносителем, например водой, что обеспечит минимальную себестоимость очистки ПС.Получаем, что в проточную часть расширителя должны поступать только загрязнённые ПС.

Усиление противоречия ТП №1: ТД с минимальными затратами на предварительную очистку ПС имеет минимальный ресурс.

Главное свойство ТП №1: в качестве главного свойства выбираем низкую себестоимость предварительной очистки ПС.

ТП №2

Рассмотренное ТП №1 является основанием к формулированию ТП №2 (см. Рис. 4). Учитывая, что экономичность ТД, в простейшем случае, обеспечивается высоким перепадом начальной и конечной температур, что следует из цикла Карно. При этом, что бы реализовать высокий температурный перепад требуется высокое соотношений давления перед турбиной к её противодавлению т.е. к давлению на выхлопе. Однако это не целесообразно, т.к. агрессивные ПС, с ростом температуры, будут более увеличат интенсивность разрушения расширительной части ТД, например турбины.

Рис. 4

В качестве приоритетного направления работы выберем, что ПС в проточной части расширителя ТД (см. рис. выше), имеют максимальные значения давления и температуры, например, обусловленные максимальной термодинамической эффективностью цикла ТД или характеристиками конструкционных материалов, применяемых в проточной части расширителя, входящего в состав ТД.

Усиление противоречия: ТД с максимально высокой экономичностью моментально разрушается агрессивными ПС.

Главное свойство: вкачестве главного свойства выбираем топливную экономичность.

Оперативная зона: проточный (газовый) тракт расширителя (турбины). Здесь совместно находятся как зона главной полезной функции (ГПФ), так и зона негативного эффекта(ЗНЭ).

Оперативное время: время работы ТД, ГПФ и негативный эффект(НЭ) совершаются совместно в оперативное время.

Физическое противоречие (ФП)загрязнённое РТ должно не оказывать негативного воздействия на проточную часть расширителя ТД в процессе совершения работы.

Формулировка задачи: поручить одному из элементов системы (ТД + топливо) обеспечение исключения НЭ не вводя дополнительные компоненты с систему.

Анализ вещественно-полевых ресурсов (ВПР) показал, что с учётом заданных граничных условий по комплектующим нового ТД могут использоваться следующие ВПР, входящие  в состав ГТУ и ПТУ:

  1. Горючее (агрессивное);
  2. Окислитель (не агрессивный);
  3. Продукты сгорания (агрессивные);
  4. Рабочее тело (которое должно быть не агрессивным);
  5. Компрессор;
  6. Расширитель (турбина);
  7. Рекуперативный теплообменник;
  8. Камера сгорания;
  9. Котёл.

В ходе решения ФП был выделен ряд ВПР, наиболее эффективно решающих сформулированное ФП:

№ пп.

ВПР

Решение

  1.  

Окислитель (не агрессивный)

Совершает работу до образования агрессивных ПС, т.е. используется в качестве РТ.

  1.  

Продукты сгорания (агрессивные)

Не совершают работу передавая энергию неагрессивному РТ.

  1.  

Рабочее тело (не агрессивное)

Должно образовываться из неагрессивного компонента топлива.

  1.  

Рекуперативный теплообменник

Переносит энергию от агрессивного к неагрессивному РТ.

  1.  

Камера сгорания или Котёл

Разделение агрессивных от неагрессивных компонентов РТ.

 

При использовании методов поиска решений было определено, что наиболее целесообразно разнести в пространстве ЗНЭ и ГПФ.

Решение

Рис. 5

Как показано на Рис. 5, компрессор сжимает воздух до необходимого давления, после чего производится его нагрев в котле. Нагретый воздух подаётся в расширитель(турбину), где производит работу по приводу компрессора и полезной нагрузки. Отработавший воздух подаётся в котёл, где происходит его сгорание в смеси с агрессивным горючим. В результате сжигания горючего образуются агрессивные ПС, нагревающие РТ, однако не приносящие вреда, т.к. они не смешиваются с РТ. Охлаждённые ПС сбрасываются во внешнюю среду.

Вторичные противоречия

В качестве ИКР для реализации выбирается ИКР №4.

Вторичные противоречия при данном ИКР:

  1. Отсутствие котлов, изготавливаемых по технологии направленной кристаллизации, аналогичной технологии производства лопаток турбины.
  2. Высокая стоимость котла, т.к. его придётся делать из материала, аналогичного па параметрам жаропрочности и жаростойкости ступеням турбины, что снизит экономическую эффективность ТД по жизненному циклу.
  3. Недостаточные жаропрочность и жаростойкость материалов котлов с умеренной стоимостью.

Решение вторичных ТП:

По вторичным противоречиям №1 и2: будут использоваться параметры цикла ТД более низкие, чем параметры ГТУ, что хотя и снизит экономичность ТД, однако позволит его создать и экономически-эффективно эксплуатировать.

По вторичному противоречию №3: данное противоречие будет решено с постепенным улучшением конструкционных материалов, например путём создания более прочной керамики или композитов, что позволит производить керамические роторы турбин мощностью более 100 кВт. То, что данное противоречие пока не решено, не является значимым ограничением к практическому внедрению полученного решения.

Развитие полученной схемы работы ТД:

В результате решения вторичных противоречий была определена конструкция двигателя и его термодинамический цикл не только позволяющие решить противоречия №1 – 3, но и создать ТД, использующий практически стандартные комплектующие и имеющий КПД-нетто на уровне 55 – 65% и позволяющий, аналогично вышеприведённой схеме работы ТД, использовать при получении указанного КПД любые виды топлив, в том числе геотермальную, ядерную энергию и солнечное излучение.

RSS-материал