МНОГОЦЕЛЕВАЯ ТЕПЛОНАСОСНАЯ УСТАНОВКА
MULTIPURPOSE HEAT PUMP UNIT

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к промышленной энергетике с обеспечением тепловых нагрузок при разных температурах и видах теплоносителя (вода, водяной пар).
2
Изобретение нацелено на замещение существующих теплоисточников (котельных, ТЭЦ), использующих органическое топливо, экологичными и энергосберегающими теплонасосными установками (ТНУ), работающими по термодинамическому циклу Лоренца и использующими в качестве рабочего тела диоксид углерода (CO).
2
Прототипом изобретения является патент РФ [1], где рассматривается электроприводная ТНУ с одноступенчатым циклом Лоренца на рабочем теле СО, позволяющем получать горячую воду с температурами 40-50°С, 95°С. Это техническое решение имеет следующие недостатки. Характер изобары рабочего тела, нагревающего теплоносители, таков, что их расходы с ростом температур нагрева должны снижаться (это необходимо с целью снижения эксергетических потерь при передаче теплоты от рабочего тела к теплоносителю). Это ограничивает область использования ТНУ, так как зачастую имеет место обратная картина, когда с увеличением температуры требуется и увеличение расхода теплоносителя. Например, при обеспечении тепловых нагрузок горячего водоснабжения (60°С) и отопления (95°С).
Кроме того, техническое решение [1] не позволяет получать теплоноситель с температурой выше 95°С, как и выработку водяного пара, необходимых для промышленных целей.
Целью данного изобретения является создание природосберегающих технологий производства теплоты в промышленности.
2
Указанная цель достигается тем, что предлагается ТНУ на рабочем теле диоксиде углерода, имеющая электрический или газотурбинный привод с системой захоронения отработавших газов или с системой изъятия и утилизации парникового газа CO, действующая по многоступенчатому циклу Лоренца так, что каждая ступень сжатия цикла обеспечивает независимый нагрев вплоть до производства сухого насыщенного и частично перегретого пара на последней ступени сжатия, причем необходимые для этого процесса параметры рабочего тела создаются компрессором ТНУ, имеющим промежуточные отборы рабочего тела, количества и параметры которых определяются необходимой тепловой нагрузкой, причем все греющие потоки отборов рабочего тела, имеющие разные давления, после охлаждения в теплообменниках сливаются в один поток, поступающий в испаритель ТНУ, что обеспечивается дроссельными вентилями, выравнивающими эти давления.
На фиг.1 показана принципиальная схема многоцелевой электрической ТНУ, с компрессором, имеющим три отбора рабочего тела, обеспечивающих три вида тепловых нагрузок: с низким, средним и высокотемпературными водяными теплоносителями. На фиг.2 дана «Т-S» диаграмма трехступенчатого термодинамического цикла Лоренца, обеспечивающего эти тепловые нагрузки. На фиг.3 дана диаграмма цикла ТНУ, обеспечивающего и паровую нагрузку.
o
1
4
3
ТНУ по схеме фиг.1 действует следующим образом. Компрессор 1, приводимый электродвигателем 2, повышает давление рабочего тела от давления насыщения пара P=50 бар (фиг.2) в испарителе 3 (создаваемого теплоносителем низкопотенциального источника теплоты НПИТ, обозначенного стрелками) до давления первой ступени сжатия P=100 бар, обеспечивающего с помощью теплообменника 4 минимальную температуру теплоносителя, например 60°С. Соответственно вторая ступень сжатия компрессора обеспечивает более высокое давление Р=150 бар и с помощью теплообменника 5 - более высокую температуру теплоносителя (100°С), а третья ступень сжатия - давление Р=250 бар с помощью теплообменника 6 - максимальную температуру теплоносителя - 150°С.
На схеме фиг. 1 также показаны дроссельные вентили 7, выравнивающие разные давления в потоках рабочего тела.
1
2
3
Указанные процессы, образующие три цикла сжатия, показаны на фиг.2, где в качестве примера приведены ориентировочные давления на изобарах Р P,Р, а также линии (пунктирные) нагрева теплоносителей до необходимых температур (точки 2а, 3а, 4а).
1
Здесь приведен вариант нагрева только жидкого теплоносителя. При необходимости последняя ступень нагрева может использоваться для генерации насыщенного и перегретого пара. Температурные процессы для этого варианта тепловой нагрузки приведены на фиг.3, где показаны температурные процессы производства сухого насыщенного пара с температурой насыщения 4а (определяемой принятым минимальным температурным перепадом Δt). Из части насыщенного водяного пара может быть получен перегретый пар (точка 4б). Температура его перегрева определяется количеством отбираемого для перегрева насыщенного пара.
2
Как отмечалось, в качестве привода ТНУ также может использоваться газотурбинный двигатель (ГТД) при условии создания системы захоронения отработавших газов или утилизации CO, что еще более увеличит как энергоэффективность ТНУ (за счет утилизации отработавшей теплоты двигателя), так и области использования многоцелевых ТНУ в промышленности, включая возможность создания промышленных теплонасосных ТЭЦ при условии выбора мощности ГТД, превышающей требуемой для привода ТНУ мощности. В качестве дополнительного пояснения к принципиальной схеме ТНУ с ГТД отметим, что схема и ее принцип действия остается тот же, что и представленный на фиг. 1 варианта ТНУ с электродвигателем. С той лишь разницей, что теплота отработавших газов ГТУ может быть использована для генерации перегретого пара необходимых параметров в отдельном котле-утилизаторе.
Источник информации
В.П.Проценко, В.Н.Старшинин. Теплонасосная установка. Патент РФ №2037109 (приоритет от 17.01.92).