УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ЭКОНОМНОГО ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И ТЕПЛА Российский патент 2015 года по МПК F02C6/18 F02C1/04 

Изобретение «Устройство и способ экономного производства электроэнергии и тепла» относится к области энергетики и может быть использовано в жилищно-коммунальном хозяйстве (ЖКХ) для производства электроэнергии и тепла по сниженным тарифам.

Существующие тепловые электростанции (ТЭС), вырабатывающие электроэнергию и тепло, тепло от сгорания углеводородных топлив используют с КПД η_э=0,85. Такие ТЭС сложны по конструкции, дороги в изготовлении и эксплуатации; по этой причине имеет место ежегодное повышение тарифов на электроэнергию и тепло.

Предлагаемая ТЭС проще по конструкции и дешевле в изготовлении и эксплуатации.

На фиг.1 представлена кинематическая схема «Устройство и способ экономного производства электроэнергии и тепла», где:

1 - котельная

2 - устройство приготовления и подачи любого углеводородного топлива в топку котельной

3 - заборник атмосферного воздуха

4 - воздушно-газовый радиатор воздушного компрессора (ВК) воздушно-турбинного двигателя (ВТД)

5 - воздушный компрессор ВК ВТД

6 - воздушно-газовый радиатор воздушной турбины ВТД

7 - воздушная турбина ВТ ВТД

8 - трубопровод, соединяющий выход из воздушной турбины ВТД с входом в поддувало котельной

9 - топка котельной

10 - водяной насос

11 - водогазовый радиатор

12 - потребители горячей воды и электроэнергии

13 - генератор электрического тока

14 - вал, соединяющий воздушную турбину (5) воздушный компрессор (7) водяной насос (10) и генератор электрического тока (13).

На фиг.2 в координатах абсолютная температура (T⁰K) в функции энтропии $$\left(S\frac{ккал}{кг\cdot К}\right)$$ изображен термодинамический цикл «Устройства и способа экономного производства электроэнергии и тепла», где:

P_н=P₁ - изобара; давление воздуха на входе в воздушный компрессор ВТД;

P₂ - изобара; давление воздуха на выходе из воздушного компрессора ВТД;

Точка H - температура и давление атмосферного воздуха;

Точка 1 - температура и давление воздуха на входе в воздушный компрессор ВТД;

Точка 2 - температура и давление воздуха на выходе из воздушного компрессора ВТД;

Точка 3 - температура и давление воздуха на входе в воздушную турбину ВТД;

Точка 4 - температура и давление воздуха на выходе из воздушной турбины ВТД.

На фиг.3 изображена циркуляция тепла воздуха (газа) (регенерация тепла) от воздушной турбины (7) Q₄ до поддувала котельной и далее выхода тепла дымовых газов Q₅ от топки котельной (9) до окончания омывания воздушно-газового радиатора (6) со значением Q₆=Q₅-(Q₃-Q₂).

«Устройство и способ экономного производства электроэнергии и тепла» состоит из контура воздушно-газового, в котором заборник атмосферного воздуха (3) связан с входом в воздушно-газовый радиатор ВК ВТД (4), выход из которого связан с входом в ВК ВТД (5), выход из которого связан с входом в воздушно-газовый радиатор ВТ ВТД (6), выход из которого связан с входом в ВТ ВТД (7), выход из которой связан с входом в трубопровод, соединяющий выход из ВТ ВТД с входом в поддувало котельной; далее горячий воздух поступает в поддувало котельной (9), дымовые горячие газы омывают: воздушно-газовый радиатор (ВТ) воздушной турбины ВТД (6), водогазовый радиатор (11), воздушно-газовый радиатор ВК ВТД (4).

«Устройство и способ экономного производства электроэнергии и тепла» состоит из контура водяного отопления, в котором выход из водяного насоса (10) связан с входом в водогазовый радиатор (11), выход из которого связан с потребителем горячей воды (12), выход от которого связан с входом в водяной насос (10).

Способ экономного производства электроэнергии и тепла состоит в постоянном режиме работы газотурбинного двигателя в условиях, когда тепло, поглощаемое воздушно-газовым радиатором воздушной турбины ВТД (6), равно теплу дымовых газов, покидающих воздушную турбину ВТД (7) (Q₃-Q₂=Q₄); состоит в режиме регенерации тепла, когда тепло дымовых газов, покидающих воздушную турбину ВТД, с помощью трубопровода (8) подается в поддувало котельной (1); состоит в режиме регенерации тепла на входе атмосферного воздуха, когда тепло дымовых газов через воздушно-газовый радиатор (4) подается на подогрев атмосферного воздуха от температуры T_н°K до температуры T₁°K.

Возможность изготовления изобретения подтверждается действующими котельными, радиаторами, газотурбинными двигателями.

Возможность изготовления и работы изобретения подтверждается также и элементарным термодинамическим расчетом.

Расчет производим по энтальпиям (теплосодержаниям), абсолютным температурам T°K в удельных параметрах с учетом изменения удельной теплоемкости воздуха (газа) при постоянном давлении $$C_P=C_v+AR\left(\frac{ккал}{кг\cdot К}\right)$$ изменением температуры.

То есть C_P=F(T°K).

Расчет производим на установившийся режим работы ВТД, когда Q₃-Q₂=Q₄ (1).

Элементарный расчет «Устройства и способа экономного производства электроэнергии и тепла»

Принимаем:

T_н - температура атмосферного воздуха T_н=288°K (+15°C)

P_н - давление атмосферного воздуха $$P_{н}=1,0\frac{кг}{с{м}^2}$$ ;

η_p - КПД расширения воздуха = 0,92;

η_c - КПД сжатия воздуха = 0,85;

$$m=\frac{C_{P_4}}{C_{p_2}}\approx 1,034$$ ; $$n=\frac{C_{P_3}}{C_{P_4}}=1,084$$ ; T₁=330°K; P₁=P_н

Рассчитываем: e - степень повышения давления при условии режима работы ГТД, когда Q₃-Q₂=Q₄ $$e={(\frac{P_2}{P_1})}^{\frac{k-1}{k}}$$ ; k=1,4

$$C_{P_3}{T}_3-C_{P_2}{T}_2=C_{P_4}{T}_4\left(2\right)$$

Из уравнения (2) при $$T_3=\frac{T_1{e}^2\times C_{P_2}}{{\eta }_p{\eta }_c{C}_4}$$ ; $$T_2=T_1(1+\frac{e-1}{{\eta }_P})$$ ; $$T_4=T_3(1-{\eta }_P\frac{e-1}{e})$$

T₃; T₂; T₄ находим из уравнений

из графика $$C_P\frac{ккал}{кг\cdot К}=F\left(T^{\circ }K\right)$$

$$C_{P_3}=0,282\frac{ккал}{кг\cdot К}$$

$$Q_3=C_{P_3}{T}_3=353,329ккал$$

$$T_2=330(1+\frac{1,753-1}{0,85})=622,{34}^{\circ }K$$ ; $$C_{P_2}=0,2515\frac{ккал}{кг\cdot К}$$

Q₂=156,518 кк; Q₃-Q₂=196,81 кк

$$T_4=1253(1-0,92\frac{1,753-1}{1,753})=757,{83}^{\circ }K$$ ; $$C_{P_4}=0,26\frac{ккал}{кг\cdot К}$$ ;

$$Q_H=C_{P_H}{T}_{н}=0,2398\times 288=69ккал$$

Q₄=197,036 ккал; $$Q_1=C_{P_1}{T}_1=0,24\times 330=79,2ккал$$

Q_э - тепло, эквивалентное мощности генератора электрического тока

Q₃=Q₃-Q₄-(Q₂-Q₁)=353,329-197,036-(156,518-79,2)=156,293-77,318=78,975 ккал

Принимаем температурное напряжение у газовоздушных радиаторов Δt=10°C или ΔQ=2,5 ккал

В этом случае Q₅=Q₃+2,5=355,79 ккал; T₅=1263°K (990°C);

Q₆=Q₂+2,5=156,518+2,5=159,018 ккал; T₆=632°K (359°C).

Принимаем T₈=298°K; $$Q_8=C_{P_8}{T}_8$$ ; Q₈=0,24×298=71,58 ккал.

Согласно закону сохранения и превращения энергии

Q₇-Q₈=Q₁-Q_H; Q₇=Q₈+Q₁-Q_H;

Q₇=71,58+79,2-69=81,78 ккал

$$Q_{H_{2}O}$$ - тепло отопления помещений

$$Q_{H_{2}O}=Q_6-Q_7=159,018-81,78=77,238ккал$$

Q_см - тепло от сгорания топливно-воздушной смеси

Q_см=Q₅-Q₄=355,79-197,036=158,754 ккал

Коэффициент полезного действия «Устройства и способа экономного производства электроэнергии и тепла»

Изобретение «Устройство и способ экономного производства электроэнергии и тепла» состоит из устройства и способа:

- Устройство экономного производства электроэнергии и тепла состоит из котельной, воздушно-турбинного двигателя, радиаторов, отличающееся тем, что: выход из заборника атмосферного воздуха (3) связан с входом в воздушно-газовый радиатор (4), выход из которого связан с входом в воздушный компрессор воздушно-турбинного двигателя (5), выход из которого связан с входом в воздушно-газовый радиатор (6), выход из которого связан с входом в воздушную турбину воздушно-турбинного двигателя (7), выход из которой связан с входом в поддувало котельной (1), выход из поддувала связан с входом в топку котельной (9), выход газов из которой связан, наружно, с воздушно-газовым радиатором (6), выход газов из которого связан, наружно, с водогазовым радиатором (11), выход газов из которого связан, наружно, с воздушно-газовым радиатором (4), выход газов из которого связан с воздушной атмосферой, далее выход из водяного насоса (10) связан с входом в водогазовый радиатор (11), выход из которого связан с потребителями горячей воды (12), выход от которых связан с входом в водяной насос (10); воздушный компрессор воздушно-турбинного двигателя (7), воздушная турбина воздушно-турбинного двигателя (5), водяной насос (10), генератор электрического тока (13) - все установлены на одном валу.

- Способ экономного производства электроэнергии и тепла состоит в том, что воздушно-турбинный двигатель работает в постоянном режиме при условии, что тепло, поступающее в воздушно-газовый радиатор (6), равно теплу дымовых газов, поступающих в поддувало котельной (1) (Q₃-Q₂=Q₄); способ состоит в том, что осуществляется регенерация тепла воздуха после воздушной турбины (7); способ состоит в том, что осуществляется регенерация тепла дымовых газов после водогазового радиатора (11); такой способ экономного производства электроэнергии и тепла обеспечивает минимальные потери тепла с коэффициентом полезного действия η_э=0,9839.

Устройство экономного производства электроэнергии и тепла состоит из котельной, воздушно-турбинного двигателя, радиаторов. Выход из заборника атмосферного воздуха (3) связан с входом в воздушно-газовый радиатор (4), выход из которого связан с входом в воздушный компрессор воздушно-турбинного двигателя (5), выход из которого связан с входом в воздушно-газовый радиатор (6), выход из которого связан с входом в воздушную турбину воздушно-турбинного двигателя (7), выход из которой связан с входом в поддувало котельной (1). Выход из поддувала связан с входом в топку котельной (9), выход газов из которой связан с воздушно-газовым радиатором (6), выход газов из которого связан с водогазовым радиатором (11), выход газов из которого связан с воздушно-газовым радиатором (4), выход газов из которого связан с воздушной атмосферой. Выход из водяного насоса (10) связан с входом в водогазовый радиатор (11), выход из которого связан с потребителями горячей воды (12), выход от которых связан с входом в водяной насос (10). Воздушный компрессор воздушно-турбинного двигателя (7), воздушная турбина воздушно-турбинного двигателя (5), водяной насос (10), генератор электрического тока (13) - все установлены на одном валу. Достигается упрощение конструкции, удешевляется изготовление и эксплуатация, устройство может работать безлюдно в автоматическом режиме. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство экономного производства электроэнергии и тепла состоит из котельной, воздушно-турбинного двигателя, радиаторов, отличающееся тем, что: выход из заборника атмосферного воздуха (3) связан с входом в воздушно-газовый радиатор (4), выход из которого связан с входом в воздушный компрессор воздушно-турбинного двигателя (5), выход из которого связан с входом в воздушно-газовый радиатор (6), выход из которого связан с входом в воздушную турбину воздушно-турбинного двигателя (7), выход из которой связан с входом в поддувало котельной (1), выход из поддувала связан с входом в топку котельной (9), выход газов из которой связан, наружно, с воздушно-газовым радиатором (6), выход газов из которого связан, наружно, с водогазовым радиатором (11), выход газов из которого связан, наружно, с воздушно-газовым радиатором (4), выход газов из которого связан с воздушной атмосферой, далее выход из водяного насоса (10) связан с входом в водогазовый радиатор (11), выход из которого связан с потребителями горячей воды (12), выход от которых связан с входом в водяной насос (10); воздушный компрессор воздушно-турбинного двигателя (7), воздушная турбина воздушно-турбинного двигателя (5), водяной насос (10), генератор электрического тока (13) - все установлены на одном валу.

2. Способ экономного производства электроэнергии и тепла состоит в том, что воздушно-турбинный двигатель работает в постоянном режиме при условии, что тепло, поступающее в воздушно-газовый радиатор (6), равно теплу дымовых газов, поступающих в поддувало котельной (1) (Q₃-Q₂=Q₄); способ состоит в том, что осуществляется регенерация тепла воздуха после воздушной турбины (7); способ состоит в том, что осуществляется регенерация тепла дымовых газов после водогазового радиатора (11); такой способ экономного производства электроэнергии и тепла обеспечивает минимальные потери тепла с коэффициентом полезного действия η_э=0,9839.