Способ работы теплового насоса
HEAT PUMP OPERATION METHOD

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано при разработке блоков комплексной очистки воздуха, применяемых в воздухоразделительных установках.
Известен источник информации: статья «Возможность использования теплового насоса в воздухоразделительных установках для нагрева регенерирующего газа» (журнал «Химическое и нефтегазовое машиностроение», 2011, №12, стр. 19-22), принят за прототип, из которого известен способ работы теплового насоса, в котором используется низкопотенциальная теплота воды, нагреваемая в процессе охлаждения воздуха после его сжатия в компрессоре воздухоразделительной установки, которая затем переводится на более высокий температурный уровень в тепловом насосе путем нагрева до требуемого значения температуры газа, идущего на регенерацию адсорбента в блоке комплексной очистки воздуха.
В данном способе работы теплового насоса нагрев регенерирующего газа осуществляется в предконденсаторе за счет охлаждения несколько выше состояния насыщения аммиака, предварительно сжатого до необходимого давления в компрессоре. Далее в конденсаторе происходит частичное ожижение аммиака, после которого в первом отделителе жидкости поток аммиака разделяется на жидкость и пар. Жидкость далее дросселируется до давления и температуры в испарителе, а пар поступает в детандер, где расширяется до давления и температуры в испарителе с образованием парожидкостной смеси. Во втором отделителе жидкости парожидкостная смесь аммиака разделяется на жидкость и пар. Жидкость после второго отделителя смешивается с потоком аммиака после дросселя и поступает в испаритель, а пар смешивается с потоком аммиака после испарителя. В испарителе за счет низкопотенциальной теплоты оборотной воды с температурой 313 К происходит полное испарение аммиака при температуре 303 К и давлении 1,133 МПа, после чего поток аммиака поступает на всасывание в компрессор.
Такой способ работы теплового насоса имеет ряд недостатков: низкая надежность схемы из-за использования сложного детандерного агрегата с движущимися частями, работающего в парожидкостной области аммиака; недостаточно полное использование низкопотенциальной теплоты оборотной воды, что вынуждает вести процесс при более низком давлении всасывания аммиака в компрессоре (но сохраняя тем же самым выходное давление нагнетания), и соответственно, при более высоком значении работы сжатия в компрессоре, необходимость применения в схеме двух отделителей жидкости из-за частичной конденсации аммиака (примерно на половину) в конденсаторе и детандере.
Цель изобретения - упрощение способа работы теплового насоса, повышение эффективности использования низкопотенциальной теплоты оборотной воды, уменьшение работы сжатия аммиачного компрессора.
Технический результат изобретения - повышение надежности теплового насоса.
Технический результат достигается тем, что способ работы теплового насоса, использующего низкопотенциальную теплоту воды, которая нагревается в процессе охлаждения воздуха после его сжатия в компрессоре и переводится на более высокий температурный уровень в тепловом насосе путем нагрева до требуемого значения температуры газа, идущего на регенерацию адсорбента в блоке комплексной очистки воздуха, нагрев регенерирующего газа до требуемых значений температуры осуществляется в предконденсаторе за счет охлаждения хладагента-аммиака от температуры сжатия до температуры конденсации, конденсация хладагента осуществляется за счет нагрева одной части потока воды, охлаждающей воздух после компрессора, в результате чего вода нагревается от 313 К до 371 К, после смешения основной части исходного потока воды с температурой 313 К с потоком воды, нагретым до 371 К, средняя температура потока воды, поступающего в испаритель становится равной 319 К, повышая температуру кипения аммиака до 309 К, при этом давление паров составляет 1,383 МПа.
Предлагается способ работы теплового насоса на основе парокомпрессионного цикла аммиака, в котором эффективнее используется низкопотенциальная теплота оборотной воды.
Функционирование такого теплового насоса осуществляется следующим образом.
После сжатия в компрессоре аммиак поступает в предконденсатор, где охлаждаясь до линии насыщения, нагревает до требуемой температуры регенерирующий газ, идущий далее в блок комплексной очистки воздуха. Из предконденсатора аммиак далее поступает в конденсатор, где полностью ожижается за счет нагрева оборотной воды низкопотенциальной теплоты, которая имеет температуру 313 К на выходе из основного компрессора воздухоразделительной установки.
При этом расход оборотной воды, поступающей в конденсатор, выбирается таким, чтобы на выходе из конденсатора температура оборотной воды была на три градуса меньше температуры конденсации аммиака, то есть составляла величину порядка 371 К. Поскольку эта температура существенно больше 313 К (температура оборотной воды после охлаждения компрессора), то нагретая в конденсаторе оборотная вода направляется на смешение с основной частью потока оборотной воды, который поступает в испаритель аммиака сразу после компрессора воздухоразделительной установки. Такое смешение позволяет повысить температуру оборотной воды перед испарителем 319 К, что делает возможным увеличить параметры кипения аммиака: температуру - с 303 до 309 К, а давление паров - с 1,133 до 1,383 МПа относительно прототипа. В итоге это позволяет снизить работу сжатия в аммиачном компрессоре примерно до 10 процентов. Это следует из отношения работ изотермического сжатия в аммиачном компрессоре для прототипа и предлагаемого теплового насоса, которые функционируют при одном и том же удельном расходе аммиака и сжимают аммиак до одного и того же давления, но имеют разные температуры и давления входа. Для этого используем формулу для работы изотермического сжатия, (см. Справочник по физико-техническим основам криогеники/ Под ред. М.П. Малкова. М.: Энергоатомиздат, 1985 г. - 434 с. (стр. 26)).
После конденсатора жидкий аммиак расширяется в дроссельном вентиле до давления 1,383 МПа и температуры 309 К и далее направляется в испаритель аммиака. В испарителе за счет теплоты оборотной воды аммиак полностью испаряется и поступает обратно на вход компрессора.
После испарителя аммиака оборотная вода с температурой порядка 311 К, смешиваясь с основным циркулирующим потоком оборотной воды, поступает снова в воздухоразделительную установку для осуществления соответствующих технологических процессов, оборотная вода возвращается на вход теплового насоса с температурой 313 К после охлаждения основного компрессора воздухоразделительной установки.
Таким образом, предложенный способ работы теплового насоса для блоков комплексной очистки воздуха позволяет повысить надежность теплового насоса.