СПОСОБ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
HEAT SUPPLY METHOD AND HEAT SUPPLY DEVICE

Изобретения относятся к области теплоснабжения или снабжения горячей водой в системах централизованного или автономного теплоснабжения.
Известно достаточно много систем теплоснабжения, в которых используется теплота из окружающей среды. Известны также системы теплоснабжения, в которых используется и дополнительно утилизируется теплота, выделяемая механизмами, работающими в этой системе.
Достаточно часто при утилизации теплоты атмосферного воздуха или других газовых сред используются циклы, в которых производится сжатие газа с помощью компрессора. Чаще всего компрессор работает с помощью электродвигателя.
Однако известны системы, в которых приводом компрессора является тепловой двигатель.
Патент US 5253805 "Система теплового насоса с охлаждением изоляции», Consolidated natural Gas Service Company, Inc., F25B 27/00, приоритет, 1992.09.03, дата публикации 1993.10.19. В патенте описана система нагрева и охлаждения жилых или иных помещений путем кондиционирования воздуха. Система, в частности, содержит подсистему нагревания, использующую теплоту окружающего воздуха. Подсистема содержит испаритель, расположенный на открытом воздухе, в котором происходит испарение теплоносителя, как правило фреона, и отбор теплоты от атмосферного воздуха. Далее компрессор сжимает смесь, которая в теплообменнике отдает теплоту воздуху, поставляемому в жилые помещения. Приводом компрессора является тепловой двигатель, двигатель внутреннего сгорания, турбина, двигатель Стирлинга и т.д. В системе кондиционирования может использоваться также теплота системы охлаждения собственно теплового двигателя.
Наиболее близкой является система, описанная в патенте US 4735061 «Энергосберегающая система для тепловой машины - привода системы воздушного кондиционирования», F25B 27/00, приоритет, 1987.09.02, дата публикации 1988.04.05.
В патенте описана система, в которой утилизируется теплота атмосферного воздуха, которая далее используется потребителем. Система утилизации теплоты атмосферного воздуха включает компрессор, конденсатор с теплообменником и испаритель. Приводом компрессора является тепловая машина.
Тепловая машина используется как привод компрессора. Тепловая машина при своей работе кроме механической энергии выделяет и тепло. В данной системе все тепловые потоки также частично утилизируются. С помощью теплообменника отбирается и далее подается потребителю тепло от системы охлаждения тепловой машины. Тепло выхлопных газов также утилизируется с помощью теплообменников.
Несмотря на то, что в выше приведенных системах используется тепло атмосферного воздуха и тепло, выделяемое тепловой машиной, эти тепловые потоки используются недостаточно эффективно.
Заявляемые изобретения решают задачу построения эффективной системы использования теплоты окружающего воздуха в автономных системах теплоснабжения или в системах центрального теплоснабжения.
Изобретения решают техническую задачу по эффективному использованию тепловой энергии атмосферного воздуха в сочетании с тепловой энергией тепловой машины, являющейся приводом компрессора.
Способ теплоснабжения включает следующие операции: выработку механической энергии посредством работы теплового двигателя и приведение в работу воздушного компрессора с помощью выработанной механической энергии. На вход компрессора подают смесь атмосферного воздуха и выхлопных газов теплового двигателя, а с выхода компрессора сжатую воздушную смесь подают на теплообменник системы теплоснабжения, воспринимающий теплоту от сжатой воздушной смеси. Воздушную смесь, отдавшую теплоту, после теплообменника подают на вход пневмомашины, которая вырабатывает механическую энергию и передает ее также в работу воздушного компрессора, при этом воздушная смесь расширяется до давления близкого к атмосферному и воздушную смесь из компрессора выпускают в атмосферу.
В данном способе теплоснабжения происходит практически полное использование энергии, выработанной тепловым двигателем. Механическая энергия, выработанная тепловым двигателем, передается компрессору, который включен в открытый контур, состоящий из газового смесителя, компрессора и теплообменника, где утилизируется не только низкопотенциальная тепловая энергия атмосферного воздуха, но и тепловая энергия выхлопа тепловой машины. При этом они используются совместно, в наиболее эффективном сочетании.
Кроме того, в данном способе теплоснабжения также используется потенциальная энергия сжатого воздуха, отдавшего свою теплоту в теплообменнике. Остывший воздух под давлением используется для работы пневмомашины, которая является дополнительным механическим приводом компрессора. Таким образом, низкопотенциальная тепловая энергия атмосферного воздуха в сочетании с энергией тепловой машины используется наиболее эффективно.
Дополнительно, в систему теплоснабжения подается и теплота системы охлаждения теплового двигателя, путем ее подключения к системе теплоснабжения. Смесь атмосферного воздуха и выхлопных газов теплового двигателя может создаваться путем инжектирования.
Система теплоснабжения может быть выполнена как система жидкостного теплоснабжения.
Устройство теплоснабжения, выполненное в соответствии со способом, включает тепловой двигатель, воздушный компрессор и пневмомашину, механически соединенные между собой. Вход воздушного компрессора соединен с выходом газового смесителя, один вход которого соединен с выходом выхлопных газов теплового двигателя, другой с атмосферой. Выход воздушного компрессора соединен с теплообменником системы теплоснабжения, воспринимающей теплоту от сжатой воздушной смеси. Выход отдавшей теплоту воздушной смеси теплообменника соединен с входом пневмомашины. И тепловой двигатель и пневмомашина подсоединены к воздушному компрессору соответствующим приводом.
В качестве привода воздушного компрессора от теплового двигателя или от пневмомашины может быть использован механический привод.
В качестве привода воздушного компрессора от теплового двигателя или от пневмомашины также может быть использован электрический привод.
В качестве теплового двигателя может использоваться двигатель внутреннего сгорания или газотурбинный двигатель, а в качестве пневмомашины - турбина. Газовым смесителем может быть инжектор. Система теплоснабжения выполнена как система жидкостного теплоснабжения.
Изобретения поясняются схемами. На Фиг.1 приведена схема устройства теплоснабжения, как автономной системы. На Фиг.2 приведена схема устройства теплоснабжения являющейся частью системы центрального теплоснабжения.
Устройство теплоснабжения (Фиг.1) включает тепловой двигатель 1, воздушный компрессор 2 и пневмомашину 3, механически соединенные между собой приводами 8 и 9. В данном случае двигатель 1, воздушный компрессор 2 и пневмомашина 3 установлены на одном валу. Вход воздушного компрессора 2 соединен с выходом газового смесителя 5, один вход которого соединен с выходом 6 выхлопных газов теплового двигателя 1, другой 7 с атмосферой. Выход воздушного компрессора 2 соединен с теплообменником 4 системы теплоснабжения, воспринимающей теплоту от сжатой воздушной смеси. Выход отдавшей теплоту воздушной смеси теплообменника 4 соединен с входом пневмомашины 3. В качестве теплового двигателя 1 может использоваться двигатель внутреннего сгорания, или двигатель Стирлинга, газотурбинный двигатель и др. В качестве пневмомашины 3 может использоваться турбина или воздушный поршневой двигатель. С теплообменника с помощью жидкостного теплоносителя тепло подается потребителю.
В качестве привода воздушного компрессора 2 от теплового двигателя 1 или пневмомашины 3 может использоваться электрический привод, например электрический двигатель, который приводится в действие от генератора, подсоединенного к тепловому двигателю или пневмомашине.
Способ теплоснабжения реализуется следующим образом. Тепловой двигатель 1 за счет теплотворной способности потребляемого топлива вырабатывает механическую мощность, передаваемую компрессору 2 и пневмомашине 3, соединенным с ним механическим приводом. Кроме механической мощности тепловой двигатель 1 производит теплоту, которая отводится от него с выхлопными газами, и если это поршневая машина, то и от «рубашки» охлаждения, жидким теплоносителем системы теплоснабжения (на фигурах не показано).
Компрессор 2 засасывает атмосферный воздух, подогретый за счет смешения с выхлопными газами в газовом смесителе 5, и сжимает его до требуемых с точки зрения эффективного теплообмена параметров, например до температуры 200°С. Сжатый и горячий воздух поступает в теплообменник 4 системы теплоснабжения, где изобарно охлаждается до определяемой условиями теплообмена температуры, например, 100°С.
В пневмомашине 3 воздух расширяется, совершая внешнюю работу и частично компенсируя энергозатраты на его сжатие в компрессоре 2. При этом температура газа на его выходе из пневмомашины 3 оказывается существенно ниже, чем на входе в компрессор 2, и, как правило, ниже температуры окружающего воздуха.
Благодаря этому осуществляется эффективный перенос низкотемпературной теплоты окружающего воздуха и выхлопных газов теплового двигателя 1 на высокий температурный уровень, обеспечивающий ее передачу потребителю.
Газовый смеситель 5 (инжектор) позволяет изменять соотношение расходов свежего воздуха и выхлопных газов, поступающих в компрессор 2, воздействуя на характеристики устройства и поддерживая оптимальный режим работы при изменении температуры воздуха.
На Фиг.2 приведен пример реализации способа и устройства в системе водяного центрального теплоснабжения, где теплообменник 4 включен между ветвью возврата воды и блочным теплопунктом 11, который гидравлически развязывает систему центрального теплоснабжения и систему теплоснабжения отдельного дома или группы домов.
Таким образом, способ и устройство по изобретению могут быть использованы в системе отдельного дома или в условиях централизованного теплоснабжения.
Более высокая эффективность определяется следующим.
А) Отсутствием испарителя, дорогого и сложного устройства и применением всегда доступного «бесплатного» рабочего тела - атмосферного воздуха, в отличие от фреонов, которые являются дорогими и экологически небезопасными веществами. При этом используется и тепловая энергия из атмосферного воздуха.
2
2
Б) Более низким требуемым давлением в теплообменнике - охладителе, для получения температуры в 100°С фреон нужно сжимать до давлений 25-30 кг/см, а воздух до давлений 4-6 кг/см.
С) Более глубокой утилизацией теплоты выхлопных газов. В аналоге температура выходных газов снижается до температуры 105-120С°, а в заявляемом изобретении до температуры выхода газовой смеси из пневмомашины от -30°С до -70°С, в зависимости от температуры окружающего воздуха и коэффициента смешения в инжекторе.
Д) Более высокой степенью отбора теплоты от окружающего воздуха, в аналоге воздух охлаждается в испарителе на 3-5°С, а в предлагаемой системе на 30-70°С
Применение данного способа и устройства может быть осуществлено в различных модификациях на основе типовых элементов.