СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОТЕНЦИАЛА ИСТОЧНИКА ТЕПЛА
METHOD OF INCREASING THERMAL POTENTIAL OF HEAT SOURCE

Изобретение относится к области энергетики и направлено на энергосбережение путем рационального использования возобновляемых источников тепла и естественного перепада температуры в окружающей среде.
В настоящее время основу энергетики составляют невозобновляемые источники энергии. В связи с исчерпанием ресурсов ископаемых топлив актуальна проблема рационального использования альтернативных источников энергии, тепла промышленных выбросов, стоков и другого бросового тепла. Основной проблемой использования таких источников является их относительно низкий температурный потенциал, который недостаточен для того, чтобы выбрасываемое в окружающую среду тепло могло быть применено с пользой, например для отопления или подогрева воды. Указанную проблему решают путем повышения температурного потенциала используемого источника теплоты в термотрансформаторах. Типичным примером такого термотрансформатора служит сплит-система кондиционирования воздуха (Ананьев В.А. и др. Системы вентиляции и кондиционирования. Теория и практика. 2001, 416 с.), работающая в режиме отопления (нагрева). В качестве источника теплоты данная система использует тепло окружающей среды с невысоким температурным потенциалом, вырабатывает тепло с температурным потенциалом, достаточным для подогрева воздуха в помещении, и для приведения системы в действие использует электрическую энергию.
Аналогом сплит-системы кондиционирования, функционирующей в режиме нагрева, является полезная модель (РФ 77030, F25B 30/02, 10.10.2008), предназначенная для отопления помещений за счет тепла сточных вод. Отличительной чертой указанной полезной модели является использование компрессора.
В патентах (РФ 2256126, F24D 3/02, 10.07.2005) и (US 8418466 F01K 7/32, 16.04.2013) предложен способ повышения температурного потенциала источника тепла за счет использования вихревой трубы. Этот способ также требует использования механической энергии компрессора.
Другим примером термотрансформатора для преобразования низкопотенциальной теплоты в тепло с повышенным температурным потенциалом могут служить абсорбционные и адсорбционные тепловые насосы. Это достигается за счет проведения замкнутого цикла адсорбции-десорбции хладагента, сопровождающегося поглощением теплоты в испарителе, который поддерживают при температуре окружающей среды, и ее выделением в конденсаторе и адсорбере при более высокой температуре, достаточной для нужд потребителя. Приведение цикла в действие осуществляют путем регенерации абсорбента (адсорбента) при повышенной температуре за счет использования другого источника теплоты, обычно 80-350°C (ссылка).
Так, в патенте (РФ 2358209, F24J 3/08, 10.06.2009) предложен способ использования тепла геотермальных вод для нужд отопления с использованием теплового насоса. Способ отличается тем, что использует источник тепла с температурой Т>80°C, а потребителю поступает вода с температурой 55-65°C.
В патенте (СА 2674245, C01B 3/06, 01.02.2010) предложен способ использования химического теплового насоса для повышения температурного потенциала источника тепла. Способ отличается тем, что низкопотенциальное тепло поглощается в процессе разложения аммиачного комплекса марганца, тепло с повышенным температурным потенциалом выделяется при образовании аммиачных комплексов сульфата марганца и хлорида никеля, а цикл приводится в действие за счет разложения аммиачного комплекса хлорида никеля. Последний процесс происходит при более высокой температуре по сравнению с температурой, при которой полезное тепло отдается потребителю.
Прототипом данного изобретения является адсорбционный тепловой насос (US 7497089, B01J 29/06, 03.03.2009), содержащий адсорбат (хладагент), испаритель, конденсатор и адсорбционно-десорбционную часть с адсорбентом. В этом прототипе в качестве адсорбата (халадгента) используют пары воды, а в качестве адсорбента - алюмофосфат SAPO-34. Принцип действия рассматриваемого прототипа состоит в том, что адсорбент, находящийся при температуре 40-45°C, поглощает пары воды и при этом происходит выделение теплоты. Испарение воды происходит в испарителе при температуре 5-10°C. Таким образом происходит трансформация теплоты с низким температурным потенциалом в тепло с более высоким температурным потенциалом. Для регенерации адсорбента в рассматриваемом прототипе его нагревают до высокой температуры, наиболее предпочтительно до 60-95°С.
Приведенные примеры способов повышения температурного потенциала обладают общей особенностью, заключающейся в том, что они используют внешний источник энергии, либо электрической, либо механической, либо тепловой, с потенциалом, превышающим температурный потенциал получаемого полезного тепла. Таким образом, приведенные способы действительно приводят к повышению температурного потенциала «бросовой» теплоты, к повышению ее качества. Однако все приведенные способы используют для этого источники энергии с еще более высоким качеством, чем позволяют получить и передать потребителю.
Изобретение решает задачу повышения температурного потенциала источника тепла за счет использования естественной разницы температур в окружающей среде и без использования электрической, механической энергии и/или источника тепла с более высоким температурным потенциалом.
Предложен способ повышения температурного потенциала источника тепла в замкнутом адсорбционном цикле повышения температурного потенциала, состоящего из последовательных стадий адсорбции хладагента на адсорбенте, удаления хладагента с адсорбента - регенерации, испарения и конденсации хладагента, в котором регенерацию адсорбента осуществляют путем его нагрева от возобновляемого источника низкопотенциального тепла, а конденсатор при этом охлаждают до низкой температуры, используя исключительно естественный перепад температур в окружающей среде, при этом в качестве адсорбента используют активированный уголь, природный или синтетический цеолит, цеолитоподобный материал или композитный адсорбент, в качестве хладагента - адсорбтива используют спирты или аммиак.
ист
В качестве возобновляемого источника тепла используют геотермальные воды, воду незамерзающих водоемов, промышленные и бытовые стоки и иные источники тепла с температурой Т=0-35°С, преимущественно, 4-20°С.
Температура окружающей среды составляет (-50)-(-5)°С, преимущественно (-25)-(-15)°С.
Способ позволяет достигать повышение температурного потенциала источника низкопотенциального тепла на 5-20°C, а при каскадной реализации - на 40°C и выше.
окр
ист
ц
окр
ист
ц
ист
ц
ц
ист
ист
окр
Для решения задачи предложен замкнутый адсорбционный цикл повышения температурного потенциала, в котором стадию регенерации осуществляют за счет естественной разницы температур в окружающей среде. Адсорбционный цикл (Фиг. 1) состоит из двух изостер (1-2 и 3-4) и двух изотерм (2-3 и 4-1). Температурные параметры цикла заданы тремя температурами: окружающей среды Т, источника теплоты Т и целевой температуры Т, где Т<Т<Т. Адсорбционный термопреобразователь (Фиг. 2) состоит из адсорбера (1), содержащего адсорбент (2), и емкости (5) с хладагентом (4), выполняющей роль испарителя и конденсатора. Адсорбер и емкость герметичны и соединены при помощи вакуумного крана (3). Исходно адсорбент находится в регенерированном состоянии (изостера w1 соответствует низкому содержанию адсорбата) при температуре источника Т (точка 1 Фиг. 1), емкость с хладагентом поддерживают при той же температуре. Кран, соединяющий емкость с адсорбентом и емкость с хладагентом, открывают. Происходит испарение хладагента в емкости и адсорбция его паров на адсорбенте. Это вызывает разогрев адсорбента и выделение тепла происходит при целевой температуре Т, превышающей температуру источника Т>Т (точка 2 Фиг. 1). Полученное полезное тепло используют для нужд нагрева. После достижения содержания адсорбата w2 (точка 3 Фиг. 1) кран перекрывают. Для регенерации адсорбента его поддерживают при температуре источника тепла Т (точка 4 Фиг. 1). Емкость с хладагентом охлаждают до температуры окружающей среды Т и давление паров хладагента в емкости становится меньше, чем равновесное давление паров над адсорбентом. Кран между емкостью с хладагентом и адсорбентом открывают, что приводит к регенерации адсорбента. По окончании процесса регенерации кран закрывают, а емкость с хладагентом нагревают до температуры источника тепла. Таким образом, адсорбент возвращается в исходное состояние (точка 1 Фиг. 1) и адсорбционный цикл замыкается.
Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами и иллюстрациями.
На Фиг. 1 представлен адсорбционный цикл повышения температурного потенциала. На Фиг. 2 изображено устройство адсорбционного преобразователя тепла.
Пример 1
Композитный сорбент метанола (Пат. РФ 2294796) в количестве 1 кг, насыщенный парами метанола, помещают в емкость и нагревают до температуры 20°C, емкость с жидким метанолом охлаждают до температуры -20°C. После достижения указанных температур емкости с адсорбентом и метанолом соединяют, открывая запорный кран, происходит регенерация адсорбента. По окончании регенерации кран закрывают, емкость с метанолом нагревают до температуры 20°C. После достижения емкостями постоянной температуры кран открывают и начинают адсорбцию. Разогрев адсорбента составляет 35°C, тепловыделение составляет 407 кДж. Процесс регенерация-сорбция циклически и воспроизводимо повторяют, разогрев составляет 35±2°C, тепловыделение составляет 400±20 кДж.
Пример 2
Аналогично примеру 1 емкость с жидким метанолом охлаждают до температуры -25°C. Разогрев составляет 38±2°C, тепловыделение составляет 420±20 кДж.
Пример 3
Аналогично примеру 1. Емкость с метанолом на стадии регенерации охлаждают до -50°C, адсорбент поддерживают при температуре 4°C. На стадии адсорбции емкость с метанолом нагревают до температуры 4°C. Разогрев составляет 25°C, тепловыделение составляет 350±20 кДж.
Пример 4
Аналогично примеру 1, в качестве адсорбента используют мезопористый силикагель, содержащий в порах смесь хлорида кальция и бромида кальция, а емкость с жидким метанолом охлаждают до температуры -15°C. Разогрев составляет 33±2°C, тепловыделение составляет 300±20 кДж.
Пример 5
Аналогично примеру 1. В качестве адсорбента используют активированный уголь. Разогрев составляет 24°C, тепловыделение составляет 150±20 кДж.
Пример 6
Аналогично примеру 2. В качестве адсорбента используют цеолит. Разогрев составляет 27±2°C, тепловыделение составляет 210±30 кДж.
Пример 7
Аналогично примеру 6. В качестве адсорбента используют синтетический цеолитоподобный материал. Разогрев составляет 28±2°C, тепловыделение составляет 230±20 кДж.
Пример 8
Аналогично примеру 5. В качестве хладагента использовали аммиак. Разогрев составлял 30±2°C, тепловыделение составляло 260±30 кДж.
Пример 9
Аналогично примеру 1. Выделяющееся в циклах тепло используют для нагрева копии устройства, аналогичного примеру 1, до исходной температуры 35°C после регенерации в условиях по примеру 1. При адсорбции разогрев адсорбента во втором устройстве составляет 60°C, тепловыделение составляет 300 кДж.
Приведенные примеры показывают, что с использованием замкнутого адсорбционного цикла повышения температурного потенциала и использованием естественного перепада температур окружающей среды решается задача повышения температурного потенциала источника тепловой энергии без использования электрической, или механической энергии, или тепловой энергии с более высоким температурным потенциалом, чем целевая температура.
Техническим результатом изобретения является получение полезной теплоты с температурным потенциалом выше, чем температурный потенциал бросового тепла, используемого для приведения устройства в действие.
Способ позволяет достигать повышение температурного потенциала источника низкопотенциального тепла на 5-20°C, а при каскадной реализации - на 40°C и выше.