ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ УСТАНОВКА ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ С КОГЕНЕРАЦИЕЙ

Предлагаемая полезная модель относится к установкам теплоснабжения в жилищно-коммунальной сфере и может быть использована во всех потребительских установках теплоснабжения, в частности, индивидуальных, центральных и блочных тепловых пунктах: соответственно ИТП, ЦТП и БТП.
Известна установка для водяных систем отопления, в том числе, зданий и сооружений, включающая гидравлически сообщенный с контуром циркуляции воды нагреватель, отопительные элементы в обогреваемых помещениях, гидравлически подключенные к контуру циркуляции, расширительный бак, сообщенный с контуром циркуляции. При этом нагреватель содержит расположенный в нижней части контура циркуляции и сообщенный с ним через датчик расхода воды парогенератор, а выход парогенератора сообщен теплоизолированным паропроводом с паровым входом установленного последовательно в верхнюю часть контура циркуляции парожидкостного эжекционного насос-конденсатора [Пат. RU 2226653. Система водяного отопления. F24D 3/02, заявл. 19.03.2002 г., опубл. 10.09.2003 г.].
Недостатком установки является невысокая энергоэффективность и надежность вследствие зависимости от внешнего электроснабжения.
Известна установка когенерации в системе центрального отопления, включающая тепловой насос для утилизации сбросного тепла между выходом пара на обогрев из сторонней теплоэнергетической системы (ТЭС) и системой отопления потребителя. При этом нагрев воды в системе отопления потребителя обеспечивается тепловым насосом, что позволяет не только повысить эффект нагрева, но и создать условия для протяженных систем отопления [Пат. CN 202118983 U. Thermal power cogeneration central heating system based on absorption heat transfer. F24D 3/18. заявл. 10 июня 2011 г., опубл. 18.01.2012 г.].
Недостатком установки является зависимость системы централизованного теплоснабжения от внешнего электроснабжения (ТЭС).
Известна установка газовой котельной, усиленной циклом Ренкина, включающая два цикла: один цикл на рабочем теле с нагревателем, дополнительным теплообменником и клапаном и второй цикл на другом рабочем теле с теплообменником, общим с первым циклом. В качестве технического решения для второго цикла используется органический цикл Ренкина. Эта установка компануется из модулей и может применяться для домашнего отопления. [Пат. US 20130219894 A1. Heating system - modular F24D 3/08, F24D 11/00, F01K 25/08, F24D 17/00. заявл. 2 ноября 2010 г., опубл. 29.08.2013 г.].
Недостатком установки является невысокая энергоэффективность.
Известна установка водяного теплоснабжения с циркуляцией теплоносителя, включающая котел, соединенный с подающей и обратной линиями системы отопления, циркуляционный насос, автоматический термостатический трехходовой кран, состоящий из цилиндрического корпуса с тремя патрубками, а внутри корпуса установлен термостат с помощью втулки, съемной крышки и прокладки, причем патрубки установлены в цилиндрических частях корпуса на разных высотах, а перепускной патрубок - в донной части корпуса и соединен с обратной линией системы отопления, при этом патрубок, установленный в нижней части цилиндрического корпуса, соединен с патрубком, установленным в верхней части, и с подающей и обратной линиями системы отопления посредством термостата. [Пат. RU 2174654. Отопительная система с принудительной циркуляцией теплоносителя. F24D 3/02, F16K 11/02. заявл. 09.02.2000 г., опубл. 10.10.2001 г.].
Недостатком установки является невысокая энергоэффективность и зависимость от внешних источником электроснабжения для привода насосов.
Известна, выбранная в качестве прототипа, установка центрального теплоснабжения зданий и сооружений с тепловым насосом и выработкой мощности. При этом испарение и перегрев рабочего тела в цикле с отдачей внешней работы (цикл Ренкина) осуществляется в двух теплообменных аппаратах: в одном (первичный нагреватель) - за счет теплоты от централизованного источника (горячей воды), а в другом (вторичный нагреватель) - за счет теплоты сжатия в тепловом насосе компрессионного типа. При этом компрессор, обеспечивающий работу теплового насоса, размещается на одном валу с турбиной цикла Ренкина. [Пат. CN 203190486 U. Heating energy power circulation pump of heating station F24D 3/02, F24D 3/18, F24D 3/10. заявл. 22.04.2013 г., опубл. 11.09.2013 г.]. Недостатком устройства, выбранного в качестве прототипа, является его невысокая энергоэффективность, обусловленная снижением вырабатываемой полезной мощности, затрачиваемой на привод компрессора теплового насоса.
Техническим результатом заявляемой энергосберегающей установки теплоснабжения с когенерацией, является устранение указанного недостатка, а именно, повышение показателя энергоэффективности, определяемого эксергетическим КПД установки, вплоть до значений, приближающихся к 100%.
Технический результат энергосберегающей установки теплоснабжения с когенерацией достигается тем, что в установке, включающей подвод и отвод теплоносителя от централизованного источника теплоты, подвод и отвод теплоносителя потребителя теплоты, насос для перекачки рабочего тела, испаритель и перегреватель рабочего тела, паровую турбину для перевода теплоты рабочего тела в работу и конденсатор рабочего тела, испаритель и перегреватель рабочего тела, совмещенные в одном элементе, соединены с подводом и отводом теплоносителя от централизованного источника теплоты, что исключает применение теплового насоса и обеспечивает высокий эксергетический КПД.
Высокая энергоэффективность (эксергетеческий КПД) предлагаемой энергосберегающей установки теплоснабжения с когенерацией достигается за счет экономии полезной мощности, выработанной в турбине, и интенсификации теплопередачи при подогреве теплоносителя потребителя за счет конденсации рабочего тела, то есть, сочетания эффекта когенерации с эффектом тепловой трубы.
Сопоставление заявляемой полезной модели и прототипа показывает, что заявленная энергосберегающая установка теплоснабжения с когенерацией отличается от известной тем, что для достижения требуемых характеристик потребительской установки теплоснабжения, испаритель и перегреватель рабочего тела, совмещенные в одном элементе, соединены с подводом и отводом теплоносителя от централизованного источника теплоты, что повышает эксергетический КПД установки до значений, близких к 100%.
На фиг. 1 представлена энергосберегающая установка теплоснабжения с когенерацией.
Энергосберегающая установка теплоснабжения с когенерацией включает подвод 1 и отвод 2 теплоносителя от централизованного источника теплоты, подвод 3 и отвод 4 теплоносителя потребителя теплоты, насос для перекачки рабочего тела 5, испаритель-перегреватель рабочего тела 6, паровую турбину 7 для перевода теплоты рабочего тела в работу, соединенную с генератором электрической энергии 8 и конденсатор 9. Выработанная в паровой турбине 7 мощность передается генератору 8 для обеспечения автономного электроснабжения как собственно установки, так и других потребителей электрической энергии на объекте. Избыток тепловой энергии в случае снижения нагрузки у потребителя направляется на нужды горячего водоснабжения (ГВС) и может быть использован в дальнейшем для выработки дополнительной электроэнергии, в том числе, и для нужд кондиционирования. Испаритель и перегреватель рабочего тела могут быть выполнены в виде двух элементов.
Энергосберегающая установка теплоснабжения с когенерацией работает следующим образом. Горячая вода от централизованного источника теплоты (подвод 1) направляется в испаритель-перегреватель 6, в котором за счет передачи теплоты этого источника через стенку происходит испарение и перегрев рабочего тела, подаваемого насосом 5. При этом охлажденный теплоноситель (отвод 2) возвращается в централизованный источник теплоты для нагрева. Теплота рабочего тела за счет расширения его паров в турбине 7 превращается в работу, которая передается генератору 8 для преобразования ее в электроэнергию. Рабочее тело на выходе из турбины 7 подается в конденсатор 9, в котором за счет конденсации рабочего тела поток теплоносителя потребителя (подвод 3) подогревается до требуемых значений (отвод 4). Рабочее тело из конденсатора 9 в жидком состоянии подается насосом 5 в испаритель-перегреватель 6 и цикл повторяется.
Предлагаемая полезная модель позволяет существенно повысить эксергетический КПД установки, вплоть до значений близких к 100%, что подтверждается приведенным расчетом.
Для подтверждения технического результата дается расчет эксергетического КПД установки, параметры которой приведены в табл. 1.
Таблица 1
- Исходные параметры энергосберегающей установки теплоснабжения с когенерацией
Температура воды на входе (прямая линия - из города), °C
130
Температура воды на выходе (обратная линия - в город), °C
60
Температура воды на выходе потребителя (контур отопления), °C
50
Температура воды на входе потребителя (контур отопления), °C
78
Расход горячей воды от города, м<sup>3</sup>/ч (кг/с)
49 (13,57)
Расход воды на отопление у потребителя, м<sup>3</sup>/ч (кг/с)
115,14 (31,88)
Давление в контуре горячей воды, кг/см<sup>2</sup>
7,0
Давление в контуре холодной воды, кг/см<sup>2</sup>
6,5
Расчет эксергетического КПД предлагаемой энергосберегающей установки теплоснабжения с когенерацией производился по приведенной ниже методике. Значения эксергии потоков имеют единую размерность, кВт.
1
н
3
Эксергия на входе в установку складывается из эксергии потока источника E, эксергии электропривода насоса по перекачке рабочего тел; E и входной эксергии теплоносителя потребителя E в конденсатор.
Расчет эксергии на входе:
1. Эксергия потока от централизованного источника на входе в установк) (подвод 1):
2. Эксергия электропривода насоса 5 по перекачке рабочего тела:
н
н
E=N
3. Эксергия теплоносителя потребителя на входе в установку (подвод 3):
2
т
4
Эксергия на выходе из установки складывается из эксергии потока источника теплоты E, эксергии механической работы турбины E и эксергии теплоносителя потребителя на выходе из установки E.
Расчет эксергии на выходе:
1. Эксергия потока от централизованного источника на выходе из установки (отвод 2):
2. Эксергия механической работы турбины 7:
т
т
E=N
3. Эксергия теплоносителя потребителя на выходе из установки (отвод 4):
В приведенных выражениях приняты обозначения:
ΔH - изменение энтальпии потока, кВт;
ΔS - изменение энтропии потока, кВт/К.
Теплоемкость воды в данном температурном интервале рассчитывалась на основании аппроксимизационной зависимости (полинома):
Расчет эксергетического КПД предлагаемого устройства  проводится на основании зависимости:
В табл. 2 представлены результаты расчета эксергетического КПД предлагаемой установки