ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2284416

УТИЛИЗАТОР ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

Имя изобретателя: Письменный Владимир Леонидович (RU) 
Имя патентообладателя: Письменный Владимир Леонидович (RU)
Адрес для переписки: 141103, Московская обл., г. Щелково-3, ул. Супруна, 1, кв.40, В.Л. Письменному
Дата начала действия патента: 2004.12.09 

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.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

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.

УТИЛИЗАТОР ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ. Патент Российской Федерации RU2284416

Фиг.1 изображена схема утилизатора тепловой энергии

Фиг.2 изображено распределение энергии в утилизаторе тепловой энергии в зависимости от его рабочих параметров

УТИЛИЗАТОР ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ. Патент Российской Федерации RU2284416

Фиг.3 изображена схема утилизатора тепловой энергии

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;

Qхол - энергия холодной воды;

Le - эффективная работа;

Lr - механические потери;

Qгор - энергия горячей воды;

Qвых - энергия выхлопных газов;

Q - энергия, отводимая от элементов констукции.

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

Qдым=Le+Lr+(Qгор-Qхол )+(Qвых-QО)+Q

или в относительном виде

1= е+ г+ т+ вых+ ,

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

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

e+ т 1- r+ .

Таким образом, учитывая, что доля потерь ( r+ ) обычно не превышает 0,05, общий КПД утилизатора тепловой энергии ( е+ 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

e' = e+ еут- е· еут,

где е - эффективный КПД тепловой машины;

еут - эффективный КПД утилизатора.

На фиг.4 показано влияние КПД утилизатора еут на эффективные КПД тепловых машин е' с различными исходными значениями КПД 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.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

  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.

Версия для печати
Дата публикации 02.12.2006гг


вверх