WO2008143542A1

WO2008143542A1 - Method and device for converting thermal energy into electricity, high-potential heat and cold

Info

Publication number: WO2008143542A1
Application number: PCT/RU2007/000238
Authority: WO
Inventors: Igor Isaakovich Samkhan
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-05-18
Filing date: 2007-05-18
Publication date: 2008-11-27
Anticipated expiration: 2009-11-18
Also published as: RU2529917C2; US20100156110A1; RU2009143172A; GB0921973D0; GB2462971A; US8464531B2

Description

Способ и устройство для преобразования тепловой энергии в электричество, теплоту повышенного потенциала и холод.

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности, к процессам преобразования тепловой энергии сравнительно низкого температурного уровня (потенциала), и может быть использовано для производства механической (электрической) энергии, а также для тепло - и холодоснабжения.

Широко известны парокомпрессионные способы преобразования тепловой энергии (термотрансформации) [1], включающие испарение рабочей среды при пониженном давлении , сопровождаемое поглощением тепловой энергии низкотемпературного источника, сжатие рабочей среды в парообразном состоянии с помощью компрессора, охлаждение и конденсацию рабочей среды с передачей выделяющейся при этом тепловой энергии более высокотемпературному приемнику и понижение давления рабочей среды (как правило, дросселированием) перед испарением.

Известен абсорбционный способ преобразования тепловой энергии (термотранформации), применяемый для получения холода и/или тепловой энергии [2]. В этом способе хладагент выпаривают из жидкого раствора при повышенной температуре и повышенном давлении за счет теплоты внешнего источника. Образовавшийся при этом перегретый пар хладагента первоначально охлаждают и конденсируют с передачей выделяемой теплоты внешним потребителям, затем конденсат хладагента дросселируют и вновь испаряют при пониженной температуре (пониженном давлении), а образовавшийся при этом пар абсорбируют в слабом растворе при постоянном давлении, который в процессе абсорбции охлаждают. В свою очередь слабый раствор, образовавшийся после выпаривания, перед проведением абсообпии также охлаждают и ДDосселиDvют, а крепкий

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) раствор после абсорбции сжимают, нагревают и подают для повторного выпаривания.

Известен другой способ преобразования тепловой энергии [3], получивший название цикла Калины и выбранный здесь в качестве аналога, наиболее близкого к предлагаемому изобретению по совокупности признаков (прототип). В этом способе абсорбционный принцип термотрансформации используется для выработки (генерирования) электроэнергии. В этом способе также выпаривают хладагент (рабочее тело) из крепкого раствора

(NНз + BbO) при повышенной температуре и повышенном давлении, понижают температуру и давление хладагента с его возможной частичной конденсацией за счет выработки механической (электрической) энергии, растворяют (абсорбируют) пары хладагента в предварительно охлажденном слабом растворе при постоянном давлении с рекуперативным и/или внешним охлаждением смеси пара хладагента и раствора, и перекачивают крепкий раствор в зону высокого давления для выпаривания. В этом случае слабый раствор имеет лишь рекуперативное охлаждение, а абсорбция проводится при постоянном или при уменьшающемся давлении, причем охлаждение раствора внешними источниками перед смешением с хладагентом отсутствует.

Известно устройство для преобразования тепловой энергии [3], включающее циркуляционные контуры хладагента и раствора с установленными в них сепаратором, узлом взаимодействия хладагента с энергетическими потребителями (узел ВХЭП), узлом смешения хладагента и слабого раствора, регенератором тепловой энергии, бойлером, подключенным к источнику теплоты повышенной температуры, и охладителем, подключенным к источнику теплоты пониженной температуры. В этом устройстве узел ВХЭП является турбиной, подключенной к генератору, узел смещения хладагента и раствора (абсорбер) является системой трубопроводов, в которых поток пара и жидкости движется с понижением давления из-за гидравлических

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) сопротивлений, а охладитель установлен на участке контура для движения парожидкостной смеси.

Целью предлагаемого изобретения является создание нового способа (цикла) и устройства для преобразования тепловой энергии, обеспечивающих возможность комбинированного производства теплоты, холода и электрической (механической) энергии, дальнейшее повышение эффективности этих процессов, а также возможность расширения объёмов использования возобновляемых тепловых источников и снижения загрязнений окружающей среды.

Указанная цель достигается тем, что в способе преобразования тепловой энергии, включающем выпаривание хладагента (рабочего тела) из его жидкого раствора при повышенной температуре и повышенном давлении, взаимодействие раствора и хладагента с внешними приемниками (источниками) энергии, сопровождаемое снижением их температуры и давления с возможной конденсацией хладагента , абсорбцию (растворение) хладагента в предварительно охлажденном слабом растворе при пониженных температуре и давлении, а также сжатие, подогрев и перекачку образовавшегося крепкого раствора для выпаривания , абсорбцию хладагента проводят с повышением давления по мере увеличения концентрации раствора, а раствор перед смешением с хладагентом переохлаждают с использованием внешних тепловых источников пониженной температуры.

Кроме того, особенностями предлагаемого способа, приводящими к получению технического результата, являются:

- проведение абсорбции хладагента в струйном аппарате с использованием давления слабого раствора для увеличения его кинетической энергии;

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) - проведение абсорбции с использованием компрессора (например, винтового или спирального типа);

- снижение температуры и давления хладагента путем расширения его пара в турбине с производством работы;

- снижение температуры и давления хладагента путем его конденсации, дросселирования и повторного испарения при пониженной температуре перед проведением абсорбции;

- дополнительное сжатие в компрессоре пара хладагента после выпаривания и использование этого пара в качестве источника теплоты для выпаривания раствора.

В устройстве для преобразования тепловой энергии , включающем циркуляционные контуры хладагента и раствора с установленными в них сепаратором, узлом взаимодействия хладагента с окружающей средой, смесителем (или абсорбционным аппаратом), насосом, регенератором, бойлером (нагревателем-кипятильником) и охладителем (теплообменником), смеситель (абсорбционный аппарат) является аппаратом для повышения давления парожидкостной смеси, а охладитель подключен к контуру раствора перед смесителем.

Другими отличительными особенностями предлагаемого устройства являются:

- использование в качестве смесителя (абсорбера) парожидкостного эжектора (инжектора);

- использование в качестве смесителя компрессора (винтового или спирального);

- использование в качестве узла ВХЭП турбины и электрогенератора;

- использование в качестве узла ВХЭП конденсатора, регулировочного вентиля и испарителя;

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) - использование в качестве бойлера (кипятильника) конденсатора, соединенного с сепаратором с помощью промежуточного компрессора и регулировочного вентиля.

Преимущества заявляемого способа обусловлены возможностью переохлаждения слабого раствора (рассола) до проведения абсорбции и возможностью повышения давления и температуры раствора при ее проведении. В этом случае допустимо снижение температуры хладагента до значений меньших уровня окружающей среды, и как следствие этого, повышение температурного диапазона цикла, его эффективности и возможность применения этого цикла также для производства холода. Сущность предлагаемого способа поясняется принципиальной схемой установки для его осуществления, представленной на Фиг.l, и условным изображением характерных процессов этого способа на диаграмме, представленной на Фиг.2 с координатами Ig р - (— 1/T), где р - давление, T - абсолютная температура.

Устройство на Фиг.l включает циркуляционный контур хладагента 1 и циркуляционный контур раствора 2 с установленными в них сепаратором 3, узлами 4 и 5 взаимодействия хладагента с энергетическими потребителями (узлами ВХЭП), смесителем (абсорбером) 6, дополнительным теплообменником 7, насосом 8 , регенератором 9, бойлером (кипятильником) 10 и охладителем (теплообменником) 11.

В свою очередь узел 4 включает турбину 12 и генератор 13, а узел 5 - конденсатор 14, регулирующие вентили 15 и испаритель 16. На Фиг.2 представлены следующие процессы изменения состояния рабочей среды (хладагента и раствора):

1 - 2 - выпаривание крепкого раствора с образованием пара хладагента и слабого раствора;

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) 2 — 3 — охлаждение слабого раствора в регенераторе и охладителе и понижение его давления за счет ускорения в струйном аппарате или дросселирования;

3 — 4 - абсорбция хладагента с повышением давления и температуры раствора и хладагента;

4 — 1 - сжатие и рекуперативный нагрев крепкого раствора;

2 - 5 - 6 - возможное охлаждение пара хладагента и его конденсация ( изображается совпадающими точками 5 и 6 диаграммы);

6 — 1 - дросселирование хладагента;

7 - 8 - испарение хладагента (изображается совпадающими точками);

2 - 8 - возможное расширение хладагента с производством работы;

8 - 3 - смешение пара хладагента со слабым раствором;

3 — 4 - абсорбция хладагента в растворе при повышении давления и температуры.

Точки Зк, 4к и 7к диаграммы характеризуют возможное протекание соответствующих процессов при использовании известных способов (пунктирные линии), в которых абсорбция хладагента проводится при практически постоянном давлении.

Предлагаемый способ может быть реализован с использованием традиционных рабочих сред (растворов), широко применяемых в абсорбционных тепловых (холодильных) машинах или силовых установках типа цикла Калины и рекуперативных (регенеративных) двигателей типа цикла Ренкина с бинарным (двухкомпонентным) рабочим телом, например, таких как растворы NНз + НгО, фреон R22 и диметиловый эфир тетраэтиленгликоля, сокращенно ДМЭ- ТЭГ с химической формулой СНзСОСНгСБ^ОСНз), в качестве растворителя и др. В ряде случаев в качестве растворителя можно использовать минеральное или синтетическое

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) масло, применяемое обычно для смазки холодильных компрессоров, что обеспечивает повышенную разность температур кипения хладагента и растворителя.

Способ может быть использован для создания нового поколения кондиционеров, холодильных машин, тепловых насосов и другого подобного оборудования, эффективность которых может превышать уровень, достигнутый в настоящее время, в 1,5 и более раз.

Способ может быть использован для генерирования электроэнергии в стационарных или мобильных условиях с использованием различных тепловых источников, в том числе, возобновляемых источников и сжигаемого топлива. В этом случае нижние температурные границы тепловых источников 100-120⁰C, допустимые в настоящее время для эффективного использования с применением циклов Ренкина и Калины, снижаются примерно до 50-60⁰C, а эффективность тепломеханических преобразований в области низких температур в новом цикле значительно выше по сравнению с другими известными способами.

Предлагаемый способ допускает комбинированную генерацию теплоты, холода и электроэнергии с возможностью регулирования производимых видов энергии в зависимости от времени года и потребительского спроса, что, наряду с повышением эффективности, позволяет существенно сократить сроки окупаемости капитальных вложений.

Применение нового цикла в различных областях техники дает возможность значительно повысить эффективность производства энергии, расширить масштаб использования вторичных или возобновляемых тепловых

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) источников, а также снизить потребление сжигаемого топлива и сократить загрязнение окружающей среды.

Использованные источники:

1. Соколов E.Я., Бродянский В. M. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. - M.: Энергоиздат, 1981, с. 14 - 66.

2. Бадылькес E.C., Данилов Р.Л. Абсорбционные холодильные машины. - M., Изд. Пищевая промышленность, 1966, с. 30- 160.

3. Vаldimаrssоп Р., Eliasson L., Fасtоrs influencing thе есопоmiсs оf thе Каliпа роwеr сусlе апd situаtiопs оf suреriоr реrfоrmапсе. — International Gеоthеrmаl Сопfеrепсе, Rеуkjаvнk, Sерt. 2003. Sеssiоп #1, р. 32-40.

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ преобразования тепловой энергии в электричество, теплоту повышенного потенциала и холод, включающий выпаривание хладагента (нагревание) из крепкого раствора при повышенной температуре и давлении с образованием перегретого пара и его слабого раствора, снижение температуры и давления хладагента и раствора, сопровождаемое их взаимодействием с внешними потребителями (источниками) энергии , растворение (абсорбцию) хладагента с пониженной температурой в слабом растворе и последующее сжатие, нагревание и подачу образовавшегося при абсорбции крепкого раствора для выпаривания, отличающийся тем, что абсорбцию проводят с повышением давления.

2. Способ по п.l, отличающийся тем, что слабый раствор перед абсорбцией охлаждают с использованием внешнего теплоносителя.

3. Способ по п.п.l и 2, отличающийся тем, что абсорбцию проводят в струйном аппарате с использованием давления слабого раствора для увеличения его кинетической энергии.

4. Способ по п.п. 1 и 2, отличающийся тем, что абсорбцию проводят с использованием компрессора.

5. Способ по п.п. 1- 4, отличающийся тем, что снижение температуры и давления хладагента осуществляют путем расширения его пара с производством работы.

6. Способ по п.п. 1 - 4, отличающийся тем, что перед проведением абсорбции хладагент конденсируют и дросселируют, а затем испаряют его конденсированную фазу при пониженном давлении.

7. Способ по п.п. 1- 6, отличающейся тем, что перегретый пар хладагента повышенного давления дополнительно сжимают в компрессоре и используют в качестве источника теплоты для выпаривания раствора.

8. Способ по п.п. 1 - 7, отличающийся тем, что в качестве растворителя используется масло, применяемое для смазки компрессора.

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)

9. Устройство для преобразования тепловой энергии в электричество, теплоту повышенного потенциала и холод, включающее циркуляционные контуры хладагента и раствора с установленными в них сепаратором, узлами взаимодействия хладагента с окружающей средой, смесителем (или абсорбционным аппаратом), насосом , регенератором, бойлером (нагревателем-кипятильником) и охладителем (теплообменником), отличающееся тем, что смеситель (абсорбционный аппарат) является аппаратом для повышения давления парожидкостной смеси, а охладитель с внешним охлаждением установлен в контуре раствора перед смесителем.

10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что смеситель является парожидкостным эжектором (инжектором).

11. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что в качестве смесителя используется винтовой или спиральный компрессор.

12. Устройство по п.п. 9 — 11, отличающееся тем, что в качестве узла взаимодействия хладагента с энергетическими потребителями (узел ВХЭП) используется турбина и электрогенератор.

13. Устройство по п. 9 - 11, отличающееся тем, что в качестве узла ВХЭП используется конденсатор, регулирующий вентиль и испаритель.

14. Устройство по п. 9 — 13, отличающееся тем, что в качестве бойлера (кипятильника) используется конденсатор, соединенный с сепаратором через промежуточный компрессор.

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)