МНОГОЦЕЛЕВАЯ ТЕПЛОНАСОСНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2014 года по МПК F24D11/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к промышленной энергетике с обеспечением тепловых нагрузок при разных температурах и видах теплоносителя (вода, водяной пар).

Изобретение нацелено на замещение существующих теплоисточников (котельных, ТЭЦ), использующих органическое топливо, экологичными и энергосберегающими теплонасосными установками (ТНУ), работающими по термодинамическому циклу Лоренца и использующими в качестве рабочего тела диоксид углерода (CO₂).

Прототипом изобретения является патент РФ [1], где рассматривается электроприводная ТНУ с одноступенчатым циклом Лоренца на рабочем теле СО₂, позволяющем получать горячую воду с температурами 40-50°С, 95°С. Это техническое решение имеет следующие недостатки. Характер изобары рабочего тела, нагревающего теплоносители, таков, что их расходы с ростом температур нагрева должны снижаться (это необходимо с целью снижения эксергетических потерь при передаче теплоты от рабочего тела к теплоносителю). Это ограничивает область использования ТНУ, так как зачастую имеет место обратная картина, когда с увеличением температуры требуется и увеличение расхода теплоносителя. Например, при обеспечении тепловых нагрузок горячего водоснабжения (60°С) и отопления (95°С).

Кроме того, техническое решение [1] не позволяет получать теплоноситель с температурой выше 95°С, как и выработку водяного пара, необходимых для промышленных целей.

Целью данного изобретения является создание природосберегающих технологий производства теплоты в промышленности.

Указанная цель достигается тем, что предлагается ТНУ на рабочем теле диоксиде углерода, имеющая электрический или газотурбинный привод с системой захоронения отработавших газов или с системой изъятия и утилизации парникового газа CO₂, действующая по многоступенчатому циклу Лоренца так, что каждая ступень сжатия цикла обеспечивает независимый нагрев вплоть до производства сухого насыщенного и частично перегретого пара на последней ступени сжатия, причем необходимые для этого процесса параметры рабочего тела создаются компрессором ТНУ, имеющим промежуточные отборы рабочего тела, количества и параметры которых определяются необходимой тепловой нагрузкой, причем все греющие потоки отборов рабочего тела, имеющие разные давления, после охлаждения в теплообменниках сливаются в один поток, поступающий в испаритель ТНУ, что обеспечивается дроссельными вентилями, выравнивающими эти давления.

На фиг.1 показана принципиальная схема многоцелевой электрической ТНУ, с компрессором, имеющим три отбора рабочего тела, обеспечивающих три вида тепловых нагрузок: с низким, средним и высокотемпературными водяными теплоносителями. На фиг.2 дана «Т-S» диаграмма трехступенчатого термодинамического цикла Лоренца, обеспечивающего эти тепловые нагрузки. На фиг.3 дана диаграмма цикла ТНУ, обеспечивающего и паровую нагрузку.

ТНУ по схеме фиг.1 действует следующим образом. Компрессор 1, приводимый электродвигателем 2, повышает давление рабочего тела от давления насыщения пара P_o=50 бар (фиг.2) в испарителе 3 (создаваемого теплоносителем низкопотенциального источника теплоты НПИТ, обозначенного стрелками) до давления первой ступени сжатия P₁=100 бар, обеспечивающего с помощью теплообменника 4 минимальную температуру теплоносителя, например 60°С. Соответственно вторая ступень сжатия компрессора обеспечивает более высокое давление Р₄=150 бар и с помощью теплообменника 5 - более высокую температуру теплоносителя (100°С), а третья ступень сжатия - давление Р₃=250 бар с помощью теплообменника 6 - максимальную температуру теплоносителя - 150°С.

На схеме фиг. 1 также показаны дроссельные вентили 7, выравнивающие разные давления в потоках рабочего тела.

Указанные процессы, образующие три цикла сжатия, показаны на фиг.2, где в качестве примера приведены ориентировочные давления на изобарах Р₁ P₂, Р₃, а также линии (пунктирные) нагрева теплоносителей до необходимых температур (точки 2а, 3а, 4а).

Здесь приведен вариант нагрева только жидкого теплоносителя. При необходимости последняя ступень нагрева может использоваться для генерации насыщенного и перегретого пара. Температурные процессы для этого варианта тепловой нагрузки приведены на фиг.3, где показаны температурные процессы производства сухого насыщенного пара с температурой насыщения 4а (определяемой принятым минимальным температурным перепадом Δt₁). Из части насыщенного водяного пара может быть получен перегретый пар (точка 4б). Температура его перегрева определяется количеством отбираемого для перегрева насыщенного пара.

Как отмечалось, в качестве привода ТНУ также может использоваться газотурбинный двигатель (ГТД) при условии создания системы захоронения отработавших газов или утилизации CO₂, что еще более увеличит как энергоэффективность ТНУ (за счет утилизации отработавшей теплоты двигателя), так и области использования многоцелевых ТНУ в промышленности, включая возможность создания промышленных теплонасосных ТЭЦ при условии выбора мощности ГТД, превышающей требуемой для привода ТНУ мощности. В качестве дополнительного пояснения к принципиальной схеме ТНУ с ГТД отметим, что схема и ее принцип действия остается тот же, что и представленный на фиг. 1 варианта ТНУ с электродвигателем. С той лишь разницей, что теплота отработавших газов ГТУ может быть использована для генерации перегретого пара необходимых параметров в отдельном котле-утилизаторе.

Источник информации

В.П.Проценко, В.Н.Старшинин. Теплонасосная установка. Патент РФ №2037109 (приоритет от 17.01.92).

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к промышленной энергетике. Теплонасосная установка, работающая на низкотемпературном рабочем теле - диоксиде углерода по циклу Лоренца, включающая компрессор, приводной электрический или газотурбинный двигатель, теплообменники для выработки теплоносителей, испаритель рабочего тела и низкопотенциальный источник теплоты, при этом компрессор осуществляет многоступенчатое сжатие рабочего тела, которое после каждой ступени сжатия частично отводится из компрессора и с помощью теплообменников используется для независимого нагрева теплоносителей, а охлажденные в теплообменниках потоки рабочего тела, имеющего разные давления, включаются в единый поток, поступающий в испаритель теплонасосной установки, что обеспечивается выравниванием давлений с помощью дроссельных вентилей. Заявленное изобретение позволяет осуществлять природосберегающую технологию производства теплоты в промышленности. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Теплонасосная установка (ТНУ), работающая на низкотемпературном рабочем теле - диоксиде углерода по циклу Лоренца, включающая компрессор, приводной электрический или газотурбинный двигатель (ГТД), теплообменники для выработки теплоносителей, испаритель рабочего тела и низкопотенциальный источник теплоты (НПИТ), отличающаяся тем, что компрессор осуществляет многоступенчатое сжатие рабочего тела, которое после каждой ступени сжатия частично отводится из компрессора и с помощью теплообменников используется для независимого нагрева теплоносителей, а охлажденные в теплообменниках потоки рабочего тела, имеющего разные давления, включаются в единый поток, поступающий в испаритель ТНУ, что обеспечивается выравниванием давлений с помощью дроссельных вентилей.

2. ТНУ по п.1, отличающаяся тем, что рабочее тело после последней ступени сжатия используется для производства сухого насыщенного пара.

3. ТНУ по п.1, отличающаяся тем, что теплота рабочего тела после последней ступени сжатия в компрессоре также используется для перегрева части насыщенного пара.

4. ТНУ по п.1, отличающаяся тем, что для варианта с газотурбинным приводом используется система захоронения отработавших газов или улавливания и утилизации CO₂.

5. ТНУ по п.1, отличающаяся тем, что теплота отработавших газов приводного газотурбинного двигателя используется для производства максимально нагретого теплоносителя или (и) водяного пара в котле-утилизаторе отработавших газов.

6. ТНУ по п.1, отличающаяся тем, что ГТД имеет мощность, превышающую необходимую для ее привода так, что дополнительная мощность используется для генерации электроэнергии, что превращает ТНУ в промышленную теплонасосную ТЭЦ.