Патент на изобретение №2344348
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(54) СПОСОБ РАБОТЫ ТЕПЛОВОГО НАСОСА С ПРИВОДОМ ОТ ГТУ
(57) Реферат:
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.
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 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 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 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
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.
Формула изобретения
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.
РИСУНКИ
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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 (
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 
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.
N=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 Тнар=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: