ТЕПЛОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1999 года по МПК F25B29/00 F25B25/00 

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано при генерировании тепловой, механической и хладоэнергии для нужд бытового и промышленного теплоснабжения/охлаждения, а также для привода механических средств, включая транспортные.

Известна тепловая энергетическая установка, включающая две термодинамические системы, связанные между собой по теплообмену рекуперативно, каждая из которых имеет свое рабочее тело и работающие совместно по так называемому бинарному циклу (см. , например, Нащокин В.В., Техническая термодинамика и теплопередача. М., Высшая школа, 1975, с. 281, рис. 19-16).

Недостатком известной тепловой энергетической установки является ограниченность ее использования, а также относительно низкая энергетическая эффективность.

Известна также тепловая энергетическая установка, включающая термодинамические системы, работающие по прямому и обратному циклам Ренкина, связанные между собой по теплообмену рекуперативно и по массопереносу рабочих тел турбокомпрессором, систему потребления тепловой энергии, имеющую рекуперативную связь с системами прямого и обратного термодинамических циклов Ренкина, а термодинамическая система, работающая по обратному циклу Ренкина, имеет рекуперативную связь с окружающей средой, (см. например, Рей Д., Макмайл Д., Тепловые насосы. М., Энергоиздат, 1982, с. 128, рис. 5.30). По технической сущности и достигаемому результату указанное техническое решение является наиболее близким объектом к заявляемому.

Данная тепловая энергетическая установка является более эффективной при трансформации химической энергии топлива в тепловую, что связано с наличием в ней утилизационного узла, поглощающего тепловую энергию из окружающей среды.

Однако эта тепловая энергетическая установка обладает недостаточно высокой энергетической эффективностью, а также не может быть использована для привода механических средств, включая транспортные, нужд охлаждения.

Целью изобретения является повышение энергетической эффективности и расширение области использования установки за счет привода механических средств, включая транспортные, возможности использования для нужд охлаждения.

Указанная цель достигается тем, что известная тепловая энергетическая установка, включающая термодинамические системы, работающие по прямому и обратному циклам Ренкина, связанные между собой по теплообмену рекуперативно и по массопереносу рабочих тел турбокомпрессором, систему потребления тепловой энергии, имеющую рекуперативную связь с системами прямого и обратного термодинамических циклов Ренкина, а термодинамическая система, работающая по обратному циклу Ренкина, имеет рекуперативную связь с окружающей средой, энергетическая установка снабжена вихревой трубой, установленной на выходе из компрессорной части турбокомпрессора, "горячий" выход которой связан рекуперативно с системой потребления тепловой энергии, а термодинамическая система, работающая по обратному циклу Ренкина, имеет рекуперативную связь с окружающей средой через систему, запитываемую от "холодного" выхода вихревой трубы.

Кроме того, система потребления тепловой энергии тепловой энергетической установки может быть выполнена в виде дополнительной термодинамической системы, работающей по прямому циклу Ренкина, испарительная часть которой является рекуперативной связью с основными термодинамическими системами, работающими по прямому и обратному циклам Ренкина, а ее тепловая машина может иметь механическую связь с внешним потребителем механической энергии.

Кроме того, тепловая энергетическая установка может быть снабжена дополнительной термодинамической системой, работающей по обратному циклу Ренкина, тепловая машина которой может иметь механическую связь с тепловой машиной дополнительной термодинамической системы, работающей по прямому циклу Ренкина, а ее конденсаторная часть может иметь рекуперативную связь с дополнительной термодинамической системой, работающей по прямому циклу Ренкина.

Установка вихревой трубы на выходе из компрессорной части турбокомпрессора позволяет дросселировать рабочее тело, сжатое в компрессорной части турбокомпрессора, а также разделять поток расширенного рабочего тела на "горячий" и "холодный" и тем самым максимально эффективно использовать энергию сжатого потока.

Установка "горячего" выхода вихревой трубы рекуперативно с системой потребления тепловой энергии позволяет передавать тепловую энергию потока воздуха "горячего" выхода вихревой трубы в систему потребления.

Установка "холодного" выхода вихревой трубы для запитывания термодинамической системы, работающей по обратному циклу Ренкина и имеющей рекуперативную связь с окружающей средой, позволяет использовать окружающую среду в виде источника тепловой энергии. Тем самым повышается коэффициент преобразования тепловой энергетической установки, работающей в данном цикле как тепловой насос.

Выполнение системы потребления тепловой энергии в виде дополнительной термодинамической системы, работающей по прямому циклу Ренкина, испарительная часть которой является рекуперативной связью с основными термодинамическими системами, работающими по прямому и обратному циклам Ренкина, а ее тепловая машина имеет механическую связь с внешним потребителем механической энергии, позволяет с помощью тепловой машины преобразовывать тепловую энергию в механическую, а с помощью механической связи передавать ее внешнему потребителю.

Снабжение тепловой энергетической установки дополнительной термодинамической системой, работающей по обратному циклу Ренкина, тепловая машина которой имеет механическую связь с тепловой машиной дополнительной термодинамической системы, работающей по прямому циклу Ренкина, а ее конденсаторная часть имеет рекуперативную связь с основной термодинамической системой, работающей по прямому циклу Ренкина, позволяет организовать высокоэффективное получение холода.

Таким образом, отличительные особенности предлагаемого технического решения позволяют обеспечить достижение поставленной цели, то есть повышение энергетической эффективности и расширение области использования установки за счет привода механических средств, включая транспортные возможности использования для нужд охлаждения.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где:
фиг. 1 - принципиальная схема варианта тепловой энергетической установки, работающей от котлоагрегата, по п. 1 формулы изобретения,
фиг. 2 - принципиальная схема варианта тепловой энергетической установки, работающей от солнечной энергии, по п. 1 формулы изобретения;
фиг. 3 - принципиальная схема варианта тепловой энергетической установки, работающей от солнечной энергии, по п. 2 формулы изобретения;
фиг. 4 - принципиальная схема варианта тепловой энергетической установки, работающей от солнечной энергии для нужд охлаждения, по пп. 1, 2, 3 формулы изобретения.

Тепловая энергетическая установка включает термодинамические системы, работающие по прямому 1 и обратному 2 циклам Ренкина, связанные между собой по теплообмену рекуперативно теплообменником 3 и по массопереносу рабочих тел турбокомпрессором 4, состоящим из турбинной 5 и компрессорной 6 частей, систему потребления тепловой энергии 7, имеющую рекуперативную связь теплообменниками 8, 9, 10 с термодинамическими системами прямого 1 и обратного 2 циклов Ренкина (см. фиг. 1). Термодинамическая система 2, работающая по обратному циклу Ренкина, имеет рекуперативную связь теплообменником 11 с окружающей средой 12. В заявляемом варианте тепловая энергетическая установка снабжена вихревой трубой 13, установленной на выходе из компрессорной части 6 турбокомпрессора 4, "горячий" выход 14 которой связан рекуперативно теплообменником 10 с системой потребления тепловой энергии 7. Рекуперативная связь теплообменником 11 с окружающей средой 12 осуществляется через систему, запитываемую от "холодного" выхода 15 вихревой трубы 13. При этом энергетическое замыкание системы потребления тепловой энергии 7 происходит на потребителя тепла 16. Трансформация химической энергии топлива 17 в тепловую осуществляется котлоагрегате 18, в который подаются в определенном соотношении топливо 17 и воздух 19, прошедшие предварительный рекуперативный подогрев в теплообменнике 20. Через теплообменники 21 и 22 отходящие топочные газы 23 котлоагрегата 18 отдают остаточное тепло рабочим телам термодинамических систем 1 и 2 соответственно, после чего рассеиваются в атмосферном воздухе. Циркуляция рабочих тел в термодинамических системах 1, 2 и в системе потребления тепловой энергии 7 осуществляется соответственно насосом 24, компрессором 6 и насосом 25 через ресиверы 26, 27, 28. В варианте использования солнечной энергии подвод энергии осуществляется через систему солнечных коллекторов 29 (см. фиг. 2, 3, 4), где энергия солнечного излучения 30 преобразуется в тепловую. Возможен также комбинированный вариант, при котором система солнечных коллекторов 29 находится в последовательной связи с котлоагрегатом 18 (на рисунках не показан).

Тепловая энергетическая установка по п. 2 формулы изобретения включает в себя систему потребления тепловой энергии 7, выполненную в виде дополнительной термодинамической системы, работающей по прямому циклу Ренкина, испарительная часть 31 которой является рекуперативной связью посредством теплообменников 8, 9, 10, 32 с основными термодинамическими системами 1 и 2, работающими соответственно по прямому и обратному циклам Ренкина, а ее тепловая машина 33 имеет механическую связь 34 с внешним потребителем механической энергии 35 (см. фиг. 3). Дополнительная термодинамическая система 7, работающая по прямому циклу Ренкина, содержит также последовательно установленные после тепловой машины 33 конденсатор 36 и жидкостной ресивер 37. Конденсатор 36 охлаждается теплом вихревой трубы 13, отходящим от ее "холодного" выхода 15.

Тепловая энергетическая установка по п. 3 формулы изобретения включает в себя дополнительную термодинамическую систему 38, работающую по обратному циклу Ренкина, тепловая машина 39 которой имеет механическую связь 40 с тепловой машиной 33 дополнительной термодинамической системы 7, а ее конденсаторная часть 41 имеет рекуперативную связь теплообменником 42 с дополнительной термодинамической системой 7, работающей по прямому циклу Ренкина, и теплообменником 43 с термодинамической системой 2, работающей по обратному циклу Ренкина (см. фиг. 4). Энергетическое замыкание термодинамической системы 38 происходит на потребителя холода 44 с использованием дроссельного клапана 45 и двух ресиверов: жидкостного 46 и газового 47. В качестве рабочих тел могут быть приняты для термодинамических систем 1 и 7 вода, для термодинамических систем 2 и 38 - фреон или воздух.

Тепловая энергетическая установка работает следующим образом. Воздух 19 и топливо 17 (например, природный газ) предварительно подогревают в теплообменнике 20 с отбором тепла от термодинамической системы 2 и подают в котлоагрегат 18, где химическая энергия топлива 17 трансформируется в тепловую (см. фиг. 1). Полученная тепловая энергия превращает воду (рабочее тело) термодинамической системы 1 в пар, который совершает работу в турбинной части 5 турбокомпрессора 4. Покинув турбокомпрессор 4, рабочее тело охлаждается в теплообменниках 9 и 3 до жидкого состояния и собирается в ресивере 26. Из ресивера 26 рабочее тело насосом 24 подается в котлоагрегат 18 через теплообменника 21, где предварительно нагревается теплом отходящих топочных газов 23, замыкая тем самым прямой термодинамический цикл Ренкина. При этом управление термодинамической системой 1 осуществляется подачей количества топлива 19 в функции давления пара на выходе из котолоагрегата 18 (система управления условно не показана). Энергия, подведенная к турбинной части 5 термодинамической системы 1 сжимает рабочее тело термодинамической системы 2 в компрессорной части 6. В дальнейшем рабочее тело охлаждается в теплообменнике 8, отдавая тепловую энергию в систему потребления тепловой энергии 7. В случае, если рабочим телом термодинамической системы 2 является фреон, то, охлаждаясь в теплообменнике 8, он сжижается и собирается в ресивере 28. Если же рабочим телом является воздух, то сжижение не происходит и ресивер 28 может быть исключен. Из ресивера 28 рабочее тело поступает в вихревую трубу 13, где происходит его расширение и полученный таким образом газовый поток разделяется на два: "горячий" 14 и "холодный" 15. "Горячий" поток 14 рабочего тела последовательно охлаждается в теплообменниках 10 и 20 и попадает в ресивер 26. "Холодный" поток 15 рабочего тела поступает в теплообменники 11, 3, 22, где последовательно нагревается теплом окружающей среды 12, теплом отработанного пара термодинамической системы 1, теплом отходящих газов котлоагрегата 18 и накапливается в ресивере 27, замыкая тем самым обратный термодинамический цикл Ренкина. При этом управление термодинамической системой 2 осуществляется величиной расхода рабочего тела из ресивера 28 на вихревую трубу 13 регулирующим вентилем в функции количества потребляемой тепловой энергии от термодатчика, расположенного непосредственно у потребителя 16 (система управления условно не показана). Таким образом, рабочее тело системы потребления тепловой энергии 7, получив тепловые импульсы от теплообменников 8, 9, 10 и перемещаясь по системе с помощью насоса 25, осуществляет тем самым отдачу тепла потребителю тепловой энергии 16.

В варианте использования в качестве источника тепловой энергии системы солнечных коллекторов 29 в тепловой энергетической установке теплообменники 20, 21 и 22 исключаются (см. фиг. 2). Работа термодинамических систем 1, 2 и системы потребления тепловой энергии 7 данной тепловой энергетической установки осуществляется аналогично работе соответствующих им термодинамических систем 1, 2 и системы потребления тепловой энергии 7 тепловой энергетической установкой в варианте использования котлоагрегата 18 (базовый вариант).

При работе тепловой энергетической установки на внешнего потребителя механической энергии 35 система потребления тепловой энергии приобретает вид термодинамической системы, работающей по прямому циклу Ренкина, то есть парообразное рабочее тело поступает на тепловую машину 33, расширяясь и отдавая свою внутреннюю энергию через механическую связь 34 внешнему потребителю механической энергии 35 (см. фиг. 3). Далее парообразное рабочее тело конденсируется в конденсаторе 36 и от ресивера 37 насосом 25 прокачивается через испарительные части теплообменников 8, 9, 10, 32. Управление тепловой энергетической установкой в этом случае может происходить в функции частоты вращения вала механической связи 34 либо по величине генерируемой мощности сообщаемой внешнему потребителю механической энергии 35, что достигается величиной соответствующего пропуска парообразного рабочего тела через тепловую машину 33 особым регулирующим устройством (на чертеже условно не показан).

При работе тепловой энергетической установки на потребителя холода 44 термодинамическая система 38 обеспечивает прокачку рабочего тела через тепловую машину 39 (приводимую от тепловой машины 33) с последующей передачей образовавшегося тепла системе потребления тепловой энергии 7 посредством теплообменника 42 и термодинамической системе 2 посредством теплообменника 43. В случае, если рабочим телом термодинамической системы 38 является фреон, то, охлаждаясь в теплообменниках 42 и 43, фреон сжижается и собирается в ресивере 46. Если же рабочим телом является воздух, то сжижение не происходит и ресивер 46 может быть исключен. В последствии рабочее тело, расширяясь за дроссельным клапаном 45, испаряется в испарителе потребителя холода 44, отнимая у него соответствующее количество тепла. Отработав, парообразное рабочее тело собирается в газовом ресивере 47. Управление тепловой энергетической установкой в этом случае осуществляется по параметру температуры, требуемой для удовлетворения нужд потребителя 44, путем регулирования дроссельным клапаном 45. Изменение же величины прокачки рабочего тела через систему 38 неизменно вызывает адекватное изменение энергопотоков в термодинамических системах 1, 2 и системе потребления тепловой энергии 7 с последовательным изменением положений их регулирующих органов вплоть до количественного изменения потоков подводимого топлива 19. Что касается солнечного излучения, то оно может быть принято максимально возможным (исходя из понятия беззатратного энерговосприятия), а излишки холодоэнергии могут накапливаться в отдельном накопителе (условно не показан) либо сбрасываться в окружающую среду, например в атмосферный воздух.

Использование предложенной энергетической установки позволяет генерировать тепловую энергию с условием повышения коэффициента преобразования на 30-50%, а также расширить область ее использования за счет применения в качестве привода механических средств, включая транспортные. При этом достигается эффективность генерирования механической энергии на 60-80% выше, а хладоэнергии для нужд бытового и промышленного охлаждения на 80-100% выше, чем у существующих аналогов.

Термодинамические системы, работающие по прямому и обратному циклам Ренкина, и контур потребления тепловой энергии связаны между собой через рекуперативные теплообменники. Система, работающая по обратному циклу Ренкина, снабжена вихревой трубой, установленной на выходе из компрессора. Горячий и холодный концы вихревой трубы соединены через рекуперативные теплообменники с контуром потребления тепловой энергии и с окружающей средой соответственно. Контур потребления тепловой энергии может быть выполнен в виде дополнительной термодинамической системы, работающей по прямому циклу Ренкина. Также установка может быть снабжена дополнительной термодинамической системой, работающей по обратному циклу Ренкина и связанной с дополнительной термодинамической системой, работающей по прямому циклу Ренкина. Использование изобретения позволит повысить энергетическую эффективность и расширить область использования установки. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Тепловая энергетическая установка, включающая термодинамические системы, работающие по прямому и обратному циклам Ренкина, связанные между собой по теплообмену рекуперативно и по массопереносу рабочих тел турбокомпрессором, систему потребления тепловой энергии, имеющую рекуперативную связь с системами прямого и обратного термодинамических циклов Ренкина, а термодинамическая система, работающая по обратному циклу Ренкина, имеет рекуперативную связь с окружающей средой, отличающаяся тем, что тепловая энергетическая установка снабжена вихревой трубой, установленной на выходе из компрессорной части турбокомпрессора, "горячий" выход которой связан рекуперативно с системой потребления тепловой энергии, а термодинамическая система, работающая по обратному циклу Ренкина, имеет рекуперативную связь с окружающей средой через систему, запитываемую от "холодного" выхода вихревой трубы. 2. Тепловая энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что система потребления тепловой энергии выполнена в виде дополнительной термодинамической системы, работающей по прямому циклу Ренкина, испарительная часть которой является рекуперативной связью с основными термодинамическими системами, работающими по прямому и обратному циклам Ренкина, а ее тепловая машина имеет механическую связь с внешним потребителем механической энергии. 3. Тепловая энергетическая установка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительной термодинамической системой, работающей по обратному циклу Ренкина, тепловая машина которой имеет механическую связь с тепловой машиной дополнительной термодинамической системы, работающей по прямому циклу Ренкина, а ее конденсаторная часть имеет рекуперативную связь с дополнительной термодинамической системой, работающей по прямому циклу Ренкина.