СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСТВО, ТЕПЛОТУ ПОВЫШЕННОГО ПОТЕНЦИАЛА И ХОЛОД
METHOD AND DEVICE FOR CONVERSION OF HEAT ENERGY TO ELECTRICITY, HEAT OF INCREASED POTENTIAL AND COLD

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к процессам преобразования тепловой энергии сравнительно низкого температурного уровня, и может быть использовано для комбинированного или раздельного производства механической (электрической) энергии, тепловой энергии повышенного потенциала и холода.
Широко известен парокомпрессионный способ термотрансформации [Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. - М.: Энергоиздат, 1981, с.49], включающий испарение рабочей среды (хладагента) при пониженном давлении с появлением холодильного эффекта, последующее сжатие пара хладагента с помощью компрессора, дальнейшее охлаждение и конденсацию этого пара с выделением тепловой энергии повышенного потенциала и, наконец, понижение давления рабочей среды (как правило, дросселированием) перед испарением.
Известен абсорбционный способ получения холода и/или тепловой энергии [Бадылькес Е.С., Данилов Р.Л. Абсорбционные холодильные машины. - М., Пищевая промышленность, 1966, с.131], в котором рабочей средой является смесь низкокипящего (хладагент) и высококипящего (абсорбент) компонентов. В этом способе пар хладагента, полученный путем выпаривания крепкого раствора при повышенной температуре и повышенном давлении, первоначально охлаждают и конденсируют с передачей выделяемой теплоты внешним потребителям. Затем температуру и давление конденсата хладагента понижают путем его частичного расширения в процессе дросселирования и испаряют с появлением холодильного эффекта при пониженном давлении и пониженной температуре, например минус 30°C. Образовавшийся при этом пар пониженного давления далее абсорбируют в слабом растворе при постоянной температуре и давлении с отводом теплоты пониженного температурного потенциала в окружающуюся среду. В свою очередь, крепкий раствор, образовавшийся в процессе абсорбции, сжимают, нагревают и подают для повторного выпаривания.
3
2
3
Известен также цикл Калины [Kalina A. Method and Apparatus for Converting Low Temperature Heat to Electric Power. Patent USA No. 5,029,444, Date of Patent: Jul. 9, 1991], в котором двухкомпонентная рабочая среда (как правило, водоаммиачный раствор NH+HO), используется для преобразования тепловой энергии в механическую (электрическую) энергию. В этом способе, поток пара, включающий пары аммиака (NH) и воды, получают путем испарения крепкого раствора при повышенной температуре и повышенном давлении, а образовавшийся пар расширяют в турбине с производством работы. Поток пара после турбины, имеющий повышенную температуру, например, 45-70°C, первоначально смешивают с потоком слабого раствора, а затем конденсируют при постоянном давлении с отводом теплоты, выделяющейся в процессе конденсации, внешними теплоносителями, имеющими температуру окружающей среды.
Указанные выше способы предназначены для производства лишь одного вида энергии, т.е. либо механической (электрической) энергии, либо тепловой энергии и холода. Кроме того, эффективность этих способов сравнительно мала.
Известен также абсорбционный способ [David N. Wells. System and Method for Selective Heating and Cooling. Patent Application Publication, Pub. No.: US 2005/0086971 A1, Pub. Date: Apr. 28, 2005] комбинированного производства электрической энергии и холода, в котором рабочей средой также является смесь низкокипящего (хладагент) и высококипящего (абсорбент) компонентов и который выбран здесь в качестве аналога, наиболее близкого к предлагаемому изобретению по совокупности признаков (прототип).
В этом способе поток пара хладагента, полученный путем испарения крепкого раствора при повышенной температуре и повышенном давлении, первоначально расширяют в турбине с производством работы (электрической энергии) с образованием потока отработанного пара.
Причем, отработанный пар имеет некоторые промежуточные значения давления и температуры, достаточные для преобразования (конденсации) отработанного пара в жидкое состояние с использованием внешних теплоносителей (окружающего воздуха или воды).
Затем отработанный пар конденсируют с образованием жидкого хладагента (конденсата), а выделяющаяся при этом тепловая энергия отводится с помощью внешних теплоносителей (окружающего воздуха или воды) в окружающую среду.
Далее давление и температуру жидкого хладагента (конденсата) дополнительно понижают путем его дополнительного расширения с образованием хладагента пониженного давления и пониженной температуры.
После чего хладагент пониженного давления и пониженной температуры испаряют с образованием пара хладагента пониженного давления и пониженной температуры. Испарение хладагента при пониженном давлении и пониженной температуре сопровождается появлением холодильного эффекта.
Образовавшийся при этом пар пониженного давления и пониженной температуры, меньшей температуры внешних теплоносителей (внешних тепловых источников), абсорбируют в слабом растворе при постоянном давлении, а выделяющаяся при этом теплота отводится в окружающую среду, т.е. выделяющаяся тепловая энергия поглощается такими внешними теплоносителями, как вода или воздух.
В процессе абсорбции образуется крепкий раствор, который далее сжимают, нагревают и подают для повторного выпаривания.
Кроме того, дополнительными особенностями этого способа также являются:
1) сравнительно низкая степень расширения пара с производством работы, составляющая примерно 5-6 единиц,
2) выбранная последовательность операций способа, согласно которой абсорбция пара после его расширения в турбине возможна лишь при наличии таких промежуточных операций способа, как конденсация и испарение,
3) использование процесса дросселирования, выполняемого с помощью терморегулирующего вентиля, для дополнительного расширения хладагента (конденсата) с понижением его давления и температуры.
Известно устройство для трансформации тепловой энергии [David N. Wells. System and Method for Selective Heating and Cooling. Patent Application Publication, Pub. No.: US 2005/0086971 A1, Pub. Date: Apr. 28, 2005], включающее циркуляционные контуры хладагента и раствора с установленными в них сепаратором, турбиной, подключенной к электрогенератору, конденсатором, терморегулирующим (дроссельным) вентилем, испарителем, абсорбером, насосом, регенератором тепловой энергии, бойлером, подключенным к источнику теплоты повышенной температуры. В этом устройстве абсорбер подключен коммуникациями к источнику теплоты пониженной температуры.
При современном уровне техники эффективность силовых циклов сравнительно мала, т.к. дальнейшее расширение полезного температурного диапазона цикла за счет снижения температуры пара после турбины (теплового двигателя), обычно, существенно превышающей температуру окружающей среды, не представляется возможным.
Эффективность известных циклов, используемых для систем нагревания и охлаждения, также недостаточно высока.
Целью предлагаемого изобретения является дальнейшее повышение эффективности производства механической (электрической) энергии, а также теплоты и холода, особенно при использовании низкопотенциальных возобновляемых или вторичных тепловых источников.
Указанная цель достигается тем, что в способе трансформации тепловой энергии, включающем
- выделение (выпаривание) хладагента из крепкого раствора при повышенной температуре и повышенном давлении с образованием потока нагретого пара хладагента и потока слабого раствора,
- расширение потока нагретого пара хладагента с производством работы и образованием отработанного пара,
- конденсацию пара хладагента с передачей выделяющейся при этом тепловой энергии внешнему теплоносителю и образованием жидкого хладагента,
- расширение (дросселирование) жидкого хладагента и его последующее испарение с образованием холодильного эффекта при пониженном давлении и пониженной температуре, меньшей температуры внешнего теплоносителя, используемого в процессе конденсации, а также
- абсорбцию пара хладагента пониженной температуры и пониженного давления в предварительно охлажденном слабом растворе с образованием крепкого раствора,
- повышение давления крепкого раствора и его нагревание перед подачей (возвратом) для выпаривания,
нагретый пар хладагента после выпаривания разделяется на два потока, один из которых расширяется с производством работы, а другой конденсируется и используется для производства холода и/или тепловой энергии,
причем поток пара хладагента после его расширения с производством работы (отработанный пар) и поток пара хладагента пониженной температуры и пониженного давления, полученный при испарении хладагента с образованием холодильного эффекта, абсорбируются с использованием общего слабого раствора и образованием крепкого раствора, включающего в себя (содержащего) хладагент обоих указанных выше потоков.
Указанная цель достигается также тем, что в способе трансформации тепловой энергии, включающем
- выпаривание хладагента из крепкого раствора при повышенной температуре и давлении с образованием потока нагретого пара хладагента и потока слабого раствора,
- понижение температуры и давления нагретого пара хладагента путем его расширения с производством работы при температурах, превышающих температуру конденсации пара при использовании внешних теплоносителей,
- дополнительное снижение температуры и давления хладагента с образованием пара хладагента пониженной температуры,
- абсорбцию пара хладагента пониженной температуры в предварительно охлажденном слабом растворе с образованием крепкого раствора,
- нагревание образовавшегося при абсорбции крепкого раствора, а также
- повышение давления раствора,
дополнительное снижение температуры и давления хладагента с образованием пара хладагента пониженной температуры осуществляется путем дополнительного расширения пара хладагента с производством работы.
Кроме того, особенностями предлагаемого способа, приводящими к получению технического результата, являются:
- дополнительное охлаждение слабого раствора перед абсорбцией с передачей теплоты повышенного потенциала внешнему теплоносителю;
- расширение пара хладагента при производстве работы до температуры, меньшей, чем температура любого внешнего теплоносителя (температура окружающей среды);
- повышение давления абсорбции за счет применения парожидкостных эжекторов или двухфазных (парожидкостных) компрессоров;
- использование в качестве растворителя жидкостей, применяемых для смазки компрессора.
В устройстве для преобразования тепловой энергии в электричество, теплоту повышенного потенциала и холод, включающем
- бойлер (нагреватель) с сепаратором для выпаривания хладагента и его отделения от раствора,
- тепловой двигатель (турбину с электрогенератором), подключенный к сепаратору коммуникациями (трубопроводами) для подачи пара хладагента, и/или
- конденсатор с коммуникациями для подачи в конденсатор пара и вывода из него жидкого хладагента в испаритель с расширительным (регулирующим) вентилем,
- абсорбционный аппарат (абсорбер), снабженный на входе коммуникациями для поступления в абсорбер пара хладагента и слабого раствора, а на выходе коммуникациями для подачи в бойлер крепкого раствора,
- насос для повышения давления раствора и его циркуляции,
- регенеративный теплообменник и охладитель (теплообменник),
тепловой двигатель снабжен коммуникациями для подачи отработанного пара (пара после двигателя) в абсорбер.
Другими отличительными особенностями предлагаемого устройства являются:
- установка на линии слабого раствора между сепаратором и абсорбером охладителя с внешним охлаждением, обеспечивающим нагревание внешнего теплоносителя и снижение температуры слабого раствора перед абсорбером;
- подключение теплового двигателя к сепаратору параллельно с конденсатором с возможностью распределения потоков пара между двигателем и конденсатором с помощью регулировочного клапана (вентиля);
- снабжение абсорбера парожидкостным струйным аппаратом (эжектором), обеспечивающим снижение давления пара перед абсорбером и повышение давления раствора в процессе абсорбции;
- использование в качестве абсорбера винтового или спирального компрессора.
Сущность предлагаемого способа поясняется принципиальной схемой установки для комбинированного производства (генерирования) различных видов энергии (электричества, теплоты и холода), представленной на Фиг.1. Кроме того, сущность предлагаемого способа поясняется принципиальной схемой установки для производства (генерирования) электрической и тепловой энергии, представленной на Фиг.2, а также условным изображением характерных процессов этого способа на диаграмме с координатами lg р-(-1/Т), где p - давление, T - абсолютная температура, представленной на Фиг.3.
Устройство на Фиг.1 включает циркуляционный контур хладагента 1 и циркуляционный контур раствора 2 с установленными в них сепаратором 3, узлами 4 и 5 взаимодействия хладагента с энергетическими потребителями электрической энергии и холода соответственно, абсорбером 6, ресивером 7, насосом 8, регенератором 9, бойлером (кипятильником) 10 и охладителем (теплообменником) 11.
В свою очередь, узел 4 включает турбину 12 с подсоединенным к ней электрическим генератором 13 и запорно-регулирующую арматуру для распределения подачи пара между узлами 4 и 5, а узел 5 - конденсатор 14, регулирующие вентили 15 и испаритель 16. Предлагаемый способ допускает регулирование производительности установки по производству электричества и теплоты (холода) путем распределения подачи пара между узлами 4 и 5 с помощью запорно-регулирующей арматуры 17 на Фиг.1.
На Фиг.2 демонстрируется один из возможных вариантов предлагаемого способа, в котором весь пар после сепаратора направляется в турбину и используется для генерирования электроэнергии.
В этом случае устройство включает:
1 - турбину с электрогенератором,
2 - абсорбер с эжектором,
3 - насос,
4 - теплообменник растворов,
5 - генератор пара хладагента (бойлер),
6 - сепаратор,
7 - переохладитель слабого раствора.
На Фиг.3 представлены следующие процессы изменения состояния рабочей среды (хладагента и раствора):
1-2 - образование нагретого пара хладагента и слабого раствора путем выпаривания крепкого раствора;
2-3 - охлаждение слабого раствора в регенераторе и охладителе и понижение его давления за счет дросселирования;
3-4 - абсорбция хладагента при постоянном давлении и 3-4k с повышением давления и температуры раствора и хладагента;
4-1 и 4k-l - повышение давления крепкого раствора и его рекуперативный нагрев при абсорбции с постоянным и переменным давлением соответственно;
2-5-6 - возможное охлаждение пара хладагента и его конденсация (изображается совпадающими точками 5 и 6 диаграммы);
6-7 - дросселирование конденсата хладагента;
7-8 - испарение хладагента (изображается совпадающими точками);
2-8 и 2-8k возможное расширение пара хладагента с производством работы, соответственно первоначальное (выше возможной температуры конденсации) и дополнительное (в диапазоне температур ниже возможной температуры конденсации);
8-3 - смешение пара хладагента со слабым раствором в процессе абсорбции.
Рассматриваемый способ генерации энергии, схема которого представлена на Фиг.2, осуществляется следующим образом. Пар хладагента повышенной температуры и давления, например, с температурой 80°C и давлением 20 бар, после сепаратора 6 направляется в турбину 1, где расширяется с производством работы первоначально в диапазоне температур 80-25°C, существенно превышающих возможную температуру его конденсации, например температуру 10°C. Далее, в результате дополнительного расширения с производством работы температура пара дополнительно снижается, до значений, меньших температуры возможной конденсации пара, например до температуры минус 30°C, в то время как температура возможной конденсации может составлять плюс 10°C. В этом случае общая степень расширения пара в турбине увеличивается в почти в 3-4 раза по сравнению с аналогичным показателем в известном способе, что в данном случае делает целесообразным применение турбин с большим числом ступеней расширения по сравнению с турбинами известного способа (применение двух- или многоступенчатого расширения).
После турбины пар пониженной температуры и пониженного давления абсорбируется в абсорбере 2. Тепловая энергия, выделяющаяся в процессе абсорбции, частично расходуется на повышение температуры раствора хладагента и абсорбента, а частично поглощается нагреваемым внешним теплоносителем, например, потоком воздуха или воды с начальной температурой окружающей среды.
Образовавшийся в абсорбере 2 крепкий раствор, имеющий температуру, например, 30-40°C, далее подается насосом 3 в рекуперативный теплообменник растворов 4. В теплообменнике 4 крепкий раствор дополнительно нагревается возвращаемым из сепаратора 6 в аппарат 2 слабым раствором, например, до температуры 60-100°C и затем направляется в бойлер (генератор пара) 5, обогреваемый внешним теплоносителем.
В бойлере 5 происходит кипение раствора с образованием смеси насыщенного пара хладагента и слабого раствора, которая затем разделяется более полно в сепараторе 6 с образованием нагретого пара хладагента и слабого раствора.
В таком цикле слабый раствор, возвращаемый из бойлера в абсорбер, имеет после теплообменника растворов повышенную температуру, например температуру 35-45°C. Поэтому перед поступлением в абсорбер 2 этот раствор дополнительно охлаждается в переохладителе слабого раствора 7, передавая свою тепловую энергию внешнему теплоносителю.
При работе устройства, представленного на Фиг.1, пар хладагента повышенной температуры и давления, например с температурой 80°C и давлением 20 бар, из сепаратора 3 циркуляционного контура хладагента 1 поступает в узлы 4 и 5, связанные с потребителями электрической энергии и холода соответственно. Пар, поступивший в узел 4, расширяется в турбине 12 с производством электрической энергии в генераторе 13. Первоначально такое расширение осуществляется в диапазоне температур 80-25°C, существенно превышающих возможную температуру конденсации пара. Далее пар расширяется дополнительно в турбине 12 с производством работы в диапазоне температур, существенно меньших возможной температуры конденсации пара, например плюс 10 - минус 30°C, и затем, минуя стадии конденсации, дросселирования и повторного испарения, поступает в абсорбер 6.
В свою очередь, пар, поступивший в узел 5, первоначально конденсируется в конденсаторе 14, например, при температуре 40-50°C, с передачей выделяющейся при этом тепловой энергии внешнему теплоносителю. Далее температуру и давление хладагента понижают путем его расширения с помощью регулирующего вентиля 15, а затем испаряют в испарителе 16, например, при температуре минус 30°C, с образованием холодильного эффекта. Из испарителя поток пара пониженного давления и пониженной температуры подается в абсорбер 6, куда также подается поток отработанного пара пониженного давления и пониженной температуры, образующийся при расширении пара в турбине 12. Одновременно с потоками пара в абсорбер 6 из сепаратора 3 поступает слабый раствор, предварительно охлажденный в регенеративном теплообменнике (регенераторе) 9 и охладителе (теплообменнике) 11, например, до температуры 15°C.
В результате абсорбции пара указанных выше потоков в абсорбере 6 образуется крепкий раствор, имеющий более высокую температуру по сравнению с температурой абсорбируемого пара, например температуру 30-40°C. После этого крепкий раствор из ресивера 7 подается насосом 8 через регенеративный теплообменник 9 в бойлер 10, где крепкий раствор нагревается с образованием пара хладагента и слабого раствора повышенных температуры и давления при получении тепловой энергии от внешнего источника повышенной температуры. Далее пар хладагента и слабый раствор из бойлера 10 подаются в сепаратор 3, где происходит их более полное разделение.
3
2
Предлагаемый способ может быть реализован с использованием традиционных рабочих сред, широко применяемых в абсорбционных и парокомпрессионных тепловых (холодильных) машинах или силовых установках типа цикла Калины и цикла Ренкина с органическим теплоносителем. В частности, для реализации цикла может быть использован водоаммиачный раствор (раствор NH+HO). Кроме того, в этом случае в качестве низкокипящих компонентов растворов могут быть использованы, например, такие хладагенты, как R21, R124, R142b, R134a, R245fa, или их смеси с нормальными температурами кипения, близкими к температуре окружающей среды. В качестве абсорбентов является предпочтительным применение таких органических растворителей как ДМЭ-ТЭГ (диметиловый эфир тетраэтиленгликоля), ДМА (диметилформамид), ДБФ (дибутилфталат) и др. известные абсорбенты [David N. Wells. System and Method for Selective Heating and Cooling. Patent Application Publication, Pub. No.: US 2005/0086971 A1, Pub. Date: Apr. 28, 2005].
В ряде случаев в качестве растворителя можно использовать минеральное или синтетическое масло, применяемое обычно для смазки холодильных компрессоров, что обеспечивает повышенную разность температур кипения хладагента и растворителя.
Некоторые характерные показатели предлагаемого способа с применением в качестве рабочего тела водоаммиачного раствора приведены в Табл.1.
Табл.1.
Некоторые характерные показатели предлагаемого способа с применением в качестве рабочего тела водоаммиачного раствора
Наименование параметра
Величина параметра при производстве
теплоты и холода
электроэнергии
Давление пара (бар): начальное (в сепараторе) / конечное (перед абсорбером)
20/1,2
20/1,2
Температура пара (°C): начальная (в сепараторе) / конечная (перед абсорбером)
80/минус 30,6
80/ минус 30,6
Температура абсорбции (раствора), (°C)
30-35
30-35
Располагаемый температурный диапазон (°C)
110,6
110,6
Соотношение располагаемых температурных диапазонов в предлагаемом и известном способах
-
1,7
Удельное количество производимой энергии, кДж/кг
~1300 холода
~200 электроэнергии
Как следует из Табл.1, располагаемый (полезный) температурный диапазон, определяющий возможную степень расширения пара в турбине, в предлагаемом способе возрастает до значений аналогичного показателя абсорбционного холодильного цикла, определяемого в данном случае разностью температур пара хладагента на выходе из сепаратора и на входе в абсорбер. Причем при генерации электрической энергии этот показатель может быть существенно большим по сравнению с другими известными аналогичными способами. В частности, в предлагаемом способе при генерации энергии этот показатель почти в 1,7 раза выше, чем в известном, если принять, что начальные температуры обоих циклов одинаковы, а температура конденсации пара в известном способе совпадает с температурой окружающей среды и составляет 10°C.
Кроме того, в предлагаемом способе конденсация пара хладагента может быть проведена при более высоких температурах (например, 80°C), чем в способе прототипа, без снижения количества производимой работы. В этом случае теплота, выделяющаяся при конденсации пара, наряду с тепловой энергией, выделяющейся при охлаждении слабого раствора перед абсорбером, может быть использована полезно, например, для целей отопления.
Предлагаемый способ допускает комбинированную генерацию различных видов энергии (электроэнергии, теплоты и холода) и возможность регулирования соотношения между ними в зависимости от времени года и потребительского спроса, что, наряду с повышением эффективности, позволяет сократить сроки окупаемости капитальных вложений.
Он также может быть использован для генерирования электроэнергии в стационарных или мобильных условиях с использованием различных тепловых источников, в том числе возобновляемых источников и сжигаемого топлива, а также для создания нового поколения кондиционеров, холодильных машин, тепловых насосов и другого подобного оборудования.
В этом случае эффективность тепломеханических преобразований в области низких температур значительно выше по сравнению с другими известными способами.