Способ работы низкотемпературного теплового двигателя на сжиженном газе СО2 с комбинированным охлаждением

Наиболее крупные проблемы теплового загрязнения связаны с промышленными предприятиями. Большая часть энергии топлива, которая не может быть превращена в полезную работу, теряется в виде тепловой энергии. На сегодняшний день сбросная низкопотенциальная теплота промышленных предприятий с температурой ниже 80°С является не востребованной. Наиболее простым способом избавления от этой теплоты является выброс его в окружающую среду. Зачастую сброс тепловых отходов в водоемы может приводить к изменениям биотического компонента экосистемы. Поэтому возможность эффективного использования промышленных отходов с температурой ниже 80°С, является важной научно-технической задачей [1].

В настоящее время  утилизация низкопотенциальной теплоты производится в основном в геотермальной энергетики, где в энергетических установках реализуется органический цикл Ренкина (ОЦР) с применением низкокипящих рабочих тел (НРТ), в качестве которых применяются различные углеводороды. Однако возможная область применения таких установок с НРТ значительно шире.

Подобно тому, как тепловые отходы промышленных предприятий являются прямым источником низкопотенциальной теплоты с температурой ниже 80°С, окружающая среда – прямой источник холода с температурой до минус 55°С. Термодинамическая система теплового двигателя на низкокипящих рабочих телах может производить работу только при отсутствии равновесия между ее термодинамической системой и окружающей средой. При этом фактическая работа теплового двигателя, отдаваемая потребителю, сопоставляется с максимальным количеством работы, которую можно получить от термодинамической системы за счет ее внутренней энергии и подведенной к ней первичной тепловой энергии.

Предлагается способ утилизации тепловых отходов промышленных предприятий с температурой ниже 80°С для выработки электроэнергии с помощью низкотемпературного теплового двигателя (НТД) с замкнутым контуром циркуляции на сжиженном углекислом газе СО 2 (рис. 1) [2].

Рисунок 1 – Принципиальная схема НТД с замкнутым контуром циркуляции на сжиженном газе СО 2 для утилизации тепловых отходов.

Весь процесс начинается со сжатия в насосе НТД (рис. 1) сжиженного газа СО 2 , который направляют на нагрев и испарение в теплообменник-испаритель, куда поступают тепловые отходы промышленных предприятий.

Температура кипения сжиженного газа СО 2 сравнительна низка при температуре от 19,11°С до 30,04°С и давлении от 5,61 МПа до 7,22 МПа, поэтому в теплообменнике-испарителе сжиженный газ СО 2 быстро испаряется и переходит в газообразное состояние, после чего, имея температуру перегретого газа, его направляют на расширение в турбодетандер НТД [3].

В турбодетандере НТД происходит расширение газообразного газа СО 2 до температуры насыщения с влажностью не превышающей 12%. Мощность турбодетандера передается соединенному на одном валу электрогенератору. На выходе из турбодетандера газообразный газ СО 2 направляют на сжижение в комбинированный теплообменник-конденсатор системы водяного и воздушного охлаждения НТД, который позволяет как последовательно, так и параллельно охлаждать и сжижать углекислый газ.

При последовательном охлаждении температуру углекислого газа снижают вначале в конденсаторе водяного охлаждения, а затем его сжижают в конденсаторе воздушного охлаждения (в зимний период). При параллельном охлаждении углекислый газ разделяют на два потока: первый поток охлаждается и сжижается в конденсаторе водяного охлаждения, а второй поток в конденсаторе воздушного охлаждения, и в процессе смешения двух выходных потоков возможно регулирование температуры сжиженного углекислого газа. Причем применение воздуха в качестве теплоотводящей среды конденсатора позволяет резко сократить расходы воды и улучшить экологический баланс естественных водоемов. В сжиженном состоянии газ СО 2 направляют для сжатия в насос НТД. Далее ОЦР на основе низкокипящего рабочего тела повторяется.

В зимний период времени минимально допустимая температура охлаждающей воды составляет примерно 5°С, что в свою очередь ограничивает потенциал для использования теплоперепада в НТД с замкнутым контуром циркуляции на сжиженном газе СО 2 . При этом происходит значительное уменьшение тепловых выбросов в окружающую среду, так как температура сбрасываемой воды незначительно отличается от температуры воды в водоеме, что не приводит к изменению биотического компонента экосистемы [4].

Комбинированная система охлаждения и сжижения углекислого газа позволяет обеспечить дополнительную выработку электроэнергии НТД при минимально допустимых температурных перепадах (разницах температур) между источником сбросной теплоты и окружающей среды равной в 28°С для водяного охлаждения и 39°С для воздушного охлаждения. Поэтому эффективность комбинированной системы охлаждения зависит от времени года и температурного потенциала.