ТРИГЕНЕРАЦИОННЫЙ ЦИКЛ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
TRIGENERATION CYCLE AND DEVICE THEREFOR

Предлагаемое изобретение относится к области теплоэнергетического машиностроения и может быть использовано в качестве устройств для одновременной генерации тепла, холода и электроэнергии.
Теплоэнергетические устройства, одновременно генерирующие тепловую и электрическую энергии, а также холод, называются тригенерационными. Соответственно рабочий цикл указанных теплоэнергетических устройств называется тригенерационным. Также в этом случае для обобщения процессов одновременной выработки тепловой и электрической энергий, а также холода применяется термин тригенерация.
В настоящее время известна тригенерационная установка, содержащая соединенные каждая со своим электрогенератором газотурбинную и паротурбинную установки с рабочими телами, включенными в общий парогазовый цикл, и парокомпрессорную теплонасосную установку [Патент РФ №2530971, МПК F01K 23/06]. Функционально, рассматриваемая тригенерационная установка вырабатывает при помощи газотурбинной и паротурбинной установки электрическую энергии, а при помощи парокомпрессионной теплонасосной установки - тепловую энергию и холод. К недостаткам рассматриваемой тригенерационной установки следует отнести то, что здесь для выработки тепла или холода требуется наличие теплонасосной установки, которая представляет собой парокомпрессионную холодильную машину. Тогда в рассматриваемой тригенерационной установке реализуются фактически два связанных друг с другом термодинамических цикла: цикл парогазовой установки и парокомпрессионный цикл теплонасосной установки.
Известен также принцип тригенерации (выбранный за прототип), заключающийся в следующем: в выпаривании хладагента из крепкого раствора при повышенных температуре и давлении с образованием потока нагретого пара хладагента и потока слабого раствора, расширением потока нагретого пара хладагента с производством работы и образованием отработанного пара, конденсации пара хладагента с передачей выделяющейся при этом тепловой энергии внешнему теплоносителю и образованием жидкого хладагента, расширением жидкого хладагента и его испарением с образованием холодильного эффекта, а также абсорбцию пара хладагента пониженной температуры и пониженного давления в предварительно охлажденном слабом растворе с образованием крепкого раствора, повышением давления крепкого раствора и его нагреванием перед выпариванием, нагретый пар хладагента после выпаривания разделяется на два потока, один из которых расширяется с производством работы, а другой конденсируется и используется для производства холода или тепловой энергии, причем поток пара хладагента после его расширения с производством работы и поток пара пониженного давления и температуры, полученный при испарении хладагента с образованием холодильного эффекта, абсорбируются с использованием общего слабого раствора и образованием крепкого раствора, включающих в себя хладагенты указанных выше потоков [Патент РФ №2529917, МПК F25B 30/04, F25B 15/04, F01K 25/06].
Известно также устройство (выбранное за прототип) для преобразования тепловой энергии в электричество, теплоту повышенного потенциала и холод [Патент РФ №2529917, МПК F25B 30/04, F25B 15/04, F01K 25/06]. Устройство для преобразования тепловой энергии в электричество, теплоту повышенного потенциала и холод содержит бойлер с сепаратором для выпаривания хладагента и его отделения от раствора, тепловой двигатель, подключенный трубопроводами к сепаратору, конденсатор, испаритель с расширительным вентилем, абсорбер, насос для повышения давления раствора и его циркуляции, регенеративный теплообменник. К недостаткам рассматриваемого устройства для преобразования тепловой энергии в электричество, теплоту повышенного потенциала и холод следует отнести то, что она в свой состав включает сепаратор для разделения хладагента и раствора, который является достаточно сложным и нестабильно работающим устройством. А также к недостаткам рассматриваемого устройства для преобразования тепловой энергии в электричество, теплоту повышенного потенциала и холод для своей работы относится то, что хладагент, полученный в бойлере, имеющий термодинамические параметры (высокое давление и температуру), необходимые для его последующего эффективного расширения с совершением работы в тепловом двигателе, по параллельно подключенному к тепловому двигателю трубопроводу направляется в конденсатор, который при этом должен обладать значительными размерами для осуществления гарантированной конденсации пара хладагента.
Задачей изобретения является разработка тригенерационного цикла и устройства для его осуществления, которые лишены вышеуказанных недостатков.
Поставленная задача решается следующим образом: тригенерационный цикл, включающий в себя расширение потока пара хладагента в тепловом двигателе с выработкой в нем механической энергии, конденсацию пара хладагента с образованием жидкого хладагента и передачей выделяющейся при этом тепловой энергии внешнему теплоносителю, дросселированием жидкого хладагента и его последующим испарением в испарителе с выработкой холода, при этом в состав рабочего тела входит только один хладагент, который испаряется и перегревается от внешнего источника теплоты, после испарения и перегрева от внешнего источника теплоты пар хладагента расширяется с выработкой механической работы до температуры, превышающей температуру его конденсации от внешних теплоносителей, затем он конденсируется от внешнего теплоносителя до жидкого состояния и далее дросселируется жидкий хладагент со снижением давления и температуры хладагента и последующим его испарением с выработкой холода, при этом образуется пар хладагента с температурой ниже температур внешних теплоносителей, и далее сжимается этот пар до давления и температуры, позволяющих его сконденсировать от внешних теплоносителей с передачей им выделяющейся при этом тепловой энергии, после конденсации жидкий хладагент подается обратно к испарителю, в результате чего цикл замыкается.
Устройство для осуществления тригенерационного цикла, содержащее тепловой двигатель, соединенный с электрогенератором, конденсатор, трубопроводы для циркуляции хладагента, расширительный вентиль, испаритель, питающий насос жидкого хладагента, гидролинии теплоносителя, гидролинии низкотемпературного теплоносителя, дополнительно содержит нагреватель, циркуляционный насос теплоносителя, эжектор, дополнительный конденсатор, дополнительный испаритель, трехходовой кран, при этом циркуляционный насос теплоносителя последовательно соединен по гидролиниям теплоносителя с нагревателем и испарителем, питающий насос жидкого хладагента по трубопроводу для циркуляции хладагента подает жидкий хладагент к испарителю, после которого хладагент в парообразном состоянии подается к тепловому двигателю, соединенному с электрогенератором, и далее - в конденсатор, после конденсатора жидкий хладагент по трубопроводу для циркуляции хладагента подводится к расширительному вентилю, где дросселируется, и далее хладагент в жидком виде поступает к дополнительному испарителю, после которого пар хладагента сжимается в эжекторе за счет энергии пара хладагента, подводимого к эжектору от испарителя по трубопроводу для циркуляции хладагента, после эжектора сжатый пар хладагента по трубопроводу для циркуляции хладагента подводится к дополнительному конденсатору, после которого жидкий хладагент подводится по трубопроводу для циркуляции хладагента к трехходовому крану, соединяющему конденсатор и питающий насос жидкого хладагента, к конденсатору и дополнительному конденсатору по гидролиниям теплоносителя подводится нагреваемый теплоноситель, к дополнительному испарителю подводится по гидролинии теплоносителя низкотемпературный теплоноситель.
На фиг. 1 изображен тригенерационный цикл в системе координат, представляющей собой функцию давления ρ (шкала логарифмическая) от энтальпии - lg(ρ)=f(i).
Схема устройства, реализующего тригенерационный цикл, изображена на фиг. 2.
На фиг. 1 представлены следующие процессы изменения состояния хладагента.
1-2′ - процесс расширения пара хладагента в тепловом двигателе с выработкой механической работы.
2′-3′ - процесс конденсации пара хладагента в конденсаторе с передачей выделяющейся при этом теплоты внешнему теплоносителю.
3′-4′ - процесс в расширительном вентиле.
4′-5 - процесс испарения хладагента в дополнительном испарителе с выработкой холода и передачей холода низкотемпературному теплоносителю.
5-2 - процесс сжатия пара хладагента в паровом эжекторе.
2-3 - процесс конденсации пара хладагента в дополнительном конденсаторе с передачей выделяющейся при этом теплоты внешнему теплоносителю.
3-4 и 3′-4 - процесс сжатия жидкого хладагента в питающем насосе жидкого хладагента.
4-1 - процесс нагрева, испарения и перегрева хладагента в испарителе.
Устройство, реализующее тригенерационный цикл (фиг. 2), содержит циркуляционный насос теплоносителя 1; нагреватель 2; конденсатор 4; питающий насос жидкого хладагента 5; трубопроводы для циркуляции хладагента 6, 9, 10, 11, 12, 18, 19, 23; тепловой двигатель 7, соединенный с электрогенератором 8; конденсатор 24; расширительный вентиль 13; дополнительный испаритель 14; эжектор 15; дополнительный конденсатор 16; трехходовой кран 17; гидролинии низкотемпературного теплоносителя 20; гидролинии теплоносителя 3, 21, 22.
Реализацию тригенерационного цикла поясним при помощи устройства, реализующего тригенерационный цикл, представленного на фиг. 2. Устройство для реализации тригенерационного цикла работает следующим образом. Нагреватель, представляющий собой устройство для сжигания органического топлива (например, твердотопливный котел), вырабатывает тепловую энергию, которая от него передается теплоносителю. Теплоноситель к нагревателю подводится по гидролиниям теплоносителя 3 при помощи циркуляционного насоса теплоносителя 1. От нагревателя 2 нагретый теплоноситель циркуляционным насосом 1 по гидролинии теплоносителя 3 подается к испарителю 4. В испарителе 4 тепловая энергия, вырабатываемая нагревателем 2, передается хладагенту. В свою очередь, хладагент к испарителю 4 подводится по трубопроводу для циркуляции хладагента 19 питающим насосом жидкого хладагента 5. Следует отметить, что в качестве хладагента может использоваться фреон, например R134a. В испарителе 4 хладагент нагревается, испаряется и перегревается, например, до температуры 80°C и давления 2 МПа, что соответствует процессу 4-1 на фиг. 1. От испарителя 4 пар хладагента по трубопроводу для циркуляции хладагента 6 поступает к тепловому двигателю 7, в котором расширяется с выработкой механической работы (процесс 1-2′ на фиг. 1). В тепловом двигателе 7 пар хладагента расширяется, например, до давления 0,8 МПа и температуры 40°C. Механическая работа, вырабатываемая тепловым двигателем 7 при помощи электрогенератора 8, соединенного с ним, преобразуется в электрическую энергию. После теплового двигателя 7 пар хладагента по трубопроводу для циркуляции хладагента 9 подводится к конденсатору 24, в котором конденсируется, что соответствует процессу 2′-3′ на фиг. 1. Теплота, которая выделяется в результате конденсации хладагента в конденсаторе 24, передается теплоносителю, подводимому к нему от внешней сети по гидролинии теплоносителя 21. После конденсатора 24 нагретый теплоноситель по гидролинии теплоносителя 21 направляется к внешним потребителям тепловой энергии. Жидкий хладагент после конденсатора 24 поступает в трубопровод для циркуляции хладагента 10. Дальнейшим характером движения хладагента управляет трехходовой кран 17, установленный между трубопроводом для циркуляции хладагента 12 и 18. Отметим, что трехходовой кран 17 может перекрывать трубопровод для циркуляции хладагента 11 или 12. В случае если выработка холода не нужна, например в холодный период, трехходовым краном перекрывается трубопровод для циркуляции хладагента 11, тогда хладагент от конденсатора 24 по трубопроводу для циркуляции хладагента 10 поступает в трубопровод для циркуляции хладагента 12 и далее к питающему насосу жидкого хладагента 5, который подает жидкий хладагент к испарителю 4, что соответствует процессу 3′-4 на фиг. 1. В рассматриваемом случае перекрытия трехходовым краном 17 трубопровода для циркуляции хладагента 11 согласно фиг. 1 реализуется замкнутый цикл: 1-2′-3′-4-1. Цикл 1-2′-3′-4-1 (фиг. 1) представляет собой органический цикл Ренкина. В случае реализации цикла 1-2′-3′-4-1 установкой для реализации тригенерационного цикла (фиг. 2) вырабатывается только тепловая и электрическая энергия. При необходимости выработки холода (на технологические нужды, кондиционирование) трехходовым краном 17 перекрывают трубопровод для циркуляции хладагента 12. В результате перекрытия трехходовым краном 17 трубопровода для циркуляции хладагента 12 последний в жидком виде от конденсатора 24 поступает к расширительному вентилю 13, где снижаются его давление и температура, что соответствует процессу 3′-4′ на фиг. 1. После расширительного вентиля 13 хладагент поступает в дополнительный испаритель 14. В дополнительном испарителе 14 хладагент испаряется с выработкой холода, что соответствует процессу 4′-5 на фиг. 1. При этом температура хладагента в дополнительном испарителе 14 снижается, например, до -30°C. Через дополнительный испаритель 14 по гидролинии низкотемпературного теплоносителя 20 циркулирует низкотемпературный теплоноситель. Низкотемпературному теплоносителю в дополнительном испарителе 14 передается тепловая энергия в виде холода и далее по гидролинии низкотемпературного теплоносителя 20 он передается потребителям. После дополнительного испарителя 14 пар хладагента поступает в эжектор 15, где сжимается за счет энергии пара хладагента, подводимого к нему по трубопроводу для циркуляции хладагента 23, что соответствует процессу 5-2 на фиг. 1. В эжекторе 15 давление пара хладагента повышается, например, до 0,7 МПа, а температура - до 35°C. Эжектором 15 пар хладагента подается в дополнительный конденсатор 16, в котором в результате процесса конденсации (процесс 2-3 на фиг. 1) выделяющаяся тепловая энергия передается теплоносителю. В свою очередь, теплоноситель к дополнительному конденсатору 16 подводится по гидролинии теплоносителя 22. По гидролинии теплоносителя 22 нагретый теплоноситель передает тепловую энергию далее потребителям тепловой энергии. После дополнительного конденсатора 16 жидкий хладагент по трубопроводу для циркуляции хладагента 11 поступает к трехходовому крану 17 и далее - в трубопровод для циркуляции хладагента 18 и затем к питающему насосу жидкого хладагента 5. Питающий насос жидкого хладагента 5 подает жидкий хладагент к испарителю 4, что соответствует процессу 3-4 на фиг. 1. Таким образом, тригенерационный цикл согласно фиг. 1 состоит из следующих процессов: 1-2′-3′-4′-5-2-3-4-1.
Заявляемый тригенерационный цикл, а также устройство для его реализации могут быть использованы в энергетике при комплексной генерации тепловой, электрической энергий и холода. Применение тригенерационного цикла и установки для его реализации позволит повысить эффективность выработки тепловой, электрической энергий и холода с использованием для этого теплоты сгорания любого углеродсодержащего топлива, топлива из возобновляемых источников, геотермальной энергии, неутилизированной низкопотенциальной энергии крупных ТЭЦ и когенерационных установок на базе двигателей внутреннего сгорания.