Устройство и способ экономного производства электроэнергии и тепла

Авторы патента:

F02C6/18 - использование отработанного тепла газотурбинных установок вне их, например газотурбинные теплофикационные установки (использование отработанного тепла в качестве источника энергии для холодильных установок F25B 27/02)

F02C1/04 - с косвенно подогреваемым рабочим телом

Владельцы патента RU 2542169:

Мазий Василий Иванович (RU)

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.

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 $(S \frac{к к а л}{к г \cdot К})$ 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 $C_{P} = C_{v} + A R (\frac{к к а л}{к г \cdot К})$ 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 $P_{н} = 1, 0 \frac{к г}{с м^{2}}$ ;

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

$C_{P_{3}} T_{3} - C_{P_{2}} T_{2} = C_{P_{4}} T_{4} (2)$

Из уравнения (2) при $T_{3} = \frac{T_{1} e^{2} \times C_{P_{2}}}{η_{p} η_{c} C_{4}}$ ; $T_{2} = T_{1} (1 + \frac{e - 1}{η_{P}})$ ; $T_{4} = T_{3} (1 - η_{P} \frac{e - 1}{e})$

T₃; T₂; T₄ находим из уравнений

из графика $C_{P} \frac{к к а л}{к г \cdot К} = F (T^{\circ} K)$

$C_{P_{3}} = 0, 282 \frac{к к а л}{к г \cdot К}$

$Q_{3} = C_{P_{3}} T_{3} = 353, 329 к к а л$

$T_{2} = 330 (1 + \frac{1, 753 - 1}{0, 85}) = 622, 34^{\circ} K$ ; $C_{P_{2}} = 0, 2515 \frac{к к а л}{к г \cdot К}$

Q₂=156,518 кк; Q₃-Q₂=196,81 кк

$T_{4} = 1253 (1 - 0, 92 \frac{1, 753 - 1}{1, 753}) = 757, 83^{\circ} K$ ; $C_{P_{4}} = 0, 26 \frac{к к а л}{к г \cdot К}$ ;

$Q_{H} = C_{P_{H}} T_{н} = 0, 2398 \times 288 = 69 к к а л$

Q₄=197,036 ккал; $Q_{1} = C_{P_{1}} T_{1} = 0, 24 \times 330 = 79, 2 к к а л$

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

$Q_{H_{2} O} = Q_{6} - Q_{7} = 159, 018 - 81, 78 = 77, 238 к к а л$

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.

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.

Система генерирования мощности с комбинированным циклом содержит паротурбинную систему, газотурбинную систему, включающую в себя компрессор, камеру сгорания и газовую турбину; парогенератор с регенерацией тепла, проточную линию.

Когенерационная газотурбинная энергетическая установка // 2528214

Когенерационная газотурбинная энергетическая установка содержит компрессоры низкого и высокого давления, камеру сгорания, газовую турбину высокого давления и газовую турбину низкого давления, имеющие между собой газовую связь, теплофикационное устройство и основной электрический генератор, подсоединенный к газовой турбине высокого давления и используемый в качестве полезной нагрузки.

Парогазовая установка // 2528190

Изобретение относится к энергетике. Парогазовая установка содержит газотурбинную установку, котел-утилизатор, паротурбинную установку, сбросный газоход, дымовую трубу, соединительные трубопроводы, внешний газоход, подключенные к внешнему газоходу горелочное устройство и пароперегреватель.

Дозвуковые и стационарныепрямоточные воздушно-реактивные двигатели // 2516075

Аппарат для взаимодействия с воздухом или газом, способный выполнять функцию компрессора или детандера, содержит корпус, вал для передачи крутящего момента, ротор.

Устройство для запуска паровой турбины под номинальным давлением // 2506440

Изобретение относится к энергетике. Система генерации электроэнергии с комбинированным циклом, содержащая внешний байпасный контур управления запуском с регулирующим клапаном для паровой турбины, облегчающий работу энергетической установки при максимальном давлении.

Тригенерационная установка на базе микротурбинного двигателя // 2487305

Изобретение относится к области теплоэнергетики и энергосбережения, предназначено для одновременной выработки электрической, тепловой энергий и низкотемпературного носителя.

Интеграция по теплу в процессе, включающем газификацию угля и реакцию метанирования // 2472843

Изобретение относится к процессу метанирования, в частности к рекуперации тепла в процессе, включающем реакцию метанирования и объединенном с процессом газификации угля.

Газоперекачивающая станция // 2467189

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для газоперекачивающих станций, включающих в себя газоперекачивающие агрегаты магистральных газопроводов.

Комбинированный газотурбинный газоперекачивающий агрегат // 2460891

Изобретение относится к газотранспортному оборудованию и может быть использовано при создании газотурбинных газоперекачивающих агрегатов. .

Способ эксплуатации отопительной системы здания и газотурбинная отопительная система здания // 2441999

Комбинированная газотурбодетандерная установка для работы на природном газе // 2463462

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано на газораспределительных станциях, в составе которых имеется энергетическая установка.

Электродуговая турбоустановка // 2396447

Изобретение относится к турбинным установкам и может быть использовано в транспортной технике, в частности, в качестве двигателей для летательных аппаратов. .

Способ преобразования тепловой энергии в механическую работу и паросиловая установка для его осуществления // 2059836

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к поршневым двигателям с внешним подводом теплоты, работающим по замкнутому регенеративному циклу. .

Двигатель стирлинга для рекуперативного привода // 2022139

Изобретение относится к двигателестроению, а более конкретно к устройству силовых агрегатов автомобилей. .

Парожидкостный двигатель е.б.глаголева // 2008479

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано при разработке и модернизации транспортных двигателей с внешним подводом тепла. .

Силовая установка // 1617172

Изобретение относится к машиностроению и позволяет повысить экономичность установки, содержащей дизель и двигатель Стирлинга, нагреватель которого расположен в магистрали выпуска отработавших газов дизеля.

Контактная газотурбинная установка // 1590565

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в транспортных газотурбинных установках. .

Осевая турбина // 1156438

Изобретение относится к области турбостроения, а именно к осевым турбинам, и может быть использовано в установках, работающих на доменном газе. .

Теплообменник тепловой машинызамкнутого газового цикла // 848954

Силовая установка // 535422

Твердотопливная газотурбинная установка // 2545113

Изобретение относится к энергетике. Твердотопливная газотурбинная установка, содержащая компрессор, турбину, полезную нагрузку, расположенные на одном валу, твердотопливную камеру сгорания, выполненную в виде последовательно установленных газификатора, дожигателя и смесителя, и теплообменник. Компрессор выполнен с входом атмосферного воздуха и выходом, соединенным с входом холодного контура теплообменника. Выход холодного контура теплообменника соединен с входом турбины, выход турбины связан с линией подачи воздуха в камеру сгорания, выполненной в виде трех трубопроводов с дросселями, установленными в трубопроводах подачи воздуха в смеситель и дожигатель. Установка дросселей в трубопроводах подачи воздуха в смеситель и дожигатель определяет минимальные гидравлические потери через газификатор и тем самым обеспечивает максимальный КПД установки. Изобретение позволяет снизить потери по тракту газотурбинной установки, исключает абразивный износ проточной части установки и повышает КПД установки в целом. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.