ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2002 года по МПК F25B11/00 

Изобретение относится к энергетическим установкам и может быть использовано в различных отраслях промышленности.

Создание энергетических установок, обладающих возможностью использования их в качестве холодильных установок и источников механической энергии в зависимости от времени года, является актуальной проблемой. Для ее решения необходимо существенно повысить эффективность холодильной установки, не усложняя ее конструкцию и найти схему холодильной установки, позволяющую легко преобразовать ее в источник механической энергии - двигатель.

Воздушные регенеративные холодильные установки имеют простую конструкцию, высокую надежность и экологически безопасны. Регенерация тепла позволяет уменьшить степень повышения давления и влияние необратимых потерь на степень термодинамического совершенства цикла. Особенно целесообразно применение холодильной машины, работающей по разомкнутому процессу с охлаждением в регенераторе.

Известные воздушные холодильные установки в частности, регенеративные (без использования охлаждающей воды) имеют низкий холодильный коэффициент. Например, при температуре теплоносителя t_x=-70...-80^oC (в условиях JSO) холодильный коэффициент их не превышает η_x=N_x/N_м=0,5...0,63 ([1] стр.69, [2] стр.161 и [3] стр. 22).

Кроме того, они обладают сложной конструкцией. Например, в турбохолодильной установке ВТХУ-А, созданной ЦИАМ ("...с использованием самых передовых достижений...") холодопроизводительность N_x=2000 кВт с t_x=-70...-25^oС и η_x=0,63 получены при расходах воздуха в I контуре 70 кг/с и во II контуре 700 кг/с, массе 6 т и габаритных размерах 4,5•3•3 м ([3] стр.22). Опытный турбохолодильный агрегат АТХ 50/50 с N_x=60 кВт, разработанный на базе газотурбинного двигателя ТВ3-117 и испытанный в 1996 г., при N_x/N_м=0,6-0,63 имеет удельный объем V/N_x=62 м³/МВт [4].

Известна энергетическая установка двойного назначения: как источник холода в теплое время года и источник тепла в холодное время года (напр., [3] стр.25). Однако во втором случае установка работает как тепловой насос и вырабатывает низкопотенциальное тепло.

Известна принципиальная схема энергетической установки ([5] стр.263), принятой за прототип предлагаемых энергетических установок. Она является наиболее простым вариантом установки, обладающим высокими энергетическими показателями ([5] стр.255).

Ее схема приведена на фиг.1. Она содержит турбину перерасширения 1, дожимающий компрессор 2, регенератор 3 и теплообменник 4. В этой установке атмосферный воздух, поступающий в теплообменник 4 потребителя холода, предварительно охлаждается в регенераторе 3 за счет передачи тепла холодному воздуху, полученному за турбиной перерасширения.

Однако холодильный коэффициент такой установки низкий (~0,6 при t_x=-70^oС), так как в ней используется эффект охлаждения только в одной турбине, вследствие чего при заданном t_x требуется высокое значение степени расширения и большая мощность привода. Кроме того, она не обладает возможностью превращения ее в источник механической энергии простым включением в ее схему источника тепловой энергии - устройства сжигания топлива.

Целью предложения является устранение указанных недостатков.

Предлагаемая энергетическая установка включает в себя турбину перерасширения, дожимающий компрессор, выходной канал которого сообщен с атмосферой, регенератор и теплообменник, содержащие первый и второй каналы теплоносителей.

Для достижения указанной цели неподвижные проточные части турбины и компрессора разделены стенками на первый и второй каналы двух теплоносителей, из которых первый канал турбины на выходе и первый канал компрессора на входе сообщены с первым каналом регенератора, а второй канал турбины на выходе и второй канал компрессора на входе сообщены с первым каналом теплообменника.

В одном из вариантов этой установки первый канал турбины на входе сообщен с атмосферой, второй канал турбины на входе сообщен со вторым каналом регенератора, который с другой стороны сообщен с атмосферой, а второй канал теплообменника сообщен с магистралью потребителя холода.

Другой вариант этой установки содержит газотурбинный двигатель с входным патрубком, вал которого соединен с валом энергетической установки, а его входной патрубок сообщен с магистралью потребителя холода.

В третьем варианте этой установки перед каналами турбины установлено устройство для сжигания топлива, сообщенное на входе со вторыми каналами регенератора и теплообменника.

В четвертом варианте перед первым каналом турбины установлено устройство для сжигания топлива, сообщенное на входе со вторым каналом регенератора, при этом второй канал турбины на входе сообщен с атмосферой.

На фиг. 2. ..5 показаны схемы энергетических установок, соответствующих пп. 1. ..5 формулы изобретения и на фиг.4а показан эскизный чертеж установки по п.4 формулы.

Энергетическая установка (фиг.2) включает в себя турбину перерасширения 1, дожимающий компрессор 2, выходной канал которого сообщен с атмосферой, регенератор 3 с первым 3' и вторым 3'' каналами теплоносителей и теплообменник 4 с первым 4' и вторым 4" каналами теплоносителей.

Неподвижные проточные части турбины 1 (до соплового аппарата и за рабочими лопатками) разделены продольными теплоизолированными стенками М на первый 1' и второй 1" каналы теплоносителей и компрессор 2 (до входного направляющего аппарата и за спрямляющим аппаратом) продольными теплоизолированными стенками N на первый 2' и второй 2" каналы. Первый канал 1' турбины на выходе и первый канал 2' компрессора на входе сообщены с первым каналом 3" регенератора, а второй канал 1" турбины на выходе и второй канал 2" компрессора на входе сообщены с первым каналом теплообменника. При этом первый канал 1' турбины на входе сообщен с атмосферой, второй канал 1" турбины сообщен с каналами 3" регенератора, который с другой стороны сообщен с атмосферой, а второй канал 4" теплообменника - с магистралью потребителя холода.

В предлагаемой энергетической установке теплоноситель потребителя холода в канале 4" теплообменника охлаждается воздухом, поступающим в его канал 4', предварительно охлажденным в канале 1" турбины и до этого - в канале 3" регенератора воздухом, охлажденным в другом канале 1' турбины.

Таким образом, в результате охлаждения воздуха в двух каналах турбины перерасширения (что эквивалентно - в двух турбинах) при одинаковых давлениях и низких степенях расширения установка имеет более высокий холодильный коэффициент η_x, чем у прототипа, например при t_x=-70^oС на 18%.

Неподвижные проточные части турбины и компрессора могут быть разделены на каналы продольными стенками по меридиональной плоскости или кольцевыми стенками. Вследствие одинакового давления в каналах это не приводит к повышенным гидравлическим потерям.

В таблице 1 приведены результаты расчета установки, соответствующей пп.1 и 2 формулы с расходом теплоносителей - воздуха G_в=15 кг/с и температурами -70 и -20^oС соответственно на входе и выходе канала 4' теплообменника. Для сравнения приведены результаты расчета прототипа с такими же параметрами теплоносителя, выполненного по аналогичной методике.

Предлагаемая установка имеет те же основные узлы, что и прототип, и значительно меньшую оптимальную степень сжатия компрессора (Пк=2,45 вместо Пк=4 у прототипа в приведенном расчете). Поэтому ее конструкция не сложнее и габаритные размеры не больше, чем у прототипа.

Вариант энергетической установки, схема которого показана на фиг.3, содержит газотурбинный двигатель 5, вал 6 которого соединен с валом энергетической установки, а его входной патрубок 5' сообщен с магистралью 7 потребителя холода.

Мощность ГТД с повышением температуры наружного воздуха (обычно выше 15^oС) прогрессивно снижается. Например, если ГТД при t_н=15^oC имеет N_н=2500 кВт, то при t_н=-10^oC он имеет N_н=1780 кВт. В энергетической установке по п.3 формулы кривая снижения ее мощности по температуре t_н будет существенно положе.

В этой энергетической установке при t_н=40^oС воздух, поступающий в ГТД, охлаждается до t_вх=-10^oС, соответствующей максимальной приведенной частоте вращения компрессора, а холодильный коэффициент достигает η_x=N_x/N_n~1,0 для температуры t_вх= -22^oС теплоносителя на входе в теплообменник. При этом ГТД дает мощность N_н=2100 кВт (за вычетом N_n), что на 18% больше, чем без охлаждения входного воздуха. На столько же повышается КПД всей установки.

В условиях t_н=55^oС повышение мощности и экономичности оценивается в 31%.

Результаты расчета энергетической установки по п.3 формулы приведены в таблице 2.

Наибольшая экономичность достигается с ГТД, выполненным по регенеративному циклу, т.е. с передачей тепла выходных газов закомпрессорному воздуху, имеющему при исполнении по п.3 формулы более низкую температуру относительно температуры выходных газов. В этом случае КПД установки в 1,5 раза выше.

Рациональной для применения в жарких климатических условиях является энергоустановка (п.3 формулы), в которой осуществляется не только "форсирование" ее по мощности, но и производится холод для внешнего потребления. Для этого она выполняется с большим расходом теплоносителя (воздуха), часть которого с низкой температурой направляется внешнему потребителю.

В энергетической установке (фиг.4 и 4а) перед каналами турбины 1 установлено устройство 8 для сжигания топлива, например камера сгорания, сообщенное с каналами 3" регенератора и с каналами 4" теплообменника.

Эта схема принадлежит газотурбинному двигателю с обратным потоком газа - от турбины к компрессору. В камере сгорания при сжигании топлива увеличивается температура рабочего тела турбины, расширяясь в которой до давления ниже атмосферного, производит работу. Температура газов снижается в турбине, в регенераторе и теплообменнике, в которых тепло передается воздуху, поступающему в камеру сгорания. Затем низкотемпературные газы дожимающим компрессором выбрасываются в атмосферу.

Такой двигатель с суммарным расходом воздуха G_b=15 кг/с позволяет при относительно низкой температуре газов перед турбиной Т_г=1273 К получить мощность N=1500 кВт с КПД ~30%. Он имеет простую конструкцию и не требует дожимного устройства для подачи газообразного топлива.

Соединение валов предлагаемых установок, выполненных по п.2 и по п.4 формулы, дает экономичное и простое устройство, обеспечивающее потребителя холодом, например, в теплое время, для чего одна из них в качестве холодильного устройства приводится другой в качестве двигателя, и механической энергией, например, в холодное время, для чего они обе снабжаются камерами сгорания и работают как двигатели.

В энергетической установке (фиг.5) перед каналом 1' турбины установлено устройство 9 для сжигания топлива, сообщенное с каналами 3" регенератора, а канал 1" турбины на входе сообщен с атмосферой.

Эта энергетическая установка является автономным источником холода, т.е. имеющим собственный привод. Цепь: каналы 3" регенератора - камера сгорания 9 - канал 1' турбины - каналы 3' регенератора и канал 2' компрессора является цепью элементов, составляющих газотурбинный двигатель (одинакова с цепью установки по п.4 формулы). Цепь: магистраль 7 - канал 1" турбины - каналы 4' теплообменника - канал 2" компрессора являются цепью элементов холодильной установки-прототипа.

Она проста по конструкции, обладает возможностью значительного увеличения температуры газов в камере сгорания за счет попеременного прохождения лопатками турбины потоков горячих газов и холодного воздуха и имеет малые размеры.

Для сравнения проведены оценочные расчеты предлагаемых установок и прототипа.

- ЭУ_x по пп.1 и 2 формулы - источник холода (G_b=15 кг/с, t_x=-70^oС), привод от постороннего источника механической энергии;
- ЭУ_x + ГТД по п.3 формулы - источник механической энергии и/или холода (привод от ГТД);
- ЭУ_дв по п.4 формулы - источник механической энергии (Т_г=1273 К перед камерой сгорания);
- ЭУ_x+ЭУ_дв - установка по п.2 + установка по п.4 формулы - автономный источник холода;
- ЭУ_хдв по п. 5 формулы - источник холода с собственным приводом (G_b= 15кг/с t_x=-70^oС);
- ЭУ_пр - прототип (G_b=15 кг/с, t_x=-70^oС, привод от постороннего источника механической энергии).

Результаты расчета приведены в таблицах 2 и 3.

Источники информации
1. Вайнштейн В.Д., Конторович В.И. Низкотемпературные холодильные установки. Издательство "Пищевая промышленность", 1972.

2. Клименко А.П. и др. Холод в машиностроении. Машиностроение, 1963.

3. Ж. Конверсия в машиностроении 2, 1995.

4. Трубы пятого международного симпозиума. "Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования-1999". С.Петербург, 1999.

5. Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. Энергоиздат, 1981 (с.263, прототип).

Изобретение относится к энергетическим установкам, производящим холод, тепло и механическую энергию. В энергетической установке, включающей в себя турбину перерасширения, дожимающий компрессор и теплообменные устройства, неподвижные проточные части турбины и компрессора разделены стенками на каналы двух теплоносителей, сообщенные с каналами теплообменных устройств так, что охлаждение воздуха осуществляется в двух каналах турбины при одинаковых давлениях. В силу этого она требует меньше мощности для привода. В варианте установки, приводом которой является ГТД, входной патрубок ГТД сообщен с каналами теплообменника потребителя холода, что обеспечивает охлаждение воздуха перед компрессором ГТД, приводящее к увеличению мощности установки. В других вариантах установки предусмотрена возможность их преобразования в экономичные двигатели, для чего перед каналами турбины устанавливаются камеры сгорания, сообщенные с каналами теплообменных устройств, в которых утилизируется тепло выходных газов. Использование предложенной энергетической установки позволит увеличить холодильный коэффициент на 18% при температуре теплоносителя t= -70^oС без усложнения конструкции. 4 з.п. ф-лы, 3 табл., 6 ил.

1. Энергетическая установка, включающая в себя турбину перерасширения, дожимающий компрессор, выходной канал которого сообщен с атмосферой, регенератор и теплообменник, содержащие первый и второй каналы теплоносителей, отличающаяся тем, что неподвижные проточные части турбины и компрессора разделены стенками на первый и второй каналы двух теплоносителей, из которых первый канал турбины на выходе и первый канал компрессора на входе сообщены с первым каналом регенератора, а второй канал турбины на выходе и второй канал компрессора на входе сообщены с первым каналом теплообменника. 2. Энергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что первый канал турбины на входе сообщен с атмосферой, второй канал турбины на входе сообщен со вторым каналом регенератора, который с другой стороны сообщен с атмосферой, а второй канал теплообменника сообщен с магистралью потребителя холода. 3. Энергетическая установка по п. 2, отличающаяся тем, что содержит газотурбинный двигатель с входным патрубком, вал которого соединен с валом энергетической установки, а его входной патрубок сообщен с магистралью потребителя холода. 4. Энергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что перед каналами турбины установлено устройство для сжигания топлива, сообщенное по входу со вторыми каналами регенератора и теплообменника. 5. Энергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что перед первым каналом турбины установлено устройство для сжигания топлива, сообщенное по входу с вторым каналом регенератора, при этом второй канал турбины по входу сообщен с атмосферой.