СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ТАКОГО СПОСОБА
HEAT ENERGY TRANSFER METHOD AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION OF SUCH METHOD

Изобретение относится к способу передачи тепловой энергии из, по меньшей мере, одного источника тепла в, по меньшей мере, один теплоотвод, в частности, для сети централизованного теплоснабжения. Настоящее изобретение также относится к соответствующей сети централизованного теплоснабжения для повышения эффективности экстрагирования компонента из многокомпонентной рабочей жидкости.
Во времена повышения стоимости сырья особую важность приобретает эффективное использование имеющихся ресурсов. В этой связи большое значение имеет минимизация потерь при передаче энергии от устройства, вырабатывающего энергию, до потребителя.
Например, при выработке электроэнергии в тепловых электростанциях образуются значительные количества отработанного тепла, которые часто выпускаются неиспользованными через проточную воду или охлаждающие башни. Это приводит, с одной стороны, к нагреванию воды, используемой для охлаждения, и/или образованию тумана рядом с охлаждающими башнями; с другой стороны, бесполезный выпуск отработанного тепла снижает эффективность электростанции. Другими словами, теряется значительная часть используемой первичной энергии.
Более эффективное использование первичной энергии обеспечивается посредством так называемой связи энергия-тепло. Электростанция, имеющая связь энергия-тепло, прежде всего, использует энергию, содержащуюся в топливе, используемую для образования пара, который используется для приведения в действие турбин для выработки электрической энергии. Однако пар, охлажденный и расширенный после выработки электрической энергии, не подается в систему охлаждения, а используется для нагревания вторичной сети водоснабжения, которая связана с различными потребителями тепла, например бытовыми потребителями и/или коммерческими предприятиями, через трубопроводные сети - так называемые сети централизованного теплоснабжения. Таким образом, отработанное тепло электростанции используется для непосредственной подачи тепла бытовым потребителям и/или промышленным предприятиям, расположенным поблизости от электростанции.
Одним из ограничивающих факторов описанной концепции является ограниченная эффективность передачи тепла между электростанцией и потребителями. Поскольку электростанции обычно не строятся в непосредственной близости от густо заселенных районов, теплоноситель - то есть горячая вода вторичной сети - должен перемещаться на относительно большие расстояния, при этом даже при хорошей изоляции трубопроводов не удается избежать значительных потерь тепла. Поэтому эффективность связи энергия-тепло снижается, к тому же тепло должно передаваться. Таким образом, многие электростанции соединены с сетями централизованного теплоснабжения вследствие их значительной удаленности от соответствующих потребителей.
Основной целью настоящего изобретения является создание надежного способа передачи тепловой энергии, который уменьшает потери тепла во время передачи и вместе с тем является конкурентоспособным с коммерческой точки зрения. Кроме того, должно быть создано устройство для эффективной реализации данного способа и сеть централизованного теплоснабжения, пригодная для данного способа передачи.
Указанная цель достигается посредством создания способа передачи тепловой энергии с элементами, описанными в п.1 формулы изобретения, а также устройства выделения и сети централизованного теплоснабжения с элементами, описанными, соответственно, в п.п.11 и 15 формулы изобретения.
В соответствии с настоящим изобретением способ передачи тепловой энергии из, по меньшей мере, одного источника тепла в, по меньшей мере, один теплоотвод осуществляется при помощи рабочей жидкости, которая включает смесь из, по меньшей мере, одного первого компонента, имеющего первую температуру кипения, и второго компонента, имеющего вторую температуру кипения, при этом первая температура кипения ниже, чем вторая температура кипения. На первом этапе, по меньшей мере, некоторое количество первого компонента рабочей жидкости испаряется в результате подачи тепла из источника тепла. Затем испаренная часть первого компонента передается отдельно от рабочей жидкости, обедненной в результате испарения первым компонентом, из источника тепла в теплоотвод при помощи средства передачи. Температура первого компонента и обедненной рабочей жидкости при передаче из источника тепла в теплоотвод по существу соответствует температуре, преобладающей в окружающей среде средства передачи.
После передачи испаренный первый компонент затем вновь поглощается обедненной рабочей жидкостью, при этом тепло, поглощенное при испарении, отдается в теплоотвод.
Данный способ особенно пригоден для сети централизованного теплоснабжения.
Источником тепла может быть, например, обычная тепловая электростанция, которая преобразует тепловую энергию в электрическую энергию, при этом тепловая энергия может получаться в результате сжигания ископаемого топлива или ядерных процессов. Природными источниками тепла могут быть геотермальный источник тепла или солнечная радиация. В качестве источника тепла вместо тепловой электростанции может также рассматриваться производственный процесс, создающий отработанное тепло. Возможными теплоотводами являются, например, отопительные системы частных квартир или помещений, используемых в коммерческих целях. Хотя передаваемое тепло может также использоваться как технологическое тепло на промышленных предприятиях.
Передача тепла между источником тепла и теплоотводом осуществляется посредством рабочей жидкости, которой является смесь из, по меньшей мере, двух разных веществ - компонентов, - имеющих разные температуры кипения. Если тепло из источника тепла, то есть отработанное тепло электростанции, подается, например, в рабочую жидкость, то сначала начинает испаряться компонент, имеющий более низкую температуру кипения, при этом концентрация первого компонента в смеси уменьшается. Возникает газовая фаза, которая по существу содержит первый компонент, и жидкая фаза, которая образована рабочей жидкостью, обедненной первым компонентом. Первый компонент и обедненная рабочая среда передаются отдельно друг от друга из источника тепла в теплоотвод и только в нем снова соединяются, при этом во время передачи первый компонент также может находиться в жидком виде. При поглощении первого компонента обедненной рабочей жидкостью, которое происходит после передачи, тепло, требовавшееся перед передачей для испарения первого компонента, снова выделяется и может быть использовано в отопительной системе дома, например, посредством радиатора.
Таким образом, способ передачи тепловой энергии основан на термодинамической схеме, содержащей смесь, по меньшей мере, из двух компонентов в качестве рабочей жидкости, которая в частности включает разделение рабочей жидкости на два парциальных потока, имеющих разные агрегатные состояния вследствие селективного испарения, по меньшей мере, одного компонента рабочей жидкости. Тепловая энергия, которая ранее была использована для испарения, выделяется вновь на рекомбинацию парциальных потоков, перемещаемых раздельно друг от друга. Испарение и поглощение составляют часть обратимого процесса, так что поглощенное тепло при испарении соответствует выделенному теплу при поглощении.
Для повышения эффективности системы парциальные потоки перемещаются приблизительно при температуре окружающей среды таким образом, чтобы температурный градиент между парциальными потоками был по возможности низким. Вследствие низкого перепада температур передача тепла из рабочей жидкости в окружающую среду практически отсутствует или же она очень мала. При использовании обычных способов данная нежелательная передача тепла представляет собой серьезную проблему и может быть только уменьшена до обоснованно приемлемого уровня за счет принятия активных мер по изоляции.
Другими словами, первый компонент и обедненная рабочая жидкость перемещаются - по меньшей мере, в значительном большинстве вариантов осуществления указанного способа - при температуре, которая ниже уровня температуры радиатора. Тепловая энергия только снова выделяется и подается в радиатор на месте.
Дополнительным преимуществом способа в соответствии с настоящим изобретением является то, что тепловая энергия, поглощенная при испарении, может сохраняться, при этом парциальные потоки хранятся отдельно друг от друга, например, в емкостях. Парциальные потоки рекомбинируют только когда это требуется. Таким образом, выделение тепловой энергии может регулироваться по времени.
Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения изложены в формуле изобретения, описании изобретения и сопроводительных чертежах.
В соответствии с вариантом осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением испаренная часть первого компонента передается из источника тепла в теплоотвод в газообразной фазе, в то время как рабочая жидкость, обедненная первым компонентом, передается из источника тепла в теплоотвод в жидкой фазе.
Обычно раздельная передача парциальных потоков может осуществляться при помощи грузовика или другого мобильного транспортного средства. Однако предпочтительно, если рабочая жидкость передается из источника тепла в теплоотвод посредством двух отдельных труб, при этом первая труба предназначена для передачи первого компонента, а вторая труба предназначена для передачи рабочей жидкости, обедненной первым компонентом. В данном варианте осуществления оказалось целесообразным передавать рабочую жидкость, которая была снова «рециркулирована» в теплоотводе в результате обратного поглощения первого компонента, в источник тепла через третью трубу. Таким образом, создана замкнутая и непрерывно работающая система.
Трубы могут быть уложены совместно в виде связки в земле. Преобладающая там температура окружающей среды обычно составляет приблизительно 10°С. Поэтому предпочтительно, если температура парциальных потоков, перемещаемых через первую и вторую трубы, составляет приблизительно 10°С. При соответствующем заглублении труб в земле данная температура резко меняется в зависимости от времени года вследствие тепловой инерции земли.
Испарение первого компонента рабочей жидкости может происходить по существу при постоянной температуре, при этом давление рабочей жидкости ступенчато снижается по мере уменьшения концентрации первого компонента в рабочей жидкости. Данное ступенчатое снижение - или снижение, происходящее также поэтапно - давления рабочей жидкости упрощает испарение первого компонента из рабочей жидкости и, таким образом, способствует повышению эффективности системы.
В соответствии с другим вариантом осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением испарение первого компонента рабочей жидкости происходит, по меньшей мере, частично в первом диапазоне давлений рабочей жидкости, который расположен выше давления первого компонента при передаче из источника тепла в теплоотвод. По меньшей мере, одна другая часть испарения первого компонента рабочей жидкости происходит во втором диапазоне давлений рабочей жидкости, который расположен ниже давления первого компонента при передаче из источника тепла в теплоотвод.
Другими словами, в данном варианте осуществления давление части первого компонента, испаренного в первом диапазоне давлений, снижено до давления передачи. Термин «диапазон давлений» говорит о том, что испарение может происходить при одном уровне давления или при множестве различных уровней давления выше давления передачи. Тот же термин по аналогии относится ко второму диапазону давлений, который находится ниже давления передачи. Часть первого компонента, испаренного при одном уровне давлений или при множестве различных уровней давления второго диапазона давлений, повышается до уровня давления передачи для передачи.
Часть первого компонента, полученного при испарении в первом диапазоне давлений, может быть использована для выработки механической энергии, в то время как часть первого компонента, полученного при испарении во втором диапазоне давлений, отсасывается при помощи, по меньшей мере, одного компрессора. Предпочтительно, если выработанная механическая энергия используется непосредственно для приведения в действие компрессора. Однако может быть также обеспечена возможность преобразования механической энергии в электрическую энергию.
Поглощение первого компонента обедненной рабочей жидкостью в теплоотводе может происходить по существу при постоянном давлении, при этом поглощение происходит при постепенно снижающихся температурах по мере увеличения концентрации первого компонента в рабочей жидкости. Таким образом, поглощение может происходить - подобно испарению первого компонента - ступенчато или поэтапно.
Доказано, что подходящей рабочей жидкостью может быть водоаммиачный раствор с соотношением компонентов приблизительно 4 к 6 (40% воды, 60% аммиака). Соотношение компонентов смеси связано с рабочей жидкостью в основном состоянии перед испарением части первого компонента, например, в процессе передачи из теплоотвода в источник тепла.
3
Другими словами, предпочтительной рабочей жидкостью является раствор аммиака (NH) в воде (60%-ный водоаммиачный раствор), при этом концентрация раствора может изменяться в соответствии с преобладающими требованиями. В зависимости от ограничений передачи тепла, например уровня температуры источника тепла и/или теплоотвода, могут использоваться смеси других веществ.
Способ в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает передачу большей тепловой энергии в единице объема по сравнению с ранее использованными теплоносителями. Например, в обычных сетях централизованного теплоснабжения вода перемещается при температуре приблизительно 80°С. Когда вода в отопительной системе охлаждается до 50°С, полезное количество теплоты составляет максимум 50 ккал. При использовании же способа в соответствии с настоящим изобретением при рекомбинации аммиака и остаточного раствора получается количество теплоты приблизительно 150 ккал на литр. Следовательно, более высокая «теплоемкость» настоящего способа позволяет соответственно уменьшить размеры средства передачи рабочей жидкости, например трубопровода. Эффективность способа передачи тепла в соответствии с настоящим изобретением зависит также от эффективности процесса экстрагирования - т.е. испарения - первого компонента рабочей жидкости из рабочей жидкости. Поэтому основная идея настоящего изобретения включает также создание экстракционного устройства для повышения эффективности экстрагирования первого компонента рабочей жидкости, описанной выше. Данное экстракционное устройство включает, по меньшей мере, одну турбину и, по меньшей мере, один компрессор, при этом турбина и компрессор, каждый, может содержать часть первого компонента, испаренного в результате подачи тепла, поданного в газообразном состоянии. Давление части первого компонента, поданного в турбину, выше, чем давление части первого компонента, поданного в компрессор. Турбина может приводиться в действие для создания вращательного движения посредством первого компонента, поданного в нее, в то время как компрессор может приводиться в действие для увеличения давления части первого компонента, поданного в компрессор.
Газообразный первый компонент может подаваться в турбину и/или в компрессор в каждом случае при множестве различных уровней давления. В данном случае турбина и/или компрессор являются в частности многоступенчатыми, при этом соответствующие части газообразного первого компонента могут подаваться на ступени турбины и/или компрессора при соответствующем уровне давления в зависимости от ступени. Таким образом, описанный выше способ испарения первого компонента может быть осуществлен просто и эффективно.
Эффективность системы может быть дополнительно повышена, когда турбина и компрессор механически непосредственно связаны друг с другом, в частности имеют общую ось вращения. Механическая связь обычно может быть также создана посредством ступени передачи, расположенной между турбиной и компрессором.
В соответствии с настоящим изобретением сеть централизованного теплоснабжения для передачи тепловой энергии от, по меньшей мере, одного теплового генератора до, по меньшей мере, одного потребителя тепла посредством ранее описанной рабочей жидкости включает, по меньшей мере, один вытеснитель для отделения части первого компонента от рабочего средства, систему труб и, по меньшей мере, один поглотитель для поглощения отделенной части первого компонента рабочей жидкостью, обедненной первым компонентом, при этом система труб в каждом случае имеет отдельную трубу для передачи выделенной части первого компонента и рабочей жидкости, обедненной первым компонентом, из вытеснителя в поглотитель. Вытеснитель и поглотитель может каждый быть связан с тепловым генератором и потребителем тепла, соответственно, посредством теплообменника.
Тепловым генератором и потребителем тепла могут быть один или более источников тепла или теплоотводов, соответственно, описанных выше.
Для повышения эффективности сети централизованного теплоснабжения экстракционное устройство в соответствии с одним из вышеописанных вариантов осуществления может быть связано с вытеснителем.
Предпочтительно, если вытеснитель установлен у теплового генератора, а поглотитель установлен около потребителя тепла. Например, вытеснитель расположен около электростанции, а поглотитель установлен в отапливаемом здании.
Ниже настоящее изобретение будет описано только для примера со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления и сопроводительные чертежи.
На чертежах:
Фиг.1 изображает схематичную иллюстрацию варианта осуществления устройства для передачи тепловой энергии;
Фиг.2 изображает диаграмму изменения фазы в зависимости давления и температуры для различных водоаммиачных растворов с разными концентрациями аммиака;
Фиг.3 изображает схематичную иллюстрацию системы для выделения газообразного аммиака из водоаммиачного раствора в результате испарения;
Фиг.4 изображает схему поперечного сечения системы труб сети централизованного теплоснабжения в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.5 изображает диаграмму изменения фазы в зависимости давления и температуры для иллюстрации поглощения газообразного аммиака обедненным водоаммиачным раствором;
Фиг.6 изображает систему для поглощения газообразного аммиака обедненным водоаммиачным раствором.
Фиг.1 изображает устройство для передачи тепла 10, включающее вытеснитель 12 и поглотитель 14. Поглотитель 12 связан с источником тепла (не показанным) посредством впускного трубопровода 16 и выпускного трубопровода 18. Другими словами, горячая рабочая жидкость, например горячая вода или пар, подается в вытеснитель 12 и выходит из вытеснителя 12 через выпускную трубу 18. Аналогичным образом поглотитель 14 соединен с теплоотводом (не показанным) через впускной трубопровод 16' и выпускной трубопровод 18'. Вытеснитель 12 и поглотитель подобным образом соединены с другими промежуточными трубами 20, 22, 24, в результате чего образуется сеть теплоснабжения 19, в которой может циркулировать рабочая жидкость. В показанном варианте осуществления устройства передачи тепла 10 рабочей жидкостью является 60%-ный водоаммиачный раствор.
В вытеснителе 12 тепло подается в рабочую жидкость - точно так же, как в обычный теплообменник - и выпускается в виде отработанного тепла из рабочей жидкости источника тепла. Отработанное тепло источника тепла, используемое в настоящем способе в соответствии с настоящим изобретением, имеет относительно низкую температуру (температуру рабочей жидкости), поэтому оно уже не пригодно для выработки энергии. Обычно данное отработанное тепло выводится неиспользованным через системы охлаждения. Однако отработанное тепло может быть эффективно использовано при помощи водоаммиачного раствора в схеме передачи тепла 19.
Несмотря на то, что вода еще не достигла своей точки кипения при обычных температурах отработанного тепла, аммиак начинает испаряться. Поэтому рабочая жидкость разделяется на газообразную фазу аммиака и жидкую фазу рабочей жидкости, которая постепенно все больше обедняется аммиаком и называется также остаточным раствором. Другими словами, при подаче тепла, необходимого для испарения, рабочая жидкость разделяется на два парциальных потока с разными агрегатными состояниями.
Затем два парциальных потока поступают в поглотитель 14 отдельно друг от друга. С этой целью схема передачи тепла 19 содержит трубопровод для подачи газообразного аммиака 20 и трубопровод для подачи остаточного раствора 22 для обедненной рабочей жидкости.
В поглотителе 14 газообразный аммиак снова подводится в обедненную рабочую жидкость - остаточный раствор. При изменении направления эндогенного процесса испарения поглощение газообразного аммиака остаточным раствором является экзогенным процессом, в котором тепло, использованное при испарении, снова выделяется. Выделенное тепло выдается в поглотителе 14 в рабочую жидкость радиатора, например воду отопительной системы, и затем выводится через выпускной трубопровод 18'.
Первоначальный состав рабочей жидкости восстанавливается в результате поглощения газообразного аммиака остаточным раствором. Затем рабочая жидкость направляется через обратный трубопровод 24 из поглотителя 14 в выделитель 12, где ранее описанный термодинамический процесс начинается снова.
Как описано вначале, самые большие потери тепла в обычных сетях централизованного теплоснабжения происходят во время передачи горячей рабочей жидкости между источником тепла и теплоотводом. В устройстве в соответствии с настоящим изобретением, напротив, тепло «буферизировано» посредством разделения рабочей жидкости на разные агрегатные состояния и выпускается только посредством рекомбинации парциальных потоков на месте. Следовательно, для передачи тепловой энергии не требуется перемещения горячей рабочей жидкости. Температура парциальных потоков, т.е. температура газообразного аммиака и остаточного раствора в трубопроводах 20, 22, приблизительно соответствует температуре их внешней среды и поэтому обычно ниже уровня температуры рабочей жидкости теплоотвода. Например, если трубопроводами 20, 22, 24 являются системы труб, которые проложены в земле, температура передачи соответствует приблизительно 10°С, при этом температура передачи может также отклоняться от данной величины, например, в пределах ±50%. Вследствие низкого градиента температуры или при полном отсутствии градиента температуры между передаваемыми парциальными потоками и землей, окружающей трубу, дополнительные потери тепла очень малы.
Общеизвестно, что после выхода из вытеснителя 12 температура газового и жидкого парциальных потоков повышается. Однако данное тепло может быть удалено из парциальных потоков подходящим способом перед передачей в поглотитель 14, например, для нагревания рабочей жидкости в обратном трубопроводе 24 перед вводом рабочей жидкости в вытеснитель 12 для дополнительного повышения эффективности системы.
Процесс испарения аммиака будет описан ниже со ссылкой на диаграмму изменения фазы, показанную на фиг.2. Фиг.2 изображает диаграммы изменения фазы в зависимости давления и температуры (диаграммы давление-температура) для водоаммиачных растворов с разными концентрациями аммиака, при этом температура Т показана по оси абсцисс, а давление р - по оси ординат. Линии, проходящие под наклоном к координатным осям, представляют собой состояния равновесия между газовой фазой и жидкой фазой водоаммиачных растворов с разными концентрациями аммиака. То есть газообразный аммиак начинает выходить из раствора при соотношениях р-Т, которые находятся справа от соответствующей линии. Числовые значения, связанные с наклонными линиями, показывают соответствующую концентрацию аммиака в растворе.
V
Например, если в начале термодинамического процесса, описанного выше со ссылкой на фиг.1 - т.е. на входе смеси в вытеснитель 12 - 60%-ный водоаммиачный раствор находится при давлении 17 бар и температуре испарения Т, равной 70°С (состояние а), тогда газообразный аммиак начинает испаряться. Другими словами, аммиак «испаряется» или «вытесняется» из раствора в результате непрерывной подачи тепла. При этом концентрация растворенного аммиака снижается до тех пор, пока концентрация аммиака в растворе не достигает 55%. Изменение концентрации ∆К проиллюстрировано при помощи толстой горизонтальной стрелки. Следовательно, рабочая жидкость обедняется. Как можно видеть из фиг.2, при давлении 17 бар и температуре 70°С выделение газообразного аммиака прекращается. При данной концентрации и при данном соотношении давления и температуры (соотношении р-Т) раствор находится в равновесии, которое символически изображается наклонной линией G, обозначенной номером 55, и характеризующей состояние равновесия 55%-ного водоаммиачного раствора в зависимости от давления и температуры.
V
Для продолжения выделения газообразного аммиака давление 55%-ного водоаммиачного раствора снижается до 12,2 бар, при этом температура поддерживается путем непрерывной подачи тепла от источника тепла постоянно при давлении испарения Т, приблизительно равном 70°С (состояние b). При данном соотношении P-Т газообразный аммиак снова выделяется из раствора до тех пор, пока концентрация аммиака не достигает 50%.
V
Если в зависимостях Р-Т, преобладающих в состоянии b, будет достигнута концентрация аммиака 50%, давление снижается - при сохранении неизменной температуры Т- до 9,1 бар (состояние с) таким образом, чтобы газообразный аммиак мог продолжать вытесняться из раствора.
V
Как показано на фиг.2, снижение давления при постоянной температуре испарения Т происходит в несколько ступеней. Другие ступени включают уровни давления 7,1 бар (состояние d), 5,6 бар (состояние е), 4,4 бар (состояние f), 3,2 бар (состояние g), 2,3 бар (состояние h), 1,8 бар (состояние i) и 1,2 бар (состояние j). После последней ступени снижения давления остаточный раствор имеет концентрацию аммиака всего лишь 10%. Затем данный остаточный раствор и вытесненный газообразный аммиак передаются в поглотитель, как уже было описано выше.
Предпочтительно, если снижение давления происходит не в одном вытеснителе в несколько последовательно реализуемых во времени ступеней, а происходит непрерывно за множество ступеней при помощи каскадной схемы вытеснительных устройств, как будет описано ниже со ссылкой на фиг.3.
Фиг.3 изображает вытеснитель 12, в который подается 60%-ный водоаммиачный раствор через обратный трубопровод 24 при температуре 10°С и давлении 6 бар. Давление рабочей жидкости повышается до 17 бар при помощи насоса Р2. Затем рабочая жидкость поступает в теплообменник 26, где она нагревается при помощи обедненного раствора в трубопроводе для подачи остаточного раствора 22 в процессе противотока. Некоторая часть аммиака, возможно, вытесняется уже в теплообменнике 26 и подается непосредственно в подводящий трубопровод 28 через шунтирующий трубопровод 30.
V
Основная часть предварительно нагретой рабочей жидкости подается на первую ступень вытеснителя 32а. На ступень вытеснителя 32а через впускной трубопровод 16 подается пар при температуре 85°С из паровой турбины низкого давления (не показанной). Пар конденсируется на ступени вытеснителя 32а, при этом выделяется тепло для образования жидкой воды, которая снова подается в электростанцию через выпускной трубопровод 18. На первой ступени вытеснителя 32а водоаммиачный раствор имеет температуру Т, равную 70°С, и давление 17 бар (состояние а). Вследствие охлаждения пара тепло выделяется в раствор, что приводит к испарению некоторой части растворенного аммиака, которая подается в турбину 34 через подводящий трубопровод 28. Газообразный аммиак, подаваемый в турбину 34, имеет давление 17 бар.
Если концентрация аммиака в водоаммиачном растворе уменьшилась до 55%, давление жидкости при помощи редукционного клапана 36 снижается до 12,2 бар, и обедненная рабочая жидкость поступает на следующую ступень вытеснителя 32b, где аналогичным образом тепло извлекается из пара электростанции для испарения аммиака. Газообразный аммиак подается в турбину 34 при давлении 12,2 бар.
Отдельные ступени вытеснителя 32а-32j соответственно связаны с состояниями а-j, показанными на фиг.2, и работают при соответствующих уровнях давления. Температура на ступенях вытеснителя 32а-32j приблизительно одинаковая и составляет 70°С. Как уже указано выше, соответствующий уровень давления, преобладающий на ступенях вытеснителя, снижается в данной каскадной схеме ступеней вытеснителя 32а-32j. Следовательно, газообразный аммиак подается в турбину 34 через соответствующие отдельные подводящие трубопроводы при разных уровнях давления.
Поэтому предпочтительно, если турбиной 34 является многоступенчатая турбина. При такой турбине 34 газообразный аммиак может впрыскиваться в соответствующую подходящую ступень турбины при разных уровнях давления. Для обеспечения высокой эффективности ступени вытеснителя 32а-32d, связанные с турбиной, и ступени турбины 34 согласованы друг с другом.
Таким образом, турбина 34 получает газообразный аммиак при разных уровнях давления, которые все выше давления передачи, равного приблизительно 6 бар. Давление передачи служит для передачи газообразного аммиака из вытеснителя 12 в поглотитель 14. Турбина 34 приводится в действие для создания вращательного движения, обусловленного разностью между давлением газообразного аммиака ступеней вытеснителя 32а-32d и давлением передачи. Возникающая при этом механическая энергия может быть либо преобразована посредством генератора (не показанного) в электрическую энергию, либо может быть передана прямо или опосредованно в компрессор 38, который повышает давление газообразного аммиака ступеней вытеснителя 32е-32j, связанных с состояниями е-j, до уровня давления передачи, равного 6 бар. Подобно турбине 34 компрессор 38 быть также многоступенчатым, для того чтобы газообразный аммиак мог подаваться в него при разных уровнях давления.
Как показано на фиг.3, турбина 34 и компрессор 38 образуют узел с общей осью вращения 40. Другими словами, газообразный аммиак, вытесненный при высоких давлениях, приводит в действие турбину 34 для перемещения газообразного аммиака, вытесненного при низких давлениях, до уровня давления передачи, равного приблизительно 6 бар, при помощи компрессора. Генератор (не показанный) может быть дополнительно соединен с осью вращения 40 для преобразования избыточной механической энергии в мощность. Комбинация турбина/компрессор из турбины 34 и компрессора 38 обеспечивает выделение газообразного аммиака из раствора, и таким образом, повышает эффективность термодинамической схемы.
Вытесненный газообразный аммиак и остаточный раствор, обедненный аммиаком, передаются в поглотитель 14 через трубопровод для подачи газообразного аммиака 20 или трубопровод для подачи остаточного раствора 22. Трубопровод для подачи остаточного раствора 22 соединен с последней ступенью поглотителя 32j каскада ступеней поглотителя и содержит описанный ранее теплообменник 26 на своем протяжении для нагревания рабочей жидкости, проходящей в вытеснитель 12. Необходимо отметить, что остаточный раствор - то есть обедненная рабочая жидкость - посредством этого охлаждается до значительно более низкой температуры. Давление передачи, требующееся для передачи остаточного раствора (10%-ного водоаммиачного раствора), обеспечивается при помощи насоса Р1.
Фиг.4 изображает поперечное сечение системы труб 42, соединяющих вытеснитель 12 и поглотитель 14. Система труб 42 включает трубопровод для подачи газообразного аммиака 20, трубопровод для подачи остаточного раствора 22 и обратный трубопровод 24. Трубопроводы 20, 22, 24 окружены общей изоляцией 44, которая, тем не менее, может быть выполнена просто, поскольку реальная передача тепла происходит не посредством переноса горячей рабочей жидкости, а посредством разделения фаз многокомпонентной рабочей жидкости с последующей рекомбинацией фаз в результате поглощения. Кроме того, изоляция 44 представляет собой защиту от механических воздействий и коррозии. При определенных условиях изоляция 44 может быть полностью устранена без существенного снижения эффективности рассматриваемого способа.
Благодаря передаче тепла посредством отдельных компонентов водоаммиачного раствора и, следовательно, второстепенному значению изоляции системы труб, температура переносимых потоков текучих сред приблизительно соответствует температуре земли, окружающей систему труб 42, и в данном примере равна приблизительно 10-15°С. Необходимо только выбрать оптимальное соотношение давления и температуры в трубопроводе для подачи газообразного аммиака 20, для того чтобы предотвратить конденсацию газообразного аммиака.
Фиг.5 изображает часть диаграммы изменения фазы в соответствии с фиг.2 с графиками процесса поглощения газообразного аммиака обедненным аммиаком водным раствором.
А
В отличие от вытеснения поглощение происходит при постоянном давлении поглощения p, которое по существу соответствует давлению передачи. В показанном варианте осуществления поглотитель 14 получает как газообразный аммиак, так и обедненный остаточный раствор при давлении, равном приблизительно 6 бар. На первом этапе 10%-ный остаточный раствор, выпускаемый из вытеснителя 12, обогащается посредством поглощения газообразного аммиака и достигает концентрации аммиака 15%. На данном этапе поглощения максимальная достижимая температура в водоаммиачном растворе составляет 113°С, как можно видеть из диаграммы изменения фаз (состояние а'). Поэтому температура остаточного раствора повышается в результате поглощения газообразного аммиака до максимума 113°С, и остаточный раствор одновременно обогащается. Изменение концентрации ∆К' обозначено горизонтальной стрелкой.
Тепло остаточного раствора излучается в теплоотвод, например в отопительную сеть дома. Остаточный раствор, обогащенный на 5%, снова получает газообразный аммиак на следующем этапе и, таким образом, нагревается до 102°С (состояние b'), при этом концентрация аммиака в остаточном растворе увеличивается до 20%. Данная процедура повторяется (состояния с'-j') до тех пор, пока не будет достигнута первоначальная концентрация (60%-ный водоаммиачный раствор), и количество тепла, поглощенного в вытеснителе 112 для испарения газообразного аммиака, будет по существу выделено снова.
Фиг.6 схематично изображает вариант реализации поглотителя 14 у потребителя. Поглотитель 14 включает семь ступеней теплообменника поглотителя 46а'-46g', при этом буквы соответствуют соответствующим состояниям давления и температуры а'-g' по фиг.5. В каждую ступень теплообменника поглотителя 46а'-46g' поступает газообразный аммиак из трубопровода для подачи газообразного аммиака 20. Трубопровод для подачи остаточного раствора 22 соединен со ступенью теплообменника поглотителя 46а'. Газообразный аммиак подается в 10%-ный остаточный раствор через сопло Вентури 48. Тепло выделяется остаточным раствором в результате поглощения газа и выделяется в рабочую жидкость теплоотвода, которая выходит через выпускной трубопровод 18'. Остаточный раствор, обогащенный на 5%, по существу подается в ступень теплообменника поглотителя 46b', где вышеописанная процедура аналогичным образом повторяется.
Для введения газообразного аммиака в остаточный раствор вместо сопла Вентури 48 может быть создано другое подходящее устройство. Рабочая жидкость теплоотвода подается в каскад теплообменников поглотителя вначале на ступень теплообменника поглотителя 46g'. Таким образом, температура рабочей жидкости теплообменника - то есть у потребителя - постепенно повышается с 54°С (состояние g') до максимума 113°С (состояние а'), при этом концентрация аммиака в остаточном растворе увеличивается с 10% (состояние а') до 45% (состояние g').
Раствор, выходящий из ступени теплообменника поглотителя 46g', не пригоден для предварительного нагрева воды отопительной системы эффективным способом в другой ступени поглотителя, поскольку температуры могут быть достигнуты только посредством дополнительных изменений концентрации, которые немного выше, чем температура нагревающей воды, проходящей в каскад поглотителя. При малой разнице температур эффективность теплообменника низкая. Следовательно, поглотитель 14 имеет компонент нагревания пола 50, который использует остаточный нагревающий потенциал остаточного раствора на трех ступенях 52h', 52i', 52j' посредством подачи газообразного аммиака. Остаточный раствор может быть нагрет до температур 45°С (состояние h'), 37°С (состояние i') и 31°С (состояние j') в соответствии с тремя этапами обогащения 45%-50%, 50%-55% и 55%-60% соответственно. Эти температуры очень подходят для систем нагревания пола при соответствующем осуществлении нагревательной системы. Тепло остаточного раствора выделяется непосредственно в здание в компоненте нагревания пола 50.
Раствор, вновь имеющий первоначальную концентрацию 60% после этапа обогащения 52j', может выделять свое остаточное тепло в здание в дополнительных нагревающих контурах 54 (на фиг.6 показан только один) перед тем, как он будет снова подан в вытеснитель 12 через обратный трубопровод 24.
Из вышеприведенного описания можно легко понять, что указанные значения давления, температуры и концентрации приведены только для примера. Соотношения Р-Т отдельных этапов могут выбираться свободно в соответствии с требованиями. Кроме того, могут быть созданы другие рабочие жидкости, пригодные для требуемых диапазонов температуры.
V
V
В частности, - отходя от ранее описанного примера осуществления данного способа - температура испарения Т может быть меньше 70°С. При температуре испарения Т, равной приблизительно 60°С, выходная мощность турбины 34 соответствует приблизительно мощности, получаемой при помощи компрессора 38.
V
V
При более низких температурах испарения Т другие параметры указанного способа также должны быть адаптированы для оптимизации способа в соответствии с настоящим изобретением. При температуре испарения Т, равной 60°С, выгодно, например, если концентрация аммиака будет снижена до 20%. Другими словами, в данном случае последние два этапа обеднения i и j (см. фиг.2) опускаются при испарении аммиака. Соответствующие ступени вытеснителя 32i и 32j могут быть соответственно устранены. Затем также устраняются этапы теплообменника поглотителя 46а' и 46b' на стороне теплоотвода.
V
Если не будет обеспечено соответствующее повышение минимальной концентрации аммиака в остаточном растворе даже при более низких температурах Т, компрессор 38 должен дополнительно приводиться в действие при помощи другого агрегата, поскольку мощности турбины будет не достаточно для обеспечения работы компрессора 38.
Необходимо также отметить, что предлагаемое экстракционное устройство, которое основано на комбинации турбина/компрессор, пригодно также для множества других областей применения, в которых важна эффективная экстракция газового компонента, по меньшей мере, из одного жидкого теплоносителя.
Перечень ссылочных позиций
10 - устройство для передачи тепла;
12 - вытеснитель;
14 - поглотитель;
16, 16' - впускной трубопровод;
18, 18' - выпускной трубопровод;
19 - схема передачи тепла;
20 - трубопровод для подачи газообразного аммиака;
22 - трубопровод для подачи остаточного раствора;
24 - обратный трубопровод;
a-j, a'-j' - состояние р-Т;
26 - теплообменник;
28 - подводящий трубопровод турбины;
30 - шунтирующий трубопровод;
32a-32j - ступень вытеснителя;
34 - турбина;
36 - редукционный клапан;
38 - компрессор;
40 - ось вращения;
42 - система труб;
44 - изоляция;
46a'-46g' - каскад теплообменника поглотителя;
48 - сопло Вентури;
50 - компонент нагревания пола;
52h'-52j' - каскад обогащения;
A
p - давление поглощения;
V
T - температура испарения;
∆K, ∆K' - изменение концентрации;
G - балансный трубопровод.