Seleção de equipamentos de trigeração. Fontes alternativas de fornecimento de energia Trigeração (produção combinada de eletricidade, calor e frio) - apresentação

Descrição:

Com o aproveitamento integral da energia elétrica e térmica gerada, são alcançados elevados indicadores econômicos do sistema, e a alta eficiência energética garante, por sua vez, uma redução no período de retorno dos recursos investidos em equipamentos.

Produção conjunta de calor e eletricidade

Sistemas de cogeração para calor e energia: Equilibrando a relação entre calor e energia produzidos

A. Abedin, Membro da Sociedade Americana de Engenheiros de Aquecimento, Refrigeração e Ar Condicionado (ASHRAE)

Nos sistemas de cogeração descritos, o combustível primário é consumido para a produção simultânea de energia elétrica ou mecânica (potência) e energia térmica útil. Neste processo, é fundamental que o mesmo combustível funcione “duas vezes”, o que garante alta eficiência energética dos sistemas.

Com o aproveitamento integral da energia elétrica e térmica gerada, são alcançados elevados indicadores econômicos do sistema, e a alta eficiência energética garante, por sua vez, uma redução no período de retorno dos recursos investidos em equipamentos.

A configuração do sistema de produção conjunta (cogeração) de calor e electricidade é determinada pela medida em que as cargas reais de calor e electricidade correspondem à produção de calor e electricidade. Se existir um mercado pronto para consumir calor ou electricidade em excesso, equilibrar a relação entre calor e electricidade não é crítico para o sistema.

Por exemplo, se a electricidade puder ser consumida (em condições aceitáveis), então a base para o funcionamento do sistema de cogeração é a necessidade de energia térmica local (o sistema é concebido para fornecer uma carga térmica). O excesso de eletricidade pode ser vendido e a sua escassez pode ser compensada por compras de outras fontes. Como resultado, é garantida uma elevada eficiência energética e a proporção real de geração de calor e eletricidade para a central corresponde às necessidades do local da instalação.

Como exemplo de relação efetiva entre energia térmica e elétrica, considere uma caldeira a vapor que produz 4.540 kg de vapor por hora, fornecida a uma pressão de cerca de 8 bar, e para isso consome 4.400 kW de energia de gases de combustão (com uma caldeira média eficiência de 75%). Com a mesma quantidade de energia de gás combustível consumida em uma turbina a gás padrão de 1,2 MW, a quantidade necessária de vapor pode ser gerada pela recuperação do calor residual. Como resultado, cerca de 1.100 kW de eletricidade podem ser gerados “sem gastar” combustível. Este é um exemplo de uma relação calor/energia muito boa, graças à qual o sistema tem um desempenho económico atrativo.

Imagine agora um chiller de absorção servindo um sistema de ar condicionado com as mesmas necessidades de vapor. Durante a operação em carga parcial, a mesma turbina a gás gera eletricidade de maneira ineficiente (geralmente). Num tal sistema, o calor residual não é totalmente utilizado, a menos que exista algum outro consumidor deste calor no local. Assim, se o sistema for operado em carga parcial por um longo período, seu desempenho econômico não será bom.

O projectista do sistema de cogeração de calor e electricidade deve resolver os difíceis problemas de garantir a relação óptima entre capacidades térmicas e eléctricas, tendo também em conta as variações diárias e sazonais desta relação. A seguir, são considerados métodos típicos para equilibrar a proporção de geração de calor e eletricidade.

Método I: utilização de turbinas a gás e geradores com motores a gás

Comparemos as configurações de uma usina de turbina a gás com alta relação de potência térmica e elétrica e instalações com motores de combustão interna a gás (motor a gás) com baixa relação de potência térmica e elétrica. Como será mostrado abaixo, dependendo das cargas energéticas da instalação, tanto as instalações de turbinas a gás como as de motores a gás podem ser apropriadas.

Exemplo A. Normalmente, num edifício com um sistema de ar condicionado central em condições de pico de projecto, existe uma elevada procura de frio, o que requer uma grande quantidade de energia térmica se os refrigeradores de absorção funcionarem com calor residual co-gerado.

Digamos que no pico da procura, a necessidade de refrigeração no edifício seja de 1.760 kW e cerca de 1.100 kW de energia elétrica.

A planta de turbina a gás pode operar com alta eficiência de cogeração da seguinte forma:

1. Parâmetros de desempenho da turbina a gás a 35°C: 1.200 kW de energia elétrica a 5.340 kW de entrada de energia de gás de combustão (22,5% de geração de energia), saída de vapor 7 kg/s a 540°C.

2. Nas condições do exemplo A, uma caldeira de calor residual fornece um resfriador de absorção de estágio único com aproximadamente 2.990 kW de calor. Com perdas de energia térmica de 7% (por radiação e perdas em tubulações com água quente), para garantir a capacidade de refrigeração necessária do chiller de absorção, a caldeira fornece-lhe água quente com temperatura de 121 °C.

3. A relação entre energia térmica e elétrica (quantidade de energia térmica em unidades britânicas MBtu/h por 1 kWh ) no exemplo A é 8,5 (10 200/1 200).

Exemplo B. Para o mesmo edifício do exemplo A, embora consuma apenas 750 kW de eletricidade e 616 kW de “frio” para ar condicionado durante o funcionamento em carga parcial, a relação entre energia térmica e elétrica é determinada pelos seguintes fatores:

1. Parâmetros de desempenho de uma central eléctrica com motor a gás a 25 °C: 750 kW de energia eléctrica a 2.000 kW de entrada de energia de gases de combustão (geração de electricidade 37,5%), utilização de calor residual da água de arrefecimento no valor de 100 kW do circuito de pós-resfriador e utilização de motor térmico de gases de escape no valor de 500 kW.

2. Com um total de 959 kW de calor recuperado, é possível produzir cerca de 616 kW de frio utilizando um chiller de absorção de estágio único quando lhe é fornecida água quente a uma temperatura de 90 ° C.

3. A proporção de energia térmica e elétrica (a quantidade de energia térmica em unidades de MBtu/h por 1 kW/h) no exemplo B é 4,4 (3.300/750).

A proporção de energia térmica e elétrica muda de 8,5 (para uma planta de turbina a gás) em cargas de pico para 4,4 para uma planta de motor a gás em modo de carga parcial. Uma escolha racional da configuração do sistema de cogeração permite atingir a relação de carga ideal e garantir a maior eficiência na produção conjunta de calor e eletricidade.

Método 2: Usando Chillers Híbridos

Um chiller híbrido é necessário para equilibrar a geração de calor e energia em usinas de cogeração que fornecem recuperação de calor para sistemas centrais de ar condicionado.

Durante períodos de procura de energia relativamente baixa (quando há pouca recuperação de calor disponível para o chiller de absorção), o chiller eléctrico ajuda a equilibrar esta relação aumentando a carga eléctrica e aumentando simultaneamente a quantidade de calor residual para melhorar a eficiência da cogeração.

Método 3: usando um armazenamento de energia térmica

Acumuladores (acumuladores) de energia térmica são utilizados tanto em sistemas de refrigeração quanto em sistemas de fornecimento de calor. A utilização de tanques de armazenamento acumulativos com água quente (temperatura de 85 a 90 ° C) pode “salvar” o calor “residual” existente. O sistema também pode ser projetado para utilizar água quente com temperatura superior a 100 °C (com pressão elevada).

Dado que não é economicamente viável “armazenar” electricidade (especialmente para pequenas centrais de cogeração) para garantir uma elevada eficiência na geração de calor, nessas centrais o excesso de energia térmica deve ser armazenado para satisfazer a procura de electricidade.

A plena utilização do calor dos gases residuais para cogerar calor e energia para sistemas centrais de ar condicionado exige que os chillers que utilizam calor funcionem à capacidade máxima e que qualquer excesso de capacidade de refrigeração seja armazenado como água refrigerada armazenada em tanques de armazenamento.

Isto pode ser feito utilizando tanques de água existentes (por exemplo, concebidos para um sistema de extinção de incêndios) ou tanques especialmente fabricados.

O armazenamento de energia térmica pode ser utilizado para armazenar água quente com uma temperatura na faixa de 85 a 90 °C (a água com essa temperatura é intensamente utilizada, por exemplo, em fábricas têxteis). Como a usina CHP produz água quente continuamente, a água quente pode ser armazenada em tanques para uso industrial.

A figura mostra um diagrama simplificado do sistema de tubulação de uma planta de produção e armazenamento de água quente, que faz parte de uma usina combinada de calor e energia que utiliza um gerador acionado por um motor turboalimentado a gás de 900 kW a uma velocidade de rotação de 1.000 rpm. O diagrama não mostra todas as válvulas de controle e instrumentos necessários para uma operação segura e econômica.

Método 4: Entrada de ar condicionado com turbina a gás

Exemplo A: O ar condicionado de entrada de turbina a gás é uma tecnologia que pode ser usada em grupos geradores de turbina a gás para equilibrar a proporção de calor e eletricidade. Esta tecnologia utiliza o arrefecimento do ar de entrada para aumentar a capacidade em picos de carga no verão (utilizando armazenamento de calor ou refrigeradores em linha que utilizam calor residual) ou aquecimento do ar de entrada para aumentar a eficiência da cogeração em carga parcial, especialmente no inverno (é produzido calor extra). energia por 1 kW de eletricidade).

O resfriamento do ar de entrada aumenta o desempenho e a eficiência do gerador de turbina a gás. É amplamente utilizado em sistemas de cogeração que utilizam calor residual para fornecer água gelada a um abastecimento centralizado.

Nesses sistemas, há ou não armazenamento de energia térmica. Este projeto garante que os geradores de turbina a gás operem de acordo com as cargas exigidas, uma vez que o aumento na geração de energia devido ao resfriamento do ar de entrada também leva a um aumento no calor residual fornecido aos chillers de absorção.

Sob condições de carga parcial, o uso de uma turbina a gás com serpentinas de resfriamento de entrada não é vantajoso, pois a queda de pressão adicional na serpentina de resfriamento (agora supérflua) causa um aumento na produção de calor (aumento do consumo de combustível). Nas centrais de cogeração, a eficiência em carga parcial pode ser melhorada, conforme indicado na tabela, através da utilização de uma turbina a gás convencional de 1.200 kW utilizada numa central de cogeração que produz vapor pressurizado utilizado para fins industriais.

Ao operar a 40% da carga máxima, o pré-aquecimento do ar de entrada da turbina a gás (limitado pelo projeto da planta) pode ser usado para equilibrar a relação calor/eletricidade, já que a eficiência reduzida da turbina a gás resulta em maior calor residual disponível e, como resultado, maior cogeração de eficiência. Afirma-se que a eficiência da produção conjunta de calor e eletricidade aumenta em mais de 15% se, em condições de carga parcial, o ar de entrada for aquecido de 15 a 60 °C. A maioria dos fabricantes de turbinas a gás pode fornecer dados de desempenho para temperaturas do ar de até 60°C. Antes de projetar um sistema com esta capacidade, os limites de aquecimento do ar de admissão devem ser verificados com o fabricante da turbina a gás.

EXEMPLO B Para aumentar a geração de calor "residual" em altas temperaturas, são aplicados gases de exaustão de turbinas a gás enriquecidos com oxigênio, pós-combustão no fluxo de calor residual. Mais calor significa uma relação calor-energia mais elevada, o que melhora a economia do processo de coprodução calor-energia.

Conclusão

Os sistemas combinados de calor e energia funcionam de forma eficiente se toda ou a maior parte da eletricidade e do calor forem utilizados.

Em condições reais, a carga varia, pelo que para a maioria dos sistemas é necessário equilibrar a relação entre a energia térmica e eléctrica produzida, garantindo o funcionamento eficiente e económico da central de cogeração.

Os sistemas de equilíbrio entre calor e energia devem ser adoptados em centrais de cogeração desde o início, para garantir uma utilização óptima da energia eléctrica e térmica produzida e, assim, reduzir os custos de combustível, bem como para melhorar a economia do sistema.

Traduzido com abreviações da revista ASHRAE.

Tradução do inglês L. I. Baranova.

Até à data, vários projetos semelhantes já foram implementados na Rússia. Em particular, a Universidade Corporativa do Sberbank e o recém-construído Estádio Spartak estão equipados com sistemas de trigeração em Moscovo. Existem também exemplos regionais. Assim, reveste-se de particular interesse o centro de trigeração de energia de um grande centro comercial de Perm, que está a ser construído pelo grupo de empresas Carmenta.

A construção de um shopping center de cinco andares na Rua Karpinsky começou em 2013 e deverá ser concluída no início de 2016. A área total da instalação é de 29 mil m 2 . O consumo de energia estimado necessário do centro comercial para eletricidade é de 1.500 kW, para calor - 2.700 kW, para frio - 1.800 kW.

Para garantir o fornecimento de energia a esta instalação, a organização de design Energoplanner LLC selecionou unidades de pistão a gás CHP CE 400 NA da Bosch com uma capacidade de 400 kW em combinação com refrigeradores de absorção LG.

Ao operar uma instalação de pistão a gás (GPU) ou turbina a gás (GTU) com 1 kW de eletricidade gerada, é possível receber de 1 a 2 kW de energia térmica na forma de água quente. Nos centros comerciais, a carga elétrica é bastante uniforme ao longo do ano e a necessidade de frio é comparável à energia elétrica ativa. Da água quente com o auxílio do ABCM obtemos frio com coeficiente médio de 0,75. Assim, dependendo do tipo de usina, de 50 a 100% do frio necessário pode ser obtido a partir do seu calor. O resultado é um sistema extremamente eficiente em termos energéticos. A falta de calor, assim como a reserva, são proporcionadas pelas caldeiras convencionais de água quente, cujo rendimento se aproxima dos 99%.

Ao desenvolver o conceito de refrigeração, foi considerado o uso de chillers de compressão de vapor e de absorção. A escolha foi pela segunda opção devido à sua vantagem em termos de custos operacionais e de capital.

Os chillers de absorção são econômicos e ecologicamente corretos. Eles são simples, confiáveis ​​e não possuem bombas em seu projeto. Sua eficiência térmica geral é alta - até 86%, parte da qual (até 40%) é proveniente de energia elétrica. Em trigeradores baseados em motores de combustão interna, podem ser utilizados sistemas de estágio único e de dois estágios. Como os esquemas de cogeração produzem calor, normalmente na forma de calor de água, é preferível um sistema de estágio único. Junto com a simplicidade, esse esquema permite utilizar mais calor.

Para garantir o fornecimento de energia da instalação, a organização de design selecionou unidades de pistão a gás CHP CE 400 NA da Bosch com uma capacidade de 400 kW em combinação com refrigeradores de absorção LG

As plantas de brometo de lítio de estágio único operam com água quente de baixa temperatura (até 90 °C), enquanto os sistemas de absorção de dois estágios requerem calor em torno de 170 °C, o que é típico para vapor. Um sistema de absorção de estágio único baseado em brometo de lítio é capaz de resfriar água a uma temperatura de 6-8°C e tem um coeficiente de conversão de frio em calor de cerca de 0,7. O fator de conversão do sistema de dois estágios é de cerca de 1,2. Assim, os sistemas de absorção fornecem uma capacidade de resfriamento igual a 0,7-1,2 da potência recebida da fonte de calor. Ao conectar unidades de refrigeração do compressor ao conjunto trigerador, podem ser obtidas temperaturas abaixo de 0 °C.

As características das plantas de trigeração são:

• eficiência (o excesso de calor é utilizado para gerar frio);
• desgaste mínimo (design simples ABKhM);
• barulho baixo;
• respeito ao meio ambiente (a água é usada como refrigerante);
• conjunto alto.

Os chillers de absorção (ABCMs) produzem água gelada usando duas substâncias (por exemplo, água e sal de brometo de lítio) em equilíbrio térmico, que são separadas por aquecimento e depois recombinadas por remoção de calor. O fornecimento e remoção proposital de calor em condições de vácuo em pressões variadas (aproximadamente 8 e 70 mbar) cria um desequilíbrio de substâncias, submetendo-as à força à dessorção ou absorção. Água (refrigerante) e sal de brometo de lítio (absorvente) são comumente usados ​​para produzir água gelada na faixa de temperatura de 6 a 12 °C. Para produzir frio de baixa temperatura até -60 °C, são utilizados amônia (refrigerante) e água (absorvente).

Uma característica das máquinas de refrigeração por absorção é o uso de um compressor termoquímico em vez de um compressor mecânico para comprimir o vapor refrigerante.

A escolha de uma planta de pistão a gás foi realizada de acordo com uma combinação de vários parâmetros, entre os quais foram considerados diversos indicadores de recursos, custo de manutenção e características técnicas e dinâmicas.

Em comparação com opções de instalação alternativas, a Bosch demonstrou uma série de vantagens, incluindo uma maior eficiência de 38,5%, taxas de carga e descarga mais rápidas (40%) e indicadores de recursos mais elevados antes da revisão (44 mil horas). Além disso, sua vantagem significativa era a alta qualidade do fornecimento de energia - cos (qp) ajustável automaticamente com a capacidade de controlar o fornecimento de energia reativa à rede.

No total, está prevista a instalação de três GPUs com capacidade de 400 kW cada e duas máquinas de absorção, uma das quais será equipada com queimador. Para cobrir os picos de consumo de calor, está prevista a instalação de uma caldeira a gás Buderus. Além disso, um gabinete de controle MMS em cascata foi projetado especificamente para este projeto na Alemanha para fornecer operação de emergência. Quanto aos indicadores econômicos do projeto, os custos totais de capital serão de cerca de 85 milhões de rublos com um período de retorno de cinco anos.

De referir que este projecto na área da trigeração foi um projecto piloto para fornecedores de equipamentos e exigiu a resolução de um conjunto de tarefas complexas. Em particular, levou algum tempo para preparar e obter a documentação necessária, realizar treinamento para a organização de projeto e resolver problemas de serviço.

“Este é um projeto marcante, tanto para nós quanto para a empresa.LG na Rússia. A implementação de tais projetos ajuda a demonstrar plenamente as vantagens da tecnologia de trigeração e a qualidade das soluções propostas”- comenta Dmitry Nikolaenko, chefe do mini-CHP da Bosch Thermotekhnika.

Sobre as unidades CHP da Bosch

As unidades de pistão a gás CHP da Bosch são uma das muitas áreas de especialização da Divisão de Termotecnologia da Bosch. São produzidos na faixa de potência de 19 a 400 kW para geração de energia elétrica. Ao mesmo tempo, a poupança inicial de combustível em comparação com a produção separada de calor e electricidade pode atingir 40%. A utilização deste equipamento pode reduzir significativamente a quantidade de emissões de dióxido de carbono. As unidades podem ser fornecidas como um módulo completo e pronto, composto por motor, peças de conexão, gerador, trocador de calor e circuito de refrigeração. Com a ajuda de um sistema de controle, o CHP pode ser combinado com uma caldeira de aquecimento da Bosch, bem como com sistemas de refrigeração.

A invenção refere-se à engenharia de energia térmica. O método para a produção combinada de eletricidade, calor e frio inclui a conversão do calor dos produtos de combustão em energia mecânica usando uma máquina térmica, a conversão de energia mecânica em energia elétrica em um gerador elétrico, a transferência de um refrigerante aquecido em um circuito de refrigeração e exaustão de uma máquina térmica gases utilizando trocadores de calor de pelo menos dois estágios de aquecimento, para aquecimento, abastecimento de água quente e ventilação e para obtenção de frio em máquina de refrigeração por absorção. Parte do refrigerante é desviada para fins de abastecimento de água quente, aquecimento e ventilação antes dos trocadores de calor do segundo e/ou estágios de aquecimento subsequentes, dependendo da temperatura necessária do refrigerante nos sistemas de abastecimento de água quente, aquecimento e ventilação. O restante do refrigerante é alimentado após o trocador de calor do último estágio de aquecimento para a máquina de refrigeração por absorção. O método proposto permite aumentar o coeficiente de desempenho e a produção de ACM frio. 2 doentes.

Desenhos da patente RF 2457352

A invenção refere-se à engenharia de energia térmica e pode ser utilizada na produção combinada de calor, frio e eletricidade.

Método conhecido de funcionamento de uma unidade móvel para produção combinada de eletricidade, calor e frio, em que o gerador converte a energia mecânica do eixo rotativo do motor em eletricidade, os gases de escape que passam pelo trocador de calor emitem calor ao transportador de calor líquido para fornecimento de calor durante o período de aquecimento ou são usados ​​em uma máquina de refrigeração por absorção para refrigeração durante o período de verão.

As desvantagens deste método de funcionamento da instalação incluem a baixa eficiência associada à libertação para a atmosfera de uma parte significativa da energia térmica não utilizada.

Também é conhecido um método de funcionamento da planta, no qual o motor de combustão interna produz energia útil, que é convertida em energia elétrica por meio de um gerador elétrico, o segundo motor de combustão interna é utilizado para acionar o compressor de uma máquina de refrigeração que produz frio durante a estação quente. O calor recuperado da camisa do motor e dos gases de escape é utilizado para fornecer calor aos consumidores durante a estação fria.

As desvantagens do método de funcionamento desta instalação são o aproveitamento incompleto do calor residual dos motores de combustão interna, custos adicionais de combustível para o funcionamento do segundo motor de combustão interna utilizado para acionar o compressor da máquina de refrigeração.

Existe um método conhecido de funcionamento da instalação, que fornece simultaneamente calor/frio e eletricidade, em que o fornecimento de calor durante o período de frio é realizado aproveitando o calor dos gases de escape e o refrigerante do motor de combustão interna, o mecânico a energia do eixo giratório do motor é convertida em eletricidade, o frio é gerado no período quente do ano em um resfriador de compressão.

As desvantagens do método de funcionamento desta instalação incluem baixa eficiência devido ao aproveitamento insuficiente do calor residual do motor de combustão interna, custos significativos de energia para o funcionamento do compressor da máquina de refrigeração.

A solução técnica (protótipo) mais próxima é o modo de funcionamento da instalação de geração de eletricidade, calor e frio, segundo o qual a máquina térmica realiza trabalho mecânico, que é convertido em energia elétrica por meio de um gerador elétrico. O calor residual do óleo lubrificante, refrigerante e gases de exaustão removido através dos trocadores de calor do primeiro, segundo e terceiro estágios de aquecimento do motor térmico é utilizado para fornecer calor aos consumidores. Durante a estação quente, o calor recuperado é parcialmente utilizado para fornecer água quente aos consumidores e parcialmente alimentado na máquina de refrigeração por absorção para fornecer frio ao sistema de ar condicionado.

No entanto, esta solução técnica é caracterizada por uma temperatura relativamente baixa do líquido refrigerante (80°C) fornecido pelo motor térmico, o que leva a uma diminuição no coeficiente de desempenho e na capacidade de refrigeração da máquina frigorífica de absorção.

O objetivo da invenção é aumentar o coeficiente de desempenho e a capacidade de refrigeração aumentando a temperatura do refrigerante fornecido à máquina de refrigeração por absorção.

A tarefa é realizada da seguinte maneira.

No método de produção combinada de eletricidade, calor e frio, incluindo a conversão do calor dos produtos de combustão em energia mecânica por meio de uma máquina térmica, a conversão de energia mecânica em energia elétrica em um gerador elétrico, a transferência de um refrigerante aquecido em o circuito de refrigeração de uma máquina térmica e gases de exaustão utilizando trocadores de calor de pelo menos dois estágios de aquecimento, para aquecimento, abastecimento de água quente e ventilação e para obtenção de frio em uma máquina de refrigeração por absorção, parte do transportador de calor é removida para fins de aquecimento abastecimento de água, aquecimento e ventilação antes dos trocadores de calor do segundo e/ou estágios subsequentes de aquecimento, dependendo da temperatura necessária do refrigerante em sistemas de abastecimento de água quente, aquecimento e ventilação, o restante do refrigerante é fornecido após o aquecimento trocador do último estágio de aquecimento para a máquina de refrigeração por absorção.

Devido à retirada de uma parte do refrigerante para as necessidades de abastecimento de água quente, aquecimento e ventilação, o caudal mássico do refrigerante aquecido fornecido aos permutadores de calor das fases de aquecimento subsequentes diminuirá, o que significa que, todos sendo outras coisas iguais, sem aumentar a área de superfície de aquecimento, a temperatura do transportador de calor aquecido que sai desses trocadores de calor aumenta. O aumento da temperatura do transportador de calor descarregado na máquina de refrigeração por absorção permite aumentar o seu coeficiente de desempenho e, consequentemente, a sua capacidade de refrigeração.

O método proposto para a produção combinada de eletricidade, calor e frio é ilustrado nas Figuras 1 e 2.

A Figura 1 mostra um diagrama de uma das possíveis usinas, que pode ser utilizada para implementar o método descrito.

A Figura 2 mostra a dependência da capacidade relativa de resfriamento da máquina de refrigeração por absorção das temperaturas da água resfriada, de resfriamento e de aquecimento.

A usina contém os seguintes elementos: 1 - compressor de ar, 2 - câmara de combustão, 3 - turbina a gás, 4 - trocador de calor do sistema de lubrificação da turbina (primeiro estágio de aquecimento), 5 - trocador de calor para resfriamento dos discos e pás da turbina (segundo estágio de aquecimento), 6 - gases de saída (exaustão) do trocador de calor (terceiro estágio de aquecimento), 7 - trocador de calor do sistema de fornecimento de calor (aquecimento, ventilação dos consumidores), 8 - refrigerador de absorção, 9 - consumidor de calor ( aquecimento e ventilação), 10 - consumidor de frio, 11 - consumidor de água quente, 12 - torre de resfriamento a seco da usina, 13 - torre de resfriamento da máquina de refrigeração, 14 - bomba do circuito de circulação de água do refrigerador, 15 - bomba do circuito de refrigeração dos consumidores, 16 - bomba do circuito de abastecimento de água quente dos consumidores, 17 - bomba do circuito de fornecimento de calor (aquecimento e ventilação), 18 - bomba do circuito de refrigeração do motor térmico, 19 - gerador elétrico, 20 - trocador de calor do sistema de abastecimento de água quente dos consumidores, 21, 22, 23 - tubulações para fornecimento do refrigerante de aquecimento ao trocador de calor do sistema de abastecimento de água quente (20), 24, 25, 26 - tubulações para fornecimento do refrigerante de aquecimento para trocador de calor (7 ) sistemas de fornecimento de calor (aquecimento e ventilação), 27 - tubulação para fornecimento do refrigerante de aquecimento da máquina de refrigeração por absorção, 28 - circuito de refrigeração do motor térmico.

O método de operação da instalação é o seguinte.

O compressor 1 é o processo de compressão do ar atmosférico. Do compressor 1, o ar entra na câmara de combustão 2, onde o combustível atomizado é continuamente fornecido sob pressão através dos bicos. Da câmara de combustão 2, os produtos da combustão são enviados para a turbina a gás 3, na qual a energia dos produtos da combustão é convertida em energia mecânica de rotação do eixo. No gerador elétrico 19, esta energia mecânica é convertida em energia elétrica. Dependendo da carga térmica, a unidade opera em um dos três modos:

Modo I - com liberação de calor para efeito de aquecimento, ventilação e abastecimento de água quente;

Modo II - com liberação de calor para abastecimento de água quente e para refrigerador de absorção;

Modo III - com liberação de calor para aquecimento, ventilação e abastecimento de água quente e para refrigerador de absorção;

No modo I (durante a estação fria), o refrigerante é aquecido no trocador de calor do sistema de lubrificação 4 (primeiro estágio de aquecimento), no trocador de calor do sistema de refrigeração de discos e pás 5 (segundo estágio de aquecimento) e no calor trocador de gases de combustão (exaustão) 6 (terceiro estágio de aquecimento) através da tubulação 26 é alimentado no trocador de calor 7 para aquecimento e ventilação dos consumidores 9 e através das tubulações 21 e/ou 22 e/ou 23 para o trocador de calor de água quente 20.

No modo II (na estação quente), dependendo da temperatura exigida no sistema de abastecimento de água quente, parte do refrigerante é retirada após o trocador de calor do sistema de lubrificação 4 (primeiro estágio de aquecimento) e/ou trocador de calor de o sistema de resfriamento de discos e pás 5 (segundo estágio de aquecimento) e/ou gases de saída (exaustão) do trocador de calor 6 (do terceiro estágio de aquecimento) através das tubulações 21, e/ou 22, e/ou 23 para a água quente trocador de calor 20, e o refrigerante restante é alimentado através da tubulação 27 para a máquina de refrigeração de absorção 8 para obter o frio usado para resfriar os consumidores 10.

No modo III (no período outono-primavera), dependendo das temperaturas exigidas nos sistemas de abastecimento de água quente, aquecimento e ventilação, parte do refrigerante é removida após o trocador de calor do sistema de lubrificação 4 (primeiro estágio de aquecimento) , e/ou o trocador de calor do sistema de resfriamento de discos e pás 5 (o segundo estágio de aquecimento), e/ou o trocador de calor de gases de combustão (exaustão) 6 (terceiro estágio de aquecimento) através das tubulações 21, e/ou 22, e/ ou 23 ao trocador de calor de água quente 20, parte do refrigerante após o trocador de calor do sistema de lubrificação 4 (primeiro estágio de aquecimento), ao trocador de calor do sistema de resfriamento de discos e pás 5 (segundo estágio de aquecimento) e/ou ao trocador de calor trocador de gases de exaustão (exaustão) 6 (terceiro estágio de aquecimento) através de tubulações 24 e/ou 25 e/ou 26 é fornecido ao trocador de calor 7 para aquecimento e ventilação dos consumidores 9 , a parte do refrigerante restante no resfriamento o circuito da máquina térmica 28 é alimentado através da tubulação 27 até o refrigerador de absorção 8 para obter o frio utilizado para resfriar os consumidores 10. O refrigerante resfriado nos trocadores de calor 7, 8 e 20 é transferido pela bomba 18 para aquecimento para o calor trocadores 4, 5, 6. Caso não haja necessidade de energia térmica, o excesso de calor é removido através de resfriadores secos 12 para a atmosfera.

Por exemplo, quando a unidade está operando no modo II, no caso de seleção do refrigerante para efeito de abastecimento de água quente após o trocador de calor do terceiro estágio de aquecimento, é fornecido o refrigerante com temperatura de 103,14°C para a máquina de refrigeração por absorção através da tubulação 27.

No caso de seleção de 30% do refrigerante para efeito de abastecimento de água quente após o trocador de calor de segundo estágio, o refrigerante com temperatura de 112,26 ° C é fornecido à máquina de refrigeração por absorção, o que dá um aumento em capacidade de refrigeração (conforme figura 2) em 22%.

No caso de seleção de 30% do refrigerante para efeito de abastecimento de água quente após o trocador de calor do primeiro estágio, um refrigerante com temperatura de 115,41 ° C é fornecido à máquina de refrigeração por absorção, o que dá um aumento da capacidade de refrigeração (conforme figura 2) em 30%.

O resultado técnico que pode ser obtido na implementação da invenção é aumentar o coeficiente de desempenho e a capacidade de refrigeração da máquina de refrigeração por absorção através do aumento da temperatura do líquido refrigerante retirado do circuito de refrigeração do motor. A utilização de um refrigerante com parâmetros superiores, obtido em decorrência da diminuição de sua vazão média no circuito de refrigeração de uma máquina térmica devido à retirada de uma parte do refrigerante ao atingir a temperatura necessária para fornecimento de calor, faz é possível aumentar a capacidade de refrigeração da máquina de refrigeração por absorção.

Fontes de informação

1. Patente nº 2815486 (França), publ. 19/04/2002, IPC F01N 5/02-F02B 63/04; F02G 5/02; F25B 27/00; F25B 30/04; F01N 5/00; F02B 63/00; F02G 5/00; F25B 27/00; F25B 30/00.

2. Patente nº 2005331147 (Japão), publ. 02/12/2005, IPC F25B 27/00; F25B 25/02; F25B 27/02; F25B 27/00; F25B 25/00; F25B 27/02.

3. Patente nº 20040061773 (Coréia), publ. 07/07/2004, MCP F02G 5/00; F02G 5/00.

4. Patente nº 20020112850 (EUA), publ. 22/08/2002, IPC F01K 23/06; F02G 5/04; F24F 5/00; F01K 23/06; F02G 5/00; F24F 5/00.

ALEGAR

Um método para a produção combinada de eletricidade, calor e frio, incluindo a conversão do calor dos produtos de combustão em energia mecânica utilizando uma máquina térmica, a conversão de energia mecânica em energia elétrica num gerador elétrico, a transferência de um refrigerante aquecido em circuito de refrigeração de uma máquina térmica e gases de exaustão por meio de trocadores de calor de pelo menos dois estágios de aquecimento, para aquecimento, abastecimento de água quente e ventilação e para obtenção de frio em máquina de refrigeração por absorção, caracterizado por parte do transportador de calor ser removida para efeitos de abastecimento de água quente, aquecimento e ventilação antes dos trocadores de calor do segundo e/ou estágios de aquecimento subsequentes, dependendo da temperatura necessária do refrigerante em sistemas de abastecimento de água quente, aquecimento e ventilação, o restante do refrigerante é alimentado após o trocador de calor do último estágio de aquecimento para a máquina de refrigeração por absorção.

O campo de atividade (tecnologia) ao qual pertence a invenção descrita

A invenção refere-se à engenharia de energia térmica, podendo ser utilizada na produção combinada de calor, frio e eletricidade por meio de usinas termelétricas.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Um método conhecido de operação de uma unidade móvel para a produção combinada de eletricidade, calor e frio, em que o gerador converte a energia mecânica do eixo giratório do motor em eletricidade, os gases de exaustão que passam pelo trocador de calor emitem calor para o transportador de calor líquido para fornecimento de calor durante o período de aquecimento ou ao refrigerante da máquina de refrigeração por absorção para refrigeração no período de verão.

As desvantagens deste método de operação da unidade incluem a baixa eficiência associada à liberação na atmosfera de uma parte significativa da energia térmica não utilizada através dos refrigeradores de ar do motor de combustão interna e da máquina de refrigeração, o baixo grau de utilização da capacidade de refrigeração da máquina de refrigeração por absorção no verão durante períodos de baixa temperatura ambiente.

O método de funcionamento de um sistema de cogeração também é conhecido: o primeiro motor de combustão interna produz energia útil que é convertida em energia elétrica por meio de um gerador elétrico, o segundo motor de combustão interna é utilizado para acionar o compressor de uma máquina de refrigeração que produz frio em No verão, o calor recuperado da camisa do motor e dos gases de escape é utilizado para fornecer calor aos consumidores no inverno.

A desvantagem do método de funcionamento desta instalação é a baixa eficiência de aproveitamento do calor residual dos motores de combustão interna, o custo significativo de energia elétrica para o funcionamento do compressor da máquina de refrigeração.

Existe um método de funcionamento de um sistema de trigeração que fornece simultaneamente calor/frio e eletricidade, em que o calor é fornecido durante o período de frio aproveitando o calor dos gases de escape e do líquido refrigerante do motor de combustão interna, a energia mecânica do o eixo giratório do motor é convertido em eletricidade, o frio é gerado no verão no resfriador de compressão.

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As desvantagens do método de funcionamento desta instalação incluem a baixa eficiência devido ao aproveitamento insuficiente do calor residual do motor de combustão interna e custos significativos de eletricidade para o funcionamento do compressor da máquina de refrigeração.

A solução técnica mais próxima (protótipo) é um método de entrada de ar resfriado em uma turbina a gás, no qual se utiliza a conversão do calor dos produtos da combustão em energia mecânica, seguida de sua conversão em energia elétrica em um gerador elétrico. A segunda máquina térmica é utilizada como fonte de energia térmica, que é convertida em energia fria em uma máquina de refrigeração por absorção. O frio produzido na máquina de refrigeração por absorção é utilizado para resfriar o ar atmosférico antes da compressão. Quando a carga no sistema de refrigeração é reduzida, a pressão do gás fornecido ao motor térmico também diminui.

A desvantagem do modo de funcionamento desta instalação é que durante o período de carregamento incompleto da máquina frigorífica de absorção, em consequência da diminuição da pressão do gás utilizado pelo motor térmico, a temperatura da água fornecida pelo absorção máquina de refrigeração para o trocador de calor ar-água sobe, o que leva a uma diminuição do grau de resfriamento do ar atmosférico fornecido ao compressor e, consequentemente, a uma diminuição da potência elétrica da instalação.

O objetivo da invenção é aumentar a eficiência e a potência elétrica da instalação aumentando o grau de utilização da máquina de refrigeração por absorção.

A tarefa é realizada da seguinte maneira.

O ar atmosférico comprimido e/ou combustível é queimado na câmara de combustão e o calor dos produtos de combustão é convertido em energia mecânica por meio de um motor térmico. A energia mecânica é convertida em energia elétrica em um gerador elétrico. A energia térmica removida do motor térmico é utilizada para fornecimento de calor aos consumidores e para conversão em uma máquina de refrigeração por absorção em energia fria para fornecimento de refrigeração aos consumidores. Durante o período de carga parcial da máquina de refrigeração, o excesso de capacidade de resfriamento é utilizado para resfriar o ar atmosférico antes da compressão.

O desenho mostra um diagrama de uma das possíveis instalações com as quais o método descrito pode ser implementado.

Contém os seguintes elementos: 1 - compressor de ar, 2 - câmara de combustão, 3 - turbina a gás, 4 - trocador de calor para resfriamento dos discos e pás da turbina, 5 - trocador de calor para o sistema de lubrificação da turbina, 6 - trocador de calor dos gases de combustão, 7 - trocador de calor para o sistema de fornecimento de calor do consumidor, 8 - trocador de calor ar-água, 9 - bomba do circuito de refrigeração, 10 - bomba, 11 - resfriador de absorção, 12 - consumidor de calor, 13 - gerador elétrico, 14 - consumidor de frio , 15 - tubulação de água quente, 16 - tubulação de água gelada, 17 - máquina de refrigeração da torre de resfriamento, 18 - bomba para abastecimento reverso de água (resfriamento) do refrigerador, 19 - sala, 20 - refrigerador seco da planta de trigeração.

O modo de funcionamento da produção combinada de eletricidade, calor e frio é realizado da seguinte forma

O compressor 1 é o processo de compressão do ar atmosférico. Do compressor 1, o ar entra na câmara de combustão 2, onde o combustível atomizado é continuamente fornecido sob pressão através dos bicos. Da câmara de combustão 2, os produtos da combustão são enviados para a turbina 3, na qual a energia dos produtos da combustão é convertida em energia mecânica de rotação do eixo. No gerador eléctrico 13, esta energia mecânica é convertida em energia eléctrica. A energia térmica retirada da turbina a gás através dos trocadores de calor do sistema de lubrificação 5, do sistema de refrigeração dos discos e pás 4 e dos gases de exaustão 6 é transferida através da tubulação 15 para o trocador de calor 7 para fornecer calor aos consumidores 12 na estação fria. Durante o período quente, parte da energia térmica é utilizada para aquecer os consumidores, e a outra parte da energia é transferida para o refrigerador de absorção 11, que converte a energia térmica em energia fria utilizada para fornecer frio aos consumidores 14. A água resfriada em o trocador de calor 7 é transferido pela bomba 9 para aquecimento para os trocadores de calor 4, 5, 6. Se não houver necessidade de energia térmica, o excesso de calor é removido através de resfriadores secos 20 para a atmosfera. Durante a operação da máquina de refrigeração 11, a energia térmica é fornecida ao gerador e ao evaporador, enquanto o calor é removido no absorvedor e no condensador. Para remover o calor para a atmosfera, é utilizado um circuito de abastecimento de água circulante, que inclui uma torre de resfriamento 17 e uma bomba 18. Durante o período de carregamento incompleto do refrigerador de absorção 11, a água gelada é transferida através da tubulação 16 para o ar - trocador de calor água 8, localizado fora da sala 19, para pré-resfriar o ar atmosférico, fornecido ao compressor 1 para comprimir o ar atmosférico e fornecê-lo à câmara de combustão 2, e a água aquecida no trocador de calor 8 é transferido pela bomba 10 para a 11 para resfriamento.

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O resultado técnico que pode ser obtido na implementação da invenção é aumentar o grau de utilização da máquina de refrigeração por absorção devido ao resfriamento durante o período de carregamento incompleto do ar atmosférico antes de ser comprimido. O resfriamento preliminar do ar atmosférico através da redução do trabalho de compressão permite reduzir o consumo de combustível em um motor térmico, aumentar a eficiência e a potência elétrica da instalação.

Lista de fontes usadas

1. Patente 2815486 (França), publ. 19/04/2002, IPC F01N 5/02-F02B 63/04; F02G 5/02; F25B 27/00; F25B 30/04; F01N 5/00; F02B 63/00; F02G 5/00; F25B 27/00; F25B 30/00; (IPC 1-7): H02K 7/18; F01N 5/02; F02B 63/04; F02G 5/02; F25B 27/02.

2. Patente 2005331147 (Japão), publ. 02/12/2005, IPC F25B 27/00; F25B 25/02; F25B 27/02; F25B 27/00; F25B 25/00; F25B 27/02; (GRS1-7): F25B 27/00; F25B 25/02; F25B 27/02.

3. Patente 20040061773 (Coréia), publ. 07/07/2004, MCP F02G 5/00; F02G 5/00; (IPC 1-7): F02G 5/00.

4. Patente 8246899 (Japão), publ. 24/09/1996, IPC F02C 22/03; F01K 23/10; F02C06/00; F02C7/143; F25B 15/00; F02C 20/03; F01K 23/10; F02C06/00; F02C 7/12; F25B 15/00; (IPC1-7): F02C 7/143; F02C 22/03; F02C06/00; F25B 15/00.

Alegar

Um método para a produção combinada de eletricidade, calor e frio, incluindo compressão de ar atmosférico e/ou combustível, seguida de queima em uma câmara de combustão e conversão do calor dos produtos de combustão em energia mecânica por meio de uma máquina térmica, convertendo energia mecânica em energia elétrica em um gerador elétrico, transferindo parte da energia térmica retirada do motor térmico para conversão em uma máquina de refrigeração por absorção em energia fria utilizada pelo menos para resfriar o ar atmosférico antes de ser comprimido, caracterizada por parte da energia térmica removida do motor térmico é usado para aquecer os consumidores e convertido em Na máquina de refrigeração por absorção, a energia térmica em energia fria é usada para fornecer frio aos consumidores, e se ocorrer excesso de energia fria durante períodos de carregamento incompleto da máquina de refrigeração por absorção, é é usado para resfriar o ar atmosférico antes da compressão.

Nome do inventor: Bazhenov Alexander Ivanovich (RU), Mikheeva Elena Vladimirovna (RU), Khlebalin Yury Maksimovich (RU)
Nome do titular da patente: Instituição Educacional Estadual de Educação Profissional Superior Universidade Técnica Estadual de Saratov (GOU VPO SSTU)
Endereço postal para correspondência: 410054, Saratov, st. Politekhnicheskaya, 77, SSTU (departamento de patentes e licenças)
Data de início da patente: 14.05.2009