Теплонасосная установка для энергосберегающих технологий

 

Назначение: изобретение относится к биотехнологиям и может быть использовано в производстве белков, витаминов и т. п., в том числе в безотходных энергосберегающих технологиях, где требуются одновременно как низкие, так и высокие температуры. Сущность изобретения: устройство состоит из компрессора с силовым приводом для прокачки теплоносителя, теплообменника - конденсатора, дросселя и теплообменника - испарителя, последовательно соединенных трубопроводами в замкнутый контур, а также воздухоподогревателя, хладопотребляющего контура, сообщенного с теплообменником - конденсатором, в последнем контуре установлен дополнительный воздушный теплообменник, сообщенный с воздухоподогревателем. В качестве силового привода использована газотурбинная установка с теплообменником - утилизатором тепловой энергии в выхлопной системе, включающем по меньшей мере одну секцию, в контуре теплоносителя между теплообменником - конденсатором и дросселем помещен теплообменник - охладитель, сообщенный с водяным контуром, а в качестве воздухоподогревателя использована секция теплообменника - утилизатора, в котором имеется дополнительная секция, вход в нее сообщен с выходом водяного контура охладителя, где за теплообменником - охладителем установлен водо-воздушный теплообменник, воздушный выход которого сообщен с входом воздухоподогревателя. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к биотехнологиям и может быть использовано в производстве белков, витаминов, ферментов, в гидролизных производствах, пищевой промышленности, нефтепереработке и т. д.

Известна теплонасосная установка для реализации энергосберегающих технологий, включающая компрессор с силовым приводом для прокачки теплоносителя, теплообменник-конденсатор, дроссель и теплообменник-испаритель, последовательно соединенные трубопроводами в замкнутый контур.

В известной теплонасосной установке тип провода компрессора для прокачки теплоносителя не оговорен, так как используется только в качестве источника механической энергии.

В таких случаях обычно для привода компрессора используется электродвигатель, а в установках промышленного типа требуется и дорогостоящий мультипликатор. Применение электропривода требует больших затрат электроэнергии и ставит установку в зависимость от ее наличия, а мультипликатор значительно удорожает установку и увеличивает массу оборудования. Кроме того, использование электродвигателя затрудняет задачу изменения производительности теплонасосной установки.

Замыкание баланса энергии в промышленном цикле на ее получении в теплообменнике -конденсаторе и отдаче в теплообменнике испарителе означает работоспособность оборудования в очень узком диапазоне рабочих режимов и специализацию для конкретного процесса и сырья, т. е. отсутствует универсальность. Этот недостаток усугубляется трудностями регулирования производительности теплонасосной установки.

Кроме того, хладоресурс, отдаваемый в хладопотребляющий контур, ограничен, так как теплоноситель поступает к дросселю непосредственно от теплообменника конденсатора, а значит недостаточно охлажденным. В теплообменник конденсатор поступает подогретое и очень влажное сырье, так что большая часть тепла должна быть затрачена на испарение влаги при высокой температуре. В результате температура теплоносителя на входе в теплообменник - испаритель недостаточно низкая, особенно при жаркой погоде.

Цель изобретения уменьшение затрат электроэнергии, снижение массы и себестоимости и обеспечение автономности и универсальности теплонасосной установки при повышении хладоресурса.

Указанный технический результат достигается тем, что в теплонасосной установке для реализации энергосберегающих технологий, включающей компрессор с силовым приводом для прокачки теплоносителя, теплообменник конденсатор, дроссель и теплообменник испаритель, последовательно соединенные трубопроводами в замкнутый контур, а также воздухоподогреватель, хладопотребляющий контур, сообщенный с теплообменником испарителем, и теплопотребляющий контур, сообщенный с теплообменником конденсатором, и в последнем контуре установлен воздушный теплообменник, сообщенный с воздухоподогревателем, в качестве силового привода использована газотурбинная установка с теплообменником утилизатором тепловой энергии в выхлопной системе, включающем по меньшей мере одну секцию, в контуре теплоносителя между теплообменником конденсатором и дросселем помещен теплообменник охладитель, а в качестве воздухонагревателя использована секция теплообменника - утилизатора. Кроме того, в теплообменнике утилизаторе выполнена дополнительная секция и вход в нее сообщен с выходом водяного контура теплообменника охладителя. Также в водяном контуре за теплообменником - охладителем установлен водо-воздушный теплообменник, воздушный выход которого сообщен с входом воздухоподогревателя.

В теплонасосной установке согласно изобретению значительно уменьшаются затраты электроэнергии, поскольку она не затрачивается на привод компрессора.

Экономичность теплонасосной установки повышается за счет использования воздуха, применяемого в термической обработке сырья при высоком уровне температуры.

Применение газотурбинной установки для непосредственного привода компрессора вместо электродвигателя с мультипликатором существенно снижает массу и себестоимость теплонасосной установки, обеспечивает ее автономность и позволяет изменять производительность теплонасосной установки.

Кроме того, наличие газотурбинной установки с теплообменником - утилизатором в качестве воздухоподогревателя, а также теплообменника - охладителя между теплообменником конденсатором и дросселем позволяет за счет достаточно свободного перераспределения энергии в хладопотребляющем и теплопотребляющем контурах расширить диапазон рабочих режимов теплонасосной установки и повысить ее универсальность. Эти возможности расширяются дополнительно за счет установки в водяном контуре за теплообменником - охладителем водо-воздушного теплообменника, воздушный выход которого сообщен с входом воздухоподогревателя.

В дополнение к изложенному, снижение температуры теплоносителя в теплообменнике охладителе перед дросселем повышает хладоресурс теплонасосной установки.

Экономичность установки дополнительно повышается за счет соединения выхода водяного контура теплообменника охладителя с входом секции теплообменника утилизатора, так как дальнейшее увеличение температуры воды повышает эффективность использования полученной в охладителе энергии.

На чертеже представлена схема теплонасосной установки.

Теплонасосная установка для реализации энергосберегающих технологий включает компрессор 1 с силовым приводом 2 для прокачки теплоносителя, теплообменник конденсатор 3, дроссель 4 и теплообменник испаритель 5, последовательно соединенные трубопроводами 6 в замкнутый контур, а также воздухоподогреватель 7, хладопотребляющий контур 8, сообщенный с теплообменником испарителем 5, и теплопотребляющий контур 9, сообщенный с теплообменником конденсатором 3, и в контуре 9 установлен дополнительный воздушный теплообменник 10, сообщенный с воздухоподогревателем 7, причем в качестве силового привода 2 использована газотурбинная установка с теплообменником утилизатором 11 тепловой энергии в выхлопной системе 12, включающем по меньшей мере одну секцию, в контуре теплоносителя между теплообменником конденсатором 3 и дросселем 4 помещен теплообменник - охладитель 13, сообщенный с водяным контуром 14, а в качестве воздухоподогревателя 7 использована секция теплообменника утилизатора 11.

Кроме того, в теплообменнике утилизаторе 11 выполнена дополнительная секция 15 и вход в нее 16 сообщен с выходом 17 водяного контура 14 теплообменника охладителя 13.

Также в водяном контуре 14 за теплообменником охладителем 13 установлен водо-воздушный теплообменник 18, воздушный выход которого 19 сообщен с входом 20 воздухоподогревателя 7.

Применение теплонасосной установки рассматривается на примере использования энергосберегающей технологии в производстве кормовых дрожжей. В качестве теплоносителя используется бутан, не разрушающий озоновый слой атмосферы.

Кормовые дрожжи производятся в ферментерах 21 при температуре 34^oC. Необходимая стабилизация температуры обеспечивается водой, которая охлаждается до температуры 20^oC в теплообменнике испарителе 5. Так образуется хладопотребляющий контур 8.

Полученная в ферментах 21 дрожжевая суспензия подвергается обработке при температуре 90^oC в теплообменнике конденсаторе 3. Так образуется теплопотребляющий контур 9, который в данном случае сообщен с контуром 8.

Теплонасосная установка работает следующим образом.

Газообразный теплоноситель сжимается до давления 1,8 МПа и прокачивается компрессором 1 через теплообменник конденсатор 3, где конденсируется и охлаждается до температуры 104^oC.

В качестве силового привода 2 компрессора 1 использована газотурбинная установка с теплообменником утилизатором 11 в выхлопной системе 12. Таким образом, отпадает необходимость в подводе значительного количества электроэнергии.

Газотурбинная установка, используемая в качестве силового привода 2 компрессора, служит независимым источником энергии и позволяет регулировать производительность теплонасосной установки, например, путем изменения частоты вращения компрессора, что очень трудно обеспечить посредством электропривода.

Поскольку в теплообменнике конденсаторе 3 поддерживается высокая температура продукта, то теплоноситель на выходе имеет еще довольно высокую температуру 104^oC. Для дальнейшего снижения температуры теплоносителя до 45^oC служит теплообменник охладитель 13, сообщенный с водяным контуром 14. После прохождения через дроссель 4 давление теплоносителя падает до 0,2 Мпа и он поступает в теплообменник испаритель. Температура предварительно охлажденного бутана после дросселирования снижается до 17^oC, что увеличивает его хладоресурс. Перешедший в газовую фазу теплоноситель поступает на вход в компрессор 1 с параметрами 0,18 МПа и 19^oC.

Выделяемого теплоносителем в теплообменнике конденсаторе 3 тепла достаточно лишь для плазмолиза дрожжей и частичной сушки конечного продукта. Окончательная сушка продукта производится в дополнительном воздушном теплообменнике 10. Возможно применение контактного теплообменника сушилки, когда продукт разбрызгивается в горячем воздухе, который уносит с собой большую часть испаренной влаги. Горячий воздух к воздушному теплообменнику 10 поступает из воздухоподогревателя 7, в качестве которого используется секция теплообменника утилизатора 11. В результате отпадает необходимость в дополнительном сжигании топлива для обеспечения сушки продукта.

Полученное в водяном контуре 14 тепло может использоваться для бытовых и технических нужд. Для увеличения температуры этой воды служит дополнительная секция 15 в теплообменнике утилизаторе 11, вход 16 в которую сообщен с выходом 17 водяного контура 14 теплообменника охладителя 13.

Тепло подогретой воды в дополнительной секции 15 теплообменника - утилизатора 11 используется для предварительного нагрева воздуха в водо-воздушном теплообменнике 18, воздушный выход которого 19 сообщен с входом 20 воздухоподогревателя 7.

Подогретая в дополнительной секции 15 теплообменника утилизатора 11 вода может использоваться в тепловой сети или в виде пара для производства электроэнергии. Например, при мощности газотурбинной установки З Мвт (на приводном валу) теплообменник утилизатор обеспечивает получение дополнительного количества тепла 12,6 Гкал/ч. Это эквивалентно получению 200 куб. м/ч горячей воды с температурой 95^oC, или 18 т/ч пара с температурой 200^oC при давлении 17 ата для промышленных или бытовых нужд, или пара с более высокой температурой, но соответственно в меньшем количестве, для выработки электроэнергии.

Использование изобретения позволяет уменьшить затраты электроэнергии, снизить массу и себестоимость и обеспечить автономность и универсальность теплонасосной установки при повышении хладоресурса.

Формула изобретения

1. Теплонасосная установка для энергосберегающих технологий, содержащая компрессор с силовым приводом, теплообменник-конденсатор, дроссель, теплообменник-испаритель, причем компрессор, теплообменник-конденсатор, дроссель и теплообменник-испаритель последовательно соединены трубопроводами в замкнутый контур, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит воздухоподогреватель, воздушный теплообменник, соединенный с воздухоподогревателем, теплообменник-охладитель с водяным контуром, в качестве силового привода использована газотурбинная установка с теплообменником-утилизатором в выхлопной системе, причем теплообменник-охладитель расположен между дросселем и теплообменником-конденсатором, соединенным по теплопотребляющему контуру с воздушным теплообменником, а в качестве воздухоподогревателя использован теплообменник-утилизатор.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в теплообменнике-утилизаторе выполнена дополнительная секция, соединенная с выходом водяного контура теплообменника-охладителя.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит водовоздушный теплообменник, установленный по водяному контуру после теплообменника-охладителя, причем воздушный выход водовоздушного теплообменника соединен с входом воздухоподогревателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1