Экономичная тепловая электростанция

 

Изобретение относится к области энергетики. Преимущественная область применения - производство тепла и электричества. Экономичная тепловая электростанция состоит из котельной установки (КУ), воздушно-турбинного двигателя (ВТД), теплового насоса (ТН), водяного насоса, газовоздушного теплообменника, установленного в котельной установке. Выходной конфузор воздушной турбины ВТД трубопроводом связан с поддувалом КУ, причем количество тепла, поглощаемое газовоздушным теплообменником, равно теплу, поступающему с горячим воздухом в поддувало КУ. Выход газов из КУ трубопроводом связан с диффузором газового компрессора ТН. Воздушный компрессор ВТД, воздушная турбина ВТД, газовый компрессор ТН, газовая турбина ТН, генератор электрического тока, водяной насос - все установлены на одном валу. Выходные угарные газы после газовой турбины ТН выбрасываются в атмосферу с отрицательной температурой Т₄'=261К. Изобретение позволяет повысить КПД электростанции. 1 ил.

Изобретение относится к области энергетики. Преимущественная область применения - производство тепла и электричества. Известны тепловые электростанции (ТЭС), известны гидравлические электростанции (ГЭС), известны атомные электростанции (АЭС).

Общий недостаток тепловых электростанций и котельных установок (КУ) - их низкий к. п.д., сложность изготовления и эксплуатации. Недостаток гидравлических электростанций заключается в необходимости строительства плотин и затопления территорий, что экологически не всегда целесообразно, кроме того, из сельскохозяйственного оборота изымаются большие площади земли. Недостаток АЭС заключается в невозможности утилизации отходов атомных реакторов. Отходы радиоактивны и опасны для живых организмов. Не решена проблема безопасности атомных электростанций (например, катастрофа на ЧАЭ).

Известна экономичная тепловая электростанция, состоящая из котельной установки, воздушно-турбинного двигателя, теплового насоса, водяного насоса, газовоздушного теплообменника, установленного в котельной установке, трубопровода, связывающего выход воздушной турбины с поддувалом котельной установки, причем количество тепла, поглощаемое газовоздушным теплообменником, равно теплу, поступающему с горячим воздухом в поддувало котельной установки (RU 2099653 C1, F 25 В 29/00, 20.12.97, 4с.).

Недостатком данного устройства является неполное использование тепла органических топлив.

Сущность изобретения заключается в том, чтобы полностью использовать тепло органических топлив (уголь, нефть, газ, торф, дрова и т.д.) за счет увеличения к. п.д. экономической тепловой электростанции (ЭТЭС). Увеличение к. п.д. достигается за счет повторного использования тепла и за счет полного (глубокого использования тепла, уходящего с угарными газами).

На чертеже изображена кинематическая схема ЭТЭС, где: 1 - котельная установка (КУ); 2 - устройство приготовления и подачи топлива в топку котельной установки; 3 - воздушный компрессор воздушно-турбинного двигателя (ВТД); 4 - газовоздушный теплообменник ВТД; 5 - воздушная турбина ВТД; 6 - трубопровод, соединяющий конфузор воздушной турбины ВТД с поддувалом КУ; 7 - трубопровод, соединяющий выход угарных газов в КУ с диффузором газового компрессора теплового насоса (ТН); 8 - газовый компрессор ТН; 9 - газоводяной теплообменник ТН;
10 - газовая турбина ТН;
11 - труба выходящих газов в атмосферу;
12 - водяной насос;
13 - водяной радиатор газоводяного теплообменника;
14 - потребители тепла и электричества;
15 - генератор электрического тока.

Возможность осуществления изобретения с реализацией значительного повышения к.п.д. достигается за счет способа работы топочного устройства, патент 2113609 опубл. 20.06.1998, кроме того выход угарных газов из КУ соединен с диффузором (входом) газового компрессора ТН.

Тепловой насос изложен в патенте 2084768, опубл. 20.07.1997 под названием "Способ теплоснабжения".

Патент 2113609 "Способ работы топочного устройства" представляет своего рода "тепловой маховик", где тепло вращается от газовоздушного теплообменника ВТД к воздушной турбине ВТД, от воздушной турбины ВТД до топки котельной установки, далее от КУ до газовоздушного теплообменника ВТД, таким образом круг движения тепла замыкается. И при условии Q₃-Q₂><Q работы ВТД, когда тепло, поглощаемое газовоздушным теплообменником (4), равно теплу, сбрасываемому с горячим воздухом в поддувало КУ, утилизируется солнечное тепло, рассеянное в земной атмосфере.

Благодаря "тепловому маховику" экономится топливо, так как для сгорания топлива поступает горячий воздух. Тепловой насос все тепло угарных газов использует для отопления, выбрасывая в атмосферу угарные газы с отрицательной температурой. Таким образом благодаря тепловому маховику и тепловому насосу коэффициент полезного действия (к.п.д.) экономичной тепловой электростанции увеличивается.

Расчетные формулы:




где l - степень повышения давления в ВТД, Р₂ - давление воздуха на выходе из компрессора, Р_н - давление воздуха на входе в компрессор, К -коэффициент адиабатического сжатия и расширения воздуха.

Работа ЭТЭС
Атмосферный воздух, сжатый в воздушном компрессоре ВТД, нагревается в газовоздушном теплообменнике ВТД до температуры Т₃ на входе в сопловой аппарат воздушной турбины ВТД.

Давление и температура воздуха в воздушной турбине ВТД снижаются, превращаясь в мощность, одна часть мощности вращает генератор электрического тока, другая часть мощности вращает ТН.

Горячий, богатый кислородом, воздух по трубопроводу (6) поступает в поддувало КУ, куда подается органическое топливо из устройства приготовления и подачи топлива в топку КУ (2).

Угарные горячие газы из котельной установки по трубопроводу (7) газовым компрессором ТН (8) засасываются, сжимаются до температуры Т'₂, далее в газовом теплообменнике (9) угарные газы охлаждаются до температуры Т'₃=320 К, нагревая при этом воду для отопления.

В газовой турбине ТН сжатые охлажденные угарные газы расширяются, охлаждаясь до отрицательной температуры, вырабатывая при этом часть мощности, потребной для привода газового компрессора ТН, повышая за счет этого к.п.д. ТН.

Числовой пример принимаем:
удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении берется из графика Cp=F(T);
Тн - абсолютная температура стандартной атмосферы =288К;
Т₃ - абсолютная температура горячего воздуха на входе в сопловой аппарат воздушной турбины = 973 К;
η_c- к.п.д. сжатия воздуха в ВТД;
η_p- к.п.д. расширения воздуха в ВТД;
Т₂ - абсолютная температура сжатия воздуха в воздушном компрессоре ВТД, К;
Т₄ - абсолютная температура воздуха после воздушной турбины ВТД, К;
Т_max - максимальная температура в КУ;

T_max=T₃+40=973+40=1013 K;
T_min - абсолютная температура угарных газов после прохода их через газовоздушный теплообменник.

T'₁=T_min;

Т'₄ - абсолютная температура угарных газов после газовой турбины ТН, К;
T'₃ - абсолютная температура угарных газов на входе в сопловой аппарат газовой турбины ТН, К;
T'₃=320 K.

Расчет ВТВ
Q₃ = 973•0,271 = 263,7 ккал/кг;
Q_H = 288•0,2384 = 68,65 ккал/кг;

Q₂=500•0,245=122,44 ккал/кг;

Q₄=628,7•0,251=157,8 ккал/кг;
Q_max=1013•0,2723=275,8 ккал/кг;

Q_T=Q₃ - Q₂
Тепло, поглощаемое газовоздушным теплообменником = 141,26 ккал/кг;
Q_см=Q_max-Q₄
Тепло топливовоздушной смеси
Q_см=275,8-157,8=118 ккал/кг.

Тепло, эквивалентное мощности генератора электрического тока
Q_э=Q_Н+Q_T-Q₄=68,65+141,26-157,8=52,11 ккал/кг.

Расчет теплового насоса принимался
l_TH=1,25;
T'₁=T_min=546 K;
Q'₁=134,54 ккал/кг;

Q'₂=707•0,253=178,76 ккал/кг;

Q'₄=261•0,238=62,12 ккал/кг;
Q'₃=320•0,2392=76,5 ккал/кг;
Q_ТН - тепло, эквивалентное мощности, потребной для привода теплового насоса
Q_ТН=Q'₂-Q'₁-(Q'₃-Q'₄)=178,76-134,54-(76,5-62,12)=29,84 ккал/кг;
Q_г=Q'₂-Q'₃=178,76-76,5=102,26 ккал/кг;
Q_г - тепло, отданное водяному радиатору отопления;
∑Q_э - тепло, эквивалентное мощности производимой электроэнергии за вычетом мощности, потребляемой тепловым насосом.

Элементарный термодинамический расчет "ЭТЭ" проверяли соблюдением первого закона термодинамики.

В замкнутой системе "ЭТЭ" затраты тепла составляют: тепло топливовоздушной смеси Q_см=118 ккал/кг, тепло атмосферного воздуха
Q_н=Q'₄=68,65-62,12=6,53 ккал/кг.

В замкнутой системе "ЭТЭ" полезное тепло составляет Q_э-Q_TH = ∑Q_э; 52,11-29,84= 22,27 ккал/кг, на производство электроэнергии Q_г=Q'₂-Q'₃=102,26 ккал/кг.

Необходимо для соблюдения закона сохранения энергии, чтобы затраты тепла равнялись результатам

118+68,65-62,12≈22,27+178,76-76,5,
124,53≈124,53.

С учетом того, что процесс неидеальный, имеют место потери тепла на охлаждения в окружающую среду, а также механические на трение 5-6% и тогда термический к.п.д. "ЭТЭ" составит
0

Формула изобретения

Экономическая тепловая электростанция, состоящая из котельной установки (КУ), воздушно-турбинного двигателя (ВТД), теплового насоса (ТН), водяного насоса, газовоздушного теплообменника, установленного в котельной установке, выходного конфузора воздушной турбины ВТД, трубопроводом связанного с поддувалом КУ, причем количество тепла, поглощаемое газовоздушным теплообменником, равно теплу, поступающему с горячим воздухом в поддувало КУ, отличающаяся тем, что выход газов из КУ трубопроводом связан с диффузором газового компрессора ТН, воздушный компрессор ВТД, воздушная турбина ВТД, газовый компрессор ТН, газовая турбина ТН, генератор электрического тока, водяной насос - все установлены на одном валу, а выходные угарные газы после газовой турбины ТН выбрасываются в атмосферу с отрицательной температурой Т₄= 261К.

РИСУНКИ

Рисунок 1