АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С ТЕПЛОВЫМ НАСОСОМ
AERODYNAMIC ASSEMBLY WITH HEAT PUMP

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для повышения энергоэффективности в результате утилизации тепловых отходов, в частности, использования низкопотенциального тепла оборотной воды в башенных испарительных градирнях атомных станций.
Крупные энергетические предприятия являются источниками большого количества тепловых отходов, в том числе тепла оборотной воды, которое может быть использовано для повышения эффективности их работы.
Известна аэродинамическая установка, созданная на основе башенной испарительной градирни, в которой низкопотенциальное тепло оборотной воды используется для выработки электроэнергии (патент РФ №2314474, МПК F28C 1/00). Установка содержит вытяжную башню, внутри которой расположено ветровое колесо с вертикальной осью вращения, соединенное с электрогенератором. Ветровое колесо расположено так, что его лопасти находятся напротив воздуховходных окон в основании вытяжной башни.
Установка работает следующим образом. Теплая обортная вода для ее охлаждения разбрызгивается в виде мелких капель внутри вытяжной башни градирни. Капли воды, падая и испаряясь, отдают тепло находящемуся внутри башни воздуху. Нагретый воздух поднимается вверх и выходит через верхний конец башни, создавая внутри нее вертикальный воздушный поток, при этом через воздуховходные окна в нее поступает наружный воздух. Попадая на лопатки ветрового колеса этот поток вращает его и соединенный с ним генератор, который вырабатывает электроэнергию. Введение ветрового колесо повышает также тепловой КПД башенной градирни, поскольку при его вращении находящийся в башне воздух турбулизируется, что приводит к интенсификации теплообмена и увеличению скорости воздушного потока внутри башни, а следовательно, и скорости вращения ветрового колеса.
Недостатком установки является низшая энергоэффективность, особенно в летнее время. Это объясняется тем, что при небольшой разнице температур оборотной воды и наружного воздуха разность давлений внутри вытяжной башни, а следовательно, и скорость воздушного потока оказываются низкими.
Наиболее близкой, принятой за прототип, является аэродинамическая установка, созданная на основе башенной испарительной градирни энергетического объекта, работающего на традиционных источниках энергии(патент РФ №2415297, МПК F03D 9/00, F28С 3/02). Повышение энергоэффективности установки осуществляется в результате введения дымовых газов внутрь вытяжной башни градирни, что увеличивает скорость воздушного потока внутри нее за счет повышения разности давлений, при этом одновременно увеличивается тепловой КПД градирни. Установка содержит вытяжную башню с воздуховходными окнами в ее основании и воздухонаправляющими щитами. Внутри вытяжной башни находится ветровое колесо с вертикальной осью вращения, соединенное с электрогенератором. Лопасти ветрового колеса расположены напротив воздуховходных окон. Снаружи вытяжной башни над воздуховходными окнами находится система распределения дымовых газов, выполненная в виде кольцевой трубы с патрубками, выходные отверстия которых вставлены в вытяжную башню.
Установка работает следующим образом. Теплая оборотная вода разбрызгивается внутри вытяжной башни. В результате теплообмена и испарения капли отдают тепло находящемуся внутри вытяжной башни воздуху. Теплый воздух поднимается вверх и выходит через верхний конец баши, при этом в воздуховходные окна поступает поток наружного воздуха, формируемый воздухонаправляющими щитами. Попадая на лопатки ветрового колеса, этот поток вращает его и соединенный с ним генератор, который вырабатывает электроэнергию. Для увеличения температуры воздуха внутри вытяжной башни через патрубки кольцевой трубы в нее подаются дымовые газы. Это приводит к увеличению разности давлений внутри башни и, следовательно, к росту скорости воздушного потока как внутри башни, так и скорости потока наружного воздуха, поступающего в воздуховходные окна, в результате чего повышается энергоэффективность и тепловой КПД градирни.
Недостатком установки является узкая область ее применения, в частности невозможность использования для башенных градирен атомных станций, где нет дымовых газов.
Задачей изобретения является расширение области применения энергетических систем, утилизирующих низкопотенциалное тепло, в частности, для повышения эффективности и теплового КПД испарительных градирен атомных станций.
Техническим результатом изобретения является повышение энергоэффективности и теплового КПД градирен атомных станций.
Технический результат достигается тем, что в аэродинамическую установку, содержащую вытяжную башню с воздуховодными окнами в ее основании и воздухонаправляющими щитами, ветровое колесо с вертикальной осью вращения, расположенное внутри башни, соединенное с генератором, и распределительную систему, выполненную в виде кольцевой трубы с патрубками, выходные отверстия которых вставлены внутрь вытяжной башни, вводится тепловой насос, горячий теплообменник которого трубопроводом через вентилятор соединен с распределительной системой.
В аэродинамической градирне с тепловым насосом патрубки распределительной системы выполнены поворотными.
Введение теплового насоса позволяет использовать низкопотенциальное тепло оборотной воды для получения горячего воздуха, который вводится внутрь вытяжной башни для увеличения скорости воздушного потока внутри нее, в результате чего увеличивается энергоэффективность и тепловой КПД градирни.
Поворотные патрубки позволяют равномерно подавать горячий воздух внутрь вытяжной башни.
Изобретение поясняется схемой аэродинамической градирни с тепловым насосом, представленной на фиг.1.
Аэродинамическая градирня с тепловым насосом содержит вытяжную башню 1, в основании которой находятся воздуховходные окна 2 с воздухонаправляющими щитами 3, расположенными снаружи вытяжной башни 1. Внутри нее находится ветровое колесо 4 с вертикальной осью вращения, соединенное генератором 5. Лопасти ветрового колеса 4 расположены и вращаются напротив воздуховходных окон 2. Снаружи вытяжной башни 1 над воздуховходными окнами 2 находится распределительная система горячего воздуха 6, выполненная в виде кольцевой трубы с поворотными патрубками 7, выходные отверстия которых вставлены внутрь вытяжной башни 1. Поворотные патрубки 7 устанавливаются под углом 30-45 угл. градусов к радиусу башни для равномерной подачи горячего воздуха. Распределительная система 6 соединена трубопроводом через вентилятор 8 с горячим теплообменником 9 теплового насоса 10. Тепловой насос 10 представляет собой холодильный агрегат, в конструкцию которого входит горячий теплообменник-испаритель 9. Тепловой насос 10 преобразует низкопотенциальное тепло оборотной воды в более высокотемпературное тепло, которое выделяется на горячем теплообменнике 9.
Аэродинамическая установка с тепловым насосом работает следующим образом. Теплая вода в виде мелких капель разбрызгивается внутри вытяжной башни 1. Капли воды, падая и испаряясь, отдают тепло находящемуся внутри башни воздуху. Нагретый воздух поднимается вверх и выходит через верхний конец вытяжной башни 1, создавая внутри нее вертикальный воздушный поток, при этом через воздуховходные окна 2 в башню 1 поступает наружный воздух, который формируется воздухонаправляющими щитами 3. Этот воздушный поток, попадая на лопатки ветрового колеса 4, вращает его и соединенный с ним генератор 5, вырабатывающий электроэнергию. Для увеличения скорости воздушного потока внутрь вытяжной бани 1 с помощью распределительной системы 6 через поворотные патрубки 7 подается горячий воздух. Горячий воздух поступает в распределительную систему 6 по трубопроводу с помощью вентилятора 8, продувающего наружный воздух через горячий теплообменник 9 теплового насоса 10. Для равномерной подачи горячего воздуха внутрь вытяжной башни 1 поворотные парубки 7 устанавливаются в диапазоне 30-45 угл. градусов по отношению к радиусу вытяжной башни 1.
Был построен макет аэродинамической установки с распределительной системой, в которую подавался горячий воздушный поток от тепловой пушки, имитирующей работу теплового насоса и вентилятора. Проведены эксперименты по визуализации горячего воздушного потока, поступающего в макет вытяжной башни. В качестве визуализатора использовалась воздушно-капельная смесь, получаемая с помощью ультразвукового увлажнителя. Эксперименты показали, что наиболее равномерно горячий воздушный поток поступает в вытяжную башню при расположении патрубка в диапазоне 30-45 угл. градусов по отношению к радиусу вытяжной башни. Кроме того, было показано, что горячий воздух уменьшает влажность воздуха, выходящего из вытяжной башни, что важно с экологической точки зрения.
Преобразованное с помощью теплового насоса низкопотенциальное тепло оборотной воды предлагается использовать для повышения эффективности и теплового КПД градирен атомных станций в летнее время, когда разница температур оборотной воды и окружающего воздуха небольшая. В зимнее время преобразованное тепло оборотной воды можно использовать для нужд горячего водоснабжения.