Способ и устройство для производства электрической энергии и холода с использованием низкопотенциальных тепловых источников
METHOD AND DEVICE FOR PRODUCTION OF ELECTRIC ENERGY AND COLD USING LOW-POTENTIAL HEAT SOURCES

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности, к процессам производства механической или электрической энергии и холода путем преобразования тепловой энергии сравнительно низкого температурного уровня.
Известен органический цикл Ренкина с использованием в качестве рабочего тела низкокипящих теплоносителей, называемый также Organic Rankin Cycle или ORC, [1], широко применяемый в настоящее время для производства электрической энергии при наличии низкопотенциальных тепловых источников. Такой цикл включает испарение рабочей среды, называемой также хладагентом, при повышенном давлении и температуре, расширение пара в машинах для его расширения, таких как турбины, детандеры или тепловые двигатели, с производством электрической энергии, конденсацию отработанного пара после турбины при температуре большей температурного уровня окружающей среды, повышение давления образовавшегося конденсата хладагента с дальнейшим его нагреванием и испарением. В этом цикле рабочая среда - это однокомпонентное вещество с постоянными температурами кипения и конденсации, при этом тепловая энергия, выделяющаяся при конденсации, отводится в окружающую среду, а в качестве аппаратов для расширения пара используются различного типа детандеры, различного типа тепловые двигатели и турбины.
Недостатком способа является его сравнительно низкая эффективность по электроэнергии и невозможность производства холода.
Известен также цикл Калины [2], также используемый для преобразования тепловой энергии в электрической энергию, называемую также работой. В этом цикле рабочей средой является двухкомпонентная смесь, состоящая из низкокипящего хладагента и высококипящего абсорбента.
3
2
В этом способе крепкий раствор, представляющий, как правило, водоаммиачную смесь (NH+HO), выпаривается в процессе нагревания при повышенной температуре и повышенном давлении, разделяясь при этом на поток пара с повышенным содержанием хладагента и поток слабого раствора с пониженным содержанием хладагента.
Затем, поток пара расширяется в машине для его расширения, например, в поршневом, роторном детандере или турбодетандере, до температур, больших температурного уровня окружающей среды, после чего он смешивается с потоком слабого раствора и конденсируется. При этом теплота, выделяющаяся в процессе конденсации, отводится в окружающую среду в качестве тепловых отходов.
Кроме того, известен способ [3] для генерирования электрической энергии и холода при использовании низкопотенциальных тепловых источников, который выбран здесь в качестве аналога, т.к. он совпадает по цели с предлагаемым изобретением и наиболее близок к нему по совокупности признаков.
В этом способе, в отличии от способа [2], пар, образующийся при выпаривания крепкого раствора, расширяется в детандере, называемого далее турбиной, с производством электроэнергии, называемой также работой, до температур, меньших температурного уровня окружающей среды. Отработанный пар после турбины, имеющий сравнительно низкую температуру, используется для охлаждения внешних объектов, и затем абсорбируется слабым раствором с образованием крепкого раствора. При этом теплота, выделяющаяся в процессе конденсации, отводится в окружающую среду в качестве тепловых отходов.
Известно устройство для генерации электричества и холода при использовании низкопотенциальных тепловых источников [3], включающее замкнутый контур для циркуляции рабочей среды с установленными в нем сепаратором, турбиной с электрогенератором, абсорбером, насосом, внешним охладителем и парогенератором, называемым также бойлером, подключенным к источнику теплоты повышенной температуры.
Целью предлагаемого изобретения является дальнейшее повышение эффективности производства электрической энергии и холода при использовании возобновляемых или вторичных тепловых источников.
Указанная цель достигается тем, что в способе производства электрической энергии и холода с использованием низкопотенциальных тепловых источников, включающем
- циркуляцию раствора хладагента и абсорбента при его периодическом нагревании и охлаждении,
- выпаривание раствора высокой концентрации при его нагревании с образованием потоков пара хладагента и слабого раствора повышенной температуры и давления,
- использование образовавшегося при выпаривании потока пара хладагента в турбине с образованием на выходе из турбины отработанного пара пониженной температуры и давления,
- снижение температуры и давления слабого раствора,
- абсорбцию, называемую также поглощениям, отработанного пара охлаждаемым слабым раствором с образованием крепкого раствора,
- повышение давления крепкого раствора и подачу раствора для выпаривания, крепкий раствор разделяется на потоки с пониженной концентрацией хладагента и потоки с повышенной концентрацией хладагента, причем первые из которых используются в качестве слабого раствора в процессе абсорбции, а вторые после дополнительного повышения давления и температуры используются в процессе выпаривания в качестве раствора высокой концентрации.
Кроме того, особенностями предлагаемого способа, приводящими к получению технического результата, являются:
- разделение крепкого раствор проводится фильтрацией с использованием полупроницаемой мембраны, методов электродиализа или центрифугирования;
- использование потенциальной энергии слабого раствора в эжекторе для повышения давления хладагента в процессе абсорбции;
- нагревание раствор высокой концентрации перед его выпариванием слабым раствором, образующимся в процессе выпаривания;
- использование для фильтрации крепкого раствора мембран с селективностью не более 0,75;
- смешение раствора высокой концентрации, образующемся в процессе фильтрации, и слабого раствора, образовавшегося в процессе выпаривания;
- применение в качестве абсорбента смеси компонентов, различающихся своей способностью прохождения через полупроницаемую мембрану.
- использование отработанного пара для охлаждения внешних объектов.
В устройстве для производства электрической энергии и холода, включающем
- замкнутый контур движения раствора с расположенными в нем последовательно абсорбером, насосом, теплообменником растворов, генератором пара и сепаратором, подключенным в цикле движения раствора как к генератору пара, так и к абсорберу,
- и турбину с электрогенератором, подключенную на входе к сепаратору для подачи пара и к абсорберу на выходе из турбины,
дополнительно установлены фильтрующие элементы, подключенные с одной стороны к абсорберу для подачи к ним крепкого раствора и возвращения в абсорбер слабого раствора,
а с другой стороны к генератору пара с возможностью подачи в него раствора более высокой концентрации, пропускаемого фильтрующими элементами.
Другими отличительными особенностями предлагаемого устройства являются:
- подключение сепаратора к фильтрующим элементам с возможностью подачи в них слабого раствора;
- установка в контуре между генератором пара и фильтрующими элементами дополнительного насоса и рекуперативного теплообменного растворов;
- установка между турбиной и абсорбером парожидкостного эжектора;
- использование в качестве фильтрующих элементов мембраны для нано фильтрации, в качестве турбины детандеров или тепловых двигателей;
- установка регулирующего клапана и/или расширительного, иначе, дроссельного, вентиля между сепаратором и фильтрующими элементами.
Сущность предлагаемого способа поясняется принципиальной схемой установки для производства (генерации) электрической энергии и холода, которое представлено на Фиг. 1.
Такое устройство включает:
1 - генератор пара, называемым также бойлером, 2 - сепаратор,
3 - турбину с электрогенератором,
4 - абсорбер, 5 - насос,
6 - фильтрующие элементы, т.е. полупроницаемые мембраны,
7 - дополнительный насос, 8 - теплообменник растворов,
9- эжектор, 10 - регулирующий клапан,
11 - расширительные, или иначе, дроссельные вентили.
Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом.
В генераторе пара 1 раствор высокой концентрации нагревается, разделяясь при этом на потоки пара хладагента и слабого раствора.
Из генератора 1 потоки пара и слабого раствора поступают в сепаратор 2, где происходит более полное разделение пара и жидкости.
Далее поток пара направляется в турбину 3, где он расширяется с производством работы. После турбины отработанный пар поступает в абсорбер 4 либо непосредственно, либо с его предварительным нагреванием в процессе теплообмена с охлаждаемыми внешними объектами.
В свою очередь поток слабого раствора, выходящий из сепаратора или генератора пара, предварительно охлаждается в рекуперативном теплообменнике растворов 8 и после снижения его давления в расширительном вентиле 11 также поступает в абсорбер 4.
В абсорбер 4 отработанный пар поглощается слабым раствором с образованием крепкого раствора. Выделяющаяся в процессе абсорбции тепловая энергия отводится внешним теплоносителем.
Далее, крепкий раствор после повышения его давления насосом 5 разделяется с помощью фильтрующих элементов 6 на потоки с различной концентрацией хладагента и абсорбента.
Один из этих потоков, не прошедший через мембрану, имеет меньшую концентрацию хладагента и после снижения его давления в расширительном вентиле 11 или эжекторе 9 используется в процессе абсорбции в качестве слабого раствора.
Другой поток, прошедший через фильтрующие элементы, имеет сравнительно большую концентрацию хладагента и подается далее в генератор пара 1, где используется в процессе выпаривания в качестве раствора высокой концентрации.
Перед генератором пара, давление и температура раствора высокой концентрации предварительно повышается с помощью насоса 7 и рекуперативного теплообменника растворов 8 соответственно.
В этом способе предусматривается также возможность подачи слабого раствора из генератора пара или сепаратора не только на стадию абсорбции, но также и на стадию фильтрации. В этом случае, слабый раствор из сепаратора подается к мембране со стороны раствора высокой концентрации, пропускаемого мембраной. При этом оба потока смешивается. Для регулирования подачи слабого раствора, образующегося в генераторе пара, в этом случае служит регулирующий клапан 10.
Такой технологический прием позволяет в ряде случаев снизить разность осмотических давлений растворов перед и после мембраны.
Кроме того, для снижения осмотического давления крепкого раствора до сравнительно небольших значений, примерно 5-10 бар, в способе предлагается использование преимущественно полупроницаемых мембран для нанофильтрации или ультрафильтрации, например, таких как нанофильтрационные мембран серии ESNA, характеризуемых сравнительно низким рабочим давлением, около 5 бар, и селективностью примерно 60-80%, или мембраны ОПНМ, выпускаемые серийно [4].
Вместе с тем, в этом случае могут применяться также и обратноосмотические мембраны, т.к. возникающее в этом способе осмотическое давление можно регулировать в широких пределах выбором полупроницаемых мембран сравнительно низкой селективности, например, 30-70%, как это показано в [5].
Более того, двух стадийное изменение концентрации крепкого раствора, предлагаемое в этом способе, делает привлекательным применение фильтрации также и методов электродиализа [6] или шокового электродиализа [7], что способствует снижению габаритных размеров системы.
Предлагаемый способ может быть реализован с использованием известных рабочих сред, рассматриваемых в абсорбционных циклах рефрижераторов и тепловых двигателей.
В частности, в качестве хладагентов целесообразно использовать вещества с сравнительно никой температурой кипения, например, такие как метанол (СН3ОН), вода (H2O), аммиак (NH3), R134a, R245fa и др., а также их смеси.
В качестве абсорбентов целесообразно использование растворителей, имеющих сравнительно большую молекулярную массу, примерно более 100 D, и сравнительно высокую нормальную температуру кипения, примерно более 150°С. К таким абсорбентам относятся ТЭГ, или иначе триэтиленгликоль, ПЭГ-300, иначе, полиэтиленгликоль, ионные жидкости [8], ДМЭ-ТЭГ, иначе, диметиловый эфир тетраэтиленгликоля, и др. известные абсорбенты.
Некоторые характерные показатели предлагаемого способа с применением раствора метанола (СН3ОН) и ионной жидкости [MMIm]DMP (C7H15N2O4P), приведены в Табл. 1.
Эта ионная жидкость [MMIm]DMP (или 1-Methyl-3-methylimidazolium dimethylphosphate) имеет молекулярный вес 222.179 г/моль, регистрационный номер CAS-RN: 654058-04-5 и рекомендуется для применения в современных абсорбционных рефрижераторах [8].
Предлагаемый способ позволяет существенно повысить эффективность генерации электроэнергии и холода по сравнению с другими аналогичными способами.
В частности, эффективность таких циклов может превышать максимальное значение этого показателя, допустимое сегодня в соответствующих циклах Карно, т.к. в этом случаи правила равновесной термодинамики выполняются недостаточно строго из-за термодинамических особенностей абсорбционных систем.
Использованные источники:
1. Г.В. Белов, М.А. Дорохова. Органический цикл Ренкина и его применение в альтернативной энергетике. НАУКА и ОБРАВАНИЕ, Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана, №2, 2014. Стр. 99-124. http://lechnomag.bmstu.ru/doc/699165.html
2. A. Kalina, R. Pelletier. Method and Apparatus of Converting Heat to Useful Energy. US Patent #5953918. 09.21.1999
3. И.И. Самхан. Способ и устройство для преобразования тепловой энергии в электричество, теплоту повышенного потенциала и холод. Патент №RU 2529917 С2, Пуб. 10.10.2014
4. В.Л. Кудряшов, И.И. Бурачевский, В.П. Дубяга и др.. Современные отечественные конкурентоспособные обратноосмотические, нанофильтрационные и микро-фильтрационные мембранные элементы, установки и технологии для ликероводочной и спиртовой промышленности, Серия. Критические технологии. Мембраны, 2004, №3 (23), с. 158-178.
5. Н.В. Чураев Физикохимия процессов массопереноса в пористых телах. М.: Химия, 1990, с. 98.
(Churaev N.V. Liquid and Vapour Flows in Porous Bodies: Surface Phenomena. 2000, page 103.)
6. Мембранные технологии, http://www.mtlt.lt
7. D. Deng, W. Aouad, W. Braff, S. Schlumpberger and other. Water purification by shock electrodialysis: Deionization, filtration, separation, and disinfection. Desalination 357, (2015) 77-83, journal homepage: www.elsevier.com/locate/desal
8. M. Khamooshi, K. Parham, and U. Atikol. Overview of Ionic Liquids Used as Working Fluids in Absorption Cycles. Hindawi Publishing Corporation, Advances in Mechanical Engineering, me 2013; Article ID 620592: 1-7