Теплофикационно-холодильная станция и способ ее работы

 

Изобретение относится к энергетике и позволяет за счет использования солнечного тепла, рассеянного в земной атмосфере, значительно повысить КПД теплофикационно-холодильной станции. Теплофикационно-холодильная станция состоит из котельной установки (КУ), газотурбинного двигателя твердого топлива (ГТДТТ), теплообменник которого устанавливается в топке котельной установки, теплообменника горячей воды, установленного после теплообменника ГТДТТ, теплового насоса (ТН), вырабатывающего горячую воду и холодный воздух, водяного насоса, потребителей тепла и воздуха. Воздушный компрессор ГТДТТ, воздушная турбина ГТДТТ, воздушный компрессор теплового насоса (ТН), воздушная турбина теплового насоса и водяной насос находятся на одном валу. Горячий воздух после воздушной турбины ГТДТТ поступает в поддувало котельной установки, при этом количество тепла, поступающего в топку с угольной пылью. Теплообменник горячей воды поглощает тепло, равное теплу, поступающему с горячими газами после теплообменника ГТДТТ. Тепловой насос работает в режиме постоянства своих параметров с максимально возможным КПД теплового насоса. 2 с. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к энергетике.

Преимущественная область использования производство горячей воды для целей теплофикации и холодного воздуха, используемого в холодильниках и холодильных камерах.

Существующие тепловые электростанции (ТЭЦ) используют тепло топлива на 70-80% [1] Известны теплофикационно-холодильная станция (ТХС) и способ ее работы [2] при этом станция состоит из котельной установки, газотурбинного двигателя и теплового насоса.

Основные недостатки станции относительно низкий КПД и невозможность утилизировать солнечное тепло, рассеянное в атмосфере Земли.

Цель изобретения значительное повышение КПД ТСХ, которая благодаря утилизации солнечного тепла рассеянного в земной атмосфере при расчетных условиях (оптимальных параметрах теплового насоса) становится больше единицы, кроме того, ТСХ работает в режиме относительно низких температур, что гарантирует малую стоимость ее изготовления и эксплуатации.

Сущность изобретения и его отличительные признаки от прототипа заключаются в использовании комбинированного двигателя твердого топлива (КДТТ), состоящего из модернизированной котельной установки (КУ), газотурбинного двигателя твердого топлива (ГТДТТ) и теплового насоса, а также в использовании теплообменников.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема теплофикационно-холодильной станции (ТСХ); на фиг. 2 схема тепловых потоков при работе ТСХ.

Пример конкретного выполнения ТСХ показан на фиг.1, где 1 котельная установка (КУ) для сжигания угольной пыли (или другого органического топлива), состоящая из устройства подачи органического топлива в топку, устройства подачи горячего воздуха в тракты из огнеупорного кирпича, в которой установлены два теплообменника, теплообменник ГТДТТ и теплообменник горячей воды; 2 газотурбинный двигатель твердого топлива, состоящий из воздушного компрессора, теплообменника и воздушной турбины; 3 тепловой насос, состоящий из воздушного компрессора, воздушной турбины, горячего теплообменника; 4 - водяной насос; 5 потребители горячей воды и холодного воздуха (дома, в которые подается горячая вода для отопления и бытовых нужд, а также холодный воздух для холодных камер).

Воздушный компрессор, воздушная турбина ГТДТТ, воздушный компрессор и воздушная турбина теплового насоса, а также водяной насос смонтированы на одном валу.

η_тхс коэффициент теплофикационно-холодильной станции определяется как отношение полезно полученного тепла к теплу израсходованному.

Работа ТСХ: при сгорании в КУ сжатый воздух в теплообменники ГТДТТ нагревается и поступает в сопловой аппарат воздушной турбины, которая свою работу расходует на привод своего воздушного компрессора и на привод теплового насоса и также на привод водяного насоса.

Режим работы ГТДТТ выбирается из условия, когда (см. фиг.2), то есть тепло горячих газов Q_г и тепло топлива Q_см частью поступает в теплообменник ГТДТТ Q_т=C_p(T₃-T₂); при этом что позволяет значительно повысить КПД ГТДТТ.

При этом тепловой поток непрерывно циркулирует по замкнутому кругу. От воздушной турбины ГТДТТ до котельной установки (КУ), от КУ до теплообменника ГТДТТ, от теплообменника ГТДТТ до воздушной турбины ГТДТТ и далее циркуляция тепла непрерывно повторяется.

α рассчитывается по формуле, где η_c КПД воздушного компрессора ГТДТТ; Δt перепад температур газов на входе в теплообменник ГТДТТ.

Режим работы теплового насоса (T_н) выбирается из условия получения максимального КПД теплового насоса где η_c КПД воздушного компрессора (T_н); η_p КПД воздушной турбины (T_н); η_m механический КПД;
T₃' температура воздуха на входе в сопловой аппарат воздушной турбины (T_н);
температура воздуха, покидающего холодильные камеры.

Математический анализ формулы (b) на максимум при η_c= 0,8; η_p= 0,9;
определяет l_TH= 1,4; в этом случае

Принимаем ; тогда согласно формуле(а)


Q_э тепло, эквивалентное полезное работе воздушной турбины ГТДТТ

Q_a1- тепло, поступающее в воздушный компрессор ГТДТТ с каждым килограммом воздуха
Q_a1 C_р·T_н= 0,24·288=69 ккал.

T₂ температура воздуха после сжатия в воздушном компрессоре ГТДТТ.

Q_т тепло, поступающее в теплообменник ГТДТТ
Q_т=С_р(T₃-T₂)=0,274(1010-500)=140 ккал.

Q_г тепло газов, поступающих после воздушной турбины в топке котла
Q_г Q_a1 + Q_т Q_э 69+140-30=179 ккал;

расчет α по формуле (а) не учитывал изменение теплоемкости воздуха с изменением температуры


Q_a2 тепло в атмосферу с уходящими газами
Q_a2 C_р·T₅ 0,24·315 76 ккал.

Q_в тепло нагрева воды в теплообменнике на выходе горячих газов из котельной установки
Q_в=C_p(T_min-T₅)=0,246(570-315)=62,6 ккал.

Существующий КПД водогрейных установок составляет 0,85 благодаря предлагаемой комбинации ГТДТТ, теплового насоса и теплообменников солнечное тепло, рассеянное в земной атмосфере, утилизируется. Например, экономия угля на каждую тонну сгоревшего топлива дополнительно утилизируется из воздуха 440 кг угля.

Формула изобретения

1. Теплофикационно-холодильная станция, состоящая из котельной установки, газотурбинного двигателя и установленного в котельную установку теплообменника горячей воды, связанного с водяным насосом, установленным на одном валу с газотурбинным двигателем и тепловым насосом, теплообменник которого связан с теплообменником горячей воды, а выход турбины теплового насоса и выход теплообменника горячей воды связаны с жилыми постройками потребителей тепла и холода, отличающаяся тем, что, с целью повышения КПД теплофикационно-холодильной станции и утилизации солнечного тепла, рассеянного в земной атмосфере, газотурбинный двигатель выполнен в виде газотурбинного двигателя твердого топлива с теплообменником, причем теплообменник газотурбинного двигателя твердого топлива помещен в котельную установку, а выход турбины этого двигателя соединен с топкой котельной установки.

2. Способ работы теплофикационно-холодильной станции путем сжигания топлива и утилизации тепла атмосферного воздуха в тепловом насосе, отличающийся тем, что, с целью утилизации солнечного тепла, рассеянного в земной атмосфере, и на этой основе повышения КПД теплофикационно-холодильной станции, теплообменник газотурбинного двигателя твердого топлива поглощает тепло, непосредственно выделяющееся при сгорании топлива и тепла газов, поступающих в котельную установку после газотурбинного двигателя, тепловой насос работает в постоянном режиме с максимальным значением коэффициента преобразования, который при параметрах

где l степень повышения давления воздуха в воздушном компрессоре теплового насоса 1,4;
η_c- КПД воздушного компрессора (ТН) 0,8;
η_p- КПД воздушной турбины (ТН) 0,9;
η_m- механический КПД (ТН) 0,97;
температура воздуха на входе в сопловой аппарат воздушной турбины 315 К;
температура воздуха на выходе из морозильных камер 270 К;
η_т.н - КПД теплового насоса составляет 2,356;
Т_н стандартная температура 288 К.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2