Тепловий насос кріогенного рівня температур

Реферат: Винахід належить до кріогенної та теплотехніки, а саме до теплонасосних установок кріогенного діапазону рівнів температур прийому та передачі тепла і може бути використаний в холодильних машинах, рефрижераторних, зріджувальних та регазифікаційних установках кріогенного рівня температур. Тепловий насос кріогенного рівня температур містить замкнутий контур власного кріоагента, що включає перший компресор з кінцевим холодильником, сполучений з паралельно з'єднаними порожнинами прямого потоку першого і другого теплообмінників, відповідно, по виходу пов'язаних з порожниною прямого потоку конденсаторавипарника. Порожнина зворотного потоку другого теплообмінника зв'язана із входом компресора. Третій теплообмінник порожниною зворотного потоку сполучений із другим теплообмінником і порожниною прямого потоку по входу - з виходом порожнини прямого потоку конденсатора-випарника, а по виходу через перший дросель - із входом порожнини зворотного потоку випарника-конденсатора. Пристрій додатково включає контури випарного і конденсовного кріоагентів. Контур випарного кріоагента, виконаний з послідовно з'єднаних з ємністю зрідженого газу порожнин зворотного потоку конденсатора-випарника, першого теплообмінника, другого компресора і ємності стиснутого газу. Контур конденсовного кріоагента включає третій компресор з кінцевим холодильником, по входу сполучений з ємністю зріджуваного кріоагента, а по виходу, через паралельно встановлені другий трипорожнинний теплообмінник і четвертий теплообмінник пов'язаний з випарником-конденсатором, сполученим UA 103686 C2 (12) UA 103686 C2 з п'ятим теплообмінником, через другий дросель пов'язаним із сепаратором, який по рідинному виходу з'єднаний із кріогенною ємністю видачі зрідженого кріоагента споживачеві, а по газовому, через послідовно сполучені порожнини зворотного потоку п'ятого теплообмінника і четвертого теплообмінника, зв'язаний із входом третього компресора. Досягається розширення функціональних можливостей роботи теплового насоса з відбіром тепла на кріогенних рівнях температур і підвищеним коефіцієнтом перетворення теплового насоса. UA 103686 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до кріогенної та теплотехніки, а саме до теплонасосних установок кріогенного діапазону рівнів температур прийому та передачі тепла і може бути використаний в холодильних машинах, рефрижераторних, зріджувальних і регазифікаційних установках кріогенного рівня температур. Відомий тепловий насос (Пат. РФ № 2285872 F25B30/02, 2006), який включає компресор, конденсатор, розширник, випарник і теплообмінник, перша порожнина якого на вході з'єднана з виходом випарника, а на виході - з компресором, а друга порожнина на вході з'єднана через триходовий регулюючий вентиль і з контуром між конденсатором і розширником, а на виході - з контуром між триходовим регулюючим вентилем і дросельним розширником при цьому між компресором і першою порожниною теплообмінника встановлений датчик температури, який через контролер пов'язаний із триходовим регулюючим вентилем. Відомий пристрій не дозволяє реалізувати прийом і передачу тепла на рівні кріогенних температур, навіть за умови подачі в конденсатор кріогенної рідини, оскільки пристрій функціонує лише з частковою регенерацією холоду відхідної пари. При цьому холодний газ із випарника постійно отеплюється в процесах стиску (тертя), а відвід теплоти стискування відбувається на високих рівнях температури. Найбільш близьким за технічною суттю є тепловий насос (А. с. СРСР № 1642207, F25B1/00, 1991), який містить контур власного холодоагента (аміаку), що включає компресор з кінцевим холодильником, випарник (для прийому тепла низького температурного потенціалу), конденсатор (для передачі тепла підвищеного температурного потенціалу), дросель, три регенеративних теплообмінники, з яких з'єднані паралельно перший і другий, зв'язані порожнинами прямого потоку по входу з кінцевим холодильником компресора, а по виходу - з порожниною прямого потоку конденсатора, порожнина зворотного потоку другого теплообмінника зв'язана із входом компресора, третій теплообмінник порожниною зворотного потоку зв'язаний із другим теплообмінником і порожниною прямого потоку по входу, сполученою з порожниною прямого потоку конденсатора, а по виходу - із дроселем, пов'язаним з порожниною випарника. Вироблення холоду в тепловому насосі відомого виконання реалізоване за рахунок регульованої конденсації за зміною температури холодоагенту, обумовленою реальними умовами циклу на режимах зміни (високого і низького) тисків холодильної установки. Коефіцієнт перетворення теплового насоса - холодильної машини низький, а продуктований холод підвищеного температурного потенціалу недостатній для ефективного зрідження холодоагенту із кріогенною температурою критичної точки, оскільки машина не містить контуру регенерації холоду рідкого теплоносія з доведенням холодоагенту до температур кріогенних рівнів, а відведення теплоти стискування відбувається на високих рівнях температури. В основу винаходу поставлена задача створення теплового насоса кріогенного рівня температур шляхом введення додаткових елементів і зв'язків між ними для реалізації в схемі теплового насоса триконтурної передачі тепла кріогенного рівня температур, контури якої функціонують на висококиплячому, низькокиплячому і власному (проміжному) кріоагентах з передачею тепла з температурним потенціалом кріогенного рівня температур на більш високий рівень кріогенних температур і реалізацією зрідження низькокиплячого кріогенного газу кімнатної температури з використанням відкидного холоду, що вивільнюється при регазифікації зрідженого висококиплячого, за рахунок чого досягнуто розширення функціональних можливостей роботи теплового насоса з відбором тепла на кріогенних рівнях температур і підвищеним коефіцієнтом перетворення теплового насоса. Запропонований пристрій функціонує в широкому інтервалі абсолютних рівнів температур прийому тепла низькотемпературного потенціалу та передачі тепла підвищеного температурного потенціалу кріогенного рівня температур завдяки використанню як висококиплячого, низькокиплячого і власного (проміжного) кріогенних газів, термодинамічні властивості яких забезпечують мінімальну ~10 °C різницю температур кипіння на високому і низькому тисках циклу теплового насоса. Так, наприклад, при виборі як висококиплячий кріоагент метану, як низькокиплячий використовують повітря, як власний (проміжний) - азот; при виборі як висококиплячого - кисню, низькокиплячим є повітря, проміжним (власним) - азот. При цьому для забезпечення технічного результату достатньо, щоб у власному контурі теплового насоса запропонованого виду як робоче тіло використовувався кріоагент, у якому на рівні високих тисків циклу теплового насоса температура кипіння була б вище за температуру кипіння висококиплячого кріогенного газу, а на рівні низьких тисків після розширення - нижче за температуру кипіння зріджуваного низькокиплячого кріогенного газу. Поставлена задача вирішується тим, що в тепловому насосі кріогенного рівня температур, який містить контур власного кріоагента, що включає перший компресор з кінцевим 1 UA 103686 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 холодильником, випарник для прийому тепла низького температурного потенціалу, конденсатор для передачі тепла підвищеного температурного потенціалу, дросель, три регенеративних протиструминних теплообмінники, з яких з'єднані паралельно перший і другий зв'язані порожнинами прямого потоку по входу з кінцевим холодильником компресора, а по виходу - з порожниною прямого потоку конденсатора, а порожнина зворотного потоку другого теплообмінника зв'язана із входом компресора, третій теплообмінник порожниною зворотного потоку зв'язаний по виходу із другим теплообмінником, по входу - з випарником, а порожниною прямого потоку по входу сполучений з порожниною прямого потоку конденсатора, а по виходу із дроселем, пов'язаним з порожниною випарника, згідно з винаходом, пристрій додатково включає контури конденсовного і випарного кріоагентів, з яких контур випарного кріоагента виконаний з послідовно з'єднаних ємності висококиплячого зрідженого газу, порожнин зворотного потоку конденсатора-випарника і першого теплообмінника, другого компресора та ємності стисненого газу, а контур конденсовного кріоагента включає третій компресор з кінцевим холодильником, сполучений по входу з ємністю зріджуваного газу, по виходу сполучений із входами порожнин прямого потоку, встановлених паралельно другого, виконаного трипорожнинним, і четвертого регенеративних теплообмінників, виходи яких сполучені з порожниною прямого потоку випарника-конденсатора, зв'язаною з порожниною прямого потоку п'ятого регенеративного теплообмінника, через другий дросель сполученою із сепаратором, що по рідинному виходу з'єднаний з ємністю низькокиплячого зрідженого газу, а по газовому, через порожнини зворотного потоку п'ятого і четвертого регенеративних теплообмінників, зв'язаний із входом третього компресора. Тепловий насос кріогенного рівня температур включає контури конденсовного і випарного кріоагентів, що дозволяє через контур власного (проміжного) кріоагента здійснювати відбір тепла на кріогенних рівнях температур низького потенціалу з передачею на кріогенні рівні температур підвищеного потенціалу, без передачі тепла на рівень температур навколишнього середовища, що дозволяє проводити зрідження низькокиплячого кріоагента з низькими енерговитратами за рахунок випарювання висококиплячого. Контур випарного кріогента виконаний з послідовно з'єднаних ємності висококиплячого зрідженого газу, порожнин зворотного потоку конденсатора-випарника і першого теплообмінника, другого компресора та ємності стисненого газу, що дозволяє використовувати холод випарюваного кріоагента на малому перепаді температур між контуром робочого тіла теплового насоса і контуром випарного кріоагента для зниження термодинамічних втрат необоротної теплопередачі. Контур конденсовного кріоагента, що включає третій компресор з кінцевим холодильником, сполучений по входу з ємністю зріджуваного газу, по виходу сполучений із входами порожнин прямого потоку, установлених паралельно другого, виконаного трипорожнинним, і четвертого регенеративних теплообмінників, виходи яких сполучені з порожниною прямого потоку випарника-конденсатора, сполученою з порожниною прямого потоку п'ятого регенеративного теплообмінника, через другий дросель сполученою із сепаратором, що по рідинному виходу з'єднаний з ємністю низькокиплячого зрідженого газу, а по газовому, через порожнини зворотного потоку п'ятого і четвертого регенеративних теплообмінників, зв'язаний із входом третього компресора, дозволяє ефективно використовувати холод власного кріоагента теплового насоса та регенерувати холод пари низькокиплячого кріоагента для ефективного зрідження низькокиплячого кріоагента з вихідною температурою довкілля та підвищення теплонасосного коефіцієнту. На фігурі подана принципова схема теплового насоса кріогенного рівня температур. Тепловий насос кріогенного рівня температур містить основний замкнутий контур передачі тепла на власному (проміжному) кріоагенті та суміжні з основним розімкнуті контури низькокиплячого і висококиплячого кріоагентів. Кожний із кріоагентів системи проходить через герметичні порожнини теплообмінників, елементи контурів і трубопроводи, призначені тільки для одного робочого тіла. Тепловий насос кріогенного рівня температур містить контур власного кріоагента, що включає перший компресор, 1 зв'язаний по входу з кінцевим холодильником 2, який пов'язаний з паралельно з'єднаними порожнинами прямого потоку першого і другого теплообмінників, відповідно, 5 і 6, по виходу пов'язаних з порожниною прямого потоку конденсатора-випарника 4. Порожнина зворотного потоку другого теплообмінника 6 по виходу зв'язана із входом компресора 1. Третій теплообмінник 7 порожниною зворотного потоку послідовно сполучений із другим теплообмінником 6, а порожниною прямого потоку по входу - з виходом порожнини прямого потоку конденсатора-випарника 4, а по виходу через перший дросель 8 - із входом порожнини зворотного потоку випарника-конденсатора 3. 2 UA 103686 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Пристрій додатково включає контури випарного і конденсовного кріоагентів. Контур випарного кріоагента, виконаний з послідовно з'єднаних з ємністю 9 висококиплячого зрідженого газу порожнини зворотного потоку конденсатора-випарника 4, порожнини зворотного потоку першого теплообмінника 5, зв'язаної через другий компресор 10 з ємністю 11 стисненого газу випарного кріоагента. Контур конденсовного кріоагента включає третій компресор 12 з кінцевим холодильником 13, по входу сполучений з ємністю 14 зріджуваного газу, а по виходу, через кінцевий холодильник 13, пов'язаний з паралельно встановленими додатковою третьою порожниною прямого потоку другого теплообмінника 6 і порожниною прямого потоку четвертого регенеративного теплообмінника 15, які по виходах сполучені з порожниною прямого потоку випарника-конденсатора 3. Порожнина прямого потоку випарника-конденсатора 3 сполучена з порожниною прямого потоку п'ятого регенеративного теплообмінника 16, який через другий дросель 17 сполучений із сепаратором 18, по рідинному виходу з'єднаним із кріогенною ємністю 19 низькокиплячого зрідженого газу, а по газовому - з порожниною зворотного потоку п'ятого регенеративного теплообмінника 16, сполученою з порожниною зворотного потоку четвертого регенеративного теплообмінника 15, зв'язаного із входом другого компресора 12. Тепловий насос кріогенного рівня температур функціонує за триконтурною схемою, в одному контурі якої здійснюється регазифікація висококиплячого кріоагента метану, в іншому контурі - зрідження низькокиплячого кріоагента, наприклад, відкидного азоту, відібраного з повітряно-роздільної установки (на кресленні не показано). Третій проміжний контур власного кріоагента, являє собою власно кріогенний тепловий насос, робочим тілом якого є найбільш низькокиплячий кріагент - чистий азот. Тепловий насос кріогенного рівня температур працює в такий спосіб. Стиснутий в компресорі 1 газоподібний найбільш низькокиплячий кріоагент, який циркулює у власному замкнутому контурі, охолоджується до температури довкілля в кінцевому холодильнику 2 і розділяється на два потоки. Перший потік охолоджується в порожнині прямого потоку високого тиску першого теплообмінника 5 парою регазифікованого висококиплячого кріоагента з конденсатора-випарника 4. При цьому регазифіковний кріоагент нагрівається до температур, близьких до температури довкілля, і надходить до другого компресора 10, який забезпечує нагнітання у ємність 11 стиснутого газу, звідки висококиплячий регазифікований кріоагент надходить до споживача. Другий потік найбільш низькокиплячого проміжного кріоагента, у порожнині прямого потоку високого тиску другого теплообмінника 6 охолоджується власною парою, що надходить із третього теплообмінника 7, в якому пара нагрівається до температури, що не перевищує температуру конденсації проміжного кріоагента при високому тиску циклу замкнутого контуру. Охолоджені в порожнинах прямого потоку високого тиску першого і другого теплообмінників 5 і 6, відповідно, потоки власного (проміжного) кріоагента надходять на зрідження в порожнину прямого потоку високого тиску конденсатора-випарника 4. Тиск нагнітання першого компресора 1 замкнутого власного (проміжного) контуру теплового насоса задається за температурним напором конденсатора-випарника 4 не менш 2 К. При цьому температура конденсації робочого тіла на рівні тиску нагнітання компресора 1 перевищує температуру кипіння висококиплячого кріоагента конденсатора-випарника 4. Відведене тепло конденсації власного (проміжного) кріоагента забезпечує википання у конденсаторі-випарнику 4 рідкого кріоагента, подаваного з ємності 9 висококиплячого зрідженого газу. Рідкий проміжний кріоагент високого тиску, що надходить із випарника-конденсатора 4, переохолоджується в третьому теплообміннику 7 власною парою низького тиску циклу замкнутого контуру з випарника-конденсатора 3. Переохолоджений проміжний кріоагент з третього теплообмінника 7 розширюється зі зниженням тиску у дросельному вентилі 8 та одержанням двофазної суміші. Утворена після дроселювання рідка фаза википає у випарникуконденсаторі 3, забезпечуючи зрідження охолодженого низькокиплячого кріоагента із прямих порожнин прямих потоків другого і четвертого теплообмінників 6, 15, відповідно. Пара найбільш низькокиплячого кріоагента - робочого тіла теплового насоса через регенеративні протиструминні теплообмінники 7, 6, третій і другий відповідно, повертається в компресор 1 на повторний стиск. Низькокиплячий газоподібний кріоагент із ємності 14 зріджуваного газу піддається стиску в третьому компресорі 12, доохолоджується в кінцевому холодильнику 13 до температури довкілля і нагнітається одночасно в порожнини прямого потоку паралельно встановлених другого і четвертого теплообмінників 6, 15, відповідно. Охолоджений парою проміжного кріоагента в теплообміннику 6 і власною парою в теплообміннику 15 низькокиплячий кріоагент 3 UA 103686 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 підвищеного тиску зріджується у випарнику-конденсаторі 3, переохолоджується власною парою у п'ятому регенеративному теплообміннику 16, після чого розширюється в дросельному вентилі 17 з утворенням двофазної суміші низькокиплячого кріоагента. Двофазна суміш надходить до сепаратора 18, в якому розділяється на рідку та парову фази. Рідка фаза надходить у ємність 19 низькокиплячого зрідженого газу, звідки відбирається споживачеві, а парова фаза низькокиплячого кріоагента через послідовно з'єднані порожнини зворотного потоку п'ятого регенеративного і четвертого теплообмінників 16, 15, відповідно, подається на вхід третього компресора 12, змішуючись із новою порцією низькокиплячого зріджуваного кріоагенту з ємності 14 зріджуваного газу, яка поповнюється із зовнішнього джерела. Тиск компресора 12 задається, виходячи з величини гідравлічних опорів порожнин теплообмінників 6 і 15, відповідно, а також необхідності забезпечення достатньої величини температурного напору у випарнику-конденсаторі 3 на рівні не менш 2 К. Регулювання температурного напору у випарнику-конденсаторі 3 здійснюється дросельним вентилем 17. Для нагнітання кріогенних газів використані компресори, що працюють на стандартних мастилах з охолодними середовищами повітря-вода, на вхід яких подають кріоагенти у газовій фазі з температурою на 10 °C нижче температури навколишнього середовища. Контур власного кріоагента теплового насоса забезпечує відбір тепла з більш низького кріогенного рівня температур низькокиплячого кріоагента і передачу цього тепла на більше високий, рівень кріогенних або проміжних температур (до -100 °C). Підвищення температурного потенціалу низькотемпературного тепла відбувається на величину, що не перевищує абсолютного рівня температури прийому низькопотенціального тепла. Так, наприклад за температури кипіння низькокиплячого кріоагента близько 80 К у випарнику-конденсаторі 3 підвищений температурний потенціал цього тепла при передачі в конденсаторі-випарнику 4 не буде перевищувати 160 К. Тепловий насос запропонованого виконання із власним контуром на проміжному кріоагенті і суміжними контурами на висококиплячому і низькокиплячому кріоагентах, у якому за рахунок переведення параметрів процесу в кріогенну область температур, відбір низькопотенціального тепла та передача тепла підвищеного температурного потенціалу відбувається на рівні низьких температур до -100 °C, функціонує з високим, не менш 2, коефіцієнтом перетворення теплового насоса, що відповідає високій енергоефективності зрідження кріогенних газів. У такий спосіб за рахунок малої різниці температур кипіння циркулюючих у контурах кріоагентів може бути досягнута висока ефективність зрідження низькокиплячого кріоагента за рахунок низькоенерговитратної передачі відібраного від низькокиплячого кріоагента тепла на більше високий кріогенний чи проміжний рівень температур. Крім того, використання теплового насоса запропонованого виконання за триконтурною схемою з відбором і передачею низькотемпературного тепла кріогенних рівнів за допомогою циркулюючих у контурах кріоагентів дозволяє реалізувати безпечне функціонування пристрою у випадках використання в проточній системі різного складу кріогенних газів несумісного контактного реагування між собою за умов вибухонебезпечності. Запропонований варіант виконання теплового насоса дозволяє здійснювати зрідження низькокиплячого кріоагента з мінімальними теоретично можливими витратами роботи на зрідження, причому при використанні в технологічній схемі елементів, що функціонують на напорах тисків середніх рівнів без застосування детандерів. Виконані в ІПМаш розрахунки підтверджують високі рівні коефіцієнта перетворення теплового насоса та ефективності зрідження кріогенних газів. Так, при зрідженні повітря атмосферного тиску з кімнатною температурою 300 К та передачі відібраного тепла на такий же рівень температури ідеальним тепловим насосом-зріджувачем на кожний кілограм зрідженого повітря буде витрачено близько 742,7 кДж роботи. За умов використання скидного холоду рідкого регазифіковного метану і малих величин технічних втрат питомі витрати роботи на зрідження повітря в запропонованому пристрої будуть знижені до 433-339 кДж/кг, у залежності від величини теплонасосного коефіцієнта на робочому режимі. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 60 Тепловий насос кріогенного рівня температур, який містить контур власного кріоагента, що включає перший компресор з кінцевим холодильником, випарник для прийому тепла низького температурного потенціалу, конденсатор для передачі тепла підвищеного температурного потенціалу, дросель, три регенеративних протиструминних теплообмінники, з яких з'єднані паралельно перший і другий зв'язані порожнинами прямого потоку по входу з кінцевим холодильником компресора, а по виходу - з порожниною прямого потоку конденсатора, а 4 UA 103686 C2 5 10 15 порожнина зворотного потоку другого теплообмінника зв'язана із входом компресора, третій теплообмінник порожниною зворотного потоку зв'язаний по виходу із другим теплообмінником, по входу - з випарником, а порожниною прямого потоку по входу сполучений з порожниною прямого потоку конденсатора, а по виходу - із дроселем, пов'язаним з порожниною випарника, який відрізняється тим, що додатково містить контури конденсовного і випарного кріоагентів, з яких контур випарного кріоагента виконаний з послідовно з'єднаних ємності висококиплячого зрідженого газу, порожнин зворотного потоку конденсатора-випарника і першого теплообмінника, другого компресора та ємності стисненого газу, а контур конденсовного кріоагента включає третій компресор з кінцевим холодильником, сполучений по входу з ємністю зріджуваного газу, по виходу сполучений із входами порожнин прямого потоку встановлених паралельно другого, виконаного трипорожнинним, і четвертого регенеративних теплообмінників, виходи яких сполучені з порожниною прямого потоку випарника-конденсатора, зв'язаною з порожниною прямого потоку п'ятого регенеративного теплообмінника, через другий дросель сполученою із сепаратором, що по рідинному виходу з'єднаний з ємністю низькокиплячого зрідженого газу, а по газовому, через порожнини зворотного потоку п'ятого і четвертого регенеративних теплообмінників, зв'язаний із входом третього компресора. Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5