СПОСОБ ТЕПЛОХЛАДОСНАБЖЕНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ АБСОРБЦИОННОГО ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРА С ДВУХСТУПЕНЧАТОЙ АБСОРБЦИЕЙ
METHOD FOR HEAT AND COLD SUPPLY USING AN ABSORPTION THERMOTRANSFORMER WITH TWO-STAGE ABSORPTION

Изобретение относится к энергетике, жилищно-коммунальному хозяйству.
Изобретение может быть использовано:
- в холодный период года (отопительный сезон) для глубокой утилизации низкопотенциального тепла уходящих продуктов сгорания в теплоэнергетических установках, работающих на газовом топливе, с получением температуры нагретой воды до 95 130°С и тепловой мощности не ниже холодильной мощности для отопления и горячего водоснабжения;
- в теплый период года (в период отсутствия отопления) для выработки захоложенной до 5÷7°С воды для систем кондиционирования воздуха, либо для технологического охлаждения оборудования. Значительную часть всех тепловых потерь котельного агрегата наряду с потерями тепла от химического и механического недожога топлива, потерями с физическим теплом шлаков, а также утечек тепла в окружающую среду вследствие наружного охлаждения составляет тепло, теряемое с уходящими газами. Традиционно максимально полезное использование тепла уходящих газов достигается за счет увеличения размеров конвективных поверхностей нагрева, а также развития хвостовых поверхностей - водяных экономайзеров, регенеративных воздухоподогревателей.
Известна котельная установка [Патент РФ №2127398, 26.04.1996, F22D 1/36], содержащая газовый котел с конденсационным теплообменником утилизатором (КТУ), параллельно подключенный своими подводящей и отводящей линиями к греющим трактам тепловой сети. Задачу глубокой утилизации (ГУ) в этой котельной установке решают путем подачи и нагрева в КТУ воды для системы горячего водоснабжения (ГВС). Вода ГВС, подаваемая в КТУ, обеспечивает процесс охлаждения дымовых газов и конденсации в них водяных паров.
Недостатком является ограниченная возможность применения обратной сетевой воды отопления (ОСВ) для целей ГУ. ОСВ в отличие от воды ГВС является стабильным по тепловой нагрузке источником и широко используется во всем мире в газовых конденсационных котельных установках. В КТУ конденсационных котлов производится частичный подогрев ОСВ с одновременным процессом ГУ, который обеспечивается при охлаждении продуктов сгорания котла до температуры 40÷45°С. Данный процесс можно обеспечить при подаче ОСВ в КТУ с температурой порядка 30°С, что легко может быть реализовано в странах с теплым климатом. Однако в зимний период в большинстве регионов РФ температура ОСВ достигает значения 70°С, как показано на типовом температурном графике системы отопления РФ в зависимости от температуры наружного воздуха [http://al-vo.ru/teplotekhnika/temperaturnyj-grafik-otopleniya.html]. фиг. 1. В первую очередь это связано с достаточно низкими температурами воздуха в зимний период. Кроме этого, снижение температуры ОСВ лимитировано, как правило, конструкцией большинства отопительных приборов в РФ - батарей (радиаторов), работающих на принципе свободной конвекции, что требует определенного перепада температур между отапливаемым помещением и поверхностью отопительного прибора. Поэтому применение ОСВ для целей ГУ в газовых конденсационных котлах, работающих на территории РФ в большинстве случаев не представляется возможным.
С целью повышения эффективности утилизации тепла дымовых газов применяют также решения на базе тепловых насосов (парокомпрессионные электрические машины, абсорбционные бромисто-литиевые термотрансформаторы (АБТТ)). В отдельных секторах промышленности, например, в биоэнергетике, такие решения применяют на большинстве вводимых в эксплуатацию котлов. Для работы АБТТ в отличие от парокомпрессионных электрических машин нужна не электроэнергия, а тепло, например, это может быть бросовое тепло, которое в избытке присутствует практически на любом предприятии. Такое тепло стороннего греющего источника активизирует внутренний цикл АБТТ, который позволяет преобразовывать температурный потенциал уходящих газов и передавать его более нагретым средам.
Известен способ глубокой утилизации теплоты продуктов сгорания при помощи бесконтактного конденсационного теплообменника утилизатора (КТУ) и абсорбционного бромистолитиевого термотрансформатора с одноступенчатой абсорбцией [Патент РФ №2489643, 10.05.2012, F22B 33/18]. В указанном техническом решении представлена схема котельной установки на базе парового котла с КТУ, АБТТ с одноступенчатой абсорбцией и рядом периферийного оборудования. Использование в представленной схеме АБТТ обеспечивает необходимую температуру охлаждения циркулирующей воды до 25÷30°С для снижения температуры продуктов сгорания до величины порядка 40÷45°С в бесконтактных КТУ с одновременным нагревом обратной сетевой воды (ОСВ).
ws
ws
w
s
ws
ws
Указанный способ имеет недостатки, связанные с особенностью работы АБТТ. Принцип действия АБТТ основан на способности водного раствора LiBr поглощать (абсорбировать) водяной пар, поступающий из испарителя, имеющий более низкую температуру, и за счет этого переводить теплоту на более высокий температурный уровень, достаточный для его отвода в атмосферу или для нужд потребителя. Однако при поддержании температуры охлажденной воды на выходе из испарителя АБТТ 25°С, обеспечивающей стабильный процесс ГУ в бесконтактном КТУ при охлаждении продуктов сгорания до 40÷45°С, АБТТ с одноступенчатой абсорбцией не может функционировать при температуре обратной сетевой воды отопления на входе выше 50°С. Данное ограничение для АБТТ с одноступенчатой абсорбцией связано со свойствами рабочего тела, а именно, раствор абсорбента (водный раствор LiBr) имеет ограниченную растворимость и тем самым равновесное давление водяных паров над раствором имеет конечное значение. В этой связи для обеспечения оптимального процесса абсорбции перепад температур (Δt) между охлажденной и охлаждающей (нагреваемой) жидкостью не должен превышать Δt=t-t=25°С. Повышение значения Δt приводит к снижению интенсивности абсорбции в АБТТ, что ведет к снижению эффективности АБТТ в целом. При Δt≥30°С процесс абсорбции в АБТТ практически прекращается. Таким образом, схема применения АБТТ, описанная в патенте РФ №2489643, пригодна для работы в начале и конце отопительного периода на основной территории РФ, когда температура обратной сетевой воды не превышает 45÷50°С, что соответствует температуре наружного воздуха «минус» 8÷10°С, не ниже.
Известна двухступенчатая абсорбционная бромисто-литиевая холодильная машина (АБХМ) [Shuichiro Uchida, Akira Nishiguchi, Low temperature absorption refrigerating machine with water-LiBr mixed refrigerant//Refrigeration, JP, 2006; Vol.81; No 946. pp.618-621], включающая два генератора, конденсатор, два блока абсорбер-испаритель и средство контроля концентрации хладогента. АБХМ предназначены для охлаждения жидкости до -5°С.
АБХМ предназначена исключительно для выработки холода с отрицательными температурами, поэтому в ней утилизация тепла охлаждающей воды производится при помощи градирни оросительного типа, которая требует постоянной подпитки обессоленной химподготовленой водой.
В качестве прототипа выбрана двухступенчатая абсорбционная бромисто-литиевая машина, которая может работать как в режиме холодильной машины, так и в режиме теплового насоса [CN 104848582, 2015-08-19, F25B 15/06]. Машина включает два испарителя, два абсорбера, генератор высокого давления, генератор низкого давления, конденсатор, высокотемпературный теплообменник, низкотемпературный теплообменник.
Получаемый технический результат:
- выработка тепла в холодное время года и холода в теплое время года;
- повышение экономичности машины по греющему источнику;
- повышение надежности машины.
Принципиальным отличием относительно заявляемого технического решения является невозможность осуществления двухступенчатой абсорбции в данной схеме. В указанной абсорбционной бромисто-литиевой машине:
- охлаждаемую жидкость подают в испарители последовательно;
- нагреваемую (охлаждающую) жидкость подают в абсорберы параллельно с одинаковой температурой на входе;
- отсутствует система циркуляции охлаждающего промежуточного теплоносителя между абсорбером низкого давления и высокотемпературным испарителем (для осуществления режима двухступенчатой абсорбции высокотемпературный испаритель должен охлаждать абсорбер низкого давления);
- отсутствует рекуперативный растворный теплообменник между абсорберами низкого и высокого давления.
Данные отличия не позволяют осуществить режим с двухступенчатой абсорбцией, при котором допустимая разность температур между охлажденной жидкостью на выходе и нагреваемой жидкостью на входе достигает 50°С, и, соответственно, не позволяют:
- в отопительный период (зимний период), осуществлять при помощи абсорбционной бромисто-литиевой машины глубокую утилизацию тепла продуктов сгорания газовых котельных (получение охлажденной жидкости с температурой 25°С) с одновременным нагревом ОСВ с температурой до 70°С до температуры 95÷130°С; - в период отсутствия отопления (летний период), при помощи абсорбционной бромисто-литиевой машины охлаждать жидкость для системы кондиционирования воздуха (получение охлажденной жидкости с температурой 5÷7°С) с одновременным отводом тепла от абсорбционной бромисто-литиевой машины при помощи аппарата воздушного охлаждения (АВО) (охлаждающая жидкость на входе с температурой 40-45°С);
Из области техники не известны решения, предусматривающие возможность непрерывной работы АБТТ с двухступенчатой абсорбцией в течение года с получением холода и тепла в зависимости от температуры окружающего воздуха и температуры ОСВ в период отопительного сезона на территории РФ, когда температура ОСВ достигает 70°С.
Задачи заявляемого изобретения:
1. повышение эффективности использования АБТТ в энергетических системах за счет обеспечение непрерывной круглогодичной работы АБТТ с выработкой тепла или холода в зависимости от температуры окружающего воздуха и температуры ОСВ в отопительный период;
2. повышение эффективности теплоэнергетических установок, работающих на газовом топливе, и тем самым предприятий энергетического комплекса, за счет глубокой утилизации низкопотенциальной теплоты продуктов сгорания.
Задачи заявляемого изобретения, в отопительный период (зимний период), когда температура атмосферного воздуха ниже +8°С:
1. повышение эффективности теплоэнергетических установок, работающих на газовом топливе за счет глубокой утилизации низкопотенциальной теплоты продуктов сгорания;
2. обеспечение нагрева ОСВ, имеющей температуру до 70°С, в течении всего отопительного периода до 75÷85°С, что особенно актуально для РФ, занимающей третье место среди стран с самым холодным климатом.
Задачи заявляемого изобретения, в период отсутствия отопления (летний период), когда среднесуточная температура атмосферного воздуха выше +8°С:
1. повышение эффективности использования АБТТ в энергетических системах за счет использования для отведения тепла от АБТТ аппарата воздушного охлаждения (ABO). АВО в отличие от градирен оросительного типа не требует постоянной подпитки обессоленной химподготовленой водой;
2. обеспечение охлаждения циркулирующей жидкости до температуры 5÷7°С для систем кондиционирования воздуха, либо для технологического охлаждения оборудования.
Для решения указанных задач предлагается способ теплохладоснабжения с АБТТ с двухступенчатой абсорбцией.
Способ теплохладоснабжения с применением АБТТ с двухступенчатой абсорбцией характеризуется тем, что в режиме теплоснабжения глубокую утилизацию низкопотенциального тепла продуктов сгорания осуществляют путем отвода дымовых газов при помощи дымососа от газового водогрейного котла и АБТТ и прокачивания их через КТУ с конденсацией водяных паров, содержащихся в дымовых газах, и отведения конденсата в деаэратор и подачи насосом деаэрированного конденсата на увлажнение дутьевого воздуха водогрейного газового котла, с одновременной подачей в КТУ с помощью циркуляционного насоса воды, охлажденной в испарителе АБТТ, и с одновременным нагревом обратной сетевой воды последовательно в абсорбере и конденсаторе АБТТ.
Способ теплохладоснабжения с применением АБТТ с двухступенчатой абсорбцией характеризуется тем, что в режиме хладоснабжения охлаждение воды от потребителя осуществляют путем подачи с помощью циркуляционного насоса охлаждаемой воды от потребителя в испаритель АБТТ с одновременным отведением тепла охлаждающей водой, прокачиваемой последовательно в абсорбере и конденсаторе АБТТ при помощи циркуляционного насоса.
Согласно изобретению, для трансформации тепла от охлаждаемого источника в режиме теплоснабжения в начале и в конце отопительного периода при температуре обратной сетевой воды на входе не более 50°С АБТТ включают для работы в теплонасосном режиме с одноступенчатой абсорбцией, при этом конденсацию водяных паров, содержащихся в дымовых газах, осуществляют путем подачи в КТУ с помощью циркуляционного насоса Нов2 воды, охлажденной в испарителе блока абсорбер-испаритель 2-й ступени АБТТ, нагрев обратной сетевой воды осуществляют последовательно в абсорбере блока абсорбер-испаритель 2-й ступени АБТТ и конденсаторе АБТТ,
Согласно изобретению, для трансформации тепла от охлаждаемого источника в режиме теплоснабжения в основной отопительный период при температуре обратной сетевой воды на входе 50°С и выше АБТТ включают для работы в теплонасосном режиме с двухступенчатой абсорбцией, при этом конденсацию водяных паров, содержащихся в дымовых газах, осуществляют путем подачи в КТУ с помощью циркуляционного насоса Нов1 воды, охлажденной в испарителе блока абсорбер-испаритель 1-й ступени АБТТ, охлаждение воды, нагретой в абсорбере блока абсорбер-испаритель 1-й ступени АБТТ, осуществляют в испарителе блока абсорбер-испаритель 2-й ступени АБТТ, нагрев обратной сетевой воды осуществляют последовательно в абсорбере блока абсорбер-испаритель 2-й ступени АБТТ и конденсаторе АБТТ.
Согласно изобретению, для трансформации тепла от охлаждаемого источника в режиме хладоснабжения в период отсутствия отопления АБТТ включают для работы в режиме холодильной машины с двухступенчатой абсорбцией, при этом циркуляцию воды по трубопроводу, соединяющему испаритель АИ1 с потребителем холода осуществляют насосом Нов1, а утилизацию тепла охлаждающей жидкости производят при помощи аппарата воздушного охлаждения (АВО),
Согласно изобретению, переключение работы АБТТ в режим хладоснабжения осуществляют, включая насосы Нов1. Нр1, Нв1, Нов1, Нр2, Нв2, Нов2 и выключая насос Нк, переводя в открытое положение трубопроводную арматуру К1÷К7, К13, К14, К16, К17, переводя в закрытое положение трубопроводную арматуру К8, К9, К10, K11, К12, К15, К18.
Согласно изобретению, переключение работы АБТТ в режим теплоснабжения с одноступенчатой абсорбцией осуществляют, отключая насосы Нов1, Hp1, Нв1, включая насосы Нов2, Нр2, Нв2, Нк, переводя в открытое положение трубопроводную арматуру К8, К9, К10, К11, К12, К15, К18, переводя в закрытое положение трубопроводную арматуру K1÷К7, К13, К14, К16, К17.
Согласно изобретению, переключение работы АБТТ в режим теплоснабжения с двухступенчатой абсорбцией осуществляют, включая насосы Нов1, Нр1, Нв1, Нр2, Нв2, Нов2, Нк, переводя в открытое положение трубопроводную арматуру K1÷К7, К11, К12, К15, К18, переводя в закрытое положение трубопроводную арматуру К8, К9, К10, К13, К14, К16, К17.
Для реализации способа используют АБТТ с двухступенчатой абсорбцией, который в отопительный период функционирует в режиме теплового насоса и осуществляет глубокую утилизацию низкопотенциальной теплоты продуктов сгорания с нагревом ОСВ до 75÷85°С, а в период отсутствия отопления функционирует в режиме холодильной машины и обеспечивает потребителя холодом 5÷7°С для систем кондиционирования воздуха, либо для технологического охлаждения оборудования.
На фиг. 2 представлена схема АБТТ с газовой котельной, где:
1 - водогрейный газовый котел;
2 - АБТТ с двухступенчатой абсорбцией;
3 - конденсационный теплообменник утилизатор (КТУ);
4 - дымосос;
5 - деаэратор;
6 - газовая горелка высокотемпературного генератора;
7 - газовая горелка водогрейного газового котла;
8 - дымовая труба;
9 - трубопроводы отвода дымовых газов;
10 - генератор блока генератор-конденсатор;
11 - конденсатор блока генератор-конденсатор;
12 - гидрозатвор;
13 - переливное устройство генератора высокотемпературного (ГВ);
14 - байпас;
15 - разбавленный раствор LiBr;
Разбавленный раствор LiBr подают насосом Hp1 из абсорбера АИ1 через теплообменники Т3, Т1 и Т2 в ГВ.
16 - хладогент (вода);
Хладогент в испарителе АИ1 циркулирует посредством насоса Нв1, в испарителе АИ2 - посредством насоса Нв2.
Сконденсировавшийся в конденсаторе ГК хладагент, через гидрозатвор стекает в поддон испарителя АИ2, откуда часть хладагента через кран К5 подается в испаритель АИ1.
17 - слабый раствор LiBr;
Слабый раствор LiBr подают насосом Нр2 из абсорбера АИ2 через теплообменник Т3 в абсорбер АИ1.
18 - крепкий раствор LiBr;
Крепкий раствор LiBr подают из генератора ГК через теплообменник Т1 в абсорбер АИ2.
19 - раствор LiBr промежуточной концентрации;
Раствор LiBr промежуточной концентрации через переливное устройство генератора высокотемпературного (ГВ) стекает в теплообменник Т2 а затем поступает в генератор блока ГК.
20 - охлаждаемая вода из АИ1;
Охлаждаемая вода из АИ1 циркулирует посредством насоса Нов1 между КТУ и испарителем блока АИ1 или испарителем блока АИ1 и потребителем холода.
21 - охлаждаемая вода из АИ2;
Охлаждаемую воду из АИ2 подают посредством насоса Нов2 из абсорбера АИ1 в испаритель АИ2 и из ГВ в блок ГК.
22 - дымовые газы;
Дымовые газы подают посредством дымососа от горелки ГВ и газового котла через КТУ в дымовую трубу.
23 - конденсат;
Конденсат стекает из КТУ в деаэратор и посредством насоса Нк подается на увлажнение дутьевого воздуха.
24 - нагреваемая вода;
Нагреваемую воду подают через абсорбер АИ2 и конденсатор блока ГК в котел.
25 - нагретая вода;
Нагретую воду с температурой 95-130°С из котла поставляют потребителю.
26 - охлаждающая жидкость от АВО и к АВО;
Охлаждающая жидкость циркулирует через абсорбер АИ2, конденсатор блока ГК и АВО.
27 - охлаждаемая жидкость от потребителя холода;
28 - охлажденная жидкость к потребителю холода;
29 - природный газ;
Нк - насос подачи деаэрированного конденсата на увлажнение дутьевого воздуха горелок высокотемпературного генератора и водогрейного газового котла;
Нов1 - насос циркуляции охлаждаемой воды между испарителем блока абсорбер-испаритель 1-й ступени и КТУ;
Нов2 - насос циркуляции охлаждаемой воды между испарителем блока абсорбер-испаритель 2-й ступени и абсорбером блока абсорбер-испаритель 1-й ступени;
ГК - блок генератор-конденсатор;
ГВ - генератор высокотемпературный с газовой горелкой;
T1, Т2, Т3 - рекуперативные растворные теплообменники;
АИ1 - блок абсорбер-испаритель 1-й ступени АБТТ (дополнительный);
АИ2 - блок абсорбер-испаритель 2-ой ступени АБТТ (основной);
Нв1 - насос хладагента (вода) 1-ой ступени АБТТ;
Нв2 - насос хладагента (вода) 2-ой ступени АБТТ;
Hp1 - насос растворный 1-ой ступени АБТТ;
Нр2 - насос растворный 2-ой ступени АБТТ;
K1÷К17 - трубопроводная арматура, где:
К1 - кран для отсечения потока охлаждаемой воды на выходе из испарителя блока АИ1;
К2 - кран для отсечения потока охлаждаемой воды на входе в испаритель блока АИ1;
К3 - кран для отсечения циркулирующего потока охлаждаемой воды из испарителя блока АИ2 на выходе из абсорбера блока АИ1;
К4 - кран для отсечения циркулирующего потока охлаждаемой воды из испарителя блока АИ2 на входе в абсорбер блока АИ1;
К5 - кран подачи хладагента из испарителя блока АИ2 в испаритель блока АИ1;
К6 - кран подачи слабого раствора LiBr в теплообменник Т3 и далее на орошение абсорбера блока АИ1;
К7 - кран подачи разбавленного раствора LiBr в теплообменники T1, Т2 и далее на упаривание в генератор ГВ;
К8 - кран переключения подачи слабого раствора LiBr (совместно с кранами К6 и К7) при работе АБТТ в режимах с одноступенчатой и двухступенчатой абсорбцией;
К9 - кран подачи охлаждаемой воды из испарителя блока АИ2 в КТУ при работе АБТТ в режиме с одноступенчатой абсорбцией;
К10 - кран подачи охлаждаемой воды из КТУ в испаритель блока АИ2 при работе АБТТ в режиме с одноступенчатой абсорбцией;
K11, К12 - краны подачи охлаждаемой воды на КТУ;
К13 - кран подачи охлаждаемой жидкости от потребителя холода;
К14 - кран подачи охлажденной жидкости к потребителю холода;
К15, К18 - краны включения/отключения контура нагреваемой воды;
К16 - кран подачи охлаждающей жидкости от АВО;
К17 - кран подачи охлаждающей жидкости к АВО.
АБТТ с двухступенчатой абсорбцией и газовым обогревом включает блок абсорбер-испаритель АИ1, блок абсорбер-испаритель АИ2, блок генератор-конденсатор ГК, генератор высокотемпературный ГВ с газовой горелкой, рекуперативные растворные теплообменники T1, Т2, Т3, насосы раствора LiBr Hp1, Нр2, насосы хладагента (воды) Нв1, Нв2, насос циркуляции охлаждаемой воды Нов1 между испарителем блока АИ1 и КТУ в отопительный период и между испарителем блока АИ1 и потребителем холода в период отсутствия отопления, насос циркуляции охлаждаемой воды Нов2 между испарителем блока АИ2 и абсорбером блока АИ1, трубопроводы и трубопроводную арматуру.
В отопительный период АБТТ 3 подключен к газовой котельной, которая в общем случае включает водогрейный газовый котел 2, КТУ 4, дымосос 1, трубопроводы отвода дымовых газов 9 с дымовой трубой 8, деаэратор 5 с системой подачи деаэрированного конденсата на увлажнение дутьевого воздуха горелки 6 газового генератора и водогрейного газового котла 2 посредством насоса Нк, насос Нов1 для циркуляции охлаждаемой воды между испарителем АИ1 и КТУ.
В период отсутствия отопления (летний период) АБТТ 3 подключен к потребителю холода и АВО.
Способ теплохладоснабжения с применением АБТТ осуществляют в зависимости от наличия отопления (отопительный период или период отсутствия отопления) и температуры обратной сетевой воды на входе в отопительный период в трех режимах:
- в режиме теплового насоса с одноступенчатой абсорбцией (в отопительный период);
- в режиме теплового насоса с двухступенчатой абсорбцией (в отопительный период);
- в режиме холодильной машины с двухступенчатой абсорбцией (в период отсутствия отопления) с отведением теплоты посредством АВО.
Следует отметить, что в России согласно Федеральному закону «О теплоснабжении» от 27 июля 2010 №190-ФЗ и Постановлению Правительства РФ «О предоставлении коммунальных услуг» №354 от 06 мая 2011, отопительный период должен начинаться или заканчиваться со дня, следующего за днем окончания 5-дневного периода, в течение которого соответственно среднесуточная температура наружного воздуха ниже 8 градусов Цельсия или среднесуточная температура наружного воздуха выше 8 градусов Цельсия.
атм⋅ср.
атм⋅ср.
В режиме теплового насоса с одноступенчатой абсорбцией АБТТ функционирует в начале отопительного периода и в конце отопительного периода, когда среднесуточная температура атмосферного воздуха (Т) находится в диапазоне значений от минус 8°С до плюс 8°С (-8°С≤Т≤,+8°С), а температура обратной сетевой воды на входе не более 50°С, и нагревает ОСВ, протекающую через трубный пучок абсорбера 2-й ступени и конденсатора, до 75÷85°С, за счет ГУ теплоты дымовых газов. Коэффициент трансформации тепла ζ=2.0÷2.1.
атм⋅ср.
В режиме теплового насоса с двухступенчатой абсорбцией АБТТ функционирует в основной отопительный период, когда среднесуточная температура атмосферного воздуха ниже -8°С (Т<-8°С), а температура обратной сетевой воды на входе 50°С и выше, и нагревает ОСВ, протекающую через трубный пучок абсорбера 2-й ступени и конденсатора, до 75÷85°С за счет ГУ теплоты дымовых газов. Коэффициент трансформации тепла ζ=1.65÷1.68.
В режиме холодильной машины с двухступенчатой абсорбцией АБТТ функционирует в теплое время года в период отсутствия отопления, когда температура охлаждающей воды на входе 40÷45°С, для получения холода 5÷7°С для системы кондиционирования, либо для технологического охлаждения оборудования. Тепловой коэффициент η=0,65÷0,67.
При работе в режиме холодильной машины АБТТ охлаждается водой, поступающей из АВО.
Способ теплохладоснабжения с применением АБТТ осуществляют следующим образом.
С наступлением отопительного периода АБТТ включают для работы в теплонасосном режиме для ГУ низкопотенциальной теплоты продуктов сгорания, переводя в закрытое положение трубопроводную арматуру К13, К14, К16, К17 и в открытое положение трубопроводную арматуру K11, К12, К15, К18.
атм⋅ср.
атм⋅ср.
Причем в начале отопительного периода, когда среднесуточная температура атмосферного воздуха (Т) находится в диапазоне значений от минус 8°С до плюс 8°С (-8°С≤Т≤,+8°С), а температура обратной сетевой воды на входе не более 50°С, АБТТ переключают в режим теплового насоса с одноступенчатой абсорбцией.
В этом случае блок абсорбер-испаритель 1-й ступени АБТТ (АИ1) отключают, выключая насосы Нов1, Hp1, Нв1 и переводя в закрытое положение трубопроводную арматуру K1÷К7. При этом включают насосы Нов2, Нр2, Нв2, Нк и переводят в открытое положение трубопроводную арматуру К8, К9, К10..
Таким образом, включены насосы Нов2, Нр2, Нв2, Нк, выключены насосы Нов1, Hp1, Нв1, открыта трубопроводная арматура К8, К9, К10, К11, К12, К15, К18, закрыта трубопроводная арматура К1÷К7, К13, К14, К16, К17.
Глубокую утилизацию низкопотенциальной теплоты продуктов сгорания осуществляют следующим образом.
Дымовые газы, имеющие температуру 140÷170°С, при помощи дымососа 4 отводят от газового водогрейного котла и газовой горелки 6 высокотемпературного генератора АБТТ и прокачивают через КТУ 3. В КТУ дымовые газы охлаждают до температуры 40÷45°С, при этом происходит интенсивная конденсация содержащихся в них водяных паров. Конденсат собирается в КТУ и самотеком поступает в деаэратор 5.
Охлаждение дымовых газов в КТУ осуществляют путем прокачивания через трубный пучок воды с температурой 25°С, охлажденной в испарителе блока АИ2. Вода, протекающая в трубном пучке КТУ, нагревается дымовыми газами до 30°С и возвращается на охлаждение в испаритель АИ2.
Деаэрированный конденсат насосом Нк подают на увлажнение дутьевого воздуха перед газовыми горелками 6 и 7.
Для предотвращения образования конденсата в дымовой трубе часть горячих дымовых газов (15÷30%) байпасируют в обход КТУ и подмешивают к охлажденным дымовым газам после КТУ, чтобы температура дымовых газов на входе в дымовую трубу составляла 70÷90°С.
Трансформацию тепла от охлаждаемого источника в АБТТ с одноступенчатой абсорбцией осуществляют в три этапа:
1. Испарение хладагента (воды) в испарителе блока абсорбер-испаритель 2-й ступени АБТТ (АИ2);
С помощью насоса Нов2 осуществляют циркуляцию воды по трубопроводу, соединяющему КТУ и испаритель АИ2, таким образом, что вода, проходя через трубный пучок КТУ и нагревшись до 30°С, поступает в трубный пучок испарителя АИ2, где охлаждается до 25°С за счет испарения хладагента (воды), подаваемого для орошения трубного пучка с помощью циркуляционного насоса хладагента Нв2, и возвращается в КТУ. Цикл повторяется.
2. Абсорбция (поглощение) паров хладагента в абсорбере блока абсорбер-испаритель 2-й ступени АБТТ (АИ2);
Пар хладагента, образующийся в испарителе АИ2, поступает в межтрубное пространство абсорбера АИ2, где абсорбируется (поглощается) крепким (концентрированным) раствором бромистого лития, поступающим самотеком из блока ГК по трубопроводу через рекуперативный растворный теплообменник Т1 и орошающим трубный пучок абсорбера АИ2, по которому циркулирует ОСВ. Поглощая пар хладагента, раствор бромистого лития становится слабым, концентрация его снижается. Слабый раствор бромистого лития стекает в поддон абсорбера АИ2, откуда с помощью насоса Нр2 подается через К6 в рекуперативный растворный теплообменник Т3, и затем в абсорбер блока АИ1. Цикл повторяется.
3. Передача тепла, выделяющегося при абсорбции, от абсорбера блока АИ2 к воде ОСВ, протекающей через трубный пучок абсорбера.
ОСВ, проходя последовательно абсорбер АИ2 и ГК нагревается от 35÷70°С до 75÷ 85°С. После этого нагретую ОСВ подают в котел, где догревают до температуры 95÷130°С, и далее - в систему ОСВ.
атм⋅ср.
В основной отопительный период, когда среднесуточная температура атмосферного воздуха ниже -8°С (Т<-8°С), а температура обратной сетевой воды на входе выше 50°С, АБТТ подключают для ГУ низкопотенциальной теплоты продуктов сгорания в теплонасосном режиме с двухступенчатой абсорбцией, включая насосы Нов1, Hpl, Нв1, переводя в открытое положение трубопроводную арматуру K1÷К7, переводя в закрытое положение трубопроводную арматуру К8, К9, К10.
Таким образом, в этом режиме включены все насосы, а именно, Нов1, Hp1, Нв1, Нов2, Нр2, Нв2, Нк, открыта трубопроводная арматура K1÷К7, K11, К12, К15, К18, закрыта трубопроводная арматура К8, К9, К10, К13, К14, К16, К17.
Дымовые газы дымососом 4 отводят от газового водогрейного котла 1 и газовой горелки 6 высокотемпературного генератора АБТТ и прокачивают через КТУ 3, где их охлаждают до температуры 40÷45°С, путем прокачивания через трубный пучок воды (охлаждаемая вода из АИ1) с температурой 25°С, охлажденной в испарителе блока АИ1, которая нагревается дымовыми газами до 30°С и возвращается на охлаждение в испаритель АИ1. Конденсат из КТУ самотеком поступает в деаэратор 5, а затем насосом Нк его подают на увлажнение дутьевого воздуха перед газовыми горелками 6 и 7.
Часть горячих дымовых газов (15÷30%) байпасируют в обход КТУ.
Трансформацию тепла от охлаждаемого источника в АБТТ с двухступенчатой абсорбцией осуществляют следующим образом:
1. Испарение хладагента (воды) в испарителе блока абсорбер-испаритель 1-й ступени АБТТ (АИ1);
С помощью насоса Нов1 осуществляют циркуляцию воды по трубопроводу, соединяющему КТУ и испаритель АИ1, таким образом, что вода, проходя через трубный пучок КТУ и нагревшись до 30°С, поступает в трубный пучок испарителя АИ1, где охлаждается до 25°С за счет испарения хладагента (воды), подаваемого для орошения трубного пучка с помощью циркуляционного насоса хладагента Нв1, и возвращается в КТУ. Цикл повторяется.
2. Абсорбция (поглощение) паров хладагента в абсорбере блока абсорбер-испаритель 1-й ступени АБТТ (АИ1);
Пар хладагента, образующийся в испарителе АИ1, поступает в межтрубное пространство абсорбера АИ1, где абсорбируется (поглощается) слабым раствором бромистого лития, поступающим из абсорбера блока абсорбер-испаритель 2-й ступени АБТТ (АИ2) и орошающим трубный пучок абсорбера АИ1. Поглощая пар хладагента, слабый раствор бромистого лития становится разбавленным, концентрация его снижается.
Разбавленный раствор бромистого лития стекает в поддон абсорбера АИ1, откуда с помощью насоса Hp1 поступает в рекуперативный растворный теплообменник Т3, затем через К7 в рекуперативный растворный теплообменник Т1, рекуперативный растворный теплообменник Т2 и в высокотемпературный генератор (ГВ).
В высокотемпературном генераторе разбавленный раствор бромистого лития кипит под действием тепла от газовой горелки и упаривается до промежуточной концентрации. Раствор бромистого лития промежуточной концентрацией через переливное устройство высокотемпературного генератора стекает в рекуперативный растворный теплообменник Т2, где охлаждается, а затем поступает в блок генератор-конденсатор (ГК).
В генераторе блока ГК происходит дальнейшее упаривание раствора за счет теплоты конденсации в трубном пространстве горячего водяного пара, поступающего из высокотемпературного генератора ГВ. Упаренный (крепкий) раствор бромистого лития из блока ГК поступает в рекуперативный растворный теплообменник Т1, где охлаждается. После теплообменника Т1 охлажденный крепкий раствор бромистого лития поступает на орошение трубного пучка абсорбера АИ2. Водяной пар (хладагент), выпаренный из раствора в блоке ГК, поступает в конденсатор блока ГК, где смешивается с пароводяной смесью из трубного пространства генератора блока ГК и конденсируется на внешней поверхности теплообменных труб.
Сконденсировавшийся хладагент через гидрозатвор стекает в поддон испарителя АИ2.
Слабый раствор бромистого лития из поддона абсорбера блока АИ2 перекачивают насосом Нр2 в теплообменник Т1, а затем на орошение абсорбера блока АИ2.
3. Передача тепла, выделяющегося при абсорбции, от абсорбера АИ1 к испарителю АИ2 за счет воды, циркулирующей через трубные пучки абсорбера АИ1 и испарителя АИ2;
Выделяющаяся при абсорбции пара слабым раствором бромистого лития теплота отводится водой (охлаждаемая вода из АИ2), циркулирующей с помощью циркуляционного насоса Нов2 по трубопроводу циркуляционного контура абсорбер АИ1 -испаритель АИ2.
4. Испарение хладагента (воды) в испарителе АИ2;
Нагретая вода (охлаждаемая вода из АИ2) из абсорбера АИ1 поступает в трубный пучок испарителя АИ2, где охлаждается за счет испарения хладагента (воды), подаваемого для орошения трубного пучка с помощью циркуляционного насоса хладагента Нв2.
5. Абсорбция паров хладагента в абсорбере АИ2;
Пар хладагента, образующийся в испарителе АИ2, поступает в межтрубное пространство абсорбера АИ2, где абсорбируется (поглощается) крепким (концентрированным) раствором бромистого лития, поступающим самотеком из блока ГК по трубопроводу через рекуперативный растворный теплообменник Т1 и орошающим трубный пучок абсорбера АИ2, по которому циркулирует ОСВ. Поглощая пар хладагента, раствор бромистого лития становится слабым, т.е. концентрация его снижается. Слабый раствор бромистого лития стекает в поддон абсорбера АИ2, откуда с помощью насоса Нр2 его подают через К6 в рекуперативный растворный теплообменник Т3, а затем в абсорбер блока АИ1. Цикл повторяется (с п. 2).
6. Передача тепла воде ОСВ, протекающей через трубный пучок абсорбера АИ2 и ГВ.
ОСВ, проходя последовательно абсорбер АИ2 и ГК, нагревается от 35+70°С до 75÷85°С. После этого нагретую ОСВ подают в котел, где догревают до температуры 95÷130°С, и далее - в систему ОСВ.
атм⋅ср.
атм⋅ср.
В конце отопительного периода, когда среднесуточная температура атмосферного воздуха (Т) находится в диапазоне значений от минус 8°С до плюс 8°С (-8°С≤Т≤,+8°С), а температура обратной сетевой воды на входе не более 50°С, АБТТ переключают для ГУ низкопотенциальной теплоты продуктов сгорания в теплонасосном режиме с одноступенчатой абсорбцией.
В этом случае блок абсорбер-испаритель 1-й ступени АБТТ (АИ1) отключают, выключая насосы Нов1, Hp1, Нв1 и переводят в закрытое положение трубопроводную арматуру K1÷К7.
Таким образом, включены насосы Нов2, Нр2, Нв2, Нк, выключены насосы Нов1, Hp1, Нв1, переведена в открытое положение трубопроводная арматура К8, К9, К10, K11, К12, К15, К18, переведена в закрытое положение трубопроводная арматура K1÷К7, К13, К14, К16, К17.
Трансформацию тепла от охлаждаемого источника в АБТТ с одноступенчатой абсорбцией осуществляют так же, как и в начале отопительного периода, в три этапа:
1. Испарение хладагента (воды) в испарителе блока абсорбер-испаритель 2-й ступени АБТТ (АИ2);
2. Абсорбция (поглощение) паров хладагента в абсорбере блока абсорбер-испаритель 2-й ступени АБТТ (АИ2);
3. Передача тепла, выделяющегося при абсорбции, от абсорбера блока АИ2 к воде ОСВ, протекающей через трубный пучок абсорбера.
атм⋅ср.
С наступлением летнего периода (период отсутствия отопления), когда среднесуточная температура атмосферного воздуха становится выше+8°С (Т>+8°С), АББТ переключают в режим холодильной машины с двухступенчатой абсорбцией, переводя в закрытое положение трубопроводную арматуру К8, К9, К10, К11, К12, К15, К18, переводя в открытое положение трубопроводную арматуру K1÷К7, К13, К14, К16, К17, включая насосы Нов1, Hpl, Нв1 и выключая насос Нк.
Таким образом, в этом режиме включены насосы Нов1, Hp1, Нв1, Нов2. Нр2, Нв2, выключен насос Нк, открыта трубопроводная арматура K1÷К7, К13, К14, К16, К17, закрыта трубопроводная арматура К8, К9, К10, К11, К12, К15, К18.
Трансформацию тепла от охлаждаемого источника в АБТТ с двухступенчатой абсорбцией осуществляют в несколько этапов:
1. Испарение хладагента в испарителе блока абсорбер-испаритель 1-й ступени АБТТ (АИ1);
С помощью насоса Нов1 осуществляют циркуляцию воды по трубопроводу, соединяющему испаритель АИ1, таким образом, что охлаждаемая жидкость, проходя через потребителя холода и нагревшись до 10÷12°С, поступает в трубный пучок испарителя АИ1, где охлаждается до 5÷7°С за счет испарения хладагента (воды), подаваемого для орошения трубного пучка с помощью циркуляционного насоса хладагента Нв1, и возвращается потребителю холода. Цикл повторяется.
2. Абсорбция (поглощение) паров хладагента в абсорбере блока абсорбер-испаритель 1-й ступени АБТТ (АИ1);
Пар хладагента, образующийся в испарителе АИ1, поступает в межтрубное пространство абсорбера АИ1, где абсорбируется (поглощается) слабым раствором бромистого лития, поступающим из абсорбера блока абсорбер-испаритель 2-й ступени АБТТ (АИ2) и орошающим трубный пучок абсорбера АИ1.
Поглощая пар хладагента, раствор бромистого лития становится разбавленным, концентрация его снижается. Разбавленный раствор бромистого лития стекает в поддон абсорбера АИ1, откуда с помощью насоса Hp1 поступает в рекуперативный растворный теплообменник Т3, затем через К7 в рекуперативный растворный теплообменник Т1, рекуперативный растворный теплообменник Т2 и в высокотемпературный генератор.
В высокотемпературном генераторе разбавленный раствор бромистого лития кипит под действием тепла от газовой горелки и упаривается до промежуточной концентрации. Раствор бромистого лития промежуточной концентрацией через переливное устройство высокотемпературного генератора стекает в рекуперативный растворный теплообменник Т2, где охлаждается, а затем поступает в блок генератор-конденсатор (ГК).
В генераторе блока ГК происходит дальнейшее упаривание раствора бромистого лития за счет теплоты конденсации в трубном пространстве горячего водяного пара, поступающего из высокотемпературного генератора.
Упаренный (крепкий) раствор бромистого лития из блока ГК поступает в рекуперативный растворный теплообменник Т1, где охлаждается. После теплообменника Т1, охлажденный крепкий раствор бромистого лития поступает на орошение трубного пучка абсорбера АИ2.
Водяной пар (хладагент), выпаренный из раствора бромистого лития в блоке ГК, поступает в конденсатор блока ГК, где смешивается с пароводяной смесью из трубного пространства генератора блока ГК и конденсируется на внешней поверхности теплообменных труб. Сконденсировавшийся хладагент через гидрозатвор стекает в поддон испарителя АИ2.
Слабый раствор бромистого лития из поддона абсорбера блока АИ2 перекачивается насосом Нр2 в теплообменник Т1, а затем на орошение абсорбера блока АИ2.
3. Передача тепла, выделяющегося при абсорбции, от абсорбера АИ1 к испарителю АИ2 за счет воды, циркулирующей через трубные пучки абсорбера АИ1 и испарителя АИ2;
Выделяющаяся при абсорбции пара раствором бромистого лития теплота отводится жидкостью (охлаждаемая вода из АИ2), циркулирующей с помощью циркуляционного насоса Нов2 по трубопроводу циркуляционного контура абсорбер АИ1 - испаритель АИ2.
4. Испарение хладагента (воды) в испарителе АИ2;
Нагретая вода из абсорбера АИ1 поступает в трубный пучок испарителя АИ2, где охлаждается за счет испарения хладагента (воды), подаваемого для орошения трубного пучка с помощью циркуляционного насоса хладагента Нв2.
5. Абсорбция паров хладагента в абсорбере АИ2;
Пар хладагента, образующийся в испарителе АИ2, поступает в межтрубное пространство абсорбера АИ2, где абсорбируется (поглощается) крепким (концентрированным) раствором бромистого лития, поступающим самотеком из блока ГК по трубопроводу через рекуперативный растворный теплообменник Т1 и орошающим трубный пучок абсорбера АИ2, по которому циркулирует охлаждающая жидкость от АВО и к АВО.
Поглощая пар хладагента, раствор бромистого лития становится слабым, концентрация его снижается. Слабый раствор бромистого лития стекает в поддон абсорбера АИ2, откуда с помощью насоса Нр2 подается через Кб в рекуперативный растворный теплообменник Т3, и затем в абсорбер блока АИ1. Цикл далее повторяется (с п. 2)
6. Передача тепла охлаждающей жидкости, протекающей через трубный пучок абсорбера АИ2 и ГК.
Охлаждающая жидкость, проходя последовательно абсорбер АИ2 и ГК нагревается от 40+45°С до 48+53°С. Утилизация тепла охлаждающей жидкости производится при помощи аппарата воздушного охлаждения (АВО). АВО по сравнению с градирней оросительного типа не требует подпитки обессоленной химподготовленой водой.
Энергетическая эффективность АБТТ, работающего в качестве теплового насоса, имеет количественный показатель, а именно, коэффициент трансформации тепла, который показывает отношение количества производимой теплоты среднего потенциала к количеству теплоты высокого потенциала, подводимого к генератору АБТТ:
нг
h
где Q - производимая теплота среднего потенциала, Вт; Q - мощность, подводимая к генератору АБТТ, Вт.
Для АБТТ, работающего в теплонасосном режиме с двухступенчатой абсорбцией, когда дополнительный блок абсорбер-испаритель 1-й ступени (АИ1) включен в работу, когда температура ОСВ свыше 50°С, расчетный коэффициент трансформации тепла ζ=1,6÷1,68.
Для АБТТ, работающего в теплонасосном режиме с одноступенчатой абсорбцией, когда дополнительный блок АИ1 выключен из работы, когда температура ОСВ 50°С и ниже, расчетный коэффициент трансформации тепла ζ=2,0÷2,1.
Таким образом, целесообразно при температуре ОСВ 50°С и ниже использовать АБТТ в режиме с одноступенчатой абсорбцией для большей энергетической эффективности.
Энергетическая эффективность АБТТ, работающего в качестве холодильной машины имеет количественный показатель, а именно, тепловой коэффициент, который показывает отношение холодопроизводительности к количеству теплоты высокого потенциала, подводимого к генератору АБТТ:
0
h
где Q - холодопроизводительность, Вт; Q - мощность, подводимая к генератору АБТТ, Вт.
Для АБТТ, работающего в режиме холодильной машины с двухступенчатой абсорбцией, когда температура охлажденной жидкости от 5 до 7 С, а температура охлаждающей жидкости на входе в абсорбер блока АИ2 от 40 до 45°С, расчетный тепловой коэффициент η=0,65÷0,67.
Использование заявляемого изобретения позволяет: 1. Производить глубокую утилизацию низкопотенциальной теплоты продуктов сгорания газовых котельных и ТЭЦ с одновременным нагревом ОСВ в течение всего отопительного периода, в том числе, когда температура ОСВ достигает значения 70°С, что очень актуально для России.
2. При ГУ низкопотенциальной теплоты продуктов сгорания эксплуатировать АБТТ, как в режиме с двухступенчатой абсорбцией, так и в режиме с одноступенчатой абсорбцией, что позволяет получать экономию на 40÷53% потребления газового топлива.
3. В летний период (при отсутствии отопления) производить выработку холода для системы кондиционирования воздуха, либо для технологического охлаждения оборудования, с отведением теплоты посредством АВО, что существенно уменьшает капитальные и эксплуатационные затраты на отведение тепла (АВО по сравнению с градирней оросительного типа не требует подпитки обессоленной химподготовленой водой).
Внедрение предложенного решения позволит снизить капитальные затраты на строительство котельных и ТЭС на величину порядка 15% и снизить эксплуатационных затраты (греющий источник, ОСВ и электроэнергия на привод насосов ОСВ) на величину порядка 10% по сравнению с существующими показателями.
Внедрение предложенного решения позволит круглогодично использовать АБТТ с двухступенчатой абсорбцией. В зимний период АБТТ эксплуатируется для производства тепла, в летний период АБТТ используется для производства холода.
При использовании АБТТ в летний период для выработки промышленного холода срок окупаемости может снизиться в два раза. Поэтому при проектировании новых объектов с АБТТ следует учитывать возможную его эксплуатации в летний период.
2
ox
Положительный эффект утилизации не исчерпывается экономией топлива, при этом снижаются выбросы вредных веществ - окислов СО (парниковый газ), N (на 20-40% по литературным данным) за счет их растворения в конденсирующихся водяных парах и улучшаются условия службы газового тракта и дымовой трубы.