ВОЗДУШНАЯ ТУРБОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2010 года по МПК F25B29/00 F25B11/00 

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для выработки «холодильной» энергии разных уровней, тепловой энергии и электроэнергии в широком температурном диапазоне атмосферного воздуха в полевых условиях.

В России есть множество регионов, в которых имеется большая потребность в энергии холода. В частности, это относится к южным широтам с небольшими сельскими населенными пунктами, где из-за дефицита электроэнергии нет возможности использования турбохолодильных машин (ТХМ) для хранения сельскохозяйственной продукции в холодильных камерах.

Известна установка для охлаждения воздуха помещения (Патент РФ №39936, МПК 7 F25B 11/00 от 20.04.2004), содержащая источник сжатого воздуха, воздушную турбину и помещение с эжектором, где источник сжатого воздуха соединен с высоконапорной частью эжектора, выход турбины соединен с низконапорной частью эжектора, а вход - с выходом помещения, и вход помещения соединен с выходом эжектора, турбина механически соединена с воздушным компрессором. Недостатком технического решения является низкая экономичность установки из-за использования эжектора для обеспечения циркуляции воздуха в установке.

Наиболее близким аналогом заявляемому техническому решению являются способ комбинированного получения холода и тепла для кондиционирования помещения и установка для его осуществления (Патент РФ №2062964, МПК6 F25B 29/00 от 14.10.93), принятая за прототип, включающая воздушный компрессор с приводом, компрессорно-турбинный агрегат с включенными между компрессором и турбиной первичным воздухо-воздушным теплообменником и вторичным регенеративным теплообменником и рециркуляционный контур кондиционируемого помещения. Имеется также регенеративный теплообменник, включенный в рециркуляционный контур байпасным трубопроводом между выходом воздуха из вторичного регенеративного теплообменника и входом в регенеративный теплообменник и вторым байпасным трубопроводом между выходом воздуха из регенеративного теплообменника и входом в турбину.

Техническое решение по прототипу позволяет снабдить «холодильной» энергией одного потребителя - например, холодильную камеру, но при этом не может быть обеспечено кондиционирование помещений обслуживающего персонала в жаркое время года; оно не только не обеспечивает инфраструктуру электроэнергией, но наоборот требует ее для привода воздушного компрессора и вентилятора. Оба компрессора и турбина в зависимости от температуры окружающей среды работают с расходом воздуха, изменяющимся в широком диапазоне, что не позволяет иметь достаточно высокие значения кпд агрегатов. Применение раздельных контуров получения «холодильной» энергии и циркуляции воздуха в помещении (вместо одного последовательно объединенного контура) и воздухо-воздушного вместо водовоздушного теплообменника требует большей разности температур в турбине (для обеспечения заданной температуры в помещении), следовательно, большего давления за компрессорами и, соответственно, большей мощности привода воздушного компрессора.

Кроме того, установка прототипа имеет излишне большое количество агрегатов - второй компрессор, вторичный регенеративный и регенеративный теплообменники, вентилятор, что повышает стоимость установки и понижает надежность ее функционирования.

В основу изобретения положено решение следующих задач.

1. Обеспечение потребителя «холодильной» или тепловой энергией для кондиционирования или подогрева помещения в полевых условиях.

2. Обеспечение инфраструктуры в широком температурном диапазоне атмосферного воздуха:

- непрерывно обновляемым воздухом постоянной температуры в помещениях,

- горячей водой,

- электроэнергией (сжатым воздухом, водой под давлением).

3. Обеспечение высокой экономичности при производстве и эксплуатации установки.

Поставленные задачи решаются тем, что воздушная турбоэнергетическая установка содержит воздушный компрессор с приводом, турбодетандер, теплообменник и помещение, соединенные магистралями с клапанами.

В соответствии с изобретением установка дополнительно снабжена потребителем мощности, эжектором, регулятором и суфлером. Потребитель мощности кинематически связан с турбодетандером. Выход компрессора соединен магистралями с клапанами с входом турбодетандера до или через теплообменник. Выход из турбодетандера соединен с входом высоконапорной части эжектора, выход которого соединен с помещением. Вход низконапорной части эжектора соединен с атмосферой через регулятор, при этом помещение имеет два выхода, один выход соединен с входом компрессора, а другой - через суфлер соединен с атмосферой.

Использование теплообменника и турбодетандера позволяет обеспечить потребителя «холодильной» энергией и горячей водой.

Использование потребителя мощности, приводимого турбодетандером, позволяет обеспечить потребителя необходимым видом энергии.

Использование суфлера и регулятора с эжектором, выход которого соединен с помещением, позволяет обновлять воздух в помещении, обеспечивая температуру на заданном уровне и давление, равное атмосферному давлению.

Существенные признаки изобретения могут иметь развитие и уточнение.

Выполнение помещения и камеры теплоизолированными позволяет повысить экономичность эксплуатации установки путем уменьшения затрат «холодильной» или тепловой энергии для поддержания заданной температуры в помещении.

Дооборудование установки, по меньшей мере, одной камерой, дополнительным турбодетандером с потребителем мощности, которые присоединены к ней так, что выход из теплообменника соединен с входом турбодетандера, а выход последнего через камеру - с входом компрессора, позволяет в камере иметь уровень температуры воздуха, более низкий, чем в помещении. Это позволяет использовать камеру в качестве холодильной, а потребитель мощности - для производства дополнительной энергии (электрической, гидравлической, сжатого воздуха).

Применение двух турбодетандеров позволяет:

- работать каждому турбодетандеру на практически постоянном режиме с высоким кпд в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды,

- устанавливать турбодетандеры в непосредственной близости от разнесенных друг от друга камеры и охлаждаемого помещения, что исключает потери хладоресурса в соединительных магистралях,

- оптимально выбирать (минимизировать мощность привода компрессора) соотношение расходов воздуха, для обеспечения нужных температурных условий в камере и помещении.

Выполнение теплообменника водовоздушным вследствие более чем на порядок большей величины коэффициента теплоотдачи со стороны воды (по сравнению с воздухом) позволяет существенно уменьшить потребную поверхность теплопередачи (по сравнению с воздухо-воздушным теплообменником) и соответственно уменьшить его габариты, массу и стоимость.

Высокая экономичность воздушной турбоэнергетической установки показана в приведенном ниже примере.

Таким образом, решены поставленные в изобретении задачи:

- установка снабжает «холодильной» энергией помещение и камеру, обеспечивая их нормальную работу в годовом диапазоне изменения температуры окружающей среды,

- инфраструктура при тех же атмосферных условиях обеспечена обновляемым воздухом заданной температуры, горячей водой и электроэнергией (или другим видом энергии, необходимой потребителю).

Настоящее изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена схема воздушной турбоэнергетической установки.

На фиг.2 изображена схема воздушной турбоэнергетической установки с дополнительным оборудованием.

Воздушная турбоэнергетическная установка (см. фиг.1) содержит компрессор 1 с приводом 2, турбодетандер 3, теплообменник 4, помещение 5 и магистрали с отсечными клапанами. Установка дополнительно снабжена электрогенератором 6, эжектором 7, регулятором 8 и суфлером 9. Электрогенератор 6 кинематически связан с турбодетандером 3. Выход компрессора 1 связан магистралью с отсечными клапанами 10 и 11 с входом турбодетандера 3, до или через теплообменник 4. Выход из турбодетандера 3 соединен с входом высоконапорной части эжектора 7, выход которого соединен с помещением 5, причем вход низконапорной части эжектора 7 соединен с атмосферой через регулятор 8. Помещение 5 имеет два выхода, один выход соединен с входом компрессора 1, а другой - через суфлер 9 соединен с атмосферой. Помещение 5 может быть выполнено теплоизолированным.

Установка также может дополнительно содержать (см. фиг.2) камеру 12, дополнительный турбодетандер 13, соединенный кинематически с дополнительным электрогенератором 14. Причем, выход из теплообменника 4 соединен с входом дополнительного турбодетандера 13, а выход последнего через холодильную камеру 12 - с входом компрессора 1. Камера 12 может быть выполнена теплоизолированной. Теплообменник 4 выполнен водовоздушным.

Функционирование предлагаемой воздушной турбоэнергетической установки (ВТЭУ) осуществляется следующим образом (см. фиг.1). Привод 2 вращает компрессор 1, где поступающий в него воздух сжимается, нагревается и попадает в магистрали до клапанов 10 и 11. Далее установка функционирует по-разному. Если тепло от помещения 5 нужно отводить, то при закрытом клапане 11 и открытом клапане 10 холодный воздух за теплообменником 4 подается на вход турбодетандера 3. Если к помещению 5 тепло нужно подводить, то при закрытом клапане 10 и открытом клапане 11 горячий воздух за компрессором 1 подается на вход турбодетандера 3 минуя теплообменник 4. Охлажденный в турбодетандере 3 воздух поступает в высоконапорную часть эжектора 7, где он смешивается с поступающим в низконапорную часть эжектора 7 через регулятор 8 воздухом из атмосферы. Воздух из эжектора 7 поступает в помещение 5, откуда часть его (равная расходу воздуха, поступающему в систему через низконапорную часть эжектора 7) через суфлер 9 выходит в атмосферу, а остальной воздух подается на вход компрессора 1. Создаваемая в турбодетандере 3 мощность идет на привод электрогенератора 6, вырабатывающего электроэнергию.

Дополнительно в установке (см. фиг.2) может функционировать и второй контур. Часть охлажденного в теплообменнике 4 воздуха поступает в турбодетандер 13, где срабатывается потенциальная энергия сжатого воздуха и он поступает в камеру 12 с температурой ниже требуемого уровня, откуда поступает на вход компрессора 1. Разность располагаемой температуры поступающего в камеру 12 воздуха и потребной температуры компенсирует приток тепла через стенки камеры. Создаваемая в турбодетандере 13 мощность идет на привод электрогенератора 14, вырабатывающего электроэнергию.

Выполнение камеры теплоизолированной уменьшает приток тепла через стенки камеры из атмосферы.

В качестве примера промышленной применимости изобретения рассмотрим ВТЭУ, имеющую холодильную камеру, которая для поддержания в ней температуры 278 К (+5°С) потребляет 18 кВт «холода», и кондиционируемое помещение, которое для поддержания в нем температуры 293 К (+20°С) потребляет 55 кВт. В этой установке используются:

1. Компрессор, приводимый серийно выпускаемым промышленностью ДВС (дизелем) мощностью N=224 кВт и частотой вращения n=6000 об/мин, имеет степень повышения полного давления , кпд, равный 0.8, расход воздуха G=5.1 кг/с. Эти параметры близки к параметрам высоконапорных центробежных вентиляторов с консольно расположенным рабочим колесом, поэтому изготавливаться детали проточной части компрессора могут из тонкостенной листовой стали, что значительно сокращает его стоимость.

2. В качестве теплообменника с коэффициентом термической эффективности, равным 0.6, могут быть применены серийно выпускаемые промышленностью водовоздушные радиаторы, суммарно обеспечивающие съем тепла, равного 175 кВт.

3. В качестве турбодетандера (и дополнительного турбодетандера) используется двухступенчатая турбина со степенью расширения 1.42, расходом воздуха 2.55 кг/с, кпд, равным 0.81, частотой вращения 3000 об/мин и консольным расположением ротора.

4. Электрогенератор (и дополнительный электрогенератор) с максимальной электрической мощностью 70 кВт и частотой вращения 3000 об/мин.

Расчеты ВТЭУ с указанными параметрами агрегатов позволяют оценить энергетические параметры установки, которые отражены в таблице.

Режим работы N_Эосн N_Эдоп N_XK N_ПОМ N_{ГОР.ВОДЫ} 1 - Хол. возд. 61.3 кВт 59.4 кВт 37.5 кВт 54.7 кВт 176.4 кВт 2 - Тепл возд. 61.3 кВт 69.9 кВт 37.5 кВт 42.1 кВт 88.2 кВт

Здесь N_Эocн и N_Эдоп - электроэнергия, вырабатываемая основным и дополнительным электрогенераторами, N_XK - тепло, отбираемое от камеры, N_ПОМ - тепло, отбираемое (или подводимое) от помещения, N_{ГОР.ВОДЫ} - тепло, отводимое водой от теплообменника (используемое инфраструктурой); режим работы 1 - при отводе тепла из помещения, режим работы 2 - при подводе тепла в помещение.

Воздушную турбоэнергетическую установку можно рассматривать как устройство, преобразующее химическую энергию топлива в электрическую, «холодильную» и тепловую. Поэтому оценку экономической эффективности ее следует производить так же, как для энергетических установок с помощью коэффициента полезного использования теплотворной способности топлива

Здесь обозначены:

N_Э - электроэнергия, N_X - «холодильная» энергия, N_T - тепловая энергия, К_X - относительная (по отношению к электрической) стоимость «холодильной» энергии, Q_топл - тепло сгорания топлива в приводе компрессора - дизеле (его кпд равен 0.5), К_T - относительная стоимость тепловой энергии. Величины коэффициентов К_X=2 и K_T=1/3 выбраны исходя из сложившейся обстановки в стране.

Расчеты показывают, что без учета использования горячей воды η=0.60 при работе на первом режиме и η=0.39 при работе на втором режиме. Если горячая вода полезно используется, то величины η соответственно равны η=0.73 и η=0.46.

Указанные цифры свидетельствуют о высокой экономичности работы установки.

Установка допускает возможность использования ее в малых населенных пунктах, где отсутствует подвод достаточного количества электроэнергии для функционирования холодильной камеры и связанной с ней инфраструктуры. При этом необходимо жидкое или газообразное топливо (например, природный газ) в качестве горючего для питания ДВС - привода компрессора.

Установка предназначена преимущественно для работы в небольших населенных пунктах, полевых условиях и транспортных средствах. Установка содержит компрессор с приводом, турбодетандер, теплообменник, помещение, соединенные магистралями с клапанами. Установка дополнительно снабжена электрогенератором, эжектором, регулятором и суфлером, где электрогенератор кинематически связан с турбодетандером. Выход компрессора соединен магистралями с клапанами с входом турбодетандера до или через теплообменник. Выход из турбодетандера соединен с входом высоконапорной части эжектора, выход которого соединен с помещением. Вход низконапорной части эжектора соединен с атмосферой через регулятор. Помещение имеет два выхода, один выход соединен с входом компрессора, а другой - через суфлер соединен с атмосферой. Использование изобретения позволит обеспечить высокую экономичность при производстве и эксплуатации установки. 5 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Воздушная турбоэнергетическая установка, содержащая компрессор с приводом, турбодетандер, теплообменник, помещение, соединенные магистралями с клапанами, отличающаяся тем, что установка дополнительно снабжена потребителем мощности, эжектором, регулятором и суфлером, где потребитель мощности кинематически связан с турбодетандером, выход компрессора соединен магистралями с клапанами с входом турбодетандера до или через теплообменник, выход из турбодетандера соединен с входом высоконапорной части эжектора, выход которого соединен с помещением, причем вход низконапорной части эжектора соединен с атмосферой через регулятор, притом помещение имеет два выхода, один выход соединен с входом компрессора, а другой - через суфлер соединен с атмосферой.

2. Воздушная турбоэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что помещение выполнено теплоизолированным.

3. Воздушная турбоэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что установка дополнительно содержит турбодетандер, соединенный кинематически с потребителем мощности, и, по меньшей мере, одну камеру, причем выход из теплообменника соединен с входом турбодетандера, а выход последнего через камеру - с входом компрессора.

4. Воздушная турбоэнергетическая установка по п.3, отличающаяся тем, что камера выполнена теплоизолированной.

5. Воздушная турбоэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что теплообменник выполнен водовоздушным.

6. Воздушная турбоэнергетическая установка по пп.1 и 3, отличающаяся тем, что потребитель мощности выполнен в виде электрогенератора.