Наиболее известны и распространены установки, производящие перекачку (по аналогии с гидродинамическими циклами) теплоты от потока с меньшей температурой к потоку с большей температурой. Такие установки называются теплонасосными (холодильными). Более сложные задачи могут решать установки, называемые термотрансформаторами. Кроме работы в режиме теплового насоса они могут повышать давление пара (повышающий термотрансформатор), расщеплять поток пара на потоки, имеющие большее и меньшее давление (расщепляющий термотрансформатор), получать электроэнергию, используя низкопотенциальное тепло, и даже электроэнергию и холод без подвода тепла.

Парокомпрессионная теплонасосная установка (КТНУ)

Парокомпрессионная установка – наиболее распространённый и простой вид ТНУ. При сжатии пара рабочего тела в компрессоре его температура и давление увеличиваются, и пар может быть сконденсирован на высоком температурном уровне. В дросселе температура и давление конденсата падают, и конденсат испаряется на низком температурном уровне. отнимается теплота у холодного объекта и передаётся горячему.

При разработке ТНУ для конкретного технологического объекта должныбыть заданы температура нагреваемой и охлаждаемой среды, после чего подбирается рабочее тело цикла и давления в высокой и низкой части контура. При разнице температур в испарителе и конденсаторе более 50 60 оС применяются двухступенчатые или каскадные технологические схемы.

В ряде случаев для повышения экономичности установки возможна организация теплообмена м. потоком после испарителя и потоком после конденсатора.

Достоинствами парокомпрессионной ТНУ по сравнению с другими видами являются: высокие холодильные коэффициенты, незначительные капитальные затраты (в простой схеме – компрессор и два теплообменника), простота конструкции и управления, принцип. возможность быстрого ввода в эксплуатацию. Недостатком является потребление более дорогой, по сравнению с тепловой, электрической энергии или энергии сжатого газа (водяного пара).

Абсорбционная теплонасосная установка (АТНУ) с абсорбционной колонной

Д – десорбер; А – абсорбер; Г – генератор (теплообменник); К – конденсатор; И – испаритель; Р1, Р2 – рекуператоры.

Приведённая схема абсорбционной ТНУ является классической. Её принцип действия основан на поглощении паров рабочего тела (РТ) каким-либо абсорбентом при невысоком давлении и последующем их выделении в десорбере при достаточно высоком давлении. Иными словами, сжатие паров РТ в компрессоре заменено выделением (десорбцией) и концентрированием паров РТ из смеси абсорбентом – с получением этих паров под избыточным давлением. В данной схеме охлаждение сред осуществляется в двух узлах (десорбере и испарителе) при высоком и низком температурном потенциале, нагрев также в двух узлах (конденсаторе и абсорбере) при среднем температурном потенциале. Установка рекуператоров не является обязательным, но, как правило рентабельна, т.к. они повышают эффективность установки.

При десорбции летучего комп. из раствора происходит поглощение теплоты на разрыв химических связей и испарение РТ, при абсорбции – выделение теплоты от образования химических связей и конденсации РТ. Высокие теплоты абсорбции/десорбции – очивидное требование к применяемой паре рабочих компонентов.

Наибольшее применение для получения холода на уровне -10 -30 °С находят водно-аммиачные абсорбционные установки, в которых рабочим телом служит аммиак и его растворы разной концентрации. Для холода уровня +5 +20 °С обычно используют установки с растворами бромистого лития или водных растворов ряда иных солей с рабочим телом – водяным паром.

Преимуществом АТНУ является утилизация теплоты невысокого потенциала, как в КТНУ потребляется механическая или электрическая энергия. АТНУ отличается также лёгкостью регулирования параметров, возможностью достижения высоких степеней сжатия. Недостатками являются большие капитальные затраты (повышенная металлоёмкость) и более низкие холодильные коэффициенты. Использование АТНУ становится выгодным при наличии отбросных источников теплоты низкого температурного потенциала (отходящих газов печных и котельных установок, вторичного пара и т.п.)

Данную схему можно сделать открытой по РТ. При вводе РТ при низком давлении в абсорбер и его выводе при высоком давлении после десорбера установка становится повышающим термохимическим трансформатором, т.е. повышает давление РТ, или термохимическим компрессором. При наличии любой пары РТ – абсорбент, её можно использовать для сжатия газов вместо механического компрессора, т.е. без затрат электрической или механической энергии.

Примерами использования установки (Д + А + Р1 + насос) как термохимического компрессора может служить её функционирование с системами водяной пар – водный раствор бромистого лития для сжатия водяного пара, аммиак – водоаммиачный раствор для сжатия аммиака, углекислый газ – раствор МЭА для сжатия углекислого газа.

классическая схема абсорбционной теплонасосной установки может работать либо полностью в режиме теплового насоса (холодильной установки), либо полностью в режиме повышающего термохимического трансформатора, либо в любом из промежуточных режимов. Переход из одного режима в другой осуществляется исключительно с помощью системы регулирования, что делает одну и ту же установку многофункциональной в зависимости от текущих требований потребителей.

Абсорбционная теплонасосная установка (АТНУ) со струйным абсорбером

Д – десорбер; А – абсорбер; Г – генератор (теплообменник); К – конденсатор; И – испаритель; Р1, Р2 – рекуператоры, Н – нагреватель.

Приведённая схема абсорбционной ТНУ отличается от классической иным способом абсорбции рабочего тела и, вследствие этого, изменением соотношения м. давлениями в абсорбере и десорбере.

Основной элемент схемы – абсорбер, являющийся фактически водоструйным компрессором. Из сопла абсорбера струя подогретого раствора вытекает с высокой скоростью, которая зависит от давления и температуры жидкости. Струя раствора и частично выделившееся РТ в камере смешения абсорбера создают разрежение и увлекают РТ, подведённое из испарителя. Тем самым в диффузоре образуется двухфазный поток, который тормозится. Кинетическая энергия потока преобразуется в потенциальную энергию давления, РТ переходит в раствор с выделением теплоты реакции растворения и конденсации.

цикл растворения идёт при повышенном давлении, более высоком, чем в испарителе, температура раствора также повышается. Запас потенциальной энергии в слабом растворе создаётся за счёт подвода энергии к нему извне в насосе. Так как для повышения давления жидкости требуется работа, во много раз меньшая, чем для сжатия газа или пара, то цикл преобразования энергии в термохимическом трансформаторе протекает более экономично, чем в агрегатах типа парокомпрессионного теплового насоса.

Недостатками данной схемы по сравнению со схемой с абсорбционной колонной являются повышенный расход энергии на циркуляцию абсорбента и большая мощность самого насоса. Применение струйного абсорбера даёт следующие преимущества:

Абсорбция РТ происходит в результате механического смешения сред в трубопроводе, а не в результате создания подходящих температурных условий, как в колонне. Это даёт принцип. возможность получить температурный потенциал в среде после нагревателя даже более высокий, чем в паре после десорбера.

Схема содержит гораздо меньшее количество обязательных элементов, что даёт принцип. возможность гибко подойти к её компоновке в зависимости от нужд конкретной технологии и значительно снизить капитальные затраты. Обязательными в схеме являются только абсорбер, десорбер и насос. Кроме того, необходимо наличие какого-либо из теплообменников-нагревателей (Н или К) и какого-либо из теплообменников-охладителей (Г или И). Также как и в схеме с колонной рекуператоры обязательными не являются. Термохимические трансформаторы с турбиной

Д – десорбер; А – абсорбер; Г – генератор (теплообменник); К – конденсатор; И – испаритель; Р1, Р2 – рекуператоры, Н – нагреватель.

Турбина встраивается в технологическую схему вместо конденсатора и дросселя, т.е. фактически выполняет одновременную функцию понижения давления и охлаждения. В связи с тем, что с вала турбины снимается работа, глубина охлаждения РТ в ней больше, чем в дросселе (совершение работы в данном случае приравнивается к нагреву внешнего теплоносителя).

Отличием остальной части схемы от схем с конденсаторами является то, что в Р2 и Х происходит охлаждение и нагрев газа, а не охлаждение жидкости и её испарение. Это значительно снижает эффективность по холоду и увеличивает необходимые размеры теплообменного оборудования. В остальном установка с турбиной работает также как и установка с конденсатором и дросселем.

Технологические схемы с турбиной удобно применять, когда на производстве ограниченные возможности по использованию образующегося низкопотенциального тепла.

Пароструйный термотрансформатор (эжектор)

Пароструйные термотрансформаторы основаны на использовании кинетической энергии потока пара. Пар повышенного давления поступает в сопло, расширяется, выходит из него с большой скоростью и, двигаясь вдоль оси пароструйного аппарата создаёт эжектирующий эффект. Благодаря эжекции в аппарат засасывается пар низкого давления, сжимается эжектором и к потребителю уже поступает пар среднего давления.

Недостатками эжекторов являются низкий КПД (не более 25 %) на номинальной нагрузке и дополнительное снижение КПД при её уменьшении. Для устранения этого недостатка необходимо устанавливать несколько параллельно включенных эжекторов и при уменьшении нагрузки отключать часть из них. Преимуществами пароструйных тепловых трансформаторов является простота конструкции, невысокая первоначальная стоимость и принцип. возможность изготовления в любой мастерской.

Этот вид трансформаторов достаточно удобно использовать при незначительных (часто локальных) потребностях в паре среднего давления при наличии пара более высокого и более низкого давлений. При всех недостатках установок данного вида они с успехом могут применяться вместо широко распространённых редукционно-охладительных установок (РОУ), которые бесплатно рассеивают свой потенциал на преодоление сопротивления редуцирующего клапана.

Источник: http://tanpm.narod.ru