Спосіб генерування теплової енергії в системі комунального теплопостачання

1. Спосіб генерування теплової енергії в системі комунального теплопостачання, з використанням природного газу як палива, що включає спалювання палива у тепловому двигуні з комбінованим циклом для одержання механічної або електричної енергії, теплообмін вихлопних газів теплового двигуна у котлі-утилізаторі для одержання теплоносія для теплових мереж і скидання охолоджених вихлопних газів двигуна в атмосферу, який відрізняється тим, що перед скиданням вихлопні гази піддають додатковому теплообміну для одержання теплоносія, який потім подають в контур випарника теплового насоса, куди одночасно подають теплоносій від додаткових зовнішніх джерел теплоти для подальшої трансформації U 2 (19) 1 3 41949 4 використанні паливом, ніж тверді види палив і тодешевше за електроенергію, що генерується на му, у багатьох випадках, він є практично незамінтеплових конденсаційних електростанціях. ним, особливо у великих опалювальних системах. Проте, створення КОУ на базі котельні комуТеплова ефективність використання природнального теплопостачання, шляхом надбудови ного газу вельми висока - ККД сучасних водонагрікотла енергетичним тепловим двигуном (поршневальних котлів перевищує в деяких випадках 92%. вим або газотурбінним), призведе не до економії Проте, в сучасних економічних умовах, з постійним палива, що використалося в котельні до модернідорожчанням цього палива, вже і така ефективзації, а до його перевитрати за умови збереження ність його використання є недостатньою а можлинезмінної теплової потужності котельні, оскільки, вості вдосконалення котлоагрегатів вельми обмечастина палива в КОУ використовується на виробжені. ництво електроенергії, хоча і з високою ефективніТеплові насоси (далі - ТН) є вельми ефективстю. Тому, КОУ, в класичному виконанні, не може ним способом генерування теплової енергії і тому, служити засобом скорочення об'ємів споживаного останніми роками, їх вживання для цілей теплопокотельнею газу. стачання стає все ширше, оскільки це дозволяє Т.ч. основним недоліком когенерації, так само замінити природний газ на електроенергію для як і всіх вказаних технологій, що використовують виробництва теплоти. спалювання палива для виробництва теплоти, є У термодинамічному плані ТН здійснює цикл, неможливість отримати теплоти більше, ніж визворотний по відношенню до циклу генерування трачена теплота палива (включаючи теплоту, виелектроенергії. При реалізації прямого і зворотнотрачену на виробництво електроенергії, що викого циклів в однаковому температурному діапазоні ристовується, зокрема, ТН). витрати теплоти на виробництво електроенергії в В основу технологічного вирішення, що заявточності рівні теплопродуктивності ТН, що викориляється, поставлена задача підвищення ефективстовує електроенергію вироблювану у прямому ності генерування теплової енергії, при одночасциклі (в ідеальному випадку). Це означає, що в ному зниженні об'ємів спалюваного палива. реальних умовах по ефективності ТН, як генераПоставлена задача вирішується тим, що спотор теплової енергії, поступається ефективності сіб генерування теплової енергії в системі комунакотла, що генерує теплову енергію з такими ж пального теплопостачання, з використанням прирораметрами теплоносія. Тобто, теплота, що генерудного газу як паливо, включає спалювання палива ється ТН, буде більш дорогою, чим теплота вироу тепловому двигуні з комбінованим циклом для блювана котлом, при однакових початкових одержання механічної або електричної енергії, витратах палива. теплообмін вихлопних газів теплового двигуна у Умова ефективного використання електронакотлі - утилізаторі для одержання теплоносія для грівачів для вироблення теплоти таке ж, як для ТН теплових мереж і скидання охолоджених вихлоп- наявність дешевої електроенергії, наприклад них газів двигуна в атмосферу. Відповідно до техтакої, що відпускається за нічним тарифом. У еленологічного вирішення, що заявляється, перед ктронагрівачах для виробництва 1 квт•г теплової скиданням вихлопні гази піддають додатковому енергії витрачається, в кращому разі, 1 квт•г електеплообміну для одержання теплоносія, який потім тричної. По цьому показнику вони поступаються подають в контур випарника теплового насоса, ТН, за допомогою яких, витративши 1 квт•г електкуди одночасно подають теплоносій від додаткороенергії, можна отримати 3-4 квт•г теплової енервих зовнішніх джерел теплоти для подальшої гії в системах гарячого водопостачання і 2-2,5 квт•г трансформації отриманого теплового потоку в - в опалювальних системах. теплові мережі. При цьому, привід теплового наВиробництво теплоти в сонячних колекторах соса здійснюють за рахунок всієї електричної або вимагає великих капіталовкладень і тому не заввсієї механічної енергії, виробленої тепловим движди є економічно виправданим. Крім того, ефектигуном. Кількість теплової енергії, що відбирається вність вживання цієї технології залежить від райовід зовнішніх джерел, визначають із співвідношенну її вживання, а також, від сезону і часу доби. ня: Тому її доцільно застосовувати з іншими технолоQзов = j • N коу - Q скд, гіями у вигляді енергозаощаджувального „доважQзов - кількість теплової енергії, що відбирака". ється від зовнішніх джерел, квт•г; Вельми ефективною є технологія спільного j - коефіцієнт трансформації теплового насовиробництва в єдиному технологічному циклі тепса; лової і електричної енергії (когенерація). Висока Nкоу - вся енергія, вироблена тепловим двигуефективність когенераційних технологій досяганом, квт•г; ється за рахунок зведення до мінімуму скидної Q скд - кількість скидної теплової енергії котлатеплоти циклу (шляхом максимального викорисутилізатора, квт•г. тання теплоти вихлопних газів енергетичного двиТ.ч., відповідно до способу генерування тепгуна для генерування теплоти), внаслідок чого, лової енергії, що заявляється, частина теплоти коефіцієнт корисного використання теплоти паливиробляється у КОУ, а друга частина - за допомова Квт у деяких випадках перевищує 90%, а питомі гою ТН. Для забезпечення функціонування ТН витрати палива на виробництво електроенергії (приводу його компресора) використовують енернаближаються до питомих витрат палива на генегію, що виробляється двигуном КОУ а як джерело рування теплоти у кращих сучасних котлах. тепла для ТН частково використовують високопоТому, електроенергія що генерується в когетенційну теплоту - всю скидну теплоту КОУ, що нераційних установках (далі - КОУ), в 2,5-3 рази викидалася раніше в атмосферу, а частково - ни 5 41949 6 зькопотенційну теплоту від додаткових зовнішніх де: джерел (теплоту навколишнього середовища, або Qзов - кількість теплової енергії, що відбираскидну теплоту інших технологій). ється від зовнішніх джерел і передається у випарЗгідно способу, що заявляється, ТН, викорисний контур ТН, квт•г; товуючи всю електричну енергію, вироблену двиj - коефіцієнт трансформації теплового насогуном КОУ, а також скидну теплоту КОУ і додаткоса; ву теплоту від зовнішніх джерел, в сумі рівну Nкоу - вся енергія (електрична або механічна), скидній теплоті двигуна, генерує теплоту, адекватвироблена тепловим двигуном, квт • г; ну теплоті палива, використаного у двигуні, тобто Qскд - кількість скидної теплової енергії котлаприблизно рівну теплоті, яку можна отримати в утилізатора КОУ, що передається у контур випареквівалентному опалювальному котлі. При цьому, ника теплового насоса, квт • г. за рахунок того ж палива, виробляється додаткова Вироблену теплову енергію QTH тепловий накількість теплоти в котлі-утилізаторі КОУ, тобто сос передає у тепломережу. сумарна кількість теплоти, вироблена за пропоноВикористання скидної теплоти КОУ в ТН, відваною технологією, перевищує кількість теплоти повідно до способу, що заявляється, спрощує защо міститься у використаному паливі. вдання забезпечення його низькопотенційною теЯкщо привід компресора ТН здійснювати безплотою від додаткових зовнішніх джерел. Так, посередньо від двигуна КОУ (за рахунок викорисвикористання у ТН всієї енергії газової турбіни тання його механічної енергії) то ефективність КОУ потужністю 1 Мвт, дозволяє генерувати з його пропонованого способу генерування теплоти зросдопомогою 3 Мвт теплоти для системи гарячого те за рахунок усунення проміжної ланки перетвоводопостачання (при коефіцієнті j = 3). Скидна рення енергії: механічної в електричну і потім теплота вказаної КОУ складає близько 1 Мвт електричної в механічну. (включаючи приховану теплоту паротворення). Т.ч., спосіб генерування теплоти, що заявляОтже, відповідно до співвідношення, що заявляється, є модифікацією когенераційної технології, ється, теплова потужність зовнішнього джерела відповідно до якої, для зовнішнього використання повинна складати: 3-1=2Мвт, тобто майже 67% від виробляється не два види енергії - теплова і елеккількості теплової енергії, що використовується у трична, а лише один - теплова. При цьому, теплотрадиційній схемі ТН від зовнішніх джерел. ти може бути вироблено удвічі більше, ніж у еквіОтже, не дивлячись на те, що в термодинамівалентному опалювальному котлі (при таких чному значенні скидна теплота КУ є для ТН теплосамих витратах палива). тою «навколишнього середовища», її використанСхематично, пристрій, що реалізовує спосіб ня має дві переваги перед іншими генерування теплової енергії, що заявляється, низькопотенційними джерелами: по-перше, її темпредставлено на кресленні. пературний потенціал набагато вищий, що дозвоПристрій складається з КОУ 1, що включає теляє використовувати її з вищим коефіцієнтом пловий двигун 2, електрогенератор 3, котел - утитрансформації, тобто, ефективніше, а по-друге, лізатор (КУ) 4. Пристрій також містить ТН 5, тептехнічна реалізація її використання значно простілообмінник 6 і вихлопну трубу 7. ша, ніж, наприклад, здобуття теплової енергії з Відповідно до способу, що заявляється, палиґрунту, що дозволить істотно здешевити будівницво (природний газ) спалюють у тепловому двигуні тво установки. 2. Це може бути газова турбіна або газопоршневой Пропонований спосіб, на відміну від відомих, двигун. Вихлопні гази двигуна 2 прямують до КУ 4, дозволяє генерувати теплоту в об'ємах, що перещо генерує теплоту Qкоу, що передається в тепловищують теплоту використовуваного палива. мережу. У окремому випадку може бути здійснене Так, наприклад, спалювання 1 квт•г палива у остаточне спалювання палива в КУ. сучасному водонагрівальному котлі дозволяє виСкидна теплота КУ-Qскд, через теплообмінник робити 0,92 квт•г теплової енергії. В той же час, 6, передається в контур випарника ТН. Оскільки використовуючи таку ж кількість палива для генетемпература теплоносія в цьому контурі може бути рування теплоти, за пропонованим способом, моневисокою - менш ніж 10°С (хладагент ТН вибиражна отримати 0,45 - 0,6 квт•г теплоти безпосередється з низькою температурою кипіння), то у тепньо в КОУ і, додатково, від 0,8 квт•г (для лообміннику 6 від вихлопних газів відбирається не опалювальних систем) до 1,4 квт•г теплоти (для лише вся фізична теплота, але і теплота паротвосистем гарячого водопостачання) - за рахунок мерення, витрачена при горінні метану. ханічної або електричної енергії, що виробляється Одночасно, в контур випарника ТН підводять КОУ. Тобто, сумарно, від 1,25 до 2 квт•г теплоти, теплоносій від додаткових зовнішніх джерел, що або в 1,35-2,2 рази більше, ніж в еквівалентному, несе або низькопотенціальну теплоту навколишвідносно палива, котлі. нього середовища (повітря, ґрунту, скельних поВ цілому, така комбінована схема генерування рід, поверхневих вод (водоймів) або ґрунтових вод енергії дозволяє забезпечити номінальну теплову (свердловини), або скидну теплоту інших технолопотужність (тобто, потужність, рівну тепловій потугій. жності еквівалентного котла, що споживає ту саму Кількість теплоти Qзов, що підводиться у випакількість палива, що і КОУ), а також понад 50 - 60 рник ТН від додаткових зовнішніх джерел, визна% електричної енергії, що виробляється КОУ. Або чають із умови, щоб вся підведена теплота Qскд + виробити теплоти до 100 - 120 % більше для сисQзов була адекватною всій енергії, виробленій двитем гарячого водопостачання і до 40% більше для гуном КОУ Nкоу, а саме: опалювальних систем, у порівнянні з еквівалентj • N коу - Q скд, Qзов = 7 41949 8 ним котлом, при повному використанні енергії, що 3. Электрокотлы для любых помещений генерується двигуном КОУ. http://www.topka.ru/catalog/detail.php?ID= 1543 Джерела інформації: 4. Солнечные коллекторы - реальные перспе1. Фокин В.М. Теплогенерирующие установки ктивы http://solar.atmosfera.ua/ru/solnechnyeсистем теплоснабжения. 2006 г. http://03-ts.ru kollektory-realnye-perspektivy/ 2. Принцип работы теплового насоса. solarpol5. ПатентRU№ 2114316 СІ, МПК6 F02C 6/18, ua.com.ua/rus/news/9/ опубл. 27.06.1998 р. Комп’ютерна верстка В. Мацело Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601