Энергокомплекс
ENERGY COMPLEX

Изобретение относится к теплоэнергетике, к области теплонасосных установок, преимущественно предназначено для выработки тепловой энергии, а также может быть использован для холодоснабжения.
Известен абсорбционный тепловой насос [Орехов И.И., Тимофеевский Л.С., Караван С.В. Абсорбционные преобразователи теплоты - Ленинград: химия, 1989. - с. 9]. Абсорбционный тепловой насос содержит последовательно соединенные генератор, конденсатор, дроссельный вентиль, испаритель, абсорбер, дроссельный вентиль, насос.
К недостаткам такой установки можно отнести:
- низкий коэффициент преобразования до 2;
- отсутствие возможности использования органического топлива;
- работает только за счет подвода тепловой энергии.
В качестве прототипа принимается общеизвестный парокомпрессионный тепловой насос [Янтовский Е.И., Левин Л.А. Промышленные тепловые насосы - Москва: Энергомиздат, 1989. - с. 5]. Парокомпрессионный тепловой насос имеет последовательно соединенные испаритель, компрессор, дроссельный вентиль, конденсатор.
Недостатками парокомпрессионного теплового насоса являются:
-низкий диапазон регулировки температуры;
- низкая эффективность и низкий ресурс работы при температурах выше 60°;
- возможна работа установки только за счет подвода механической энергии к компрессору.
На данный момент в области теплонасосных установок наибольшее распространение получили парокомпрессионные и абсорбционные установки. В парокомпрессионных тепловых насосах хладагент испаряется в испарителе за счет низкопотенциальных источников энергии, затем пары хладагента попадают в компрессор где повышают свой потенциал - растет их температура и давление. Нагретый хладагент попадает в конденсатор, где конденсируется и отдает часть тепловой энергии потребителю. Для того, чтобы хладагент смог испариться при низких температурах источника низкопотенциальной теплоты после конденсатора он проходит дроссельный вентиль, в котором происходит процесс дросселирования, то есть понижение его температуры и давления. Таким образом, парокомпрессионный тепловой насос работает за счет подводимой к компрессору механической энергии и возобновляемых источников энергии. Абсорбционный тепловой насос, как и парокомпрессионный, имеет в своем составе конденсатор, дроссельный вентиль, испаритель, а вместо механического компрессора используется тепловой концентратор, который состоит из генератора пара, насоса, абсорбера и дроссельного вентиля. В абсорбционном тепловом насосе помимо хладагента используется абсорбент. В компрессоре, дроссельном вентиле и испарителе происходят те же процессы, что и в парокомпрессионном тепловом насосе - в них циркулирует хладагент и в незначительной концентрации может присутствовать абсорбент. Для работы абсорбционного теплового насоса, помимо подвода низкопотенциальной тепловой энергии, необходимо подводить высокопотенциальную тепловую энергию в генератор пара. Работа теплового концентратора начинается с абсорбера, в который поступает после насоса жидкий абсорбент и испарившийся хладагент. Происходит процесс абсорбции, при котором жидкий абсорбент поглощает пары хладагента и получается смесь абсорбент-хладагент. Затем полученная смесь перекачивается насосом в генератор пара, где за счет подвода высокопотенциальной тепловой энергии выпаривается хладагент и поступает в испаритель, а абсорбент проходит дроссельный вентиль и снова попадает в абсорбер.
Существующие тепловые насосы, несмотря на то, что используют для своей работы возобновляемые источники, не получили широкого распространения в России. Это связано с их высокой стоимостью: они содержат большое количество основных дорогостоящих элементов и из-за не высокого коэффициента преобразования не окупаются по сравнению с традиционными системами отопления. При этом чем выше коэффициент преобразования, тем меньше затрачивается первичной энергии и больше используется тепловой энергии из возобновляемых источников энергии, соответственно необходимо стремиться к его росту. Проблему стоимости, связанную с дорогостоящими импортными комплектующими, необходимо решать путем реализации новой конструкции «Энергокомплекс» базирующуюся на отечественных комплектующих. Оптимизированная конструкция наиболее компактна, так как совмещает механический и химический компрессоры в одном устройстве (компрессионно-абсорбционный газопоршневой агрегат), совмещают рубашку охлаждения и генератор пара также в одном устройстве. Выбор поршневой системы двигателя внутреннего сгорания также является оптимальным, так как зеркально отображает поршневую систему концентратора теплоты. При создании новой конструкции также будет решена задача повышения эффективности за счет реализации в ней нового цикла, который совмещает парокомпрессионный и абсорбционный циклы, что позволит использовать большую часть тепловой энергии из возобновляемых источников энергии. Энергокомплекс является альтернативой котельному оборудованию, базирующийся на тепловых насосах, так как имеет одинаковое назначение, при этом эффективность по сравнению с котельным оборудованием в 1,2-3 раза выше.
Техническим результатом изобретения является обеспечение высокого коэффициента преобразования тепловой энергии, за счет максимально эффективного использования преимуществ парокомпрессионного и абсорбционного циклов трансформации теплоты путем их совмещения.
Технический результат изобретения достигается за счет того, что: энергокомплекс содержит последовательно соединенные: конденсатор, испаритель, дроссельный вентиль, а также дополнительно содержит компрессионно-абсорбционный газопоршневой агрегат, в состав которого входят: левый и правый впускные клапаны топливно-воздушной смеси, левый и правый выпускные клапаны отработавших газов, левый и правый рабочие цилиндры, с левым и правым рабочими поршнями, закрепленные соответственно на левом и правом рабочих шатунах, коленчатый вал, с закрепленными на нем левым и правым шатунами концентраторов теплоты, с левым и правым поршнями концентраторов теплоты, левого и правого концентраторов теплоты, левый и правый впускные клапаны хладагента, левый и правый впускные клапаны абсорбента, левый и правый выпускные клапаны смеси хладагент-абсорбент, левый и правый выпускные клапаны абсорбента, левый и правый трубопроводы абсорбента, рубашку охлаждения, выпускной клапан хладагента, а так же содержит трубопровод подводящий к компрессионно-абсорбционному газопоршневому агрегату, соединяющий испаритель через левый и правый впускной клапан хладагента с левым и правым концентратором теплоты, отводящий трубопровод хладагента, соединяющий конденсатор с рубашкой охлаждения, трубопровод подводящий к дроссельному вентилю и трубопровод отводящий от дроссельного вентиля, причем левый и правый трубопроводы абсорбента соединяют рубашку охлаждения соответственно с левым и правым концентратором теплоты, через левый и правый впускной клапан абсорбента, и левый и правый выпускной клапан абсорбента
На чертеже представлена принципиальная схема энергокомплекса.
Энергокомплекс содержит последовательно соединенные: конденсатор 34, испаритель 1, дроссельный вентиль 36. Дополнительно энергокомплекс содержит компрессионно-абсорбционный газопоршневой агрегат 3, в состав которого входят: левый 4 и правый 5 впускные клапаны топливно-воздушной смеси, левый 6 и правый 7 выпускные клапаны отработавших газов, левый 8 и правый 9 рабочие цилиндры, с левым 10 и правым 11 рабочими поршнями, закрепленными соответственно на левом 12 и правом 13 рабочих шатунах, коленчатый вал 14, с закрепленными на нем левым 15 и правым 16 шатунами концентраторов теплоты, с левым 17 и правым 18 поршнями концентраторов теплоты, левого 19 и правого 20 концентраторов теплоты, левый 21 и правый 22 впускные клапаны хладагента, левый 23 и правый 24 впускные клапаны абсорбента, левый 25 и правый 26 выпускные клапаны смеси хладагент-абсорбент, левый 27 и правый 28 выпускной клапан абсорбента, левый 29 и правый 30 трубопроводы абсорбента, рубашку охлаждения 31, выпускной клапан хладагента 32, а так же содержит трубопровод подводящий к компрессионно-абсорбционному газопоршневому агрегату 2, соединяющий испаритель 1 через левый 21 и правый 22 впускные клапаны хладагента с левым 19 и правым 20 концентраторами теплоты, отводящий трубопровод хладагента 33, соединяющий конденсатор 34 с рубашкой охлаждения 31, через выпускной клапан хладагента 32, трубопровод подводящий к дроссельному вентилю 35 и трубопровод отводящий от дроссельного вентиля 37, причем левый 29 и правый 30 трубопроводы абсорбента соединяют рубашку охлаждения 31 соответственно с левым 19 и правым 20 концентратором теплоты, через левый 23 и правый 24 впускные клапаны абсорбента, и левый 27 и правый 28 выпускные клапаны абсорбента В отводящем трубопроводе хладагента 33, конденсаторе 34, трубопроводе подводящего к дроссельному вентилю 35, дроссельном вентиле 36, трубопроводе отводящего от дроссельного вентиля 37, испарителе 1, трубопроводе подводящего к компрессионно-абсорбционному газопоршневому агрегату 2 циркулирует хладагент. В левом и правом концентраторах теплоты 18 и 19, в рубашке охлаждения 31 циркулирует смесь хладагент-абсорбент. В левом и правом трубопроводах абсорбента 29 и 30 циркулирует абсорбент.
Принцип работы энергокомплекса. В испарителе 1 хладагент испаряется за счет забора тепловой энергии от низкопотенциального теплоносителя. Испарившийся хладагент по трубопроводу подводящему к компрессионно-абсорбционному газопоршневому агрегату 2 поступает в компрессионно-абсорбционный газопоршневой агрегат 3. В компрессионно-абсорбционный газопоршневой агрегат 3 подводится энергия в виде химической энергии топлива вместе с воздухом - топливно-воздушная смесь через левый впускной клапан топливно-воздушной смеси 4 и правый впускной клапан топливно-воздушной смеси 5, соответственно в левый рабочий цилиндр 8 и правый рабочий цилиндр 9 поочередно. В момент, когда левый рабочий поршень 10 занимает верхнее положение, правый рабочий поршень 11 занимает нижнее положение - движение происходит синхронно. Топливно-воздушная смесь подводится в момент поочередного движения вверх рабочих поршней 10 и 11, при этом поочередно в левом и правом рабочих цилиндрах 8 и 9 создается разряжение. При поочередном движении рабочих поршней 10 и 11 в нижнее положение, топливно-воздушная смесь сжимается, при этом повышается температура и давление смеси, а после достижения нижнего положения воспламеняется. За счет воспламенения топливно-воздушной смеси выделяется большое количество тепловой энергии, которая превращается в нагретый газ с высоким давлением, который выталкивает рабочий поршень 10 и 11 в верхнее положение. Далее поочередно левый и правый рабочие поршни 10 и 11 при движении вверх совершают работу передавая ее закрепленным к ним левому рабочему шатуну 12 и правому рабочему шатуну 13, соответственно, которые приводят во вращение коленчатый вал 14. При поочередном перемещении рабочих поршней 10 и 11 из верхнего положения в нижнее открываются, соответственно, левый выпускной клапан отработавших газов 6 и правый выпускной клапан отработавших газов 7, через которые удаляются из левого рабочего цилиндра 8 и правого рабочего цилиндра 9 отработавшие газы. К коленчатому валу 14 закреплены левый и правый шатуны концентраторов теплоты 15 и 16, которые воздействуют на левый поршень концентратора теплоты 17 и правый поршень концентратора теплоты 18, соответственно. Левый поршень концентратора теплоты 17 и правый поршень концентратора теплоты 18 поочередно находятся в нижней точке, затем поочередно начинают движение вверх, при этом создается разрежение в левом и правом концентраторах теплоты 19 и 20, и через впускной клапан хладагента 21 и правый впускной клапан хладагента 22 подается испарившийся хладагент с испарителя 1 по трубопроводу подводящему к компрессионно-абсорбционному газопоршневому агрегату 2 в левый концентратор теплоты 19 и правый концентратор теплоты 20. Также за счет разряжения в нижнюю часть левого концентратора теплоты 19 и правого концентратора теплоты 20 поступает абсорбент через левый впускной клапан абсорбента 23 и правый впускной клапан абсорбента 24 по левому трубопроводу абсорбента 29 и правому трубопроводу абсорбента 30, соответственно. Левый поршень концентратора теплоты 17 и правый поршень концентратора теплоты 18, находясь в верхнем положении, поочередно начинают движение вниз, где сначала пары хладагента сжимаются, а затем поглощаются абсорбентом и образуется смесь хладагент-абсорбент. Под действием левого поршня концентратора теплоты 17 и правого поршня концентратора теплоты 18 открываются левый выпускной клапан смеси хладагент-абсорбент 25 и правый выпускной клапан смеси хладагент-абсорбент 26, и полученная смесь хладагент-абсорбент поступает в рубашку охлаждения 31, где за счет поступления тепловой энергии от левого рабочего цилиндра 8 и правого рабочего цилиндра 9 смесь хладагент-абсорбент разделяется на испарившийся хладагент и жидкий абсорбент. Абсорбент из рубашки охлаждения 31 отводится левым трубопроводом абсорбента 29 и правым трубопроводом абсорбента 30 через левый выпускной клапан абсорбента 27 и правый выпускной клапан абсорбента 28, соответственно, в левый и правый концентраторы теплоты 19 и 20 через левый и правый впускные клапана абсорбента 23 и 24, соответственно. Испарившийся хладагент из верхней области рубашки охлаждения 31 через выпускной клапан хладагента 32 поступает в отводящий трубопровод хладагента 33 и далее попадает в конденсатор 34, где конденсируется, то есть отдает часть теплоты потребителю и превращается в жидкость. Затем хладагент в жидком виде поступает в дроссельный вентиль 36 через трубопровод подводящий к дроссельному вентилю 35, где дросселируется с понижением температуры и давления. Далее жидкий хладагент поступает в испаритель 1 через трубопровод, отводящий от дроссельного вентиля 37. Затем цикл повторяется.
Таким образом, совмещение парокомпрессионного и абсорбционного циклов трансформации теплоты позволяет повысить эффективность работы энергокомплекса.