Создание энергетических установок малой (единицы – десятки киловатт) мощности

Большинство технологических процессов сопровождается выделением большого количества низкопотенциального тепла, которое практически не используется. Источниками низкопотенциального тепла могут служить техногенные системы:

- промышленные предприятия (теплота продуктов сгорания различного рода топлива и т.д.);

- системы водяного охлаждения, стоки промышленных предприятий и очистных сооружений (теплота жидкости);

- биогазовые установки, газогенераторные установки и т.д. (теплота сгорания топлива, сгенерированного в этих установках);

- тепловые двигатели транспортных средств (теплота выхлопных газов), а также источники естественного происхождения:

- геотермальные источники;

- энергия Солнца.

Одним из направлений работ по использованию низкопотенциального тепла является создание энергетических установок малой (единицы – десятки киловатт) мощности. Подобные установки в полной мере отвечают современной концепции децентрализованного электропитания и могут использоваться как автономные источники электропитания загородных домов, небольших посёлков, удалённых от электросетей промышленных объектов, а также как вспомогательные источники электроэнергии для автономных объектов.

Для утилизации низкопотенциального тепла было предложено большое количество способов, но на сегодняшний день наибольшее внимание специалистов привлекает использование цикла Ренкина на низкокипящем рабочем теле (в литературе  – Organic Rankine Cycle, ORC, органический цикл Ренкина). Данный цикл отличается от обычного парового цикла Ренкина тем, что вместо воды в качестве рабочего тела в нем используются различные низкокипящие (как правило, органические) вещества, в том числе фреоны, водный раствор аммиака, пентан, бутан, и др., которые имеют достаточно высокие давления насыщенных паров при низких температурах.

Основными особенностями и преимуществами органического цикла Ренкина по сравнению с классическим циклом Ренкина на воде являются:

-  высокий КПД турбины;

- низкая скорость вращения турбины, что обеспечивает её прямое подключение к электрогенератору без редуктора;

- низкая механическая нагрузка на турбину из-за ее малой окружной скорости;

- отсутствие эрозии лопастей турбины и коррозии трубопроводов, т.к. в парах органических веществ нет капель влаги;

- работа конденсатора установки при давлении выше атмосферного, что гарантирует отсутствие в его объеме неконденсирующихся газов и связанных с этим проблем;

- минимальные требования к техническому обслуживанию установки

Процесс расширения в цилиндре, последующая конденсация в конденсаторе, повышение давления насосом и испарение в испарителе является циклическим процессом для рабочего тела двигателя. Этот цикл отличается от классического цикла Карно (рис. 1.3-1.4), который состоит из двух адиабат и двух изотерм. В нашем случае цикл близок к известному циклу Ренкина, и состоит из двух изобар, изохоры и кривой насыщения (рис. 1.5-1.6). Отличие от цикла Ренкина состоит в том, что в нем предполагается расширение пара по изоэнтропе, в то время как в цилиндре расширение, как предполагается, происходит по кривой насыщения.

Рис 1.3 P-V диаграмма цикла Карно.

Рис 1.4 T-S диаграмма цикла Карно.

Рис 1.5 P-V диаграмма цикла установки.

Рис 1.6 T-S диаграмма цикла установки.

3.2 Технология BMWTurbosteamerconcept.

Большая часть энергии, которая выделяется при сжигании нефтяного топлива, исчезает из выхлопной системы в виде тепла. Но количество этой энергии может быть сокращено более чем на 80% благодаря новой системе, разработанной BMW. Новая технология добавляет еще одну форму гибридного автомобиля - turbosteamer. Данная концепция использует энергию выхлопных газов традиционного двигателя внутреннего сгорания (ДВС) для питания парового двигателя, что также способствует питанию автомобиля - общие 15 процентов улучшения эффективности комбинированной системы привода. Еще большей новостей является то, что привод был разработан таким образом, что он может быть установлен в существующую модель серии - это значит, что каждая модель в гамме BMW могла бы стать на 15% более эффективной. Сочетание инновационного привода с 1,8-литровым BMW четырехцилиндровым двигателем на испытательном стенде уменьшило потребление электроэнергии до 15 процентов и генерируется на 10 киловатт больше мощности и 20 Н*м больше крутящего момента. Это увеличило мощность и эффективность. Энергия извлекается исключительно из тепла в выхлопных газах и охлаждающей воды, так что по существу  получается качественный скачок в эффективности.