Способ получения горячего воздуха

Изобретение относится к области газотурбостроения и может быть использовано для создания промышленных установок с целью получения горячего воздуха для использования его в процессах отопления, нагрева химпродуктов, пара. Способ получения горячего воздуха включает расширение воздуха на турбине перерасширения до низких температур, нагрев его в первом теплообменнике утилизационным теплом, сжатие до начального давления в дожимающем компрессоре, отвод тепла во втором питательном теплообменнике и подачу сжатого сухого воздуха в ресивер. В ресивере воздух нагревают. Использование изобретения позволит создать более эффективный способ получения горячего воздуха. 4 ил.

 

Изобретение относится к области газотурбостроения и может быть использовано для генерации источника греющей температуры, в частности, плюс 100° С-150° С из энергии утилизационных потоков при их температуре плюс 20° С - плюс 60° С.

Известны способы получения горячего воздуха на тепловых насосах на базе обращенного цикла Брайтона (цикла Лоренца), включающие в себя процесс сжатия, отвод тепла, расширения, подвод тепла от внешнего источника.

Главным недостатком простого обращенного цикла Брайтона (цикла Лоренца) является то, что при достижении температуры ниже нуля за турбиной и в теплообменнике ввода тепла наступает обледенение, как со стороны хладагента (воздуха), так и со стороны утилизируемого потока. Для недопущения снижения температуры ниже нуля необходимо ограничить степень сжатия в компрессоре и(или) количество снимаемого тепла в питательном теплообменнике. Снижение степени повышения давления в основном теплообменнике снизит греющую температуру (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. Техника машиностроения, 2002, № 3 (37), с. 122-132).

Известны способ и устройство, также реализующие цикл Лоренца, описанные в патенте РФ № 2136929, F 24 F 3/14, F 02 С 6/00, 1999. Устройство реализовано в способе: воздух расширяют на турбине до температуры 0° С, осуществляют теплообмен и сжимают в компрессоре, подают с температурой порядка 45° С во внешнюю среду.

Использование подобной установки для получения горячего воздуха с температурой порядка 100-150° С, например, для отопления или высокотемпературного нагрева, невозможно. При высоких степенях повышения давления (для получения высоких температур за компрессором) температура за турбиной будет существенно меньше нуля. Последнее, как и в аналоге (патент РФ № 2136929), - научная проблема, которая сдерживает высокоэффективное использование (с точки зрения термодинамики) воздушных тепловых насосов, создаваемых на базе турбомашин.

Ближайшим аналогом заявленного способа является способ получения горячего воздуха, включающий расширение воздуха в турбине перерасширения до низких температур, нагрев его в первом теплообменнике утилизационным теплом, сжатие до начального давления в дожимающем компрессоре, отвод тепла во втором питательном теплообменнике и подачу сжатого сухого воздуха в ресивер (см. а.с. СССР 1262217, кл. F 25 В 11/00, 1986).

Изобретение ставит своей задачей создание более эффективного способа получения горячего воздуха, где повышение температуры за компрессором не связывается напрямую с получением температуры за турбиной ниже нуля.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения горячего воздуха, включающий расширение воздуха на турбине перерасширения до низких температур, нагрев его в первом теплообменнике утилизационным теплом, сжатие до начального давления в дожимающем компрессоре, отвод тепла во втором питательном теплообменнике и подачу сжатого сухого воздуха в ресивер, согласно изобретению, в ресивере воздух нагревают.

Обратимся к фиг.1, где показан газодинамический нагреватель 1, который может приводиться, например, электродвигателем 2. Агрегат включает воздушную турбину перерасширения 3, утилизационный теплообменник 4 (первый теплообменник), дожимающий компрессор 5, подогреватель 6, например, химпродукта (второй питательный теплообменник) и ресивер 7.

Способ осуществляют следующим образом.

В ресивере 7 воздух нагревают посредством электрических тэнов (не показано). Сухой воздух из ресивера 7 поступает на турбину перерасширения 3 (температура за турбиной, как правило, 0° С), нагревается в утилизационном теплообменнике 4 и сжимается до начального давления в ресивере 7 в дожимающем компрессоре 5. Отвод тепла в теплообменнике 6 происходит из условия постоянства температуры в ресивере 7.

Для технико-экономического анализа обратимся к графикам на фиг.2-4. Здесь (на фиг.2 и 3) по оси абсцисс отложена температура греющего тела (внешняя температура), по оси ординат - температура за компрессором (фиг.2) и величина теплового коэффициента (фиг.3):

μ _тн=С_р·(Т_ивт-Т_инт)/Е₀,

где Т_ивт - температура источника высокой температуры (за компрессором), Т_инт - температура источника низкой температуры внешнего теплоносителя, Е₀ - подводимая мощность.

Для подобных машин (работающих с температурой не ниже нуля градусов за турбиной) достижение топливного коэффициента за компрессором 100-150° С является хорошим показателем.

В классических тепловых насосах, использующих фреон, хладон, аммиак и др., можно получить высокий топливный коэффициент (более μ _тн>2,5) при разнице между холодным и горячим источником менее 40° С. Зависимость КПД(μ _тн) в существующих тепловых насосах от разницы температур на входе и выходе из компрессора показана на фиг.4. (П.А.Шелест, Учение о теплоте и тепловых насосах, Техника машиностроения, 2002, № 3 (37), с.122-123).

Способ получения горячего воздуха, включающий расширение воздуха на турбине перерасширения до низких температур, нагрев его в первом теплообменнике утилизационным теплом, сжатие до начального давления в дожимающем компрессоре, отвод тепла во втором питательном теплообменнике и подачу сжатого сухого воздуха в ресивер, отличающийся тем, что в ресивере воздух нагревают.