СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ТРАНСКРИТИЧЕСКОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ЦИКЛА НА ДИОКСИДЕ УГЛЕРОДА Российский патент 2025 года по МПК F01K7/32 F01K25/10 F01K13/00 

Изобретение относится к энергетике и предназначено для централизованной выработки электричества, тепла и холода на тепловых электрических станциях (ТЭС), производящих преимущественно постоянную по величине электрическую мощность, например, на атомных.

В настоящее время наиболее перспективным способом преобразования тепла в механическую работу считается замкнутый энергетический цикл на сверхкритическом диоксиде углерода (sCO₂-цикл Брайтона), в котором рабочее тело СО₂ в течение всего цикла находится в сверхкритическом состоянии и все процессы протекают в условиях выше критической температуры (31,1°С) и выше критического давления (7,38 МПа), т.е. без конденсации рабочего тела и с отводом от него тепла в сверхкритической области [1].

В сверхкритическом состоянии СО₂ имеет высокие значения удельной плотности, объемной производительности, коэффициента тепловой отдачи, что позволяет рассчитывать на создание высокоэффективных sCO₂-установок с существенно более компактными размерами, чем водопаротурбинные установки такой же мощности, широко применяемые в настоящее время, а также на уменьшение размеров ТЭС, сокращение инвестиционных затрат на их строительство, сокращение затрат на эксплуатацию и обслуживание, снижение себестоимости производимой электроэнергии.

Однако тепловой КПД простого sCO₂-цикла мало отличается от КПД пароводяного цикла Ренкина. Заявляемые высокие КПД sCO₂-установок достижимы только в сильно модифицированных sCO₂-циклах Брайтона, включающих технические решения, направленные на значительное уменьшение количества тепла, выводимого из цикла, такие как рекуперация, повторное сжатие расширенного газообразного рабочего тела в дополнительном компрессоре (рекомпрессия), разделение потоков, предварительное и промежуточное охлаждение компримируемого СО₂, промежуточный перегрев расширяемого sCO₂, и др. [1].

Так, использование в энергетической sCO₂-установке только рекуперации при верхней температуре 700°С и нижней 37°С позволяет достигать значения термического КПД цикла порядка 42% [2]. Включение в цикл рекомпрессии и разделения потоков повышает термический КПД энергетической установки до 50%, увеличивает количество применяемых компрессоров высокого давления минимум до 2-х и значительно усложняет sCO₂-установку [2]. Условия эксплуатации установок с высоким давлением требуют более высокой механической прочности турбокомпрессоров, разработки принципиально новых конструкций подшипников и уплотнений, а также других высоконагруженных и быстроизнашиваемых компонентов, предназначенных для эксплуатации в режимах превышающих предельные для современного уровня развития компрессоростроения.

Все это существенно увеличивает риски реализации sCO₂-установок на основе набора новых мало- или практически неисследованных технических решений.

В частности, созданная с целью проработки конструктивных решений sCO₂-турбина мощностью 25 МВт характеризуется 4-мя ступенями расширения и частотой вращения 30000 об/мин [3]. Компактным установкам меньшей мощности, по некоторым оценкам, потребуется создание турбокомпрессоров с частотой вращения ротора до 80000 об/мин.

Достигнутый технический уровень турбокомпрессоростроения характеризуется следующими данными. Частота вращения роторов эксплуатируемых паровых энергетических турбин ~3000 об/мин. Срок службы до 30 лет. Частота вращения роторов газовых турбин газотурбинных установок ~6000-9000 об/мин. Средний срок службы ~7 лет. Какой же срок службы следует ожидать от турбокомпрессоров с частотой вращения ротора от 30000 об/мин до 80000 об/мин и какими при этом будут затраты на создание и эксплуатацию?

Известен транскритический энергетический цикл (tCO₂-цикл) с конденсацией СО₂, совершаемый одновременно в докритической и сверхкритической областях, включающий сжатие CO₂, охлаждение сжатого СО₂, расширение (дросселирование, детандирование, эжектирование…) охлажденного СО₂ с понижением давления ниже критического значения, разделение расширенного СО₂ в отделителе жидкости на жидкую и газообразную фазы [4].

Преимущества tCO₂-цикла:

- осуществимость цикла со сжатием газообразного СО₂ в компрессоре до 90-140 бар, по сравнению с 220-250 бар, требующихся для sCO₂-цикла. Это позволяет применять в tCO₂-установках более простые и дешевые компрессоры, изготавливаемые по отработанным технологиям или по новым технологиям, требующим меньших усилий и меньших вложений на создание, чем разработка и внедрение установок с sCO₂-компрессорами, которые только предстоит создать на базе новых неизвестных технологий;

- повышение давления рабочего тела в энергетическом контуре насосом, создающим при меньших удельных затратах энергии более высокие рабочие давления, чем sCO₂-компрессоры;

- более низкое нижнее давление в tCO₂-цикле (ниже критического), по сравнению с нижним давлением в sCO₂-цикле (выше критического), позволяющее при одинаковых верхних давлениях и температурах рабочего тела (СО₂) срабатывать в tCO₂-цикле несколько большие перепады давления и температуры, чем в sCO₂-цикле, и достигать за счет этого несколько более высокий термический КПД;

- высокая температура нагнетания и, соответственно, высокая температура отвода тепла из цикла (тепло отводят от сжатого СО₂), по сравнению с транскритическим водопаровым циклом Ренкина, в котором тепло отводят от конденсируемого рабочего тела при температуре конденсации чуть выше летней температуры окружающей среды. Высокая температура нагнетания упрощает утилизацию тепла из сжатого СО₂ и нагрев теплоносителя систем теплоснабжения до необходимых потребителям температур. В частности, в холодильных и теплонасосных системах с tCO₂-циклом теплом сжатого СО₂ теплоноситель нагревают до 90°С и выше [5], что делает tCO₂-цикл особенно подходящим как для совместной выработки электричества и тепла, так и для совместной выработки электричества, тепла и холода.

Основной недостаток: низкая экономическая эффективность при температурах окружающей среды близкой или превышающей критическую температуру СО₂ (~31,1°С), в связи с чем энергетический tCO₂-цикл считается пригодным для использования в холодное время года или в районах с низкой температурой окружающей среды.

В то же время разработан метод повышения экономической эффективности tCO₂-цикла при высоких температурах окружающей среды, так называемая Extreme Temperature Efficiency Technology (технология экстремальной температурной эффективности, позволяющая эксплуатировать холодильные tCO₂-установки в условиях температур наружного воздуха до +40°С и выше. В холодильных установках, использующих ЕТЕ-технологию, предусматривается охлаждение сжатого СО₂ в газоохладителе отводом тепла в окружающую среду, доохлаждение сжатого СО₂, выходящего из газоохладителя, искусственным холодом, вырабатываемым путем отвода части потока сжатого СО₂ с выхода доохладителя, его дросселирования, подачи сдросселированного потока в контур охлаждающей среды доохладителя, сжатия СО₂, выходящего из контура охлаждающей среды доохладителя, в ЕТЕ-компрессоре, и ввод потока, сжатого в ЕТЕ-компрессоре, в поток сжатого СО₂, подаваемого в газоохладитель [6, 7].

Чем ниже температура СО₂ на входе в расширитель, тем меньше потери давления расширения СО₂, больше доля жидкости и меньше доля пара (флеш-газа) в отделителе жидкости, и тем выше эффективность работы tCO₂-установки. Так в холодильной tCO₂-установке с ЕТЕ-технологией при температуре атмосферного воздуха ~43,3°С температура на входе в расширитель (дроссель), т.е. на выходе из доохладителя, снижается до ~30,2°С, в результате чего количество жидкости в отделителе увеличивается до 71%, а количество пара в отделителе уменьшается до 29%. При такой же температуре атмосферного воздуха обычная холодильная tCO₂-установка обеспечивает получение на выходе из газоохладителя газового потока СО₂ с температурой около 45°С и содержание в отделителе жидкости ~37% жидкости и ~63% пара [6, 7].

Несмотря на обеспечиваемое ЕТЕ-технологией улучшение экономических показателей tCO₂-цикла при высоких температурах окружающей среды достигаемые при этом показатели (понижение температуры на выходе из доохладителя ~30,2°С при температуре атмосферного воздуха ~43,3°С) представляются недостаточными. Опыт эксплуатации холодильных tCO₂-установок показывает более высокую их эффективность в холодную погоду [8]. В частности, в [8] указано: «результаты многочисленных исследований показали, что энергоэффективность таких систем выше других (на хладагенте R404a или с докритическим циклом СО₂) при средней температуре окружающего воздуха менее 15°С». Указанное свидетельствует, что для более значительного повышения доли жидкости и уменьшения доли пара в отделителе жидкости, необходимо понижать температуру потока СО₂ на выходе из доохладителя ниже 30,2°С.

Кроме того, применение ЕТЕ-технологии в энергетических tCO₂-установках малоцелесообразно из-за:

- высокого риска потери эффективности производства электрической энергии и срыва поставок производимой энергии потребителям в требуемых количествах в случае сверхнормативных отклонений и аномальных повышений температуры окружающей среды, которые в связи с изменением климата и глобальным потеплением в последнее время становятся все более частыми;

- кратковременной потребности в ЕТЕ-контуре. После возвращения температуры окружающей среды в норму потребность в ЕТЕ-контуре пропадает и, соответственно, отпадает надобность в оборудовании ЕТЕ-контура: компрессоре, теплообменнике, дросселе, трубопроводах, запорной арматуре. Длительность температурных отклонений окружающей среды в зависимости от климатического региона может составлять от нескольких дней до 1-2-х месяцев. В результате этого значительную часть годового эксплуатационного цикла ЕТЕ-оборудование будет простаивать, что из-за много больших мощностей энергетических tCO₂-установок, по сравнению с холодильными tCO₂-установками, приведет к неоправданно высоким затратам на малоработающее оборудование, увеличению инвестиционных затрат, замедлению окупаемости инвестиций и ухудшению др. экономических показателей.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ осуществления транскритического энергетического цикла на диоксиде углерода (СО₂), включающий отбор жидкого СО₂ из отделителя жидкости, повышение давления отбираемого жидкого СО₂ посредством насоса, подачу жидкого СО₂ с выхода насоса в нагреватель, повышение температуры СО₂ в нагревателе, расширение выходящего из нагревателя потока СО₂ с преобразованием тепла в механическую работу в расширительной машине, охлаждение потока СО₂, выходящего из расширительной машины, в газоохладителе при помощи искусственного охлаждения, расширение охлажденного СО₂ с образованием парожидкостной смеси, разделение парожидкостной смеси на жидкую и паровую фазы в отделителе жидкости, отбор паровой фазы СО₂ из отделителя жидкости, сжатие отбираемого пара в компрессоре, подачу сжатого СО₂ в газоохладитель [9].

Особенность способа-прототипа - отвод тепла от охлаждаемого в газоохладителе СО₂ искусственным охлаждением осуществляемым с помощью холодильной машины (чиллера). Это устраняет недостаток ЕТЕ-технологии, состоящий в недостаточном понижении температуры сжатого СО₂, подаваемого на вход в расширитель (дроссель), и позволяет охлаждать сжатый СО₂ вплоть до отрицательных температур. Одновременно использование холодильной машины создает большие затраты энергии на искусственное охлаждение и значительно снижает эффективность производства электрической энергии с использованием tCO₂-цикла.

На практике бросовое тепло энергетических установок отводят в окружающую среду, представляющую собой теплоприемник неограниченной емкости, а искусственное охлаждение в коммерческих целях не используют, как абсолютно невыгодное.

Искусственное охлаждение (чиллер) для отвода тепла из энергетического tCO₂-цикла в установке, описанной в [9], применено по причине предназначения указанной установки для лабораторных исследования, для которой требование экономической рентабельности не принципиально, а более важным является проведение исследований в не зависимости от погодных условий.

К другим недостаткам способа-прототипа относятся:

- регенеративный подогрев подаваемого в нагреватель потока сжатого СО₂ теплообменом с потоком расширенного СО₂, выходящего из расширительной машины. Такой регенеративный подогрев уменьшает количество отводимого из цикла тепла и повышает КПД цикла. Однако отбор тепла от источника энергии теплопринимающей средой с повышенной температурой приводит к повышенной температуре греющей среды на выходе из нагревателя. Например, при использовании в качестве греющей среды продуктов сгорания топлива, это повышает температуру отходящих (дымовых) газов, более полное извлечение остаточного тепла из которых в настоящее время является проблемой, для решения которой предпринимаются серьезные усилия. Другими словами, способ-прототип уменьшая потери тепла в одном месте приводит к их росту в другом;

- отсутствие выработки холода для централизованного холодоснабжения внешних потребителей, совмещенной с генерацией электричества. На выработку холода уже затрачивается ~18-20% электрической энергии от общего количества ее мирового производства. При этом потребности в холоде остаются недообеспеченными, и имеют тенденцию к значительному росту, прежде всего, в таких важнейших направлениях развития, как сохранение выращенной сельхозпродукции, хранение произведенных продуктов питания, повышение комфортности пребывания людей в помещениях, востребованность которого растет в связи с глобальным потеплением.

Считается, что значимым направлением решения проблемы увеличения потребления холода с одновременным снижением затрат дорогостоящей электроэнергии на его производство может стать выработка холода на электрогенерирующих станциях [10].

Актуальность выработки холода на электрогенерирующих станциях за счет рационализации использования располагаемой тепловой энергии (минуя стадию трансформации тепла в электричество) возрастает и в связи с переходом к углеродной нейтральности, ведущей к повышению ценности электрической энергии и необходимости более бережного ее расходования, в т.ч. и на производство холода.

Задача изобретения - достижение экономически оправданного использования искусственного охлаждения для отвода бросового тепла из транскритического энергетического цикла, повышение общей энергоэффективности с одновременным повышением степени преобразования тепла цикла в механическую работу, совмещение выработки механической/электрической энергии и тепла с выработкой холода, уменьшение затрат электрической энергии на выработку холода, вовлечение в производство тепла энергии окружающей среды, снижение инвестиционных и эксплуатационных затрат.

Поставленная задача достигается тем, что в способе осуществления транскритического энергетического цикла на диоксиде углерода (СО₂), включающем отбор жидкого СО₂ из отделителя жидкости, повышение давления отбираемого жидкого СО₂ посредством насоса, подачу жидкого СО₂ с выхода насоса в нагреватель, повышение температуры СО₂ в нагревателе, расширение выходящего из нагревателя потока СО₂ с преобразованием тепла в механическую работу в расширительной машине, охлаждение потока СО₂, выходящего из расширительной машины, в газоохладителе при помощи искусственного охлаждения, расширение охлажденного СО₂ с образованием парожидкостной смеси, разделение парожидкостной смеси на жидкую и паровую фазы в отделителе жидкости, отбор паровой фазы СО₂ из отделителя жидкости, сжатие отбираемого пара в компрессоре, подачу сжатого СО₂ в газоохладитель, искусственное охлаждение производят путем отбора жидкого СО₂ из отделителя жидкости, расширения отобранного жидкого СО₂ с образованием парожидкостной смеси, подачи парожидкостной смеси в газоохладитель, испарения жидкой фазы парожидкостной смеси в газоохладителе теплообменом с поступающим туда на охлаждение потоком СО₂, сжатие испарившегося СО₂ во втором компрессоре, передачу тепла из сжатого во втором компрессоре СО₂ в теплоноситель в утилизаторе тепла, подачу выходящего из утилизатора тепла потока СО₂ в газоохладитель, а также тем, что теплоноситель отпускают потребителям тепла в соответствии с их текущими потребностями, а нагретый теплоноситель, не требующийся для текущего потребления, передают на накопление для последующего использования.

Замкнутая последовательность процессов, включающая отбор жидкого СО₂ из отделителя жидкости, расширение отобранного жидкого СО₂ с образованием парожидкостной смеси, подачу парожидкостной смеси в газоохладитель, испарение жидкой фазы парожидкостной смеси в газоохладителе теплообменом с поступающим туда на охлаждение потоком СО₂, сжатие испарившегося СО₂ во втором компрессоре, передачу тепла из сжатого во втором компрессоре СО₂ в теплоноситель в утилизаторе тепла, подачу выходящего из утилизатора тепла потока СО₂ в газоохладитель, представляет собой обратный термодинамический цикл на СО₂ с утилизацией тепла, вырабатывающий одновременно холод для охлаждения СО₂ в газоохладителе, и потребляемое тепло, передаваемое в теплоноситель.

Обратный термодинамический цикл используется в холодильных, теплонасосных и теплохолодильных машинах и в зависимости от вида машины, в которой он реализован, отличается режимами работы и принципами регулирования. В настоящем способе может применяться любая из указанных разновидностей осуществления обратного цикла. Дальнейшее описание исходит из осуществления обратного цикла в теплонасосном режиме, вырабатывающем одновременно холод для охлаждения СО₂ в газоохладителе, и потребляемое тепло, передаваемое в утилизаторе тепла в теплоноситель.

Особенность вышеуказанной последовательности процессов состоит в том, что ее осуществляют с использованием конструктивных элементов, входящих в контур, реализующий энергетический tCO₂-цикл, вырабатывающий механическую и тепловую энергию. Такими элементами являются: газоохладитель, расширительное устройство, в котором производится расширение СО₂, охлажденного в газоохладителе, с образованием парожидкостной смеси, отделитель жидкости, утилизатор тепла, часть трубопроводных линий, а также общее приводное устройство компрессоров энергетического и обратного циклов в случае принятия такого проектного решения.

Подобная выработка искусственного холода упрощает и удешевляет конструкцию установки, реализующей способ, уменьшает количество конструктивных элементов, уменьшает затраты на создание и эксплуатацию, по сравнению с выработкой искусственного холода с помощью индивидуальных полнокомплектных холодильных машин.

Однако переход от выработки искусственного холода с помощью холодильной машины к выработке искусственного холода теплонасосным контуром, нагревающим теплоноситель до потребительского уровня, сам по себе не гарантирует выгодности искусственного охлаждения потока СО₂, выходящего из расширительной машины. Опыт применения высокотемпературных парокомпрессионных тепловых насосов для централизованного теплоснабжения показывает, что теплонасосное теплоснабжение экономически оправдывает себя лишь в случае потребления всего тепла, поставляемого теплонасосной системой.

Условия осуществления теплонасосного цикла, главной задачей которого является охлаждение потока СО₂, выходящего из расширительной машины, существенно отличаются от условий осуществления теплонасосных циклов систем теплоснабжения.

Главной задачей теплонасосных систем теплоснабжения является обеспечение тепловой энергией потребностей отопления, горячего водоснабжения, технологического и прочего теплоснабжения, характеризуемых значительной сезонной и суточной неравномерностью. Так в отопительный период расходование тепла на отопление зависит от погоды, а в неотопительный - полностью отсутствует. Тепло на горячее водоснабжение требуется круглогодично, но количество потребляемого тепла сильно меняется в течение суток. В связи с этим производительность тепловых насосов систем теплоснабжения регулируют, адаптируя ее к потребляемой тепловой мощности, путем включения/отключения и уменьшения/увеличения производительности тепловых насосов, т.е. приводят вырабатываемую тепловую мощность в соответствие с потребляемой.

Главной задачей теплонасосного контура tCO₂-установки, реализующей предлагаемый способ, является охлаждение потока СО₂, выходящего из расширительной машины, перед подачей его на расширение. В данном случае задачей теплонасосного контура является производство холода, а нагеваемый теплоноситель является побочным продуктом производства холода и создаваемая при этом тепловая мощность независимому регулированию не подлежит, т.к. регулирование тепловой мощности, вырабатываемой в соответствии с требованиями потребителей тепла будет серьезно влиять на выработку холодильной мощности и, соответственно, на процесс охлаждения CO₂, направляемого на расширение перед входом в отделитель жидкости. По указанной причине вырабатываемая тепловая мощность может значительно превышать потребляемую, особенно в неотопительный период.

Несоответствие потребления постоянно вырабатываемого теплоносителя текущим потребностям в нем приводит к образованию производимого, но не потребляемого теплоносителя, что создает необходимость отвода тепла от не требующееся для текущего потребления теплоносителя в окружающую среду, означающего потери пригодного для потребления тепла и снижение выгодности использования искусственного охлаждения вплоть до экономической нецелесообразности его применения.

В соответствии с настоящим способом произведенный, пригодный для теплоснабжения, но не требующийся для текущего потребления нагретый теплоноситель передают на накопление для последующего использования.

Последующее использование накапливаемого тепла исключает потери теплоносителя и переводит весь теплоноситель, нагреваемый теплонасосным циклом, в разряд потребляемого, что делает экономические показатели производства тепла по настоящему способу схожими с показателями производства тепла теплонасосными системами, создавая экономическую целесообразность применения искусственного охлаждения для приема бросового тепла из tCO₂-цикла.

При этом отвод тепла от охлаждаемого потока СО₂ в газоохладителе tCO₂-установки происходит при температурах СО₂ от ~50°С до ~15°С, что превышает температурный уровень источников энергии, используемых в некоторых системах теплонасосного теплоснабжения. Например, Стокгольмская централизованная теплонасосная система теплоснабжения мощностью 320 МВт использует в качестве источника низкопотенциального тепла воду Балтийского моря, охлаждаемую зимой от 4°С до 2°С, т.е. источник тепла с более низким температурным уровнем, чем газоохладитель tCO₂-установки. Себестоимость вырабатываемой теплоты Стокгольмской системой теплоснабжения на 20% ниже себестоимости теплоты, получаемой от котельных [11]. Более высокая температура источника тепла делает более высокой экономическую эффективность осуществления теплонасосного цикла по настоящему способу.

Полезное использование накапливаемого тепла с учетом тепла, преобразуемого в механическую/электрическую энергию и тепла утилизируемого из tCO₂-цикла в утилизаторе тепла, означает практически полное полезное использование тепла, подводимого к tCO₂-циклу в нагревателе (за исключением относительно небольших потерь, присущих процессам теплообмена и термотрансформации), и достижение общей энергоэффективности, приближающейся к теоретической, а также уменьшение потребности в ископаемых и низкоуглеродных топливах для производства энергии.

О перспективах полезного использования накапливаемого тепла.

В углеродно-нейтральной экономике, ведущая роль отводится возобновляемым источникам энергии, характеризуемым непостоянством действия (солнце, ветер), что приводит к необходимости применения резервных источников энергии в периоды снижения производства энергии из возобновляемых источников и делает развитие технологий накопления и долговременного хранения больших количеств энергии, в т.ч. тепловой, важнейшим направлением развития энергетики.

Накопление энергии на собственные нужды позволит покрывать повышенные, по отношению к номинальным, и пиковые потребления тепла, что исключит потребность в пиковых котлах и котельных, обеспечит экономию безуглеродного топлива (аммиак, водород), упростит схему теплоснабжения, сократит номенклатуру используемого оборудования, инвестиционные и эксплуатационные затраты.

Накопление энергии в удаленных системах накопления и хранения энергии позволит использовать эти системы в качестве местных котельных или в качестве дополнения к местным котельным, производящим тепло за счет сжигания безуглеродных топлив. Наличие систем накопления энергии на таких котельных в силу их приближенности к потребителям энергии представляется особенно рациональным, т.к. сокращает протяженность трубопроводной сети, подающей тепло конечным потребителям. Также такие системы накопления тепла позволят утилизировать собственные теплопотери котелен, сжигающих как углеродные, так и безуглеродные топлива, а в неотопительный период накапливать тепло для будущего потребления, что уменьшает потребность в топливе.

Наряду с указанными направлениями использования накапливаемого тепла в настоящее время серьезное внимание уделяется использованию накапливаемого тепла для выработки электроэнергии в пиковые периоды ее потребления и для решения проблем нестабильности поставок электроэнергии установками, работающими на возобновляемой энергии, в периоды уменьшения силы ветра, солнечного излучения….

Устранение такого недостатка способа-прототипа, как подача на нагрев в нагреватель рабочего тела, нагретого рекуперированным теплом, настоящим способом предусматривается рекуперацией остаточного тепла, содержащегося в потоке СО₂, выходящем из расширительной машины, теплообменом с рекуперирующим потоком, отбираемым с выхода насоса СО₂, расширением рекуперирующего потока, нагретого рекуперированным теплом, с преобразованием тепла в механическую работу, если целесообразно, рекуперацией остаточного тепла расширенного первого рекуперирующего потока теплообменом со вторым рекуперирующим потоком, отбираемым с выхода насоса СО₂, расширением второго рекуперирующего потока, нагретого рекуперированным теплом, с преобразованием тепла в механическую работу, и т.д. пока сохраняется целесообразность рекуперации остаточного тепла из расширенного предыдущего рекуперирующего потока, следующим рекуперирующим потоком, отбираемым с выхода насоса СО₂, и присоединением расширенных рекуперирующих потоков к расширенному потоку СО₂, направляемому из расширительной машины в газоохладитель.

Такое преобразование остаточного тепла расширенного потока обеспечивает более глубокую рекуперацию недоиспользуемого в способе-прототипе тепла, приводящую к уменьшению количества тепла отводимого из силового контура tCO₂-цикла, в т.ч. передаваемого в теплоноситель, и повышению степени преобразования тепла в механическую работу (термического КПД), способствующей сокращению потребления топлива. Одновременно с этим исключается нагрев рабочего тела, подаваемого в нагреватель, имеющий место в способе-прототипе, вследствие чего достигается более полное использование исходной энергии греющей среды.

Расширение сжатого СО₂, выходящего из утилизатора тепла, в детандере с отдачей внешней работы наряду с охлаждением газа обеспечивает превращение энергии сжатого газа в механическую работу. Т.е. детандер возвращает часть энергии, затраченной на сжатие СО₂, что увеличивает выработку механической работы и повышается термический КПД.

Решение поставленной задачи достигается также приведением в действие второго компрессора и генератора электрического тока расширительной машиной.

Известные тепловые приводы компрессоров имеют упрощенную конструкцию, что удешевляет их изготовление и упрощает обслуживание, одновременно ухудшая экономические и энергетические показатели. В отличие от этого приведение в действие генераторов электрического тока производят с помощью максимально совершенных приводов, обеспечивающих максимизацию преобразования тепловой энергии в механическую и достигаемого термического КПД. В этой связи приведение в действие компрессора теплонасосного контура (второго компрессора) расширительной машиной, приводящей в действие генератор электрического тока, в силу более высокого КПД расширительной машины, уменьшает удельные затраты тепловой энергии на выработку холода теплонасосным контуром, повышая тем самым экономичность его выработки.

Приведение в действие расширительной машиной одновременно генератора и компрессора увеличивает мощность и размеры расширительной машины, и за счет масштабного фактора - внутренний КПД расширительной машины, что создает дополнительный прирост эффективности и экономичности, как выработки холода для конденсации СО₂, так и выработки электроэнергии.

Приведение в действие расширительной машиной одновременно генератора и компрессора также исключает использование для привода компрессора электрической энергии, и, соответственно, преобразование необходимой для приведения в действие компрессора механической энергии в электрическую в электрогенераторе и электрической в механическую в электрическом двигателе привода компрессора с исключением неизбежных потерь энергии в каждом из процессов, что повышает энергоэффективность, сокращает количество оборудования для трансформации энергии, упрощает электрогенерирующую установку, снижает инвестиционные и эксплуатационные затраты, а также позволяет сэкономленную электрическую энергию передать в сеть либо уменьшить мощность электрогенератора.

Таким образом, применение для выработки холода высокоэффективного теплового привода, каковым является привод электрогенератора, уменьшает затраты исходной энергии на выработку холода и повышает экономическую эффективность охлаждения CO₂ в газоохладителе.

Наличие в установке, реализующей энергетический tCO₂-цикл жидкого СО₂, который может служить хладагентом, создает представление о возможности использования такого хладагента для производства холода простым его отбором в нужное время и в нужных количествах. Однако такое представление ошибочно, особенно в случае одновременного приведения в действие расширительной машиной второго компрессора, сжимающего СО₂ в теплонасосном контуре, и генератора электрического тока.

Основная проблема использования жидкого СО₂ в качестве хладагента, заключается в прерывистости его потребления потребителями холода. Так, при низкотемпературном хранении пищевой продукции холод в холодильные камеры подают пока температура воздуха не понизится ниже заданного нижнего порога. При достижении температурой воздуха этого порога выработку холода и расходование хладагента, используемого для выработки холода, прекращают. За счет тепла, выделяемого хранимой продукцией, теплопритоков, поступающих в камеру через стены, пол, потолок, двери, и др. теплопоступлений, в камере постепенно повышается температура воздуха. По достижении верхнего порога допустимой температуры воздуха включают выработку холода и воздух в камере охлаждают до тех пор пока не будет достигнут нижний порог и т.д.

Периодическая потребность в холоде и хладагенте для его получения требует регулирования производительности второго компрессора в соответствии с потреблением холода, производимого в традиционном холодоснабжении увеличением/уменьшением производительности и включением/выключением холодильных машин. Такое регулирование производительности компрессора теплонасосного контура, охлаждающего СО₂ в tCO₂-цикле, приводимого в действие совместно с генератором электрического тока общей расширительной машиной, недопустимо: генерация электрического тока должна производиться независимо от потребностей потребителей холода.

Решение, обходящее эту проблему, заключается в отпуске отпуске части жидкого СО₂ из отделителя жидкости постоянным расходом в качестве хладагента на нужды потребителей холода, и в том, что потребляемую долю хладагента, отпускаемого постоянным расходом, у потребителей расширяют, испаряют, и в испаренном состоянии возвращают на вход второго компрессора, отпускаемый потребителям, но не потребляемый хладагент расширяют с образованием парожидкостной смеси, парожидкостную смесь подают в испаритель, в котором при благоприятных погодных условиях ее испаряют теплообменом с окружающей средой, а при неблагоприятных -накопленным теплом, и в испаренном состоянии подают на вход второго компрессора.

В результате такой технологии снабжения потребителей холода жидким СО₂-хладагентом массовый расход испаренного хладагента на входе во второй компрессор, поступающий от потребителей хладагента и из испарителя непотребляемого хладагента приходит в соответствие с массовым расходом жидкого СО₂, отпускаемого из отделителя жидкости, что исключает влияние на работу второго компрессора изменений расхода жидкого СО₂, расходуемого потребителями холода, и необходимость регулирования компрессора по этому параметру.

Другой положительный результат такого холодоснабжения: тепло, передаваемое в хладагент потребителями холода и тепло, поступающее в хладагент в испарителе из окружающей среды, в конечном итоге передается в теплоноситель, что вовлекает в производство теплоносителя тепло, поступающее от потребителей холода, являющееся для них бросовым, и энергию окружающей среды, превращая тем самым эти поступления в дополнительный источник энергии, уменьшающий потребность в ископаемых и низкоуглеродных топливах.

Недостаток использования окружающей среды для испарения СО₂-хладагента предназначаемого, но не потребляемого потребителями холода - пониженная температура кипения хладагента в испарителе при низких температурах окружающей среды, что в условиях холодного и умеренного климата существенно снижает коэффициент трансформации тепла обратного термодинамического цикла и энергоэффективность tCO₂-установки в целом. В этой связи способ предлагается осуществлять с тепловым аккумулятором, в котором аккумулируют тепло извлекаемое из окружающей среды, отпускаемый потребителям, но не потребляемый потребителями хладагент расширяют с образованием парожидкостной смеси, жидкую фазу которой испаряют в испарителе теплообменом с аккумулирующей средой, подаваемой из аккумулятора.

Аккумулятор позволяет накапливать тепло в благоприятные периоды (прямым нагревом аккумулирующей среды окружающей средой, подачей тепла из окружающей среды в аккумулятор с помощью солнечного коллектора, концентратора солнечной энергии…) и расходовать накопленное тепло в неблагоприятные периоды с проектной температурой, исключающей режим эксплуатации испарителя с низкой температурой кипения хладагента и повышающей эффективность трансформации тепла.

Наиболее оптимально в качестве теплового аккумулятора использовать аккумулятор теплоты фазового перехода, испаритель эксплуатировать в режиме, обеспечивающем кристаллизацию подаваемой в него аккумулирующей среды, получаемую в испарителе кристаллизованную фазу передавать в аккумулятор, содержащуюся в аккумуляторе кристаллизованную фазу использовать для охлаждения жидкой фазы до температуры близкой к температуре кристаллизации теплоаккумулирующей среды, низкотемпературную жидкую фазу из аккумулятора отпускать потребителям холода в качестве возвращаемого хладоносителя, излишне накапливающуюся в аккумуляторе кристаллизованную фазу расплавлять теплом, вводимым в аккумулятор из окружающей среды, а в периоды недостаточности тепла в окружающей среде - накопленным теплом.

Аккумулятор теплоты фазового перехода аккумулирует тепло в жидкой теплоаккумулирующей среде плавлением ее кристаллизованной фазы. Например, для такой теплоаккумулирующей среды как пресная вода, температура кристаллизованной фазы равна 0°С, что позволяет с ее помощью получать в аккумуляторе жидкую фазу с температурой близкой к 0°С и использовать ее:

- для испарения жидкой фазы СО₂-хладагента предназначаемого, но не потребляемого потребителями холода;

- в качестве хладоносителя, поставляемого потребителям холода для отбора тепла от охлаждаемых у них сред, продуктов и др. и передачи отобранного тепла в аккумулятор.

В результате такой технологии достигается полезное использование холода, получаемого из отпускаемого из отделителя жидкости на нужды потребителей холода, но недоотбираемого потребителями жидкого СО₂-хладагента и дополнительное повышение энергоэффективности.

Описанная технология обеспечения внешних потребителей холода СО₂-хладагентом и хладоносителем позволяет на основе настоящего tCO₂-цикла создавать тригенерационные энергетические установки, производящие электричество, тепло и холод. В отличие от широко известных тригенерационных энергетических комплексов, вырабатывающих холод с помощью абсорбционных холодильных машин, в которых получают хладоноситель с температурой 5-7°С, предлагаемый способ обеспечивает выработку высо-, средне- и низкотемпературного холода, который может применяться не только для кондиционирования воздуха в бытовых помещениях, серверных, центрах обработки данных, но и для среднетемпературного и низкотемпературного охлаждения сырья, продукции… на пищевых предприятиях, складах, в распределительных центрах и т.д.

Как известно, выработка электричества наиболее эффективна при использовании источника тепла с как можно более высокой начальной температурой. Хранение тепловой энергию также выгоднее при повышенных температурах, что уменьшает объем хранилищ энергии и создает предпосылки к последующей более эффективной трансформации тепла из такого источника в электроэнергию. По этой причине при снижении потребления электрической мощности потребителями, высвобождаемую электрическую мощность по настоящему способу используют для повышения температурного потенциала накапливаемого тепла.

Повышение температуры накапливаемого тепла может производиться, например, расходованием избыточной электрической энергии на приведение в действие тепловых насосов, способных повышать температурный уровень исходного тепла до 500°С и выше [12]. Или использованием избытков электрической энергии на нагрев с помощью электронагревателей теплоаккумулирующих материалов, так как это осуществлено в демонстрационной ТЭС, разработанной фирмой Siemens Gamesa Renewable Energy, и введенной в эксплуатацию в Гамбурге-Альтенвердере (Германия) в июне 2019 года [13].

Использование «лишнего» электричества для аккумулирования тепла и последующего его обратного преобразования в нужное время в электрическую энергию особенно актуально в автономной локальной энергетике и на АЭС, для которых оптимальным режимом работы является постоянная выработка номинальной электрической мощности.

Выработка электроэнергии из накопленного тепла увеличивает суммарную выработку электричества из исходной энергии, затрачиваемой в энергетических установках, реализующих настоящий способ, т.е. дополнительно повышает степень преобразования тепла, подводимого к tCO₂-циклу, в механическую работу.

На фиг. 1 схематично представлен один из возможных вариантов реализации настоящего способа: энергетическая система (ЭС) централизованного электро-, тепло- и холодоснабжения с аккумулятором теплоты фазового перехода.

Данный вариант предусматривает использование турбокомпрессорного агрегата, в котором компрессоры энергетического и теплонасосного контуров, а также детандер и электрогенератор установлены на общем валу и приводятся в действие общим турбоприводом, как наиболее полно воплощающий преимущества настоящего способа.

В состав ЭС входит турбокомпрессорный агрегат, на валу 1 ротора которого установлены основная турбина 2, утилизационные турбины 3, 4, компрессоры 5, 6, детандер 7 и генератор электрического тока 8, нагреватель рабочего тела (СО₂) 9, дросселирующее устройство 10, преобразующее сжатый газообразный СО₂ в парожидкостную смесь, отделитель жидкости 11, разделяющий поступающую в него парожидкостную смесь СО₂ на жидкую и паровую фазы, дросселирующие устройства 12, 13, преобразующие жидкий СО₂ в парожидкостную смесь, подаваемую, соответственно, в газоохладитель 14 и льдогенератор 15, рекуперативные теплообменники 16, 17, утилизатор тепла 18, в котором утилизируемым теплом нагревают теплоноситель для теплоснабжения до 85-90°С, трехходовой регулирующий клапан (ТХРК) 19, распределяющий теплоноситель на текущее потребление и в системы накопления и хранения энергии, резервуар 20, принимающий возвращаемый теплоноситель, устройство извлечения тепла из окружающей среды 21, ТХРК 22, управляющий подачей жидкого СО₂ потребителям CO₂-хладагента, буферный бак 23, аккумулятор теплоты фазового перехода 24 с размещенными внутри него распределительными коллекторами 25, 26, насосы 27, 28 подачи жидкого СО₂, насос 29 подачи теплоносителя, насосы 30, 31, 32 подачи жидкой теплоаккумулирующей среды, а также соединительные трубопроводные линии, в т.ч.: 33 - непосредственной подачи теплоносителя потребителям тепла в соответствии с их текущими потребностями, 34 - подачи не требующегося для текущего потребления выработанного теплоносителя в системы накопления и хранения энергии (на фиг. 1 не показаны), 35 - подачи возвращаемого теплоносителя в резервуар 20, 36 - подачи жидкого СО₂ в качестве хладагента потребителям, 37 - подачи возвращаемого испаренного хладагента на сжатие в компрессор 6, 38 - подачи хладоносителя потребителям; 39 - возврата хладоносителя от потребителей в аккумулятор 24, 40 - подачи жидкой теплоаккумулирующей среды в льдогенератор 15, 41 - подачи жидкой теплоаккумулирующей среды в устройство извлечения тепла из окружающей среды 21, 42 - возврата отепленной теплоаккумулирующей среды из устройства 21 в коллектор 25 аккумулятора 24.

В аккумуляторе 24 в качестве теплоаккумулирующей среды используют пресную воду, кристаллизованная фаза которой (лед) на фиг. 1 изображена в виде заштрихованной области.

Работа ЭС производится следующим образом.

Рабочее тело ЭС (СО₂) нагревают в нагревателе 9 и подают в основную турбину 2, в котором оно расширяясь совершает работу, передаваемую в виде крутящего момента на вал 1 турбокомпрессорного агрегата, включающего турбины 2, 3, 4, компрессоры 5, 6 и детандер 7.

Выходящий из турбины 2 расширенный СО₂, содержащий тепло, не преобразованное в работу в турбине 2, поступает в рекуператор 16, в который одновременно насосом 27 из отделителя жидкости 11 подают жидкий СО₂. В результате теплообмена между потоками, поступающими в рекуператор 16, расширенный СО₂ охлаждается, а СО₂ подаваемый насосом 27 из отделителя жидкости 11 нагревается.

Нагретый в рекуператоре 16 СО₂ направляют в утилизационную турбину 3, в которой он расширяется, совершая механическую работу, передаваемую в виде крутящего момента на вал 1 турбокомпрессорного агрегата.

Выходящий из турбины 3 расширенный СО₂, содержащий достаточное для рекуперации количество тепла, поступает в рекуператор 17, в который одновременно насосом 27 из отделителя жидкости 11 подают поток жидкого СО₂. В результате теплообмена между потоками, поступающими в рекуператор 17, расширенный СО₂ охлаждается, а СО₂ подаваемый насосом 27 из отделителя жидкости 11 нагревается.

Нагретый в рекуператоре 17 СО₂ поступает в утилизационную турбину 4, в которой он расширяется, совершая механическую работу, передаваемую в виде крутящего момента на вал 1 турбокомпрессорного агрегата.

Создаваемый турбинами 2, 3, 4 крутящий момент на валу 1 приводит во вращение компрессоры 5, 6, детандер 7 и электрогенератор 8.

Расширенные потоки СО₂, выходящие из турбин 2, 3, 4, а также сжатую в компрессоре 5 паровую фазу СО₂ из отделителя жидкости 11 единым потоком подают в газоохладитель 14. В газоохладителе 14 объединенный поток СО₂ охлаждается и затем расширяется в дросселирующем устройстве 10 с понижением температуры и образованием парожидкостной смеси. В отделителе жидкости 11 парожидкостная смесь разделяется на жидкую и паровую фазы.

Паровую фазу СО₂ из отделителя жидкости 11 удаляют компрессором 5.

Жидкую фазу СО₂ из отделителя жидкости 11 насосом 27 подают в нагреватель 9 и рекуператоры 16,17, и насосом 28 - в линию 36, из которой она поступает в дроссельное устройство 12 и в ТХРК 22.

Жидкий CO₂, расширяется в устройстве 12 с образованием парожидкостной смеси, жидкая фаза которой испаряется в газоохладителе 14 за счет отвода тепла от охлаждаемого СО₂, и в испаренном виде подается на вход компрессора 6. В компрессоре 6 тепло, отводимое из газоохладителя 14, переходит в сжатый поток СО₂, и далее передается в теплоноситель, нагреваемый в утилизаторе 18.

Из отделителя жидкости 11 насосом 28 на вход ТХРК 22 подают постоянным расходом жидкий СО₂, величина которого соответствует максимально возможному в течение эксплуатации. В периоды потребления жидкого СО₂ расходом, меньшим максимального расхода, являющимся основным режимом работы, недоотбираемый потребителями расход предназначаемого им жидкого СО₂ с помощью ТХРК 22 через буферный бак 23 направляют в испарительный контур хладагента льдогенератора 15. На входе в контур хладагента льдогенератора 15 жидкий СО₂ расширяют в дросселирующем устройстве 13 с образованием парожидкостной смеси с пониженной температурой, жидкую фазу смеси испаряют теплом, отбираемым от жидкости, подаваемой в льдогенератор 15 насосом 32 из аккумулятора 24. Образующийся при этом лед и ледяную воду отправляют в аккумулятор 24.

Холод, содержащийся в аккумуляторе 24 в виде льда и холодной воды, используют для холодоснабжения потребителей холода путем отпуска низкотемпературной воды из аккумулятора 24 насосом 30 по линии 38 потребителям холода в качестве хладоносителя. Возвращаемый в аккумулятор 24 по линии 39 отепленный у потребителей хладоноситель вносит в аккумулятор 24 тепло, которое аккумулируется в виде увеличения количества жидкой воды в аккумуляторе 24, и используется по мере необходимости для испарения жидкого хладагента в льдогенераторе 15.

Потребление H₂O-хладоносителя, также как и CO₂-хладагента, неравномерно. При переполнении аккумулятора 24 льдом, поступающим в него из льдогенератора 15, в аккумулятор 24 подают тепло из устройства извлечения тепла из окружающей среды 21 посредством циркуляционного контура «аккумулятор 24 - насос 31 - линия 41 - устройство 21 - линия 42». При этом количество тепла, подаваемого в аккумулятор 24 посредством циркуляционного контура регулируют таким образом, чтобы в аккумуляторе 24 постоянно содержался лед в количестве достаточном для получения температуры воды (хладоносителя) на входе в насос 30 близкой к температуре кристаллизации воды, т.е. 0°С.

Тепло, отбираемое в льдогенераторе 15 от охлаждаемой и кристаллизуемой воды, по линии 43 передают в линию 37, повышают температурный потенциал компрессором бив утилизаторе тепла 18 теплом повышенного потенциала, источником которого служит льдогенератор 15, нагревают теплоноситель.

Нагретый в утилизаторе 18 теплоноситель с помощью ТХРК 19 по линии 33 отпускают потребителям тепла в соответствии с их текущими потребностями, а нагретый теплоноситель, не требующийся для текущего потребления, по линии 34 передают в системы накопления и хранения энергии.

Источники информации

1. 10 прорывных идей в энергетике на следующие 10 лет. 2023 г., ежегодный доклад Ассоциации по развитию международных исследований и проектов в области энергетики «Глобальная энергия» на Петербургском международном экономическом форуме 2023 года, стр. 36-38.

2. Егоров К.С., Чирков А.Ю., Танеев К.Б., Зуев Т.Р., Модель действительного цикла энергоустановки с реальногазовым рабочим телом, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Москва, 2019. http://repo.ssau.ru/bitstrearn/Informacionnye-tehnologii-i-nanotehnologii/Model-deistvitelnogo-cikla-energoustanovki-s-realnogazovym-rabochim-telom-76367/1/paper120.pdf

3. Supercritical Carbon Dioxide Turbine Design and Arrangement Optimization, Zhenya Li, Wenjie Bian, Li Jiang, Chuanliang Liu, Jinyuan Shi and Ning Hao, Shanghai Power Equipment Research Institute Co. Ltd, Shanghai, China, 04 July 2022.

https://www.frontiersin.ore/articles/10.3389/fenrs.2022.922542M

4. System Design and Application of Supercritical and Transcritical СО₂ Power Cycles: A Review, Enhua Wang, Ningjian Peng and Mengru Zhang, School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing, China, published: 10 November 2021. стр. 6. https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fenrg.2021.723875/full.

5. Калнинь И.М., Пустовалов С.Б., Кривцов Д.В., Масштабы и перспективы применения тепловых насосов на R744, журнал Холодильная техника, №3,2013, с. 25.

6. Epta ETE Technology to be Installed in First U.S. Store, Says Kysor Warren, 29 августа 2023 года, https://naturalrefrigerants.com/atom-america-eptas-ete-technology-to-be-installed-in-first-u-s-store-says-kysor-warren/.

7. Технология экстремальной температурной эффективности для систем на СО₂, 04 сентября 2023, https://kriofrost.academy/lenta/novosti/tehnologiya-ekstremalnoy-temperaturnoy-effektivnosti-dlya-sistem-na-so2/

8) https://www.carelrussia.com/transcritical-cycle.

9. Experimental verification of the self-condensing CO2 transcritical power cycle, Lisheng Pan, Weixiu Shi, Xiaolin Wei, Teng Li, Bo Li, Article in Energy, March 2020.

https://www.researchgate.net/publication/339743829_Experimental_verification_of_the_self-condensing_CO₂_transcritical_power_cycle.

10. Euro Green Deal «a golden opportunity» for cooling, https://www.coolingpost.com/world-news/euro-green-deal-a-golden-opportunity-for-cooling/.

11. Калнинь И.М., Савицкий И.К., Тепловые насосы: вчера, сегодня, завтра, журнал Холодильная техника, №10, 2000, с. 5, https://journals.eco-vector.com/0023-124X/article/view/107352

12. Система от «Isentropic», https://proagregat.com/energetika/akkumulirovanie-tepla-za-etim-buduschee/.

13. Siemens запустила первую станцию хранения энергии в камнях, https://hightech.plus/2019/06/13/siemens-zapustila-pervuyu-stancii-hraneniya-energii-v-kamnyah.

Изобретение относится к энергетике и предназначено для централизованной выработки электричества, тепла и холода на ТЭС, производящих преимущественно постоянную по величине электрическую мощность, например, на атомных электростанциях. В соответствии со способом из энергетического CO₂-цикла с транскритическими параметрами отводят тепло в теплоноситель с помощью искусственного охлаждения, производимого посредством обратного термодинамического цикла, часть процессов которого является неотъемлемой частью упомянутого цикла. При этом теплоноситель отпускают потребителям тепла в соответствии с их текущими потребностями, а нагретый теплоноситель, не требующийся для текущего потребления, передают на накопление. Это, совместно с другими усовершенствованиями, позволяет упростить совместное производство электроэнергии, тепла и холода, полезно использовать подводимое к циклу тепло, а также повысить за счет этого термический КПД и энергоэффективность. Кроме того, способ позволяет вырабатывать холод с помощью оборудования, предназначенного для выработки электроэнергии и тепла, что обеспечивает экономию электрической энергии в холодоснабжении. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ осуществления транскритического энергетического цикла на диоксиде углерода (СО₂), включающий отбор жидкого СО₂ из отделителя жидкости, повышение давления отбираемого жидкого СО₂ посредством насоса, подачу жидкого СО₂ с выхода насоса в нагреватель, повышение температуры СО₂ в нагревателе, расширение выходящего из нагревателя потока СО₂ с преобразованием тепла в механическую работу в расширительной машине, охлаждение потока СО₂, выходящего из расширительной машины, в газоохладителе при помощи искусственного охлаждения, расширение охлажденного СО₂ с образованием парожидкостной смеси, разделение парожидкостной смеси на жидкую и паровую фазы в отделителе жидкости, отбор паровой фазы СО₂ из отделителя жидкости, сжатие отбираемого пара в компрессоре, подачу сжатого СО₂ в газоохладитель, отличающийся тем, что искусственное охлаждение производят путем отбора жидкого СО₂ из отделителя жидкости, расширения отобранного жидкого СО₂ с образованием парожидкостной смеси, подачи парожидкостной смеси в газоохладитель, испарения жидкой фазы парожидкостной смеси в газоохладителе теплообменом с поступающим туда на охлаждение потоком CO₂, сжатия испарившегося СО₂ во втором компрессоре, передачи тепла из сжатого во втором компрессоре СО₂ в теплоноситель в утилизаторе тепла, подачи выходящего из утилизатора тепла потока СО₂ в газоохладитель, а также тем, что теплоноситель отпускают потребителям тепла в соответствии с их текущими потребностями, а нагретый теплоноситель, не требующийся для текущего потребления, передают на накопление для последующего использования.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что из потока СО₂, выходящего из расширительной машины, рекуперируют остаточное тепло теплообменом с рекуперирующим потоком, отбираемым с выхода насоса СО₂, рекуперирующий поток, нагретый рекуперированным теплом, расширяют с преобразованием тепла в механическую работу, если целесообразно, из расширенного первого рекуперирующего потока рекуперируют остаточное тепло теплообменом со вторым рекуперирующим потоком, отбираемым с выхода насоса СО₂, второй рекуперирующий поток, нагретый рекуперированным теплом, расширяют с преобразованием тепла в механическую работу, и т.д. пока сохраняется целесообразность рекуперации остаточного тепла из расширенного предыдущего рекуперирующего потока, следующим рекуперирующим потоком, отбираемым с выхода насоса СО₂, расширенные рекуперирующие потоки присоединяют к расширенному потоку СО₂, направляемому из расширительной машины в газоохладитель.

3. Способ по пп. 1, 2, отличающийся тем, что СО₂, выходящий из утилизатора тепла, перед поступлением в газоохладитель расширяют в детандере с отдачей внешней работы.

4. Способ по пп. 1-3, отличающийся тем, что второй компрессор и генератор электрического тока приводят в действие расширительной машиной.

5. Способ по пп. 1-4, отличающийся тем, что часть жидкого СО₂ из отделителя жидкости отпускают постоянным расходом в качестве хладагента на нужды потребителей холода, потребляемую долю хладагента, отпускаемого постоянным расходом, у потребителей расширяют, испаряют и в испаренном состоянии возвращают на вход второго компрессора, отпускаемый потребителям, но не потребляемый хладагент расширяют с образованием парожидкостной смеси, парожидкостную смесь подают в испаритель, в котором при благоприятных погодных условиях ее испаряют теплообменом с окружающей средой, а при неблагоприятных - накопленным теплом, и в испаренном состоянии подают на вход второго компрессора.

6. Способ по пп. 1-4, отличающийся тем, что часть жидкого СО₂ из отделителя жидкости отпускают постоянным расходом в качестве хладагента на нужды потребителей холода, потребляемую долю хладагента, отпускаемого постоянным расходом, у потребителей расширяют, испаряют и в испаренном состоянии возвращают на вход второго компрессора, а также тем, что его осуществляют с тепловым аккумулятором, в котором аккумулируют тепло, извлекаемое из окружающей среды, отпускаемый потребителям, но не потребляемый потребителями хладагент расширяют с образованием парожидкостной смеси, жидкую фазу которой испаряют в испарителе теплообменом с аккумулирующей средой, подаваемой из аккумулятора, и испаренный в результате этого хладагент подают на вход второго компрессора.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что в качестве теплового аккумулятора используют аккумулятор теплоты фазового перехода, испаритель эксплуатируют в режиме, обеспечивающем кристаллизацию подаваемой в него аккумулирующей среды, получаемую в испарителе кристаллизованную фазу передают в аккумулятор, содержащуюся в аккумуляторе кристаллизованную фазу используют для охлаждения жидкой фазы до температуры, близкой к температуре кристаллизации теплоаккумулирующей среды, низкотемпературную жидкую фазу из аккумулятора отпускают потребителям холода в качестве возвращаемого хладоносителя, излишне накапливающуюся в аккумуляторе кристаллизованную фазу расплавляют теплом, вводимым в аккумулятор из окружающей среды, а в периоды недостаточности тепла в окружающей среде - накопленным теплом.

8. Способ по пп. 1-7, отличающийся тем, что при снижении потребления электрической мощности потребителями высвобождаемую электрическую мощность используют для повышения температурного потенциала накапливаемого тепла.