Спосіб вироблення теплової енергії

1. Спосіб вироблення теплової енергії, що включає спалення газоподібного чи рідинного палива в пристрої, куди подають цільовий теплоносій, в якому акумулюють теплову енергію шляхом теплообміну в процесі спалення палива і в процесі теплообміну з продуктами згорання, який відрізняється тим, що паливо спалюють в двигуні внут 3 В комунальній сфері України знаходиться 14 тисяч котелень, що укомплектовані біля 50 тисячами котлів, основне призначення яких - теплопостачання населенню. Перевитрата палива внаслідок незадовільної ефективності котелень перевищує 15%. Це обумовлює високу собівартість виробленої комунальними підприємствами теплоти, високі тарифи і ненадійність теплопостачання. Не важко оцінити актуальність проблеми удосконалення технології вироблення теплової енергії. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення технології вироблення теплової енергії з метою зменшення витрати палива на вироблення теплоти, зменшення негативного впливу процесу вироблення теплової енергії на навколишнє середовище, покращення економічних показників і підвищення надійності теплопостачання шляхом впровадження в процес видобутку теплової енергії теплонасосних технологій з власним електропостачання для їх здійснення. Поставлена задача вирішується тим, що в способі вироблення теплової енергії, що включає спалення газоподібного чи рідинного палива в пристрої, куди подають цільовий теплоносій, в якому акумулюють теплову енергію шляхом теплообміну в процесі спалення палива і в процесі теплообміну з продуктами згорання, згідно корисної моделі, паливо спалюють в двигуні внутрішнього згорання з системою охолодження, в якому одержують механічну енергію, продукти згорання спрямовують в утилізатор, одержану механічну енергію перетворюють в електричну за допомогою електрогенератора, яку використовують для приводу компресійного теплового насосу і власних потреб теплофікаційного устаткування, а цільовий теплоносій подають в тепловий насос, після чого його послідовно подають як охолоджувач в систему охолодження двигуна і потім в утилізатор, крім того, як варіант, паливо спалюють в газотурбінній установці, а цільовий теплоносій після теплового насосу спрямовують безпосередньо в утилізатор. Спалювати паливо в тепловому двигуні необхідно для одержання механічної роботи, яка необхідна для подальших технологічних процесів видобутку теплової енергії, і для безпосереднього одержання частини теплової енергії шляхом теплообміну в системі охолодження двигуна. Спрямовувати продукти спалення з двигуна в утилізатор необхідно для наступного використання теплової енергії продуктів спалення. Перетворювати одержану в двигуні механічну енергію в електричну необхідно для приводу компресійного теплового насосу, використання якого передбачено запропонованою технологією. Крім того, частину виробленої електричної енергії використовують для власних потреб теплофікаційного устаткування (насосів, приладів, вентиляторів, освітлення). Використання компресійного теплового насосу необхідне, бо саме його використання з дешевим електричним живленням і зв'язком з джерелами низько потенційної теплової енергії призводить до економії палива при виробленні теплової енергії і 43591 4 обумовлює значний економічний та екологічний ефекти. Компресійний тепловий насос повинен мати саме електричний привід для можливості використання для своєї роботи мережевої електроенергії як резервної, а також для використання дешевої мережевої електроенергії по нічному тарифу. Необхідно подавати цільовий теплоносій в тепловий насос, який є першим ступенем підвищення його теплового потенціалу. Використання теплового насосу найбільш ефективне в якості першого ступеня підвищення теплового потенціалу цільового теплоносія. Подавати після теплового насосу цільовий теплоносій в систему охолодження двигуна і утилізатор необхідно для подальшого підвищення його теплового потенціалу спочатку в системі охолодження двигуна шляхом теплообміну в процесі спалення палива в двигуні, а потім в утилізаторі шляхом теплообміну з продуктами згорання. Подавати після теплового насосу цільовий теплоносій в систему охолодження двигуна і утилізатор необхідно послідовно, бо в системі охолодження двигуна цільовий теплоносій використовують як охолоджувач і його температура на вході в систему охолодження лімітована. Догрівання теплоносія до цього рівня найбільш ефективне в тепловому насосі. Лімітована температура теплоносія забезпечує надійне охолодження двигуна і водночас дозволяє найбільш ефективно використати для подальшого підвищення теплового потенціалу теплоносія теплоту системи охолодження двигуна. При великій цільовій тепловій потужності (20 МВт і вище) необхідно паливо спалювати в газотурбінній установці (ГТУ), бо це економічно вигідніше, ніж використання декількох двигунів внутрішнього згорання. При спалюванні палива в ГТУ цільовий теплоносій після теплового насосу необхідно спрямовувати безпосередньо в утилізатор, бо в ГТУ відсутня система охолодження двигуна, при якій міг би бути використаний цільовий теплоносій. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями (Фіг.1 та 2), на яких зображена запропонована технологічна схема вироблення теплової енергії. Паливо спалюють в двигуні внутрішнього згорання (газопоршневому двигуні (ГПД)) (Фіг.1) для вироблення механічної енергії. Одержану механічну енергію з допомогою електрогенератора (стандартне позначення на схемі) перетворюють в електричну, більшу частину якої використовують для приводу компресійного теплового насосу (ТН), а решту - для власних потреб установки та теплофікаційного устаткування (насоси, вентилятори, прилади, освітлення) (крапчасті стрілки на схемі). Продукти згорання (ПЗ) з двигуна з температурою близько 500°С спрямовують в утилізатор (УТ), після якого їх зі зниженою температурою викидають в оточуюче середовище. Цільовий теплоносій подають в компресійний тепловий насос (ТН), який, використовуючи електричну енергію двигуна, споживає низько потенційну теплову енергію, джерелом якої можуть бути повітря, стічні води каналізаційних колекторів, ски 5 дні води промислових підприємств, ріки, водоймища, ґрунтові води та інші джерела. Теплова потужність теплового насосу в 3-5 разів перевищує електричну потужність, яку він споживає. Це основне джерело економії палива в запропонованій технології. В тепловому насосі цільовий теплоносій підвищує свій тепловий потенціал до температури, на яку розрахована система охолодження двигуна (70-80°С). Використання теплового насосу найбільш ефективне в якості першого ступеня нагріву цільового теплоносія. З теплового насосу цільовий теплоносій спрямовують як охолоджувач систему охолодження двигуна, де шляхом теплообміну відбувається подальше зростання теплового потенціалу цільового теплоносія при спаленні палива в двигуні. Після системи охолодження цільовий теплоносій спрямовують в утилізатор (УТ) для остаточного його догрівання шляхом теплообміну з продуктами згорання. Після виходу з утилізатора цільовий теплоносій використовують за призначенням (для гарячого водопостачання, опалення, технологічних потреб і т.і.). Для необхідності одержання теплової потужності більшої за 20 МВт доцільне використання, замість двигуна внутрішнього згорання, газотурбінної установки (ГТУ). При цьому запропонована технологія принципово не змінюється (Фіг.2). Схема дещо спрощується. Внаслідок того, що ГТУ не має такої системи охолодження, де міг би бути використаний цільовий теплоносій, теплоносій після виходу з теплового насосу спрямовують безпосередньо в утилізатор. При цьому немає обмежень на температуру теплоносія на виході з теплового насосу. Низька собівартість власної виробленої електроенергії (в 2-3 рази нижча за тариф на мережеву електроенергію) підвищує економічний ефект як використання теплового насосу, так і обумовлює економічний ефект і підвищення надійності теплопостачання внаслідок заміщення дорогої мережевої електричної енергії, яку використовують в котельнях для роботи теплофікаційного обладнання (насосів, вентиляторів, приладів, освітлення). 43591 6 Електричний привід теплового насосу дозволяє також використовувати дешеву мережеву електроенергію по нічному тарифу, що дозволить вночі знижувати потужність двигуна чи зовсім його відключати з огляду на зниження споживання вночі теплової енергії. При цьому вночі може бути підвищена потужність теплового насосу для компенсації зниження теплової потужності двигуна. Нічне зниження теплової потужності двигуна є ще одним джерелом економії палива. Проведені в Інституті технічної теплофізики НАН України попередні дослідження запропонованої технології показали, що заміна в комунальних підприємствах традиційної технології вироблення теплової енергії, заснованої на використанні теплофікаційних котлів, запропонованою технологією дозволить заощадити на виробленні теплоти до 45% дефіцитного природного газу. При цьому термін окупності основного обладнання для запропонованої технології лежить в межах 4-х років. В масштабах України це величезний економічний ефект. Можна чекати, що оптимальний вибір обладнання і оптимізація ключових технологічних параметрів призведе до ще кращих економічних показників. Природний газ в теперішній час - найбільш поширене паливо в комунальних теплоенергетичних підприємствах. Але при прогресуючому зростанні ціни на газ в якості теплових двигунів в запропонованій технології може бути перспективним використання дизелів і газодизелів на синтетичному паливі (біопаливо). Джерела інформації: 1. В.Я. Рыжкин. Тепловые электрические станции. М.: «Энергия», 1967. 2. А.А. Канаев, М.И. Корнеев. Парогазовые установки. Л.: «Машиностроение», 1974. 3. Міжгалузеві норми витрат палива для опалювальних котлів, які експлуатуються в Україні. УкрНДІінжпроект, Київ, 2002. 4. А.Д. Ионин, Б.М. Хлыбов, И.Н. Братенков, Е.Н. Терлецкая. Теплоснабжение. М.: Стройиздат, 1982. 5. К.Ф. Роддатис, А.Н. Полтарецкий. Справочник по котельным установкам малой производительности. М.: Энергоиздат, 1989. 7 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 43591 8 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