Система тепло- хладоснабжения с использованием абсорбционного термотрансформатора

Изобретение относится к энергетике, жилищно-коммунальному хозяйству и может быть использовано в теплоэнергетических установках, работающих на газовом топливе. Предлагается система тепло- хладоснабжения, содержащая АБТТ с одноступенчатой абсорбцией и с испарителем, который выполнен таким образом, что осуществляет функции конденсационного теплообменника-утилизатора (КТУ) по утилизированию теплоты дымовых газов газовой котельной, либо ТЭЦ. Технический результат: экономия топлива в отопительный сезон, снижение выбросов вредных веществ, окислов CO₂ (парниковый газ) и N_ох, с осушенными дымовыми газами. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к энергетике, жилищно-коммунальному хозяйству и может быть использовано в теплоэнергетических установках, работающих на газовом топливе.

Известна котельная установка [RU2148206, 24.06.1998, F22B33/18], содержащая паровой котел, дымосос, термический деаэратор питательной воды с патрубком отвода выпара к основному газоходу перед теплообменником-утилизатором, водяной экономайзер, конденсационный поверхностный теплообменник-утилизатор, охлаждаемый сырой подпиточной водой, поверхностный теплообменник для нагрева воды теплосети

Недостатками этой котельной установки являются:

- низкая энергетическая эффективность, вследствие ограниченного теплосъёма в конденсационном теплообменнике-утилизаторе (КТУ) из-за ограниченного расхода и температуры сырой подпиточной воды, а в некоторых случаях и отсутствия необходимости в ней, ввиду достаточности количества конденсата, получаемого из дымовых газов, для подпитки котла;

- необходимость источников холода, что делает невозможным тиражирование на другие теплогенерирующие установки, не имеющие естественного холодного источника;

- высокое содержание окислов азота (NO_x) в сбросных продуктах сгорания топлива в атмосферу из котельной установки из-за низкой влажности дутьевого воздуха.

Известен способ тепло- хладоснабжения с использованием абсорбционного термотрансформатора с двухступенчатой абсорбцией [RU2755501, 07.08.2020, F25B 15/06, F25B 29/00]. Техническое решение предусматривает возможность непрерывной работы системы в течение года с получением холода и тепла в зависимости от температуры окружающего воздуха и температуры ОСВ в период отопительного сезона на территории РФ, когда температура ОСВ достигает 70 ºС.

Недостатками аналога является существенно высокая металлоёмкость АБТТ с двухступенчатой абсорбцией и сложность конструкции системы, что приводит к очень большим срокам окупаемости АБТТ, работающего в режиме теплового насоса (до 10 лет). Характерно также что для автономных систем теплоснабжения (данная система как раз предназначена для автономных систем теплоснабжения РФ) на основе газовых котельных нет смысла поддерживать температуру ОСВ на уровне 70 ºС, а следует поддерживать её на более низких значениях (не более 55-60 ºС)

В качестве прототипа выбрана конденсационная котельная установка [RU2489643, 10.08.2013, F22833/18], которая включает паровой котёл, водяной экономайзер, КТУ, дымосос и дымовую трубу, а также поверхностный теплообменник, термический деаэратор питательной воды, контактный теплообменник-увлажнитель дутьевого воздуха, соединенный с деаэратором, поверхностный теплообменник-утилизатор продуктов сгорания топлива (ТУ), установленный перед КТУ, и абсорбционный бромистолитиевый тепловой насос, испаритель которого с КТУ и ТУ образуют циркуляционный контур охлаждающей среды.

Указанная установка предназначена для работы в режиме теплоснабжения.

При работе абсорбционного бромистолитиевого термотрансформатора (АБТТ) в режиме теплового насоса существует функциональное ограничение связанное с величиной располагаемого перепада температур между охлаждённой и нагреваемой жидкостью. Величина перепада температур не должна превышать 25 °С. Если предполагается что АБТТ будет нагревать ОСВ имеет существенное значение температурный уровень охлаждения в испарителе. Если использовать КТУ то необходимый температурный уровень охлаждения будет на 5-10 °С ниже чем уровень без использования КТУ.

Таким образом, существенным преимуществом системы АБТТ без КТУ (с прямой утилизацией теплоты продуктов сгорания в испарителе АБТТ) является более высокий температурный уровень нагреваемой воды (ОСВ на 5-10 °С) подаваемой на входе в АБТТ.

Следует заметить, что технические решения, позволяющие получать холод и тепло с использованием абсорбционного термотрансформатора с одноступенчатой абсорбцией, из области техники неизвестны.

Задача изобретения – создание системы тепло- хладоснабжения с использованием абсорбционного термотрансформатора, отличающейся простотой, позволяющую повысить экономичность, надежность и экологичность работы котельной установки.

Предлагается система тепло- хладоснабжения, содержащая АБТТ с одноступенчатой абсорбцией, включающий абсорбер, конденсатор, испаритель, генератор с газовой горелкой, насосы, теплообменник, и газовую котельную, включающую газовый котёл с горелкой, основной газоход с врезанным в него байпасным газоходом, термический деаэратор питательной воды с патрубком отвода выпара в основной газоход, дымовую трубу, дымосос, насосы и трубопроводную арматуру.

Все элементы системы соединены трубопроводами и образуют пять циркуляционных контуров, подключаемых в зависимости от режима работы системы, теплоснабжения или хладоснабжения: контур нагреваемой воды, контур дымовых газов и конденсата, контур охлаждающей воды, контур охлаждаемой воды и контур дымовых газов.

Согласно изобретению, контур дымовых газов и конденсата включает соединенные трубопроводами газовый котёл, генератор АБТТ, дымовую трубу, дымосос, основной газоход с врезанным в него байпасным газоходом, испаритель АБТТ, деаэратор, насос подачи конденсата из деаэратора на увлажнение дутьевого воздуха, а также краны К1, К2, установленные в закрытое положение, краны К3, К4, К7, установленные в открытое положение.

Согласно изобретению, контур нагреваемой воды включает соединенные трубопроводами абсорбер и конденсатор АБТТ, газовый котёл, а также краны К5, К9, установленные в открытое положение, краны К6, К8, установленные в закрытое положение.

Согласно изобретению, контур охлаждающей воды включает соединенные трубопроводами градирню, насос подачи охлаждающей воды из градирни, абсорбер АБТТ, конденсатор АБТТ, а также краны К6, К8, установленные в открытое положение, краны К5, К9, установленные в закрытое положение.

Согласно изобретению, контур охлаждаемой воды включает соединенные трубопроводами испаритель АБТТ, а также краны К1, К2, установленные в открытое положение, краны К3, к4, к7, установленные в закрытое положение.

Согласно изобретению, контур дымовых газов включает соединенные трубопроводами газовый котёл, генератор АБТТ, дымовую трубу, дымосос, основной газоход с врезанным в него байпасным газоходом, а также шибер, установленный в открытое положение, краны К3, К4, установленные в закрытое положение.

Таким образом, указанная задача решается путём использования в системе тепло- хладоснабжения одноступенчатого абсорбционного термотрансформатора с газовым нагревом и с испарителем, который выполнен таким образом, что осуществляет функции конденсационного теплообменника-утилизатора (КТУ) по утилизированию теплоты дымовых газов газовой котельной, либо ТЭЦ.

Основным отличием предлагаемого решения от известного уровня техники является отсутствие промежуточного конденсационного теплообменника-утилизатора (КТУ), устанавливаемого в газоход. Глубокая утилизация теплоты дымовых газов в предлагаемой системе осуществляется непосредственно в испарителе АБТТ и при более высоких температурах хладагента (выше на 5 - 10 °С). Увеличение рабочей температуры хладагента в АБТТ позволяет увеличить температуру нагреваемой воды на входе. Это является актуальным при подогреве обратной сетевой воды (ОСВ) в зимний период, когда температура ОСВ повышается.

На фиг. 1 представлена схема системы тепло- хладоснабжения с использованием абсорбционного термотрансформатора с одноступенчатой абсорбцией, где: 1 – водогрейный газовый котёл; 2 – абсорбционный термотрансформатор (АБТТ); 3 – дымосос; 4 – дымовая труба; 5 – градирня; 6 – деаэратор; 7 – испаритель АБТТ; 8 – абсорбер АБТТ; 9 – конденсатор АБТТ; 10 – газовый генератор АБТТ; 11 – горелка газового генератора; 12 –горелка газового котла; 13 – основной газоход с врезанным в него байпасным газоходом; 14 – нагреваемая вода; 15 – охлаждаемая вода; 16 – конденсат; 17 – слабый раствор LiBr; 18 – крепкий раствор LiBr; 19 – хладогент; 20 – водяной пар; 21 – дымовые газы; К1 – кран подачи охлаждаемой воды от потребителя холода; К2 – кран подачи охлаждённой воды к потребителю холода; К3 – кран подачи охлаждённых до температуры 40 - 45 °С дымовых газов от испарителя АБТТ в дымоход и далее в дымовую трубу; К4 – кран подачи дымовых газов с температурой 80 - 170 °С от газового котла и генератора АБТТ в испаритель АБТТ; К5 – кран подачи нагреваемой воды; К6 – кран подачи охлаждающей воды из градирни; К7 – кран подачи конденсата в деаэратор; К8 – кран подачи охлаждающей воды в градирню; К9 – кран подачи нагреваемой воды из конденсатора АБТТ на догрев в газовый котёл; Н1 – насос подачи конденсата из деаэратора на увлажнение дутьевого воздуха; Н2 – насос подачи охлаждающей воды из градирни; Нр – насос растворный; Нв – насос хладагента; Т – рекуперативный растворный теплообменник; Ш – шибер.

Система тепло- хладоснабжения содержит АБТТ с одноступенчатой абсорбцией, и газовую котельную.

АБТТ с одноступенчатой абсорбцией включает абсорбер 8, конденсатор 9, испаритель 7, генератор 10 с газовой горелкой 11, насосы Нв и Нр, теплообменник Т. Газовая котельная включает соединённые трубопроводами газовый котёл 1 с горелкой 12 и с основным газоходом и врезанным в него байпасным газоходом, термический деаэратор питательной воды 6 с патрубком отвода выпара в основной газоход, дымовую трубу 4, дымосос 3, насосы Н1 и Н2 и трубопроводную арматуру, шибер Ш и краны К1 – К9.

Все элементы системы образуют пять циркуляционных контуров, подключаемых в зависимости от режима работы системы, в режиме теплоснабжения или в режиме хладоснабжения: контур дымовых газов и конденсата, контур нагреваемой воды, контур охлаждающей воды, контур охлаждаемой воды, контур дымовых газов.

В контур дымовых газов и конденсата входят соединённые трубопроводами газовый котёл с горелкой, генератор АБТТ с горелкой, дымовая труба, дымосос, основной газоход с байпасным газоходом, деаэратор, испаритель АБТТ, а также насос подачи конденсата из деаэратора на увлажнение дутьевого воздуха (Н1) и трубопроводная арматура, а именно, шибер Ш и краны К1, К2, К3, К4, К7.

В контур нагреваемой воды входят, соединённые трубопроводами газовый котёл с горелкой, генератор АБТТ с горелкой, абсорбер АБТТ, конденсатор АБТТ, а также краны К6, К8, К5, К9.

В контур охлаждающей воды входят, соединённые трубопроводами градирня, абсорбер АБТТ, конденсатор АБТТ, а также насос подачи охлаждающей воды из градирни Н2 и трубопроводная арматура, а именно, краны К6, К8, К5, К9.

В контур охлаждаемой воды входят, соединённые трубопроводами испаритель АБТТ, а также краны К1, К2, К3, К4, К7.

В контур дымовых газов входят, соединённые трубопроводами газовый котёл, генератор АБТТ, дымовая труба, дымосос, основной газоход с врезанным в него байпасным газоходом, а также трубопроводная арматура, а именно, шибер Ш, краны К3, К4.

В режиме теплоснабжения задействованы контур дымовых газов и конденсата и контур нагреваемой воды.

В режиме хладоснабжения задействованы контур дымовых газов, контур охлаждаемой воды и контур охлаждающей воды.

В АБТТ происходит глубокая утилизация теплоты дымовых газов и её передача к источнику нагрева. Источником нагрева может быть обратная сетевая вода отопления (ОСВ) или вода системы горячего водоснабжения (ГВС).

Тепло- хладоснабжение с использованием АБТТ с одноступенчатой абсорбцией осуществляют в зависимости от наличия отопления (отопительный период или период отсутствия отопления) следующим образом:

1. Работа системы в режиме теплоснабжения.

Время действия: отопительный период. АБТТ функционирует в режиме теплового насоса с одноступенчатой абсорбцией и десорбцией. Котёл работает в режиме отопления.

Включён контур дымовых газов и конденсата переводом трубопроводной арматуры в следующее положение: шибер Ш закрыт; краны К1, К2 закрыты; краны К3, К4, К7 открыты. Дымовые газы с температурой от 80 до 170 °С на выходе из генератора АБТТ 10 и газового котла 1 собираются в основной газоход. Основная часть дымовых газов поступает в трубное пространство испарителя АБТТ 7 где охлаждается до температуры от 40 до 45 °С. В процессе охлаждения дымовых газов происходит конденсация водяного пара. Конденсат накапливается в нижней части камеры испарителя и отводится через кран К7 в деаэратор 6. Из деаэратора конденсат подают насосом Н1 для увлажнения дутьевого воздуха газовых горелок 11, 12. Охлаждённые дымовые газы после испарителя АБТТ 7 подают в дымосос 3 и сбрасывают в дымовую трубу 4. Часть не охлаждённых дымовых газов байпасируется в обход закрытого шибера Ш для предотвращения выпадения конденсата в газовом тракте дымовой трубы.

Включён контур нагреваемой воды переводом трубопроводной арматуры в следующее положение: краны К6, К8 закрыты; К5, К9 открыты. Нагреваемую воду (воду ОСВ или ГВС) с температурой 50 – 55 °С подают последовательно в абсорбер 8 и конденсатор 9 АБТТ, где её подогревают до температуры 70 – 85 °С. Далее нагреваемую воду подают в котёл 1, где догревают до температуры 90 – 95 °С.

2. Работа системы в режиме хладоснабжения.

Время действия: тёплое время года. АБТТ функционирует в режиме холодильной машины (чиллера) с одноступенчатой абсорбцией и десорбцией с получением охлаждённой воды для систем кондиционирования, либо технологического охлаждения оборудования. Котёл не работает, либо подогревает воду на нужды ГВС поступающую не из АБТТ.

Включён контур дымовых газов переводом трубопроводной арматуры в следующее положение: шибер Ш открыт; краны К3, К4 закрыты. Дымовые газы с температурой от 80 до 170 °С на выходе из генератора АБТТ 10 и газового котла 1 собираются в основной газоход и сбрасываются через дымосос 3 в дымовую трубу 4.

Включён контур охлаждаемой воды переводом трубопроводной арматуры в следующее положение: краны К1, К2 открыты; К3, к4, к7 – закрыты. Охлаждаемая вода с температурой 10 – 12 °С от потребителя холода поступает в трубное пространство испарителя 7, где охлаждается до температуры 5 – 7 °С и поступает обратно к потребителю холода.

Включён контур охлаждающей воды переводом трубопроводной арматуры в следующее положение: краны К6, К8 открыты; краны К5, К9 закрыты. Охлаждающую воду с температурой 27 – 28 °С из градирни 5 насосом Н2 подают последовательно в абсорбер 8 и конденсатор 9 АБТТ, где подогревают до температуры 35 – 40 °С. Далее охлаждающая вода поступает обратно в градирню 5.

Таким образом, предложенная система позволяет круглогодично использовать АБТТ: в отопительный период – для производства тепла, в летний период – для производства холода.

Показано, что при использовании предложенного решения:

1) экономия топлива в отопительный период составит от 12 до 20 % в зависимости от КПД обычного замещаемого котла (максимально 92 %).

2) снижением выбросов вредных веществ, окислов CO₂ (парниковый газ) и N_ох, с осушенными дымовыми газами составит 20 – 40 %.

Кроме того,

- использование заявляемого изобретения позволяет производить глубокую утилизацию низкопотенциальной теплоты продуктов сгорания газовых котельных и ТЭЦ с одновременным нагревом ОСВ в том числе, когда температура ОСВ достигает значения 70 ºС, что очень актуально для России;

- полученный конденсат, после нейтрализации, может быть использован для подпитки теплосетей;

- существенное снижение или полное устранение выпадения конденсата в газовом тракте дымовой трубы способствует продлению срока эксплуатации и сокращению финансирования на сервисное обслуживание дымовых труб.

1. Система тепло- хладоснабжения с использованием абсорбционного термотрансформатора (АБТТ), содержащая АБТТ, включающий абсорбер, конденсатор, испаритель, генератор с газовой горелкой, насосы, и газовую котельную, включающую газовый котёл с основным газоходом и врезанным в него байпасным газоходом, термический деаэратор питательной воды с патрубком отвода выпара в основной газоход, дымовую трубу, дымосос, насосы, теплообменники и трубопроводную арматуру, при этом все элементы системы соединены трубопроводами и образуют контур дымовых газов и конденсата, включающий газовый котёл, генератор АБТТ, дымовую трубу, дымосос, основной газоход с врезанным в него байпасным газоходом, деаэратор, и контур нагреваемой воды, включающий котёл, абсорбер и конденсатор АБТТ, отличающаяся тем, что система содержит АБТТ с одноступенчатой абсорбцией, испаритель которого выполнен таким образом, что осуществляет функции конденсационного теплообменника-утилизатора, система содержит также градирню, при этом все соединённые трубопроводами элементы системы образуют три дополнительных контура, подключаемых для работы в режиме хладоснабжения, а именно, контур охлаждающей воды, контур охлаждаемой воды, контур дымовых газов, а контур дымовых газов и конденсата включает испаритель АБТТ.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что контур охлаждающей воды включает соединенные трубопроводами градирню, насос подачи охлаждающей воды из градирни, абсорбер АБТТ, конденсатор АБТТ, а также краны К6, К8, установленные в открытое положение, краны К5, К9, установленные в закрытое положение.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что контур охлаждаемой воды включает соединенные трубопроводами испаритель АБТТ, а также краны К1, К2, установленные в открытое положение, краны К3, К4, К7, установленные в закрытое положение.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что контур дымовых газов включает соединенные трубопроводами газовый котёл и генератор АБТТ, дымовую трубу, дымосос, основной газоход с врезанным в него байпасным газоходом, а также шибер, установленный в открытое положение, краны К3, К4, установленные в закрытое положение.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что контур дымовых газов и конденсата включает соединенные трубопроводами газовый котёл, генератор АБТТ, дымовую трубу, дымосос, основной газоход с врезанным в него байпасным газоходом, испаритель АБТТ, деаэратор, насос подачи конденсата из деаэратора на увлажнение дутьевого воздуха, а также краны К1, К2, установленные в закрытое положение, краны К3, К4, К7, установленные в открытое положение.

6. Система по п.1, отличающаяся тем, что контур нагреваемой воды включает соединенные трубопроводами абсорбер и конденсатор АБТТ, газовый котёл, а также краны К5, К9, установленные в открытое положение, краны К6, К8, установленные в закрытое положение.