Способ генерации тепловой и электроэнергии и теплоэлектрогенератор
METHOD OF GENERATING HEAT AND ELECTRIC POWER AND A THERMAL ELECTRIC GENERATOR

Область техники
Изобретение относится к области энергетики и предназначено для автономной когенерации тепловой и электрической энергии, а конкретно к когенерации при помощи электорустановок малой мощности: Мини-, МикроТэц или МикроТЭС.
Уровень техники
Из уровня техники известны способы когенерации тепловой и электрической энергии путем проведения известных процессов преобразования энергии топлива и воздуха в электроэнергию и тепло с помощью Мини-, МикроТЭЦ или МикроТЭС. (Википедия. Микро комбинированное производство тепла и электроэнергии - Micro combined heat and power. - Микротурбина).
Общими существенными признаками описанных способов являются:
- использование химической энергии топлива и кислорода атмосферного воздуха для получения электроэнергии.
- передача отработанного тепла с помощью теплообменника жидкому теплоносителю системы теплоснабжения потребителя
С существенными признаками изобретения совпадают следующие признаки:
- использование химической энергии топлива и кислорода атмосферного воздуха для получения электроэнергии.
- передача отработанного тепла с помощью теплообменника жидкому теплоносителю системы теплоснабжения потребителя.
Аналогичными признаками, с существенными признаками изобретения, обладают способы, описанные в следующей литературе ["Строительное обозрение" //Журнал качества//, Спб, №5(32), май-июнь 1999, стр. 16-17; - Klaus Mollenhauer, Helmut Tshoke. Handbook of Diesel Engines. - Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2010].
Техническая проблема, подлежащая разрешению, состоит в том, что известные способы, использующие энергию, заключенную в топливе, с помощью Мини-, МикроТЭЦ или МикроТЭС, и реализующие такие способы когенерационные установки, не экономичны. Вырабатываемая электрическая энергия составляет всего %: 20-35 от энергии топлива. Отработанное тепло составляет остальное, и, хотя значительная доля отработанного тепла используется в Мини- и МикроТЭЦ, все равно потери энергии составляют не менее 10%.
Это порождает и другую проблему - экологическую: - выбросы отработанных горячих газов (температура газов в МиниТЭЦ составляет до 150°С, а в МиниТЭС - до 350°С). Продукты горения рассеиваются в атмосфере, способствуют образованию смога, содержащего вредные вещества, в том числе и канцерогены.
Причина, препятствующая разрешению этой технической проблемы состоит в том, что для утилизации тепловой энергии необходимо передать ее другому устройству или теплоносителю какой-либо системы, например системе теплоснабжения здания. Для этого применяют теплообменники. Но по законам теплопередачи температура утилизируемых отработанных выхлопных газов, или другого теплоносителя, должна быть существенно выше температуры теплоносителя системы теплоснабжения.
Известны способы теплогенерации, а вернее способы передачи тепловой энергии от низкотемпературного источника к более высокотемпературному телу с помощью тепловых насосов (ТН). Но при этом необходимо затратить заимствованную извне высокопотенциальную энергию [см. Краткий политехнический словарь. Госиздат технико-теоретической литературы. М. 1956, стр 619. ст. "Обратный цикл Карно"].
Существенными признаками известных способов являются:
- теплогенерация с помощью ТН;
- затрата на работу ТН высокопотенциальной энергии.
Оба этих признака совпадают с существенными признаками изобретения.
Известны реверсивные тепловые насосы (ТН) типа "воздух-воздух", например фирмы Mitsubishi Electric модели FDUM71VNXVF, имеющие для целей реверсирования четырех ходовой клапан, позволяющий холодильнику и нагревателю ТН поменяться ролями, и тем самым переключить режим нагрева помещения на режим охлаждения, и наоборот.
Известно устройство, кондиционер-отопитель, предназначенный для охлаждения воздуха в помещениях в теплый период года и нагревающий эти помещения в холодное время года [см. Описание изобретения к патенту RU 2307290 С2 F24D 15/04 (2006.01), опубл. 27.09/2007 Бюл. №27]. Существенными признаками устройства по патенту RU 2307290 С2 являются:
- находящийся внутри отапливаемого помещения теплообменник-нагреватель;
- внешний теплообменник-холодильник;
- хладагент-рабочее тело;
- компрессор с электрическим приводом;
- четырех ходовой клапан и патрубки, связывающие агрегаты в единую установку;
- термосифоны, в виде вертикальных гравитационных труб, испарительные части которых погружены в грунт, а конденсаторные выступают над поверхностью и снабжены теплообменниками с воздухом;
- теплоизолированный кожух, в котором заключены теплообменники тепловых труб и внешний теплообменник-холодильник;
- открывающиеся люки кожуха;
- приводы люков с системой управления, с датчиками температуры наружного воздуха.
С существенными признаками заявленного устройства совпадают следующие признаки:
- находящийся внутри помещения теплообменник - нагреватель;
- внешний теплообменник-холодильник.
Технической проблемой, мешающей широкому использованию способов и устройств с ТН является снижение экономичности способов и устройств при снижении температуры низкотемпературного источника, например наиболее доступного -наружного воздуха.
Причиной снижения экономичности является снижение эффективности процесса передачи тепла при снижении температуры низкотемпературного источника. Например, ТН типа "воздух-воздух" работают с коэффициентом преобразования энергии (СОР) до 9 только при положительных температурах наружного воздуха. При отрицательных температурах СОР снижается боле чем в три раза.
Другой технической проблемой является снабжение установки электрической энергией, если предполагается применение в составе автономного или передвижного объекта. Причиной является то, что введение в состав установки устройств, вырабатывающих электричество за счет солнечной энергии или энергии ветра делает когенерацию зависимой от наличия солнца или ветра, применение тепловых двигателей с электрогенератором ухудшает экономичность, а использование таких источников низкотемпературной энергии с достаточным запасом тепла, как грунт, грунтовые воды требует проведения сложных и дорогостоящих земляных работ, а для мобильных объектов невозможно.
Раскрытие сущности изобретения
Целью настоящего изобретения является получение способа когенерации тепловой и электрической энергии, позволяющего повысить эффективность использования тепловой энергии и создать устройство, использующего такой способ, пригодное для автономного применения в условиях межсезонья и зимы в широком кругу объектов:
- в индивидуальном жилищном строительстве;
- в иных удаленных объектах, и там, где применение центрального теплоэнергоснабжения экономически нецелесообразно или технически невозможно;
- на транспорте, например на пассажирском железнодорожном транспорте;
- в передвижных и быстро возводимых объектах МЧС;
- в качестве аварийного или резервного источника тепла и электричества для социально значимых и особо важных объектов и т.д.
Эта цель достигается тем, что в способе генерации тепловой и электрической энергии за счет энергии, заключенной в топливе и воздухе, получают:
- электрическую энергию;
- отработанное тепло (включающее тепло, отходящее от горячих агрегатов, тепло уходящих из котельного агрегата газов, тепло выхлопных газов и др.)
Далее, в отличие от вышеприведенных известных способов, отработанное тепло передают известными способами в холодильник ТН, где происходит передача тепла рабочему телу ТН, а затем проводят процесс увеличения температуры рабочего тела ТН и пеледачи тепла в нагреватель, передающий тепло потребителю.
Для проведения рабочего процесса ТН используют полученную электроэнергию.
Передача всего отработанного тепла, т.е. энергии топлива и воздуха, поступающих в МикроТЭС, исключая энергию, пребразованную в электричество, рабочему телу ТН обеспечивается очень низкой температурой холодильника ТН. Например, популярный хладагент R410a кипит при минус 48,5 С.
Если, как вариант, в МикроТЭС в качестве машины-двигателя используют двигатель внутреннего сгорания (ДВС), то основным носителем отработанного тепла будут отработанные горячие газы, что существенно упрощает осуществление предложенного способа и устройства, осуществляющего способ.
Этот способ осуществляют следующим образом:
- наружный воздух и топливо подают в МикроТЭС (ТЭЦ), где известным способом получают электрическую энергию и отработанные горячие газы, в основном состоящие из смеси продуктов сгорания топлива и избыточного воздуха, в том числе воздуха, использованного в системе охлаждения, с температурой от 150 С до 350 С;
- отработанные горячие газы подают в теплогенерирующий циркуляционный контур, смешивают в процессе циркуляции с циркулирующими по контуру газами, для выравнивания температуры смеси, пропускают через холодильник ТН для охлаждения смеси и передачи тепла к рабочему телу ТН, обдувают охлажденной смесью агрегаты МикроТЭС, снимая отработанное тепло с агрегатов и тем самым повышая температуру смеси, и вновь направляют в циркуляционный контур. Циркуляцию осуществляют за счет кинетической энергии отработанных горячих газов или другим известным способом (например, прменением вентилятора, или конвекции в поле тяготения Земли, за счет разницы температур и плотности газовой смеси).
- излишки охлажденной смеси выпускают наружу через выхлопной клапан.
- тепло циркулирующей через холодильник ТН смеси передают рабочему телу ТН, а затем проводят процесс увеличения температуры рабочего тела ТН и передачи тепла в нагреватель, передающий тепло потребителю.
- для проведения рабочего процесса ТН используют полученную электроэнергию.
Устройство для генерации тепловой и электрической энергии за счет энергии, заключенной в топливе, реализующее предложенный способ,
- теплоэлектрогенератор (ТЭГ) включает:
- МикроТЭС, преимущественно имеющую в своем составе ДВС;
- тепловой насос.
А также согласно изобретению имеет в своем составе:
- герметизированный корпус, образующий теплогенерирующий циркуляционный контур;
- выхлопной клапан.
- МикроТЭС, вмонтированную в корпус так, что горячие части охлаждаются циркулирующей в корпусе смесью газов;
- выхлопную систему МикроТЭС, выполненную так, чтобы кинетическая энергия истекающих отработанных газов поддерживала циркуляцию смеси газов в контуре и перемешивание смеси.
Изобретение обеспечивает получение следующих результатов:
• Полное использование энергии, заключенной в топливе. Этот эффект обусловлен тем, что отработанное тепло вводится внутрь теплогенерирующего контура, охлаждается там до температуры смеси, циркулирующей в контуре, и тем самым отдает свое тепло смеси газов и паров, циркулирующих в контуре. Поскольку циркулирующая смесь газов и паров непрерывно охлаждается в холодильнике ТН, температура смеси может достигать температуры окружающей среды и даже опускается ниже. Вся тепловая энергия, проступившая в контур, перекачивается ТН потребителю, в том числе энергия конденсации паров воды, теплота охлаждения конденсата, теплота превращения конденсата в лед, если температура смеси ниже нуля градусов. Как правило, это происходит, так как теплопроизводительность ТН больше отработанного тепла, выделяемого МиниТЭС, а энергопотребление ТН меньше вырабатываемой электроэнергии.
• Передача тепла наружного воздуха потребителю, если температура циркулирующей смеси ниже температуры наружного воздуха.
• Снижение расхода топлива, даже по сравнению с вариантом отопления с помощью самого современного газового котла, за счет полного использования энергии, заключенной в топливе и дополнительной энергии наружного воздуха.
• Возможность применения на автономных и мобильных объектах вследствие применения МикроТЭС и наружного воздуха (в том числе и в качестве низкотемпературного источника энергии) чем, следовательно, обеспечена независимость от посторонних источников энергии.
Снижение вреда от продуктов, поступающих из теплоэлектрогенератора в окружающую среду вследствие низкой температуры газовой составляющей смеси, выходящий из ТЭГ наружу. Это также облегчает последующую нейтрализацию вредных веществ.
• Возможность комплектования установки отработанными, серийно выпускаемыми агрегатами и частями как основы высокой надежности установки.
• эффективная и экономичная работа при низких температурах окружающей среды, вплоть до минус 60°С. Герметичность корпуса теплоэлектрогенератора дает независимость от наружной температуры, позволяет поддерживать внутри корпуса в широком диапазоне температуру смеси, а применение электроотопителей,- и любое соотношение тепловой и электрической энергии.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлена блок-схема способа когенерации с паровой МиниТЭС, где: 1 паровой котел, 2 - паровая турбина, 3 - электрогенератор, 4 - потребитель электроэнергии, 5 - холодильник теплового насоса, 6 - тепловой насос, 7 - рабочее тело ТН, 8 - насос конденсата, 9 - нагнетатель наружного воздуха, 10 - система охлаждения агрегатов установки, 11 - нагреватель теплового насоса, 12 - потребитель тепла,.
На Фиг. 2 представлена блок-схема способа когенерации с помощью МикроТЭС с ДВС, где: 1 - ДВС, 2 - генератор, 3 - потребитель электроэнергии, 4 - отработанные газы, 5 - продукты сгорания, 6 - избыточный воздух, 7 - теплогенерирующий циркуляционный контур, 8 - смесь газов, нагретая агрегатами, 9 - холодильник ТН, 10 - ТН, 11 - рабочее тело ТН, 12 - нагреватель ТН, 13 - нагретая смесь газов, 14 - холодная смесь газов, 15 - выхлопной клапан.
На Фиг. 3 изображен теплоэлектрогенератор, укомплектованный микрогазотурбинной установкой - МикроГТУ (микротурбиной) где: 1 - МикроГТУ 2 - теплогенерирующий контур, 3 - корпус, 4 - потребитель, 5 - теплонасос, 6 - холодильик теплонасоса, 7 - выхлопной клапан, 8 - рабочее телоТН, 9 - нагреватель теплонасоса.
На Фиг. 4 приведен график зависимости коэффициента СОР от температуры наружного воздуха по данным испытания ТН модели FDUM71VNXVF фирмы Mitsubishi Electric. Условия испытания- температура внутри помещения 20 С.
На фиг. 5 приведены характеристики теплоэлектрогенератора, рассчитанные с использованием данных, приведенных на Фиг. 4. Условные обозначения:
т
G - энергия, заключенная в топливе (аналог расхода топлива);
Q - тепловая энергия полученная потребителем;
в
Э - тепловая энергия полученная потребителем из наружного воздуха;
г
Э - энергия, выработанная электрогенератором;
Э - электроэнергия, полученная потребителем;
Z
Э - суммарная электрическая и тепловая энергия теплоэлектрогенератора.
Осуществление изобретения
На Фиг. 1 представлен пример осуществления способа когенерации с помощью МиниТЭС с паровой турбиной и паровым котлом. В паровом котле 1 путем сжигания топлива получают пар высокого давления и температуры, направляемый в паровую турбину 2, преобразующую энергию пара в механическую энергию, преобразуемую в электрогенераторе 3 в электричество, которое направляют к потребителю 4. Уходящие из топки парового котла 1 газы направляют в холодильник 5 теплового насоса 6, где их охлаждают, передавая тепло рабочему телу 7 теплового насоса 6, и затем выводят наружу. Мятый пар после турбины 2 также направляют в холодильник 5, где его охлаждают и конденсируют, передавая тепло рабочему телу 7. Конденсат из холодильника 5 направляют в насос конденсата 8, который закачивает конденсат в паровой котел 1.
Наружный воздух нагнетателем 9 через систему охлаждения агрегатов 10 подают на обдув турбины 2 и электрогенератора 3, а подогретый воздух направляют в холодильник 5, где его охлаждают, передавая тепло рабочему телу 7 теплового насоса, и затем выводят наружу.
В тепловом насосе 6 проводят процесс увеличения температуры рабочего тела 7 и передачи тепла в нагреватель 11 теплового насоса для передачи тепла потребителю 12.
На Фиг. 2 показана блок-схема примера осуществления способа когенерации за счет энергии, заключенной в топливе и наружном воздухе, с помощью МикроТЭС с ДВС.
В двигатель 1 подают топливо и наружный воздух, причем, в зависимости от типа двигателя, коэффициент избытка воздуха составляет от 1,2 и до более 5, с учетом воздуха, забираемого в систему охлаждения ДВС. В генераторе 2, соединенном с ДВС, осуществляют выработку электроэнергии с последующей передачей ее потребителю 3.
Тепло отработанных газов 4, состоящих, в основном, из продуктов сгорания 5 и избыточного воздуха 6, подают в теплогенерирующий циркуляционный контур 7, в котором, в процессе естественной или принудительной конвекции, тепло отработанных газов 4 и отходящее от ДВС 1 и генератора 2 отработанное тепло 8 передают в холодильник 9 теплового насоса 10, в котором происходит передача тепла, посредством рабочего тела 11, в нагреватель 12 теплового насоса и далее к потребителю, при этом тепловой насос 10 соединяют с генератором 2.
Горячую смесь газов 13, пропуская через холодильник 9, охлаждают, и охлажденную смесь 14 направляют к генератору 2, к ДВС 1 для их охлаждения, и через выхлопной клапан 15 выпускают из контура 7.
На Фиг. 3 изображен теплоэлектрогенератор с микрогазотурбинной установкой (МикроГТУ). Работа ТЭГ осуществляется следующим образом. В МикроГТУ 1 поступает воздух и газообразное топливо. В результате получают электроэнергию и отработанные горячие газы, состоящие из продуктов сгорания топлива и избыточного воздуха. Отработанные газы поступают в теплогенерирующий контур 2, образованный корпусом 3. Электроэнергия поступает к потребителю 4 и в теплонасос 5. Выхлопная система МикроГТУ выполнена так, чтобы кинетическая энергия отработанных газов поддерживала циркуляцию смеси газов 6 в контуре 2, выравнивание температуры и перемешивание смеси.
Газовая смесь, циркулируя, проходит через холодильник 6 теплового насоса, где охлаждается, затем обдувает агрегаты МикроГТУ, снимая отходящее отработанное тепло, и снова нагревается, преремешиваясь с отработанными газами. Избыток смеси сбрасывается наружу через выхлопной клапан 7.
Из холодильника 6 теплового насоса тепло с рабочим телом 8 переносится в нагреватель 9 и поступает к потребителю.
В некоторых случаях, например при положительной температуре наружного воздуха, можно подавать в контур 2 нагнетателем дополнительное количество воздуха, однако наличие нагнетателя не является обязательным для работы теплоэлектрогенератора.
Подачей наружного воздуха удается, как это видно из характеристик, приведенных на Фиг. 5, поддерживать температуру в корпусе близкую к температуре наружного воздуха, если отбор электроэнергии не превышает:
25% при температуре воздуха 12°С;
20% при температуре воздуха 0°С;
14% при температуре воздуха минус 12°С;
10% при температуре воздуха минус 18°С.
В этих диапазонах, при этих условиях, из выхлопного клапана 7 выходят газы и конденсат с температурой равной температуре окружающей среды, и, следовательно ТЭГ использует полностью энергию, заключенную в топливе - высшую теплоту сгорания. Вышеназванным доказывается достижение результата полного использования энергии, заключенной в топливе.
т
Из рассмотрения течения характеристик G/Q видно, что в том же диапазоне отбора электроэнергии снижается расход топлива: при нулевом отборе электричества расход топлива снижается на 29% при температуре минус 18 С, на 42% при температуре минус 12 С, на 60% при температуре ноль С, на 70% при температуре 12 С. Вышеназванным доказывается достижение результата снижения расхода топлива даже по сравнению с вариантом отопления с помощью самого современного газового котла.
Из течения характеристик также ясно, что при реальной пропорции потребного тепла и потребной для бытовых нужд электроэнергии, обеспечивается снижение вредности продуктов, поступающих из теплоэлектрогенератора в окружающую среду вследствие низкой температуры газовой составляющей выхлопа и полной конденсации паров.
Из приведенной схемы ТЭГ видна возможность комплектования установки отработанными, серийно выпускаемыми агрегатами и частями как основы высокой надежности установки.
При очень низких температурах окружающей среды имеется возможность полностью отделить внутреннюю полость корпуса ТЭГ от окружающей среды, при этом ТЭГ будет работать с несколько повышенным расходом топлива, но не , чем если бы отопление осуществлялось газовым котлом. Возможность генерации электроэнергии при этом сохраняется в пределах мощности электрогенератора. Вышеназванное доказывает достижимость независимости от наружной температуры.