КОМБИНИРОВАННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ТЕПЛОФИКАЦИИ И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ Российский патент 1998 года по МПК F25B29/00 

Изобретение относится к области энергетики.

Преимущественная область использования производство горячей воды для целей теплофикации и охлажденного воздуха, используемого в холодильниках и морозильных камерах. Существующие тепловые электростанции (ТЭЦ), в которых тепло используется и для производства электроэнергии и для теплофикации используют тепло топлива на 70 - 80%. Прототипом изобретения может быть ТЭЦ, в которой цикл и схема теплофикационной установки с регенерацией указаны (см. А. И. Андрющенко Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок. 1968 г., стр. 82, рис. 2.33).

Сущность изобретения заключается в том, чтобы значительно увеличить коэффициент полезного действия (КПД) теплофикации за счет повышения теплотворности топливо-воздушной смеси, а также за счет использования солнечного тепла рассеянного в земной атмосфере.

На чертеже изображена кинематическая схема "комбинированного двигателя теплофикации", где 1 - котельная установка (КУ); 2 - воздушный компрессор газотурбинного двигателя твердого топлива (ГТДТТ), 3 - воздушная турбина ГТДТТ, 4 - теплообменник ГТДДТ, 5 - трубопровод, соединяющий выход (конфузор) воздушной турбины ГТДТТ с котельной установкой (КУ), 6 - устройство подачи органического топлива в котельную установку, 7 - паровая турбина высокого давления пара, 8 - паровая турбина низкого давления пара, 9 - теплообменник паросиловой установки (ПСУ) высокого давления пара, 10 - теплообменник ПСУ низкого давления пара, 112 - конденсатор мятого пара ПСУ, 12 - водяной насос низкого давления, 13 - теплообменник экономайзера ПСУ, 14 - регенерационный бак ПСУ, 15 - водяной насос высокого давления, 16 - воздушный компрессор теплового насоса (Т_н), 17 - воздушная турбина (Т_н), 18 - горячий теплообменник (Т_н), 19 - теплообменник горячей воды, 20 - водяной насос теплофикации, 21 - морозильная камера.

Описание способа работы комбинированного двигателя теплофикации.

Установка на одном валу воздушного компрессора, воздушной турбины ГТДТТ, а также паровых турбин ПСУ, передающих вырабатываемую мощность тепловому насосу, воздушный компрессор и воздушная турбина которого также установлены на этом же валу, упрощает конструкцию двигателя.

Установка теплообменника ГТДТТ в топке котельной установки перед теплообменниками паросиловой установки, а также соединение выхода (конфузора) воздушной турбины ГТДТТ с поддувалом топочного устройства котельной установки обеспечивает циркуляцию теплового потока, что позволяет подавать в топку горячий воздух богатый кислородом и тем самым поднять температуру горения, увеличивая теплотворную способность органического топлива.

Тепловой насос, засасывая из атмосферы воздух стандартной температуры Т_н= 280K, выбрасывает в морозильную камеру воздух с низкой температурой, тем самым утилизирует солнечное тепло, рассеянное в земной атмосфере.

Подтверждение сказанного элементарным термодинамическим расчетом
Расчет ГТДТТ принимаем:

где T₃ - абсолютная температура горячего воздуха на входе в сопловой аппарат воздушной турбины ГТДТТ,
η_c - КПД воздушного компрессора ГТДТТ, η_c= 0,83;
η_p - КПД воздушной турбины ГТДТТ, η_p= 0,92;
m - коэффициент, учитывающий изменение удельной теплоемкости воздуха, m= 1,02,

где l - степень повышения давления (оптимальная) воздуха в воздушном компрессоре ГТДТТ;
Q_э - тепло, эквивалентное полезной работе ГТДТТ,

где η_m - механический КПД ГТДТТ, η_m = 0,98

T₂ - абсолютная температура горячего воздуха после сжатия в воздушном компрессоре ГТДТТ:

Q_т - тепло, поглощаемое теплообменником ГТДТТ:
Q_т = Cp_т(T₃-T₂) = 0,27(1152^o-560^o) = 160 кк.

На основании первого закона термодинамики
Q₄ - тепло, поступающее с горячим воздухом в топку котельной установки:
Q₄ = Q_а + Q_а + Q_т - Q_э;
Q_а = CpTн = 0,24•288 = 69 кк,
Q₄ = 69 + 160 - 50,5 = 178,5 кк
Q_min - количество тепла, поступающее на теплообменники ПСУ.

Принимаем Q_min=270 кк;
Q_max = Q_min + Q_т = 270 + 160 = 430 кк,
Q_max = Q_см + GQ₄ - 63,
где 63 - потери тепла на реакцию горения и образования Q_см:
Q_см=580 кк при α =1,05;
G - количество воздуха, поступающее в компрессор ГТДТТ:

Принимаем для ПСУ η_ПСУ= 0,4 , тогда КПД двигателя, ПСУ и ГТДТТ

Расчет КПД теплового насоса (Тн) η_тн :

где Q_тн - тепло, эквивалентное работе, поглощаемой тепловым насосом;
Q_ат - тепло, отражаемое тепловым насосом из атмосферного воздуха,

где - степень повышения давления воздуха в воздушном компрессоре Т_н;
- КПД сжатия воздуха в компрессоре Т_н;
- КПД расширения воздуха в воздушной турбине Тн;
Q_ат=Cp(Тн - T'₄),
где - абсолютная температура воздуха на выходе из сопла воздушной турбины Т_н.

Принимаем

где - абсолютная температура воздуха на входе в сопловой аппарат воздушной турбины Т_н.

Итоговый КПД комбинированного двигателя теплофикации η_кдт= η_кд•η_тн= 0,56•2,055 = 1,15, т. е. при затраченных 580 кк тепла, получено 670 кк тепла для нагрева воды и холода для морозильных камер.

Изобретение предназначено для использования в области энергетики. Комбинированный двигатель теплофикации состоит из котельной установки, газотурбинного двигателя твердого топлива, паросиловой установки и теплового насоса. Сжатый в компрессоре газотурбинного двигателя твердого топлива атмосферный воздух подогревается снаружи в камере-теплообменнике, помещенной в топке котельной установки, а отработанный горячий воздух после воздушной турбины направляется в поддувало топки котельной установки. Тепловой насос работает в режиме, когда отношение суммы тепла, получаемого горячим теплообменником и холодным теплообменником к теплу эквивалентному работе теплового насоса, максимальное. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

1. Комбинированный двигатель теплофикации, содержащий котельную установку с теплообменником газотурбинного двигателя, воздушную турбину и воздушный компрессор теплового насоса, отличающийся тем, что газотурбинный двигатель выполнен в виде газотурбинного двигателя твердого топлива и включает в себя воздушный компрессор, соединенный через теплообменник котельной установки с воздушной турбиной двигателя, в котельной установке установлена паросиловая установка с теплообменниками и паровой трубиной, а вал газотурбинного двигателя связан с валом теплового насоса и первой турбины. 2. Способ работы комбинированного двигателя теплофикации путем сжигания топлива и утилизации тепла атмосферного воздуха в тепловом насосе, отличающийся тем, что тепловой насос работает в режиме максимально возможного отношения суммарного тепла, отдаваемого теплообменником теплового насоса, к теплу, эквивалентному работе, потребляемой тепловым насосом при параметрах
n_с = 0,8 - КПД воздушного компрессора теплового насоса;
n_р = 0,9 - КПД воздушной турбины теплового насоса;
Т_з = 315 К - температура воздуха на входе в воздушную турбину;
l = 1,4 - степень повышения давления.