СПОСОБ РАБОТЫ ТЕПЛОВОГО НАСОСА С ПРИВОДОМ ОТ ГТУ Российский патент 2009 года по МПК F24F3/14 

Изобретение относится к области газотурбостроения и может быть использовано для создания мощных тепловых насосов (ТН), интегрированных с когенерационными ГТУ. Сам ТН способен работать от источника низкопотенциальной теплоты от плюс 15°С до минус 50°С с созданием источника высокопотенциальной теплоты на ТН плюс 100°С-200°С и со снижением расхода промышленного газа для отопления и горячего водоснабжения в 1,4-1,5 раза.

Известны тепловые насосы, включающие привод, компрессор, конденсатор, расширительное устройство, испаритель. Рабочее тело в испарителе нагревается от источника низкопотенциальной теплоты (Тинт). Затем нагретое рабочее тело поступает в компрессор. Сжатое в компрессоре рабочее тело уже с более высокой температурой поступает в конденсатор, где, переходя в жидкую фазу, становится источником высокопотенциальной теплоты - Тивт (за счет энергии источника низкопотенциальной теплоты, собственной обратки и энергии подведенной через привод компрессора - Nn). Рабочее тело при температуре Тивт нагревает внешний теплоноситель. Далее рабочее тело дросселируется и снова поступает в испаритель. Определяющей характеристикой теплового насоса является т.н. с коэффициентом преобразования (топливный коэффициент), например, для расхода G=1 кг/с:

Недостатками существующих тепловых насосов является то, что коэффициент преобразования μ_тн в сильной степени зависит от разницы (Тивт-Тинт). Нагрев (Тивт-Тинт) в широко известных тепловых насосах ограничивают величинами от 35 до 65°С градусов. Иначе резко растет затрачиваемая мощность Nn и использование такого теплового насоса становится экономически не выгодным (μ_тн≤2,0). Подобные насосы для своего функционирования требуют рабочее тело в виде фреона, хладона, аммиака и др. (см. Болгарский А.В., Мухачев Г.А., Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача. М.: Высшая школа, 1973. Техника машиностроения, 2002, №3 (37), П.А.Шелест. Учение о теплоте и тепловых насосах). Современные тепловые насосы имеют значения коэффициентов преобразования на уровне μ_тн=2,5-3,3 (при приемлемых для практики значениях ИНТ и ИВТ).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является тепловой насос, работающий по циклу Лоренца (обращенного цикла Брайтона), где последовательно осуществляют процессы сжатия наружного воздуха, отвода тепла, расширения с понижением температуры воздуха ниже температуры окружающей среды и выхлоп холодного воздуха в атмосферу. Подобные тепловые насосы теоретически могут обеспечить коэффициент преобразования от μ_тн=2,5 до μ_тн=3,3 (Мартыновский B.C. Циклы, схемы и характеристики термотрансформаторов (Под ред. Бродянского В.М. М.: Энергия. 1970 - 288 с.).

Несмотря на всю термодинамическую привлекательность подобного способа функционирования воздушного теплового насоса он не нашел распространения из-за ухудшения характеристик при повышенных температурах внешней среды. В последнем случае происходит рост потребляемой работы компрессора ТН. Другим отрицательным фактором является возможное обледенение выхлопных устройств и создание неблагоприятной экологической обстановки в окружающем пространстве при подачи в него отработанного в ТН воздуха с температурой минус 50, минус 80°С.

Решаемой задачей предлагаемого изобретения является создание ТН с источником высокой температуры в диапазоне 100-200°С с использованием энергии воздушного бассейна при внешней температуре минус 40 - плюс 15°С с приемлемыми с точки зрения экономичности коэффициентами преобразования без угрозы обледенения, без замораживания окружающего пространства при работе ТН.

Поставленная задача достигается тем, что в способе работы теплового насоса с приводом от ГТУ, включающем процессы сжатия наружного воздуха, отвода тепла, расширения на детандерной турбине, после процесса расширения на детандерной турбине часть холодного воздуха по обогреваемому каналу и обогреваемому входному направляющему аппарату подают на первую ступень компрессора приводной ГТУ, а оставшуюся часть холодного воздуха подают по обогреваемым каналам на вход электрогенерирующей (когенерационной) ГТУ.

На чертеже показана возможная схема теплового насоса, реализующий заявляемый способ работы.

Здесь: 1 - непосредственно тепловой насос (ТН), 2 - компрессор теплового насоса, 3 - питательный теплообменник ТН, 4 - теплоноситель, 5 - детандерная турбина ТН; 6, 7 - обогреваемые каналы ТН, 8 - обогреваемая коммуникация для электрогенеририрующей (когенерационной) ГТУ, 9 - приводная ГТУ, 10 - питательный теплообменник приводной ГТУ, 11 - промежуточный теплоноситель, 12 - выхлоп приводной ГТУ, 13 - электрогенерирующая (когенерационная) ГТУ, 14, 15, 16 - соответственно электрогенератор, теплообменник, промежуточный теплоноситель электрогенерирующей (когенерационной) ГТУ.

Работа аппарата. Наружный воздух (минус 50°С, плюс 15°С) поступает на ТН - 1, сжимается в компрессоре ТН - 2, например, до давления π_k=4,0 и, в частности, с температурой 180°С поступает в первый питательный теплообменник - 3 и далее с температурой плюс 40°С поступает на турбину ТН - 4. Давление за турбиной в зависимости от конкретных условий может быть равно атмосферному или выше. В большей части с отрицательной температурой (минус 50°С, минус 80°С) воздух поступает в прогреваемый выхлопными газами канал - 6 и обогреваемый входной направляющий аппарат (ВНА) приводной ГТУ - 9. Далее выхлопные газы поступают на теплообменник - 10, где нагревают теплоноситель - 11 и подаются на выхлоп 12. Избыток воздуха после детандерной турбиной - 5 подается по обогреваемому воздуховоду - 8 на электрогенерирующую (когенерационную) ГТУ - 13 (на один кг/с воздуха, подаваемого на приводную ГТУ, приходится в среднем 5-8 кг/с воздуха, приходящего на когенерационную ГТУ - 13). В ГТУ-13 выхлопные газы поступают на теплообменник 15, нагревая теплоноситель 16 и приводит эл. генератор 14.

Пример конкретного выполнения. Примем расход приводной ГТУ G₀=20 кг/с. Тогда, например, при внешней температуре минус 15°С и степени повышения давления в компрессоре ТН π_k=7 имеем греющую температуру 209°С, температуру за детандерной турбиной - минус 80°С, кратность расхода воздуха - 5,36. Одна часть воздуха пойдет на приводную ГТУ, остальные 4,36 частей - на электрогенерирующую (когенерационную) ГТУ, всего 20·4,36=87,2 кг/с. В этом случае ГТУ способна обеспечить КПД=44,34% и удельную мощность N_уд=569,5 кВт. При работе в автономном режиме при внешней температуре минус 15°С данная ГТУ обеспечила бы N_уд=454,35 кВт и КПД 41,7%. Ее мощность составляла бы 454,35·87,2=39,61932 МВт Следовательно, в абсолютных цифрах получаем дополнительную мощность ΔN=87,2·(569,5-454,35)=87,2·115,15=˜10 МВт. Таким образом, происходит увеличение мощности с 39,6 МВт до 49,66 МВт, т.е. в 1,25 раз (за базу сравнения принято Т_нар=минус 15°С). Экономичность возрастает в 44,34/41,7=1,063 раз. В условиях летней эксплуатации эти параметры соответственно составляют ˜1,4 и ˜1,1 раз. Сведем, для ясности, полученные результаты в таблицу и сопоставим с известными аналогами:

Изменение параметров при T_нар=-15°С, π_kтн=7.  Расход через систему, кг/сИзменение Ne_уд, кВтИзменение КПД, %Произведено электроэнергии, МВтПроизведено тепла, МВтПроизведено тепла, Гкал/ч1Тепловой насос107,2  024,320,9 Приводная ГТУ20от 454,35 до 569,45от 41,7 до 44,34010,48,94 Всего тепла на ТН, включая привод   034,729,8 Расход топлива0,5082      Электрогенерирующая ГТУ87,2от 454,35 до 569,45от 41,7 до 44,3439,62-49,6545,5439,16         ВСЕГО   49,6580,2469,0

По сравнению с известными аналогами:

Сопоставим расход топлива в ТН и в эквивалентной по мощности (34,7 кВт_тепл) котельне.

1. Низшая теплотворная способность топлива Nu=50420 кДж/кг.

2. Теоретический секундный расход топлива в котельне для получения 34,7 МВт. 34700 кВт/50420 кДж/кг=0,6882189 кг/с.

3. Действительный расход топлива в котельне при ее КПД=0,85: 0,6882189 кг/с / 0,85=0,8096692 кг/с.

4. Расход топлива в приводной ГТУ 20·0,0254091=0,508182 кг/с

5. Превалирование расхода топлива в котельной над ТН для получения 34,7 МВт - 0,8096692 кг/с / 0,5082 кг/с=1,59 раз.

Использование рассмотренного ТН в комбинации с электрогенерирующей (когенерационной) установкой решает и важную экологическую задачу. Исключается выброс наружу большого количества холодного воздуха, например, с температурой минус 70-80°С, что могло бы способствовать созданию в ближайшей округе неблагоприятного микроклимата (особенно в летний период).

Подобные системы могут быть востребованы для крупных жилых массивов, малых городов. В частности, рассмотренная в качестве примера система способна удовлетворить потребность в тепле порядка 25 тысяч квартир - 75 тыс. человек (примерно по 3 кВт на каждую квартиру).

Ориентировочные расчеты показали, что с учетом использования названных установок инвестиционная стоимость одного кВт не должна превысить 250-300 долларов/кВт (конец 2006 года). Это существенно ниже инвестиционной стоимости одного кВт паротурбинного контура стоимостью в - 1000 долларов/кВт.

Изобретение относится к газотурбостроению и может быть использовано для создания воздушных тепловых насосов. Способ реализации работы теплового насоса включает в себя процессы сжатия наружного воздуха, отвода тепла, расширения на детандерной турбине. После процесса расширения на детандерной турбине часть холодного воздуха по обогреваемому каналу и обогреваемому входному направляющему аппарату подают на первую ступень компрессора ГТУ, а оставшуюся часть холодного воздуха подают по обогреваемым каналам на вход электрогенерирующей (когенерационной) ГТУ. Изобретение позволяет использовать в качестве рабочего тела воздух с температурой -40 до +15°С с приемлемым, с точки зрения экономичности, коэффициентом преобразования. 1 табл., 1 ил.

Способ работы теплового насоса с приводом от ГТУ, включающий процессы сжатия наружного воздуха, отвода тепла, расширения на детандерной турбине, отличающийся тем, что после процесса расширения на детандерной турбине часть холодного воздуха по обогреваемому каналу и обогреваемому входному направляющему аппарату подают на первую ступень компрессора приводной ГТУ, а оставшуюся часть холодного воздуха подают по обогреваемым каналам на вход электрогенерирующей (когенерационной) ГТУ.