Спосіб регенерації тепла і енергетична установка для його здійснення

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано на тепловых электростанциях, в судовых энергоустановках и т.п. Известно, что до 60% тепла, затраченного на нагревание рабочего тела в энергетических установках, расходуется на преодоление скрытой теплоты парообразования. Возвращение скрытой теплоты парообразования в рабочий цикл после конденсации отработавшего рабочего тела способствует повышению коэффициента полезного действия энергетических установок и поэтому является одной из главных задач теплоэнергетики [1]. Известен способ регенерации тепла, включающий конденсацию отработавшего рабочего тела в результате теплового контакта с промежуточным теплоносителем, сжатие последнего с нагреванием за счет сжатия и последующее возвращение скрытой теплоты парообразования рабочему телу в результате повторного теплового контакта промежуточного теплоносителя с рабочим телом, при этом в качестве промежуточного теплоносителя используется легкокипящее вещество, например, аммиак или фреон [2]. Энергетическая установка, реализующая описанный выше способ, содержит последовательно установленные в замкнутом циркуляционном контуре рабочего тела парогенератор, паровую турбину и тепловой насос, включающий установленные в циркуляционном контуре промежуточного теплоносителя компрессор, расширяющее устройство и теплообменники. Недостатком описанного технического решения является низкая эффективность передачи скрытой теплоты парообразования от рабочего тела к промежуточному теплоносителю и возвращение тепла в рабочий цикл, обусловленная использованием единственного вещества в качестве промежуточного теплоносителя. Такое вещество должно сочетать три трудно совместимых свойства: низкую температуру кипения, высокую удельную теплоту парообразования ' при малом давлении и высокую температуру конденсации при повышении давлении, что затрудняет его выбор из реально существующих типов промежуточных теплоносителей. Наиболее близким к заявляемому является способ регенерации тепла включающий конденсацию отработавшего рабочего тела в результате теплового контакт с промежуточным теплоносителем, испарение промежуточного теплоносителя и последующее возвращение скрытой теплоты парообразования рабочему телу путем повторного теплового контакта промежуточного теплоносителя с рабочим телом, при этом в качестве промежуточного теплоносителя используют два вещества с различными температурами кипения. Промежуточный теплоноситель представляет собой раствор, в котором растворенное вещество имеет низкую температуру кипения и высокую скрытую теплоту парообразования, а растворитель - высокую температуру кипения. Под действием поглощенного от рабочего тела тепла (скрытой теплоты парообразования) промежуточный теплоноситель разлагается на растворитель и растворенное вещество, а их принудительное соединение в экзотермической реакции сопровождается выделением тепла, которое возвращается рабочему телу в результате повторного теплового контакта с промежуточным теплоносителем [3]. Энергетическая установка, в которой осуществляется этот способ, содержит последовательно установленные в замкнутом циркуляционном контуре рабочего тела парогенератор, паровую турбину с частями высокого и низкого давлений и тепловой насос, включающий установленные в циркуляционном контуре промежуточного теплоносителя компрессор, расширяющее устройство и теплообменники. Установка снабжена также эжектором с системой теплообменников для соединения и последующего разделения промежуточного теплоносителя. В данном техническом решении, за счет использования промежуточного теплоносителя в виде раствора двух веществ с различными температурами кипения, передача скрытой теплоты парообразования от рабочего тела к промежуточному теплоносителю и возвращение тепла в рабочий цикл, осуществляется более эффективно, чем в случае использования единственного вещества в качестве промежуточного теплоносителя. Недостаток данного технического решения обусловлен значительными потерями тепла в системе теплообменников, обеспечивающих лежащее в основе способа регенерации тепла соединение и разделение промежуточного теплоносителя, что не дает возможности полного возврата скрытой теплоты парообразования в рабочий цикл энергетической установки. В основу настоящего изобретения поставлена задача создания способа регенерации тепла и энергетической установки для его осуществления, в которых, соответственно, в способе за счет последовательных тепловых контактов на нескольких температурных уровнях каждого из двух находящихся в постоянном тепловом взаимодействии промежуточных теплоносителей с рабочим телом, а в энергетической установке за счет введения второго теплового насоса с циркуляционным контуром второго промежуточного теплоносителя и новых связей между элементами установки, обеспечивалось бы наиболее полное возвращение скрытой теплоты парообразования отработавшего рабочего тела в рабочий цикл, что способствует повышению коэффициента полезного действия энергетической установки. Для решения поставленной задачи в способе регенерации тепла путем конденсации отработавшего рабочего тела в результате теплового контакта с промежуточным теплоносителем, испарения промежуточного теплоносителя и последующего возвращения скрытой теплоты парообразования рабочему телу в результате повторного теплового контакта промежуточного теплоносителя с рабочим телом, при этом в качестве промежуточного теплоносителя используют два вещества с различными температурами кипения, в соответствии с изобретением, осуществляют тепловое взаимодействие первого и второго промежуточных теплоносителей, а тепловые контакты рабочего тела осуществляют последовательно с первым и со вторым промежуточными теплоносителями. При этом соотношение температур кипения промежуточных теплоносителей определяется зависимостью: где - температура кипения отработавшего рабочего тела, °C; - температура кипения первого промежуточного теплоносителя, °C; - температура кипения второго промежуточного теплоносителя, °C. Заявляемый способ регенерации тепла позволяет осуществлять последовательную передачу тепла к рабочему телу вначале от первого промежуточного теплоносителя с низкой температурой кипения, а затем от второго промежуточного теплоносителя, находящегося в постоянном тепловом взаимодействии с первым промежуточным теплоносителем и имеющего более высокую, чем у первого теплоносителя, температуру кипения, что способствует уменьшению потерь при передаче тепла и, следовательно, наиболее полному возвращению скрытой теплоты парообразования в рабочий цикл энергетической установки. Для решения поставленной задачи энергетическая установка, содержащая последовательно установленные в замкнутом циркуляционном контуре рабочего тела парогенератор, паровую турбину с частями высокого и низкого давлений и первый тепловой насос, включающий установленные в циркуляционном контуре первого промежуточного теплоносителя первый компрессор, первое расширяющее устройство, первый, второй, и третий теплообменники, согласно изобретению, снабжена вторым тепловым насосом, содержащим установленные в циркуляционном контуре второго промежуточного теплоносителя второй компрессор, второе расширяющее устройство, четвертый и пятый теплообменники. При этом по контуру рабочего тела вход первого теплообменника соединен с выходом паровой турбины, а выход - с входом второго теплообменника, выход второго теплообменника соединен с входом четвертого теплообменника, выход которого соединен с входом парогенератора, а пятый теплообменник подключен между частями высокого и низкого давлений паровой турбины. По контуру первого промежуточного теплоносителя вход первого теплообменника через первое расширяющее устройство соединен с выходом второго теплообменника, вход которого соединен с выходом третьего теплообменника, а между выходом первого теплообменника и входом третьего теплообменника установлен первый компрессор. По контуру второго промежуточного теплоносителя вход третьего теплообменника через второе расширяющее устройство соединен с выходами четвертого и пятого теплообменников, а между выходом третьего теплообменника и входами четвертого и пятого теплообменников установлен второй компрессор. Также для решения поставленной задачи между входом и выходом к рабочему телу второго теплообменника установлена регулирующая арматура. В заявляемой энергетической установке сведены к минимуму потери при передаче тепла от промежуточных теплоносителей к рабочему телу за счет введения второго теплового насоса с циркуляционным контуром второго теплоносителя и новых связей между элементами установки, благодаря чему обеспечены постоянное тепловое взаимодействие первого и второго промежуточных теплоносителей и постепенный нагрев рабочего тела в результате тепловых контактов последовательно с первым и со вторым промежуточными теплоносителями, что способствует наиболее полному возвращению скрытой теплоты парообразования в рабочий цикл энергетической установки. В заявляемой энергетической установке дополнительное уменьшение потерь тепла обеспечено за счет подключения регулирующей арматуры между входом и выходом по рабочему телу второго теплообменника, что дало возможность регулирования температурного уровня при тепловых контактах рабочего тела с промежуточными теплоносителями. Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.), где представлена тепловая схема энергетической установки. Согласно заявляемому способу регенерации тепла, осуществляют первый тепловой контакт рабочего тела с первым промежуточным теплоносителем, в результате которого отработавшее рабочее тело конденсируется и испаряет первый промежуточный теплоноситель, отдавая ему скрытую теплоту парообразования. Затем обеспечивают постоянное тепловое воздействие первого и второго промежуточных теплоносителей, предварительно повысив температуру и давление первого теплоносителя, в результате которого первый промежуточный теплоноситель конденсируется и испаряет второй промежуточный теплоноситель, передавая ему часть скрытой теплоты парообразования. Далее осуществляют второй тепловой контакт рабочего тела с первым промежуточным теплоносителем, в ходе которого первый промежуточный теплоноситель, находящийся в жидкой фазе, отдает рабочему телу, также находящемуся в жидкой фазе, оставшуюся часть скрытой теплоты парообразования и охлаждается. После этого осуществляют тепловой контакт второго промежуточного теплоносителя, предварительно повысив его температуру и давление, с рабочим телом, в результате которого скрытая теплота парообразования возвращается рабочему телу, а второй промежуточный теплоноситель конденсируется, Соотношение температур кипения промежуточных теплоносителей определи-. ют зависимостью: где - температура кипения отработавшего рабочего тела, °C; - температура кипения первого промежуточного теплоносителя, °C; - температура кипения второго промежуточного теплоносителя, °C. Энергетическая установка содержит последовательно установленные в замкнутом циркуляционном контуре 1 рабочего тела парогенератор 2, паровую турбину 3 с частями высокого и низкого давлений и первый тепловой насос, включающий установленные в циркуляционном контуре 4 первого промежуточного теплоносителя первый компрессор 5, первое расширяющее устройство 6, первый теплообменник 7, второй теплообменник 8 и третий теплообменник 9. Установка снабжена вторым тепловым насосом, содержащим установленные в циркуляционном контуре 10 второго промежуточного теплоносителя второй компрессор 11, второе расширяющее устройство 12, четвертый теплообменник 13 и пятый теплообменник 14. По контуру 1 рабочего тела вход теплообменника 7 соединен с выходом паровой турбины 3, а выход - с входом теплообменника 8; выход теплообменника 8 соединен с входом теплообменника 13, выход которого соединен с входом парогенератора 2, а теплообменник 14 подключен между частями высокого и низкого давлений паровой турбины 3. По контуру 4 первого промежуточного теплоносителя вход теплообменника 7 через расширяющее устройство 6 соединен с выходом теплообменника 8, вход которого соединен с выходом теплообменника 9. Между выходом теплообменника 7 и входом теплообменника 9 установлен компрессор 5. По контуру 10 второго промежуточного теплоносителя вход теплообменника 9 через расширяющее устройство 12 соединен с выходами теплообменников 13 и 14, соответственно. Между входом теплообменника 9 и входами теплообменников 13 и 14, соответственно, установлен компрессор 11. Между входом и выходом по рабочему телу теплообменника 8 установлена регулирующая арматура 15. Установка снабжена насосом 18, обеспечивающим циркуляцию рабочего тела в контуре 1. Компрессоры 5 и 11 предназначены для сжатия (повышения давления и температуры) промежуточных теплоносителей, расширяющие устройства 6 и 12 -для расширения (понижения давления и температуры) промежуточных теплоносителей. Заявляемая энергетическая установка работает следующим образом. Рабочее тело нагревается в парогенераторе 2 и по контуру 1 подается на вход паровой турбины 3, где тепло, приобретенное рабочим телом, лишь частично используется на полезную работу. С выхода паровой турбины 3 отработавшее рабочее тело в виде пара подается на вход теплообменника 7 первого теплового насоса. Здесь рабочее тело вступает в тепловой контакт с циркулирующим в межтрубном пространстве первым промежуточным теплоносителем, в результате которого рабочее тело конденсируется и испаряет первый промежуточный теплоноситель, отдавая ему скрытую теплоту парообразования. Циркуляция рабочего тела в контуре 1 осуществляется с помощью насоса 16. На выходе по первому промежуточному теплоносителю теплообменника 7 установлен компрессор 5, с помощью которого первый промежуточный теплоноситель сжимают, повышая тем самым его температуру и давление, Далее первый промежуточный теплоноситель поступает на вход теплообменника 9, где осуществляется постоянное тепловое взаимодействио первого и второго теплоносителей, в результате которого первый промежуточный теплоноситель конденсируется, отдавая скрытую теплоту парообразования второму промежуточному теплоносителю, который при этом нагревается, кипит и испаряется. С выхода теплообменника 9 первый промежуточный теплоноситель поступает на вход теплообменника 8 для осуществления повторного теплового контакта с рабочим телом, который приводит к нагреванию рабочего тела и охлаждению первого промежуточного теплоносителя. Далее по контуру 4 первый промежуточный теплоноситель направляется к расширяющему устройству 6 и после него - на вход теплообменника 7. Второй промежуточный теплоноситель после испарения в теплообменнике 9 через компрессор 11 второго теплового насоса поступает на входы теплообменников 13 и 14, в которых он конденсируется, отдавая скрытую теплоту парообразования циркулирующему через эти теплообменники рабочему телу. Причем, в теплообменнике 14 подведение тепла к рабочему телу осуществляется в процессе совершения им работы в паровой турбине 3. Далее второй промежуточный теплоноситель, сконденсировавшийся в теплообменниках 13 и 14, по контуру 10 через расширяющее устройство 12 направляется на вход теплообменника 9. Использование регулирующей арматуры 15, установленной между входом и выходом по рабочему телу теплообменника 8, позволяет, изменяя количество рабочего тела, проходящего через теплообменник 8, регулировать режим регенерации тепла в энергетической установке. Так, например, увеличение количества рабочего тела, поступающего на вход теплообменника 8, приводит к повышению его температуры и, следовательно, к уменьшению расхода второго промежуточного теплоносителя через теплообменник 13 и снижению приводной мощности компрессора 11. В свою очередь, уменьшение расхода второго промежуточного теплоносителя в контуре 10 влечет за собой уменьшение расхода первого промежуточного теплоносителя в теплообменнике 9, а также снижение приводной мощности компрессора 5. В качестве промежуточных теплоносителей могут быть использованы, например, фреон Ф114 или Ф160 с температурами кипения при атмосферном давлении соответственно 3,5°C и 12°C (первый промежуточный теплоноситель) и вода и водяной пар с температурой кипения около 100°C при атмосферном давлении (второй промежуточный теплоноситель). Рабочее тело, как правило, вода и водяной пар.