ВОЗДУШНАЯ ТУРБОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
AIR TURBINE-DRIVEN PLANT

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для выработки «холодильной» энергии разных уровней, тепловой энергии и электроэнергии в широком температурном диапазоне атмосферного воздуха в полевых условиях.
В России есть множество регионов, в которых имеется большая потребность в энергии холода. В частности, это относится к южным широтам с небольшими сельскими населенными пунктами, где из-за дефицита электроэнергии нет возможности использования турбохолодильных машин (ТХМ) для хранения сельскохозяйственной продукции в холодильных камерах.
Известна установка для охлаждения воздуха помещения (Патент РФ №39936, МПК 7 F25B 11/00 от 20.04.2004), содержащая источник сжатого воздуха, воздушную турбину и помещение с эжектором, где источник сжатого воздуха соединен с высоконапорной частью эжектора, выход турбины соединен с низконапорной частью эжектора, а вход - с выходом помещения, и вход помещения соединен с выходом эжектора, турбина механически соединена с воздушным компрессором. Недостатком технического решения является низкая экономичность установки из-за использования эжектора для обеспечения циркуляции воздуха в установке.
Наиболее близким аналогом заявляемому техническому решению являются способ комбинированного получения холода и тепла для кондиционирования помещения и установка для его осуществления (Патент РФ №2062964, МПК6 F25B 29/00 от 14.10.93), принятая за прототип, включающая воздушный компрессор с приводом, компрессорно-турбинный агрегат с включенными между компрессором и турбиной первичным воздухо-воздушным теплообменником и вторичным регенеративным теплообменником и рециркуляционный контур кондиционируемого помещения. Имеется также регенеративный теплообменник, включенный в рециркуляционный контур байпасным трубопроводом между выходом воздуха из вторичного регенеративного теплообменника и входом в регенеративный теплообменник и вторым байпасным трубопроводом между выходом воздуха из регенеративного теплообменника и входом в турбину.
Техническое решение по прототипу позволяет снабдить «холодильной» энергией одного потребителя - например, холодильную камеру, но при этом не может быть обеспечено кондиционирование помещений обслуживающего персонала в жаркое время года; оно не только не обеспечивает инфраструктуру электроэнергией, но наоборот требует ее для привода воздушного компрессора и вентилятора. Оба компрессора и турбина в зависимости от температуры окружающей среды работают с расходом воздуха, изменяющимся в широком диапазоне, что не позволяет иметь достаточно высокие значения кпд агрегатов. Применение раздельных контуров получения «холодильной» энергии и циркуляции воздуха в помещении (вместо одного последовательно объединенного контура) и воздухо-воздушного вместо водовоздушного теплообменника требует большей разности температур в турбине (для обеспечения заданной температуры в помещении), следовательно, большего давления за компрессорами и, соответственно, большей мощности привода воздушного компрессора.
Кроме того, установка прототипа имеет излишне большое количество агрегатов - второй компрессор, вторичный регенеративный и регенеративный теплообменники, вентилятор, что повышает стоимость установки и понижает надежность ее функционирования.
В основу изобретения положено решение следующих задач.
1. Обеспечение потребителя «холодильной» или тепловой энергией для кондиционирования или подогрева помещения в полевых условиях.
2. Обеспечение инфраструктуры в широком температурном диапазоне атмосферного воздуха:
- непрерывно обновляемым воздухом постоянной температуры в помещениях,
- горячей водой,
- электроэнергией (сжатым воздухом, водой под давлением).
3. Обеспечение высокой экономичности при производстве и эксплуатации установки.
Поставленные задачи решаются тем, что воздушная турбоэнергетическая установка содержит воздушный компрессор с приводом, турбодетандер, теплообменник и помещение, соединенные магистралями с клапанами.
В соответствии с изобретением установка дополнительно снабжена потребителем мощности, эжектором, регулятором и суфлером. Потребитель мощности кинематически связан с турбодетандером. Выход компрессора соединен магистралями с клапанами с входом турбодетандера до или через теплообменник. Выход из турбодетандера соединен с входом высоконапорной части эжектора, выход которого соединен с помещением. Вход низконапорной части эжектора соединен с атмосферой через регулятор, при этом помещение имеет два выхода, один выход соединен с входом компрессора, а другой - через суфлер соединен с атмосферой.
Использование теплообменника и турбодетандера позволяет обеспечить потребителя «холодильной» энергией и горячей водой.
Использование потребителя мощности, приводимого турбодетандером, позволяет обеспечить потребителя необходимым видом энергии.
Использование суфлера и регулятора с эжектором, выход которого соединен с помещением, позволяет обновлять воздух в помещении, обеспечивая температуру на заданном уровне и давление, равное атмосферному давлению.
Существенные признаки изобретения могут иметь развитие и уточнение.
Выполнение помещения и камеры теплоизолированными позволяет повысить экономичность эксплуатации установки путем уменьшения затрат «холодильной» или тепловой энергии для поддержания заданной температуры в помещении.
Дооборудование установки, по меньшей мере, одной камерой, дополнительным турбодетандером с потребителем мощности, которые присоединены к ней так, что выход из теплообменника соединен с входом турбодетандера, а выход последнего через камеру - с входом компрессора, позволяет в камере иметь уровень температуры воздуха, более низкий, чем в помещении. Это позволяет использовать камеру в качестве холодильной, а потребитель мощности - для производства дополнительной энергии (электрической, гидравлической, сжатого воздуха).
Применение двух турбодетандеров позволяет:
- работать каждому турбодетандеру на практически постоянном режиме с высоким кпд в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды,
- устанавливать турбодетандеры в непосредственной близости от разнесенных друг от друга камеры и охлаждаемого помещения, что исключает потери хладоресурса в соединительных магистралях,
- оптимально выбирать (минимизировать мощность привода компрессора) соотношение расходов воздуха, для обеспечения нужных температурных условий в камере и помещении.
Выполнение теплообменника водовоздушным вследствие более чем на порядок большей величины коэффициента теплоотдачи со стороны воды (по сравнению с воздухом) позволяет существенно уменьшить потребную поверхность теплопередачи (по сравнению с воздухо-воздушным теплообменником) и соответственно уменьшить его габариты, массу и стоимость.
Высокая экономичность воздушной турбоэнергетической установки показана в приведенном ниже примере.
Таким образом, решены поставленные в изобретении задачи:
- установка снабжает «холодильной» энергией помещение и камеру, обеспечивая их нормальную работу в годовом диапазоне изменения температуры окружающей среды,
- инфраструктура при тех же атмосферных условиях обеспечена обновляемым воздухом заданной температуры, горячей водой и электроэнергией (или другим видом энергии, необходимой потребителю).
Настоящее изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена схема воздушной турбоэнергетической установки.
На фиг.2 изображена схема воздушной турбоэнергетической установки с дополнительным оборудованием.
Воздушная турбоэнергетическная установка (см. фиг.1) содержит компрессор 1 с приводом 2, турбодетандер 3, теплообменник 4, помещение 5 и магистрали с отсечными клапанами. Установка дополнительно снабжена электрогенератором 6, эжектором 7, регулятором 8 и суфлером 9. Электрогенератор 6 кинематически связан с турбодетандером 3. Выход компрессора 1 связан магистралью с отсечными клапанами 10 и 11 с входом турбодетандера 3, до или через теплообменник 4. Выход из турбодетандера 3 соединен с входом высоконапорной части эжектора 7, выход которого соединен с помещением 5, причем вход низконапорной части эжектора 7 соединен с атмосферой через регулятор 8. Помещение 5 имеет два выхода, один выход соединен с входом компрессора 1, а другой - через суфлер 9 соединен с атмосферой. Помещение 5 может быть выполнено теплоизолированным.
Установка также может дополнительно содержать (см. фиг.2) камеру 12, дополнительный турбодетандер 13, соединенный кинематически с дополнительным электрогенератором 14. Причем, выход из теплообменника 4 соединен с входом дополнительного турбодетандера 13, а выход последнего через холодильную камеру 12 - с входом компрессора 1. Камера 12 может быть выполнена теплоизолированной. Теплообменник 4 выполнен водовоздушным.
Функционирование предлагаемой воздушной турбоэнергетической установки (ВТЭУ) осуществляется следующим образом (см. фиг.1). Привод 2 вращает компрессор 1, где поступающий в него воздух сжимается, нагревается и попадает в магистрали до клапанов 10 и 11. Далее установка функционирует по-разному. Если тепло от помещения 5 нужно отводить, то при закрытом клапане 11 и открытом клапане 10 холодный воздух за теплообменником 4 подается на вход турбодетандера 3. Если к помещению 5 тепло нужно подводить, то при закрытом клапане 10 и открытом клапане 11 горячий воздух за компрессором 1 подается на вход турбодетандера 3 минуя теплообменник 4. Охлажденный в турбодетандере 3 воздух поступает в высоконапорную часть эжектора 7, где он смешивается с поступающим в низконапорную часть эжектора 7 через регулятор 8 воздухом из атмосферы. Воздух из эжектора 7 поступает в помещение 5, откуда часть его (равная расходу воздуха, поступающему в систему через низконапорную часть эжектора 7) через суфлер 9 выходит в атмосферу, а остальной воздух подается на вход компрессора 1. Создаваемая в турбодетандере 3 мощность идет на привод электрогенератора 6, вырабатывающего электроэнергию.
Дополнительно в установке (см. фиг.2) может функционировать и второй контур. Часть охлажденного в теплообменнике 4 воздуха поступает в турбодетандер 13, где срабатывается потенциальная энергия сжатого воздуха и он поступает в камеру 12 с температурой ниже требуемого уровня, откуда поступает на вход компрессора 1. Разность располагаемой температуры поступающего в камеру 12 воздуха и потребной температуры компенсирует приток тепла через стенки камеры. Создаваемая в турбодетандере 13 мощность идет на привод электрогенератора 14, вырабатывающего электроэнергию.
Выполнение камеры теплоизолированной уменьшает приток тепла через стенки камеры из атмосферы.
В качестве примера промышленной применимости изобретения рассмотрим ВТЭУ, имеющую холодильную камеру, которая для поддержания в ней температуры 278 К (+5°С) потребляет 18 кВт «холода», и кондиционируемое помещение, которое для поддержания в нем температуры 293 К (+20°С) потребляет 55 кВт. В этой установке используются:
1. Компрессор, приводимый серийно выпускаемым промышленностью ДВС (дизелем) мощностью N=224 кВт и частотой вращения n=6000 об/мин, имеет степень повышения полного давления , кпд, равный 0.8, расход воздуха G=5.1 кг/с. Эти параметры близки к параметрам высоконапорных центробежных вентиляторов с консольно расположенным рабочим колесом, поэтому изготавливаться детали проточной части компрессора могут из тонкостенной листовой стали, что значительно сокращает его стоимость.
2. В качестве теплообменника с коэффициентом термической эффективности, равным 0.6, могут быть применены серийно выпускаемые промышленностью водовоздушные радиаторы, суммарно обеспечивающие съем тепла, равного 175 кВт.
3. В качестве турбодетандера (и дополнительного турбодетандера) используется двухступенчатая турбина со степенью расширения 1.42, расходом воздуха 2.55 кг/с, кпд, равным 0.81, частотой вращения 3000 об/мин и консольным расположением ротора.
4. Электрогенератор (и дополнительный электрогенератор) с максимальной электрической мощностью 70 кВт и частотой вращения 3000 об/мин.
Расчеты ВТЭУ с указанными параметрами агрегатов позволяют оценить энергетические параметры установки, которые отражены в таблице.
Режим работы
N<sub>Эосн</sub>
N<sub>Эдоп</sub>
N<sub>XK</sub>
N<sub>ПОМ</sub>
N<sub>ГОР.ВОДЫ</sub>
1 - Хол. возд.
61.3 кВт
59.4 кВт
37.5 кВт
54.7 кВт
176.4 кВт
2 - Тепл возд.
61.3 кВт
69.9 кВт
37.5 кВт
42.1 кВт
88.2 кВт
Эocн
Эдоп
XK
ПОМ
ГОР.ВОДЫ
Здесь N и N - электроэнергия, вырабатываемая основным и дополнительным электрогенераторами, N - тепло, отбираемое от камеры, N - тепло, отбираемое (или подводимое) от помещения, N - тепло, отводимое водой от теплообменника (используемое инфраструктурой); режим работы 1 - при отводе тепла из помещения, режим работы 2 - при подводе тепла в помещение.
Воздушную турбоэнергетическую установку можно рассматривать как устройство, преобразующее химическую энергию топлива в электрическую, «холодильную» и тепловую. Поэтому оценку экономической эффективности ее следует производить так же, как для энергетических установок с помощью коэффициента полезного использования теплотворной способности топлива
Здесь обозначены:
Э
X
T
X
топл
T
X
T
N - электроэнергия, N - «холодильная» энергия, N - тепловая энергия, К - относительная (по отношению к электрической) стоимость «холодильной» энергии, Q - тепло сгорания топлива в приводе компрессора - дизеле (его кпд равен 0.5), К - относительная стоимость тепловой энергии. Величины коэффициентов К=2 и K=1/3 выбраны исходя из сложившейся обстановки в стране.
Расчеты показывают, что без учета использования горячей воды η=0.60 при работе на первом режиме и η=0.39 при работе на втором режиме. Если горячая вода полезно используется, то величины η соответственно равны η=0.73 и η=0.46.
Указанные цифры свидетельствуют о высокой экономичности работы установки.
Установка допускает возможность использования ее в малых населенных пунктах, где отсутствует подвод достаточного количества электроэнергии для функционирования холодильной камеры и связанной с ней инфраструктуры. При этом необходимо жидкое или газообразное топливо (например, природный газ) в качестве горючего для питания ДВС - привода компрессора.