МНОГОЦЕЛЕВАЯ ТЕПЛОНАСОСНАЯ УСТАНОВКА

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к промышленной энергетике с обеспечением тепловых нагрузок при разных температурах и видах теплоносителя (вода, водяной пар).

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 (CO₂).

Прототипом изобретения является патент РФ [1], где рассматривается электроприводная ТНУ с одноступенчатым циклом Лоренца на рабочем теле СО₂, 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.

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 CO₂, 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.

ТНУ по схеме фиг.1 действует следующим образом. Компрессор 1, приводимый электродвигателем 2, повышает давление рабочего тела от давления насыщения пара P_o=50 бар (фиг.2) в испарителе 3 (создаваемого теплоносителем низкопотенциального источника теплоты НПИТ, обозначенного стрелками) до давления первой ступени сжатия P₁=100 бар, обеспечивающего с помощью теплообменника 4 минимальную температуру теплоносителя, например 60°С. Соответственно вторая ступень сжатия компрессора обеспечивает более высокое давление Р₄=150 бар и с помощью теплообменника 5 - более высокую температуру теплоносителя (100°С), а третья ступень сжатия - давление Р₃=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.

Указанные процессы, образующие три цикла сжатия, показаны на фиг.2, где в качестве примера приведены ориентировочные давления на изобарах Р₁ P₂, Р₃, а также линии (пунктирные) нагрева теплоносителей до необходимых температур (точки 2а, 3а, 4а).

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 Δt₁). Из части насыщенного водяного пара может быть получен перегретый пар (точка 4б). Температура его перегрева определяется количеством отбираемого для перегрева насыщенного пара.

Как отмечалось, в качестве привода ТНУ также может использоваться газотурбинный двигатель (ГТД) при условии создания системы захоронения отработавших газов или утилизации CO₂, 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).