Эжекторный газовый теплоэлектрогенератор

Изобретение относится к энергетике, а именно к системам генерации тепла и электроэнергии.

Обогрев помещений в стране из-за условий нашего климата всегда находился на первом месте. В различное время для этих целей применялись самые разнообразные устройства - от печки до калорифера. У каждого из них имелся один большой недостаток - низкая мощность и, как следствие, большой промежуток времени, необходимый для достижения комфортной температуры в отапливаемом помещении. Именно это привело к быстрому росту потребности такого вида обогревателя, как тепловая пушка.

Появление первых тепловых пушек на дизельном и газовом топливе с теплообменниками и вентиляторами для подачи тепла в дома и большие помещения сразу сделано их популярными, так как далеко не все постройки имеют централизованное отопление, и еще из-за мобильности и эффективности этих обогревателей. Все эти причины сформировали стабильный, увеличивающийся с каждым годом спрос.

Однако, указанные устройства генерируют только тепло и не генерируют электроэнергию. Использование тепловой пушки также для получения электроэнергии расширит ассортимент тепловой техники и еще более увеличит спрос на такие генераторы.

Одновременное получение тепла и электроэнергии от газовой тепловой пушки и превращения ее в когенератор является весьма актуальной задачей автономной малой энергетики.

Наиболее близким, по технической сущности к предлагаемому изобретению является когенерационная микротурбина на газе и жидком топливе, которая, помимо тепла, также генерируют электроэнергию. [www.bpcenergy.ru/equipment/capstone/, www.manbw.ru/analitycs/capstone.html].

Недостатком известной микротурбины является то, что она имеет электрический КПД преобразования тепла менее 30%.. Недостатками известного устройства являются также высокие затраты на энергоносители, низкая эффективность, загрязнение окружающей среды продуктами сгорания.

КПД микротурбин достигается за счет использования рекуператора тепла отходящих газов и без рекуператора не может иметь приемлемое значение, поэтому микротурбинные установки без рекуператоров не применяются. Отвод тепловой энергии от сгораемого топлива к воздуху в микротурбинах происходит через теплообменник с последующим нагнетанием теплого воздуха в отапливаемое помещение.

Задачей предлагаемого изобретения является достижение автономности работы, экономия жидкого топлива (дизельного, керосина) и уменьшение загрязнения окружающей среды продуктами сгорания за счет замены жидкого топлива более экологически чистым и дешевым газовым топливом и более эффективного использования топлива.

В результате применения предлагаемого изобретения происходит прямое использование тепловой энергии отходящих продуктов внешнего сгорания топлива при одновременном получении тепла и электроэнергии за счет формирования смешанного потока из продуктов сгорания газа и воздуха в камере смешения эжектора., который используется для работы турбины и идет на отопление.

Технический результат достигается тем, что предлагаемый эжекторный газовый теплоэлектрогенератор (ЭТЭГ), состоящий из газовой горелки с вентилятором, воздуховодов, согласно изобретению, содержит турбину, воздушный компрессор, электрический генератор, эжектор, выполненный с камерой смешения для формирования смешанного потока продуктов сгорания топлива с воздухом, который поступает в камеру смешения по воздуховоду от компрессора, при этом получаемая в камере смешения эжектора горячая газо-воздушная смесь используется для работы турбины, которая служит для привода находящихся с ней на одном валу воздушного компрессора и электрического генератора и для переноса тепла в отапливаемые помещения.

В ЭТЭГ на базе газовой тепловой пушки предусмотрено использование компрессора, турбины и эжектора для создания разрежения в горелке, а также для смешивания продуктов внешнего сгорания топлива с воздухом. Целью создания разрежения в горелке является подсос воздуха из окружающей среды для горения газа. Целью смешивания продуктов сгорания топлива с воздухом в эжекторе является обеспечение работы турбины на получаемой горячей газо-воздушной смеси и обеспечение теплом отапливаемых помещений.

В этом состоит отличие ЭТЭГ с внешним сгоранием топлива от микротурбины, в которой сгорание топлива производится в камере сгорания, в предварительно сжатом воздухе, а получение полезной работы происходит при расширении продуктов сгорания в турбине.

При разработке эжекторного теплоэлектрогенератора предлагается использовать простой газовый нагреватель воздуха прямого действия, т.е. не имеющий теплообменника. Такие устройства безопасны, количество выделяемых ими вредных веществ такое же, как и у обычной газовой плиты.

Принцип действия эжектора основан на преобразовании потенциальной энергии давления рабочего потока в кинетическую энергию, передаче части кинетической энергии от рабочего потока к эжектируемому потоку при смешении потоков и дальнейшем преобразовании кинетической энергии потока смеси в потенциальную энергию давления.

Обычно давление смешанного потока на выходе из струйного аппарата (эжектора) выше давления эжектируемого потока перед аппаратом, но ниже давления рабочего потока.

В ЭТЭГ подвод тепловой энергии к рабочему телу для турбины производится путем смешивания продуктов сгорания топлива с воздухом в камере смешения эжектора. Горячая газо-воздушная смесь после сжатия в диффузоре эжектора направляется на лопатки турбины, в которой получается механическая энергия в виде крутящего момента на валу для привода компрессора и электрического генератора. Компрессор служит для создания давления в воздушном потоке, движущемся с большей скоростью через сопло эжектора и создающего разрежение, необходимое для работы горелки после выхода ЭТЭГ на рабочий режим.

Помимо горячей газо-воздушной смеси в зону разрежения - камеру смешения эжектора через горелку поступает также атмосферный воздух, обладающий потенциальной энергией давления от гравитационного сжатия, уменьшая тем самым затраты энергии на подвод газо-воздушной смеси к турбине.

В ЭТЭГ потенциальная энергия окружающей среды и тепловая энергия смеси воздуха и продуктов сгорания топлива преобразуются в кинетическую энергию общего потока смеси, которая также используется для воздействия на лопатки турбины.

За счет экономии энергии на подачу воздуха для горения газа при атмосферном давлении и без применения дожимного компрессора получается повышенный КПД преобразования энергии топлива, чем в ГТД. В ГТД продукты сгорания получаются при постоянном давлении сгорания топлива, а для подачи в камеру сгорания воздуха используется компрессор для его предварительного сжатия с немалой затратой (до 70%) энергии турбины согласно термодинамическому циклу Брайтона. В итоге, на получение газо-воздушной смеси в ЭТЭГ затрачивается меньше энергии, чем расходуется энергии турбины на работу воздушного и дожимного газового компрессоров в ГТД, что ведет к повышению общего КПД ЭТЭГ.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, на котором представлена общая схема эжекторного газового теплоэлектрогенератора.

Теплоэлектрогенератор содержит газовую горелку 1 с вентилятором 2, эжектор 3 с камерой смешения 4, турбину 5, воздушный компрессор 6, воздуховод 7 для подачи воздуха от компрессора 6 к эжектору 3, электрический генератор 8. Воздушный компрессор 6 и электрический генератор 8 имеют общий вал с турбиной 5, имеется воздуховод 9 для подачи теплого воздуха в отапливаемые помещения.

Работает эжекторный газовый теплоэлектрогенератор следующим образом.

Перед розжигом газовой горелки 1 запускается вентилятор 2, воздух проходит через горелку 1 и поступает на турбину 5, которая раскручивается вместе с компрессором 4 и генератором 8. Воздух от компрессора 4 подается по воздуховоду 7 в сопло эжектора 3, которое создает разрежение в камере смешения 4 и самой горелке 1, увеличивая поток воздуха через горелку 1. Затем в горелку 1 подается и поджигается топливо (газ) и начинается процесс горения с использованием на горение топлива воздушного подпора от вентилятора 2 и разрежения от эжектора. Продукты сгорания топлива с высокой температурой поступают от горелки 1 в камеру смешения 4 эжектора 3, в которой происходит смешивание продуктов сгорания с воздухом, проходящим через сопло эжектора 3. Рабочая смесь из воздуха и горячих продуктов сгорания с высоким теплосодержанием подается на турбину 5, мощность турбины 5, частота вращения турбины 5 с компрессором 6 и расход воздуха через сопло эжектора 3 увеличиваются. Разрежение в горелке 2 возрастает и поступающего из атмосферы воздуха становится достаточно для обеспечения автономного горения при полном сгорании топлива в горелке 1. Отходящая от эжектора горячая газо-воздушная смесь с большим содержанием чистого воздуха, совершает работу в турбине 5, которая осуществляет привод компрессора 6 и электрического генератора 8. После турбины 5 рабочая смесь расширяется и с пониженной температурой и остаточным давлением нагнетается по воздуховоду 9 в отапливаемые помещения. Электрический вентилятор 2 отключается. Теплоэлектрогенератор выходит на режим автономного поддержания работы.

В процессе работы предлагаемого эжекторного газового теплоэлектрогенератора происходит более эффективное использование тепловой энергии продуктов сгорании топлива при одновременном получении тепла и электроэнергии. Это достигается благодаря прохождению двух термодинамических процессов в работе эжектора 3, связанных с использованием воздуха окружающей среды. Основная часть воздуха поступающего из атмосферы, засасывается компрессором 6, сжимается и под давлением поступает в сопло эжектора 3, при истечении из которого создает разрежение в камере смешения 4 эжектора 3. Под воздействием разрежения в эжекторе 3 воздух также засасывается из окружающей атмосферы, проходя через горелку 1, и используется на горение топлива в горелке 1. Получаемые продукты сгорания топлива за счет разрежения засасываются в камеру смешения 4, смешиваются с воздухом, и горячая газо-воздушная смесь после эжектора поступает в турбину. Но, учитывая то, что атмосферный воздух обладает потенциальной энергией давления от гравитационного сжатия, он легко засасывается в горелку под одновременным воздействием разрежения в эжекторе 3 и давления окружающей атмосферы. Использование давления окружающей среды позволяет уменьшить затраты энергии на подачу сжатого воздуха от компрессора 6 для создания разрежения в эжекторе 3, а также подвести больше энергии к генератору 8 и увеличить его мощность при сохранении мощности турбины 5, работающей на горячей газо-воздушной смеси.

В результате за счет экономии энергии на привод компрессора 6 повышается электрический КПД автономного ЭТЭГ.

Отходящая от турбины 5 рабочая смесь газов с большим содержанием воздуха и незначительным содержанием СО₂ под остаточным давлением, при умеренной температуре поступает по воздуховоду 9 в теплицы, сушильные и другие отапливаемые помещения без использования вентилятора. Учитывая небольшое содержание CO₂ в продуктах сгорания и повышенное содержание воздуха в отходящей смеси газов, смесь может также нагнетаться в проветриваемые жилые помещения.

Область применения теплоэлектрогенераторов: системы воздушного отопления и электроснабжение сельскохозяйственных объектов (фермы, мастерские, зернохранилища, овощехранилища, сушилки фруктов, грибов) и жилых домов, ангаров, складских помещений, бытовок в арктических условиях эксплуатации и как автономное энергетическое средство для тепличных хозяйств.

При использовании природного газа низкого давления, сгораемого при атмосферном давлении без применения дожимного компрессора, появляется возможность иметь свою электростанцию и источник тепла в каждом доме, а также источник энергии для зарядки аккумуляторов электромобиля или другого транспортного средства с приемлемой эффективностью преобразования энергии топлива.