Утилизатор тепловой энергии

Изобретение относится к теплоэнергетике. Утилизатор тепловой энергии состоит из теплообменного агрегата и паросиловой установки с конденсатором смесительного типа и преобразует энергию отходящих (выхлопных) газов тепловых машин и энергетических установок в механическую (электричество) и тепловую (горячая вода) энергии. Изобретение позволяет повысить общий коэффициент утилизации энергии более при доле электрической энергии 30% и более. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к теплоэнергетике.

КПД современных тепловых машин не превышают 50%. В связи с этим возникает задача утилизации нереализованной энергии (энергии выхлопных газов).

Известны паровые котлы-утилизаторы, преобразующие энергию отходящих газов в энергию пара высокого давления (Большая советская энциклопедия, т. 13. М.: "Советская энциклопедия", 1973, с.285). Котлы-утилизаторы имеют значительные габариты, а энергия пара нуждается в дополнительном преобразовании.

Известны паросиловые установки, преобразующие энергию пара в механическую работу (Литвин A.M. Теоретические основы теплотехники. М.: Энергия, 1964, рис.4-16, с.105). Недостатком паросиловых установок являются низкие КПД (25-35%).

Известны комбинированные газотурбинные установки, преобразующие энергию топлива в механическую, электрическую и тепловую энергии (Емин О.Н. Использование авиационных ГТД для создания комбинированных газотурбинных установок стационарного и транспортного назначения. Учеб. пособие. М: МАИ, 1998, 80 с.) Общий КПД установок (с учетом тепловой энергии) достигает 90%, однако эффективный КПД (доля механической работы) не превышает 58%.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является газотурбинная установка (В. Беляев и др. Газотурбинные установки с энергетическим впрыском пара. Газотурбинные установки, июль-август 2002, с.20-24).

Сущность изобретения заключается в ступенчатом преобразовании энергии выхлопных газов, позволяющем произвести практически полную утилизацию бросовой энергии. Первоначально энергия выхлопных газов преобразуется: в теплообменнике-испарителе - в энергию пара высокого давления; в экономайзере - в энергию подогретой воды. После чего энергия пара высокого давления преобразуется в турбине в механическую работу (электрическую энергию) и далее в теплообменнике-конденсаторе (камере смешения), использующем в качестве хладагента питательную воду, поступающую из экономайзера, - в горячую воду. При этом расход воды через камеру смешения соответствует необходимому для полной конденсации пара при давлении, равном атмосферному.

На фиг.1 изображена схема утилизатора тепловой энергии;

на фиг.2 изображено распределение энергии в утилизаторе тепловой энергии в зависимости от его рабочих параметров;

на фиг.3 изображена схема утилизатора тепловой энергии;

на фиг.4 показано влияние утилизатора тепловой энергии на эффективные КПД различных тепловых машин.

Утилизатор тепловой энергии (фиг.1) состоит из выхлопной трубы 1, экономайзера 2, расположенного на выходе из выхлопной трубы, теплообменника-испарителя 3, расположенного внутри выхлопной трубы, паровой турбины 4, камеры смешения 5, емкости 6, насосов 7. При этом теплообменник-испаритель 3 по линии высокого давления соединяет емкость 6 с входным ресивером турбины 4, а экономайзер 2 соединяет источник питательной воды с камерой смешения 5.

Работа утилизатора осуществляется следующим образом. Дымовые газы, проходя через выхлопную трубу, отдают часть своей энергии воде, которая движется по линии высокого давления теплообменника-испарителя 3. В теплообменнике-испарителе 3 вода преобразуется в перегретый пар с параметрами, обеспечивающими его расширение в турбине 4 до атмосферного давления, что достигается подбором давления и расхода воды в линии нагнетания. Из теплообменника-испарителя 3 пар поступает во входной ресивер турбины 4. Оставшуюся часть энергии (избыточную по отношению к энергии атмосферного воздуха) дымовые газы отдают питательной воде, поступающей в камеру смешения 5 через экономайзер 2. Расход питательной воды выбирается из условия полной конденсации пара в камере смешения 5 (как правило, расход воды превышает расход дымовых газов в 1,5-2 раза). Образующийся в камере смешения 5 конденсат вместе с нагретой до температуры кипения питательной водой удаляется в емкость 6. Из емкости 6 горячая вода расходуется на питание теплообменника-испарителя 3 и внешних потребителей. Работа, совершаемая паровой турбиной, преобразуется в электрическую энергию.

В соответствии с Первым законом термодинамики

где Q*_дым - энергия дымовых газов;

Q_хол - энергия холодной воды;

Le - эффективная работа;

Lr - механические потери;

Q_гор - энергия горячей воды;

Q_вых - энергия выхлопных газов;

Q_λ - энергия, отводимая от элементов констукции.

Если для дымовых газов ввести нулевой уровень энергии Q_O, соответствующий температуре окружающей среды, то Q*_дым=Q_дым+Q_O, где Q_дым - энергия дымовых газов в относительной (по отношению к окружающей среде) системе измерения. В этом случае соотношение (1) принимает вид

Q_дым=Le+Lr+(Q_гор-Q_хол)+(Q_вых-Q_О)+Q_λ

или в относительном виде

1=η_е+η_г+η_т+η_вых+η_λ,

где η - доли соответствующих энергий по отношению к энергии дымовых газов Q_дым.

Доля энергии выхлопных газов η_вых, в принципе, может быть приближена к нулю, например, в том случае если температура холодной воды ниже температуры окружающей среды. С учетом последнего получаем

η_e+η_т≈1-η_r+η_λ.

Таким образом, учитывая, что доля потерь (η_r+η_λ) обычно не превышает 0,05, общий КПД утилизатора тепловой энергии (η_е+η_т) составляет более 0,95.

Утилизированная энергия в зависимости от исходной температуры дымовых газов Тг и давления Р в магистрали высокого давления распределяется между механической (электричество) и тепловой (горячая вода) энергиями. Распределение энергии дымовых газов показано на фиг.2.

Повысить выход горячей воды из утилизатора можно, если неиспользованную потребителем воду возвращать в камеру смешения.

Распределение энергии (фиг.2) может быть изменено в сторону увеличения эффективного КПД в том случае, если энергию горячей воды частично преобразовать в механическую работу, используя для этой цели, например, преобразователи низкопотенциальной энергии (Осадчий Г.Б. Преобразователь низкопотенциальной тепловой энергии со сверхвысоким КПД. Изв. вузов. Проблемы энергетики, 2000, № 9÷10, с.108÷110). В этом случае емкость для слива конденсата выполняется двухсекционной (фиг.3) - в дополнительной секции (емкости) 8 размещается теплообменный аппарат преобразователя низкопотенциальной энергии. Дополнительная секция имеет сообщение с основной емкостью и камерой смешения по линии насоса низкого давления. При работе утилизатора горячая вода циркулирует в дополнительной секции, обеспечивая непрерывный подвод энергии к рабочему телу преобразователя низкопотенциальной энергии. Расход питательной воды при этом уменьшается пропорционально количеству преобразованной энергии. Использование преобразователя низкопотенциальной энергии позволяет повысить эффективный КПД утилизатора до 30% и более.

Утилизатор тепловой энергии может применяться как устройство, повышающее эффективный КПД уже существующих тепловых машин. В этом случае эффективный КПД тепловой машины будет определяться как

η_e′=η_e+η_еут-η_е·η_еут,

где η_е - эффективный КПД тепловой машины;

η_еут - эффективный КПД утилизатора.

На фиг.4 показано влияние КПД утилизатора η_еут на эффективные КПД тепловых машин η_е′ с различными исходными значениями КПД η_е. Видно, что эффективный КПД тепловых машин при использовании утилизатора существенно (10÷20%) увеличивается.

Таким образом, положительным техническим результатом предлагаемого изобретения является преобразование более 95% энергии дымовых (выхлопных) газов тепловых устройств (машин) в энергию, удовлетворяющую общественным потребностям (электрическая энергия и горячая вода), а также повышение КПД уже существующих тепловых машин на 10÷20%. При этом доля электрической энергии может достигать 30% и более.

1. Утилизатор тепловой энергии, состоящий из выхлопной трубы, внутри которой последовательно расположены теплообменник-испаритель, соединенный по линии высокого давления с входным ресивером турбины, и экономайзер, соединенный с источником питательной воды, теплообменника-конденсатора, соединенного с выходным ресивером турбины, емкости, соединенной с теплообменником-конденсатором и теплообменником-испарителем, отличающийся тем, что теплообменник-конденсатор представляет собой камеру смешения, соединенную с экономайзером, расход питательной воды через которую соответствует необходимому для полной конденсации пара при давлении, равном атмосферному.

2. Утилизатор тепловой энергии по п.1, отличающийся тем, что неиспользованная потребителем вода возвращается в камеру смешения.

3. Утилизатор тепловой энергии по п.1, отличающийся тем, что содержит дополнительную сообщающуюся емкость, из которой вода откачивается в камеру смешения.