Результат интеллектуальной деятельности: ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к энергетическим установкам, предназначенным для совершения механической работы, например для получения электрической энергии.

Известна энергетическая установка, содержащая снабженную выходом на полезную нагрузку парогазовую установку с вводом пара, выход которой подключен к первому входу подогревателя, выход которого подключен к первому входу конденсатора, первый выход которого сообщен с окружающей средой, первый контур циркуляции воды, подключенный ко второму входу и второму выходу конденсатора, включающий последовательно соединенные первый насос и холодильник, по его первому входу и первому выходу, а также второй контур циркуляции воды, подключенный ко входу ввода пара парогазовой установки и к первому контуру циркуляции воды, включающий последовательно соединенные второй насос и подогреватель, по его второму входу и второму выходу (см. заявку Великобритании 2074659, кл. F01K 21/04, опубл. 04.11.81).

Недостатками известной установки являются большие потери тепла с отходящей парогазовой смесью и большие потери воды из-за низкой эффективности работы холодильника.

Известна также энергетическая установка, содержащая снабженную выходом на полезную нагрузку парогазовую установку с вводом пара, выход которой подключен к первому входу подогревателя, первый выход которого подключен к первому входу конденсатора, первый выход которого сообщен с окружающей средой, первый контур циркуляции воды, подключенный ко второму входу и второму выходу конденсатора, включающий последовательно соединенные первый насос и холодильник, по его первому входу и первому выходу, а также второй контур циркуляции воды, подключенный ко входу ввода пара парогазовой установки и к первому контуру циркуляции воды, включающий последовательно соединенные второй насос и подогреватель, по его второму входу и второму выходу (см. а.с. СССР 547121, кл. F01 21/04, опубл. 07.12.82).

Недостатками известной установки являются большие потери тепла с охлаждающей водой и большие потери воды из-за низкой эффективности работы холодильника. Это объясняется тем, что при работе известного устройства большое количество тепла сбрасывается в атмосферу, а при ограничении сброса тепла в атмосферу не вся вода из парогазовой смеси извлекается в конденсаторе и также выбрасывается в атмосферу.

Наиболее близкой к предложенной энергетической установке является энергетическая установка, содержащая парогазовую турбину, выполненную с возможностью привода потребителя механической энергии и компрессора, выполненного с возможностью отбора воздуха из атмосферы, выход которого сообщен с камерой сгорания топлива, связанной с источником топлива и источником пара, выход которой сообщен со входом парогазовой турбины, кроме того, в состав установки включено средство утилизации тепла отходящих газов, выполненное с возможностью его использования в качестве источника пара (см. Степанов И.Р. «Парогазовые установки. Основы теории, применение и перспективы», Апатиты, 2000, 100-103 стр.).

Существенными недостатками этого решения являются большие затраты обессоленной воды и низкий КПД установки, связанные с уходящей вместе с паром теплотой.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является уменьшение потерь тепла и воды в окружающую среду.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в увеличении коэффициента использования тепла установки (отношение суммы мощности, отводимой от турбины на потребитель, и теплоты, отведенной от конденсатора на технологические нужды, к теплоте сгорания топлива в камере сгорания). Решение позволяет значительно расширить область применения установок данного типа, отсекая необходимость наличия источника пресной воды в районе применения установки. Это также уменьшает вредное воздействие установки на окружающую среду, уменьшая массу рабочего тела, выводимого из цикла.

Поставленная задача решается тем, что энергетическая установка, содержащая парогазовую турбину, выполненную с возможностью привода потребителя механической энергии и компрессора, выполненного с возможностью отбора воздуха из атмосферы, выход которого сообщен с камерой сгорания топлива, связанной с источником топлива и источником пара, выход которой сообщен со входом парогазовой турбины, кроме того, в состав установки включено средство утилизации тепла отходящих газов, выполненное с возможностью его использования в качестве источника пара, отличается тем, что установка снабжена тепловым насосом, контур которого включает испаритель, конденсатор и дополнительный компрессор, выполненный с возможностью привода от парогазовой турбины, при этом выход дополнительного компрессора через теплоотдающий контур испарителя и дроссельный клапан сообщен с тепловоспринимающим контуром конденсатора, выход которого сообщен со входом дополнительного компрессора, причем контур теплового насоса сообщен с расходной цистерной хладагента, кроме того, на газоотводящей линии между выходом парогазовой турбины и теплоотдающим контуром конденсатора размещен теплоотдающий контур теплообменника, при этом, газовый выход конденсатора сообщен с атмосферой, а его конденсатный выход связан с конденсатоотводчиком, который через линию, включающую насос и последовательно связанные тепловоспринимающие контуры теплообменника и испарителя, сообщен с камерой сгорания. Кроме того, газовый выход конденсатора снабжен вакуумным насосом. При этом линия, связывающая выход тепловоспринимающего контура конденсатора и вход дополнительного компрессора, выполнена с возможностью отвода тепла на технологические нужды.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признак «…установка снабжена тепловым насосом…» обеспечивает возможность утилизации тепла, содержащегося в сбрасываемом (исходящем) объеме рабочего тела - парогазовой смеси.

Признаки, указывающие, что контур теплового насоса включает «испаритель, конденсатор и дополнительный компрессор, выполненный с возможностью привода от парогазовой турбины, при этом выход дополнительного компрессора через теплоотдающий контур испарителя и дроссельный клапан сообщен с тепловоспринимающим контуром конденсатора, выход которого сообщен со входом дополнительного компрессора», обеспечивают отбор тепла, содержащегося в сбрасываемом (исходящем) объеме рабочего тела - парогазовой смеси в контур теплового насоса.

Признак, указывающий, что контур теплового насоса «сообщен расходной цистерной хладагента», обеспечивает поставку рабочего тела, используемого в контуре теплового насоса и служащим охладителем в конденсаторе, а также уменьшает массу хладагента, сжимаемого в компрессоре теплового насоса.

Признак, указывающий, что «на газоотводящей линии между выходом парогазовой турбины и теплоотдающим контуром конденсатора размещен теплоотдающий контур теплообменника», обеспечивает утилизацию тепла сбрасываемого (исходящем) объеме рабочего тела - парогазовой смеси, при ее исходных температурных параметрах (ее максимальной температуре).

Признак «…газовый выход конденсатора сообщен с атмосферой…» обеспечивает сброс в атмосферу обезвоженной газовой компоненты исходящей парогазовой смеси.

Признак, указывающий, что конденсатный выход конденсатора «связан с конденсатоотводчиком» обеспечивает возврат конденсировавшейся воды в тепловоспринимающий контур теплообменника.

Признак, указывающий, что конденсатоотводчик «…сообщен с камерой сгорания…», обеспечивает возможность формирования в ней рабочего тела - парогазовой смеси.

Признаки, указывающие, что конденсатоотводчик сообщен с камерой сгорания «линией, включающей насос и последовательно связанные тепловоспринимающие контуры теплообменника и испарителя», обеспечивают формирование пара из конденсата, за счет утилизации тепла сбрасываемого (исходящем) объеме рабочего тела - парогазовой смеси.

Признаки второго пункта формулы изобретения конкретизируют возможный вариант сброса в атмосферу продуктов сгорания топлива.

Признаки «…линия, связывающая выход тепловоспринимающего контура конденсатора и вход дополнительного компрессора, выполнена с возможностью отвода тепла на технологические нужды…» обеспечивают отвод неутилизируемой части тепла на технологические и бытовые нужды, например на опреснение воды.

На фиг.1 показана схема энергетической установки.

На чертеже показаны средство отбора атмосферного воздуха 1, камера сгорания 2, компрессор 3, источник топлива 4 и пароподводящая линия 5, парогазовая турбина 6, потребитель механической энергии 7, теплообменник 8, конденсатор 9, вакуумный 10 и питательный 11 насосы, испаритель 12, расходная цистерна 13 хладагента, дополнительный компрессор 14, а также теплонасосная линия 15, трубопровод 16, конденсатоотводчик 17, дроссельный клапан 18, технологические потребители 19.

Энергетическая установка содержит парогазовую турбину 6, выполненную с возможностью привода потребителя механической энергии 7 (например, электрогенератор или движитель судна) и компрессора 3, выполненного с возможностью отбора воздуха из атмосферы (например, фильтр), выход которого сообщен с камерой сгорания 2 топлива, связанной с источником топлива 4 и источником пара (пароподводящая линия 5), выход которой сообщен со входом парогазовой турбины 6. В состав установки включено средство утилизации тепла отходящих газов, выполненное с возможностью его использования в качестве источника пара. Для этого установка снабжена тепловым насосом, контур которого включает испаритель 12, конденсатор 9 и дополнительный компрессор 14, выполненный с возможностью привода от парогазовой турбины 6. Выход дополнительного компрессора 14 через теплоотдающий контур испарителя 12 и дроссельный клапан 18 сообщен с тепловоспринимающим контуром конденсатора 9, выход которого сообщен со входом дополнительного компрессора 14. Контур теплового насоса сообщен с источником рабочего тела, используемого в контуре теплового насоса и служащим охладителем в конденсаторе, расходной цистерной 13 хладагента (например, водяной). На газоотводящей линии между выходом парогазовой турбины 6 и теплоотдающим контуром конденсатора 9 размещен теплоотдающий контур теплообменника 8, при этом, газовый выход конденсатора 9 сообщен с атмосферой, а его конденсатный выход связан с конденсатоотводчиком 17, который через линию, включающую насос 11 и последовательно связанные тепловоспринимающие контуры теплообменника 9 и испарителя 12, сообщен с камерой сгорания 2. Кроме того, газовый выход конденсатора 9 может быть снабжен вакуумным насосом 10. При этом линия, связывающая выход тепловоспринимающего контура конденсатора 9 и вход дополнительного компрессора 14, выполнена с возможностью отвода тепла на технологические и бытовые нужды технологическим потребителям 19, например, для опреснения воды.

Энергетическая установка работает следующим образом. Атмосферный воздух очищают в фильтре 1, сжимают компрессором 3 и направляют в камеру сгорания 2, куда подводят топливо из источника топлива 4. В зону горения из пароподводящей линии 5 подводят пар. Парогазовую смесь высокой температуры по трубопроводу 16 подают в парогазовую турбину 6. Работу парогазовой турбины 6 используют для сжатия воздуха в компрессоре 3 и подачи потребителю механической энергии 7. Расширившуюся (отработанную) парогазовую смесь по трубопроводу 16 парогазовой смеси направляют в теплообменник 8, где утилизируют тепло отработанной парогазовой смеси. Из теплообменника 8 парогазовую смесь направляют в конденсатор 9, конденсируют паровую составляющую парогазовой смеси, а продукты сгорания топлива вакуумным насосом 10 (или непосредственно) отводят в атмосферу. Сконденсировавшийся пар посредством конденсатоотводчика 17 отбирают из конденсатора 9 и подают в питательный насос 11, который повышает давление конденсата. Затем через теплообменник 8 и испаритель 12 пар направляют в камеру сгорания 2. Теплота конденсации пара отводится из конденсатора 9 хладагентом теплового насоса. Хладагент из конденсатора 9 по теплонасосной линии 15 поступает на вход дополнительного компрессора 14, кинематически связанного с валом парогазовой турбины 6, затем сжатый в компрессоре хладагент с выхода компрессора 14 через теплоотдающие контуры испарителя 12, дроссель 18, поступает в конденсатор 9. При этом в теплообменнике 8 отработавшая парогазовая смесь нагревает конденсат, а в испарителе 12 хладагент испаряет и перегревает пар. Так как при конденсации пара в конденсаторе 9 при низком давлении хладагенту отдается больше теплоты, чем возможно передать в испарителе 12, в теплонасосную линию включены подвод от расходной цистерны 13 и отвод на технологические потребители 19.

Расчеты показывают, что в предлагаемой энергетической установке при использовании в качестве хладагента в тепловом насосе воды, коэффициент использования тепла установки превышает 90% при значительном сокращении выбросов в окружающую среду.