способ теплоснабжения и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ теплоснабжения, в котором многократно осуществляют процесс, включающий последовательно транспортирование потребителю двух веществ-носителей скрытой теплоты химической реакции, выделение тепла для потребления путем проведения прямой экзотермической химической реакции превращения этих веществ в одно вещество-продукт прямой реакции, транспортирование этого вещества к первичному источнику тепловой энергии и обратное его превращение путем проведения обратной эндотермической химической реакции в два исходных вещества с аккумулированием в них в химической форме тепловой энергии первичного источника тепла, отличающийся тем, что в качестве веществ-носителей скрытой теплоты химической реакции берут газообразный или жидкий хемосорбат - диоксид углерода и раствор в воде или органическом растворителе, по меньшей мере, одного хемосорбента, например моноэтаноламина, с концентрацией хемосорбента в растворе не более 60%, при этом остаточное после передачи для потребления физическое тепло получаемого в результате прямой реакции продукта хемосорбции частично или полностью рекуперируют путем осуществления теплообмена между ним и поступающими на прямую реакцию хемосорбатом и раствором хемосорбента, а физическое тепло восстановленных в результате обратной реакции хемосорбата и раствора хемосорбента также частично или полностью рекуперируют путем осуществления теплообмена между ними и поступающим на обратную реакцию продуктом хемосорбции.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что к раствору хемосорбента добавляют, по меньшей мере, один ингибитор коррозии и, по меньшей мере, одно из веществ, предотвращающих прохождение побочных реакций хемосорбента или вспенивание раствора.

3. Способ по любому из п.1 или 2, отличающийся тем, что концентрацию хемосорбента в растворе устанавливают на уровне, при котором температура затвердевания раствора меньше минимальной температуры окружающей среды в регионе в течение отопительного сезона.

4. Система теплоснабжения для реализации способа по п.1, включающая первичный источник тепла - теплоэлектроцентраль или котельную с устройством отбора тепловой энергии, по меньшей мере, один тепловой пункт с теплообменными устройствами для систем теплопотребления - отопления и горячего водоснабжения и системы прямого и обратного транспортирования теплоносителя между первичным источником тепла и тепловым пунктом, причем системы прямого и обратного транспортирования теплоносителя выполнены с возможностью раздельного прямого транспортирования двух веществ - хемосорбата - диоксида углерода и раствора хемосорбента, например моноэтаноламина, и обратного транспортирования одного вещества - продукта хемосорбции, первичный источник тепла снабжен, по меньшей мере, одним десорбером, подключенным к устройству отбора тепловой энергии от первичного источника тепла, и, по меньшей мере, одним теплообменником-рекуператором на каждой из магистралей вывода хемосорбата и хемосорбента соответственно, а тепловой пункт снабжен, по меньшей мере, одним абсорбером, подключенным для передачи тепла к теплообменным устройствам теплового пункта, и, по меньшей мере, одним теплообменником-рекуператором на каждой из магистралей ввода хемосорбата и хемосорбента, причем два входа и выход абсорбера соединены через эти теплообменники-рекуператоры соответственно с двумя выходами системы прямого транспортирования хемосорбата и раствора хемосорбента и входом системы обратного транспортирования продукта хемосорбции, а вход и два выхода десорбера соединены через соответствующие теплообменники-рекуператоры соответственно с выходом системы обратного транспортирования продукта хемосорбции и двумя входами системы прямого транспортирования хемосорбата и раствора хемосорбента.

5. Система теплоснабжения по п.4, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена, по меньшей мере, тремя емкостями хемосорбата, раствора хемосорбента и продукта хемосорбции, предназначенными для хранения этих веществ и подпитки ими системы, каждая из которых подсоединена к системе через смонтированные на емкости устройства дозированного перепуска вещества из системы в емкость и подачи его из емкости в систему.

6. Система теплоснабжения по п.4, отличающаяся тем, что в ней системы прямого и обратного транспортирования теплоносителя включают соответственно два непрерывных трубопровода для подачи хемосорбата и раствора хемосорбента и один непрерывный трубопровод для отвода продукта хемосорбции.

7. Система теплоснабжения по п.4, отличающаяся тем, что в ней в системы прямого и обратного транспортирования теплоносителя включены мобильные средства доставки хемосорбата и раствора хемосорбента к абсорберу теплового пункта и продукта хемосорбции к десорберу первичного источника тепла, например авто- или железнодорожные цистерны или емкости, транспортируемые другими видами транспорта.

8. Система теплоснабжения по п.4, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена, по меньшей мере, одним устройством фильтрации раствора хемосорбента и, по меньшей мере, одним устройством регенерации побочных продуктов.

9. Система теплоснабжения по п.4, отличающаяся тем, что в качестве первичного источника тепла используется источник низкопотенциального тепла, при этом система дополнительно снабжена устройствами регулирования давления в абсорбере или абсорберах и десорбере или десорберах.

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к теплоэнергетике и предназначены для использования в системах теплоснабжения жилых, общественных и промышленных зданий и сооружений.

Известен традиционный способ теплоснабжения [1], в котором тепло первичного источника передают теплоносителю - воде, затем теплоноситель транспортируют по подающим (так называемым прямым) трубопроводам к потребителю и после передачи тепла потребителю возвращают отработанный теплоноситель по так называемым обратным трубопроводам к первичному источнику тепла.

Известно традиционное устройство для осуществления этого способа - система теплоснабжения, включающая первичный источник тепла (теплогенерирующее устройство), тепловые сети и оборудование теплоснабжения потребителей (локальные сети теплопотребления) [1].

Указанные способ и устройство для его осуществления имеют общий недостаток - низкую эффективность использования тепловой энергии первичного источника тепла.

Наиболее близким к заявляемому изобретению, относящемуся к способу теплоснабжения, является способ, основанный на использовании химической энергии связей (скрытой теплоты) обратимых хемотермических реакций [2]. В этом способе многократно осуществляют процесс, включающий последовательно транспортирование (подачу) потребителю двух веществ-носителей скрытой теплоты химической реакции (химического тепла), выделение тепла для потребления путем проведения прямой экзотермической химической реакции превращения этих веществ в одно вещество, транспортирование (отвод) этого вещества к первичному источнику тепловой энергии и обратное его превращение путем проведения обратной эндотермической химической реакции в два исходных вещества с аккумулированием в них в химической форме (в виде скрытой теплоты химической реакции) тепловой энергии первичного источника тепла.

В отличие от традиционного, в основу этого способа положен принцип обратимого превращения тепловой энергии первичного источника физического тепла в химическую форму и из химической в тепловую (у потребителя). По существу, здесь вместо традиционного однокомпонентного носителя физического тепла (теплоносителя) имеют дело с двухкомпонентным носителем, состоящим из двух отдельных веществ-носителей скрытой теплоты химической реакции (аккумулированного тепла в химической форме), взаимодействие которых приводит к выделению тепловой энергии в физической форме, и получаемым из этих двух веществ - продуктом экзотермической реакции. Транспортирование тепла к потребителю в химической форме имеет очевидное преимущество перед описанным выше традиционным транспортированием тепла в физической форме. Это дает возможность использовать вещества-носители тепла с большими удельными параметрами переноса тепловой энергии, например объемной плотности энергии носителей, что, соответственно, дает сокращение количества используемых веществ для передачи единицы тепловой энергии по сравнению с традиционной системой теплопередачи при равных условиях.

Однако рассматриваемому способу присущ ряд недостатков, связанных с видом используемых веществ, условиями, при которых идут прямые и обратные реакции, и особенностями применения его в составе систем теплоснабжения. Предложенная в данном способе обратимая хемотермическая реакция "конверсия и синтез метана", а также другие альтернативные реакции-аналоги осуществимы только при относительно высоких температурах (температурах теплоносителя первичного источника тепла от 700 до 1200 К), что существенно превышает уровень температур рабочих тел первичных источников тепловой энергии существующих систем теплоснабжения. Поэтому практическое применение такого способа требует существенной реконструкции этих систем.

Использование этого способа не только потребует мощного первичного источника тепла, но и приведет к добавлению большого количества физического тепла в вещества-носители скрытой теплоты химической реакции и, как следствие, - к существенным потерям тепла в окружающую среду при транспортировании этих веществ.

Кроме того, многие из реакций в подобных хемотермических способах ведутся в реакторах в присутствии катализаторов, которые имеют высокую стоимость и небольшой срок службы, а продукты предложенных реакций либо токсичны (например: СО, CH₄, Cl₂, H ₂SO₄), либо высокореакционны или пожаро- и взрывоопасны (СО, Н₂, CH₄). Ряд таких продуктов вызывает сильную коррозию металлов (например, Н₂SO₄ ), хрупкость сварных швов (например, Н₂) и другие явления, затрудняющие эксплуатацию систем теплоснабжения. Поэтому предложенные в данном способе вещества-носители скрытой теплоты химической реакции, с точки зрения практического применения, безопасности, экологии (особенно при аварийных ситуациях) и экономической целесообразности, не пригодны для функционирования в существующих системах теплоснабжения жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ).

Наиболее близким к заявляемому устройству для осуществления способа является система теплоснабжения, описанная в [3] (прототип устройства). Система включает первичный источник тепла, например теплоэлектроцентраль (ТЭЦ) или котельную, с устройством отбора тепловой энергии, по меньшей мере один тепловой пункт с тепло-обменными устройствами для систем теплопотребления, например отопления и горячего водоснабжения, и системы прямого и обратного транспортирования теплоносителя между первичным источником тепла и тепловым пунктом.

Это устройство относится к традиционным системам теплоснабжения и обладает соответствующими недостатками. К ним относятся: высокий уровень потерь тепла в тепловых сетях при транспортировании теплоносителя, несмотря на дорогостоящие мероприятия по теплоизоляции труб и тепловых сетей в целом; низкая эффективность использования потребителем тепловой энергии, генерируемой в первичном источнике и передаваемой по тепловым сетям; сложная с ограниченными возможностями система регулирования передаваемой тепловой мощности при изменении температуры окружающей среды и тепловых нагрузок, предусматривающая изменение как расходных параметров теплоносителя (воды или пара), так и его термодинамических параметров (температуры, давления), недостатки которой особенно проявляются при необходимости компенсации пиковых тепловых нагрузок и в аварийных ситуациях.

Предлагаемыми изобретениями решается задача повышения эффективности использования тепловой энергии при теплоснабжении.

Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении предлагаемых изобретений, является экономия тепловой энергии (расхода топлива), которая может выражаться в уменьшении расхода тепла первичного источника при одновременном сохранении количества тепла, передаваемого потребителю, либо в увеличении количества тепла, передаваемого потребителю, при одновременном сохранении расхода тепла первичного источника. Кроме того, в конкретных формах выполнения предлагаемые способ и устройство обеспечивают получение еще нескольких технических результатов, дополнительно расширяющих функциональные возможности предлагаемой системы теплоснабжения. К ним относятся: снижение требований к уровню теплоизоляции тепловых сетей, включая возможность наземной прокладки не теплоизолированных труб для подачи теплоносителей и возврата их к первичному источнику; возможности аккумулирования тепловой энергии; обеспечение регулирования передаваемой тепловой мощности только за счет изменения расходов теплоносителей; возможности применения низкопотенциальных первичных источников тепловой энергии для теплоснабжения с нормативным уровнем параметров теплоносителя в локальных системах потребления; создание комбинированных систем подачи теплоносителей к потребителям, в том числе удаленным от тепловых сетей.

Для получения указанных технических результатов в способе теплоснабжения, в котором многократно осуществляют процесс, включающий последовательно транспортирование потребителю двух веществ-носителей скрытой теплоты химической реакции, выделение тепла для потребления путем проведения прямой экзотермической химической реакции превращения этих веществ в одно вещество-продукт прямой реакции, транспортирование этого вещества к первичному источнику тепловой энергии и обратное его превращение путем проведения обратной эндотермической химической реакции в два исходных вещества с аккумулированием в них в химической форме тепловой энергии первичного источника тепла, в качестве веществ-носителей скрытой теплоты химической реакции берут газообразный или жидкий хемосорбат и раствор по меньшей мере одного хемосорбента в воде или органическом растворителе с концентрацией, при которой температура затвердевания раствора меньше минимальной температуры окружающей среды, причем остаточное после передачи для потребления физическое тепло получаемого в результате прямой реакции продукта хемосорбции рекуперируют путем осуществления теплообмена между ним и поступающими на прямую реакцию хемосорбатом и раствором хемосорбента, а физическое тепло восстановленных в результате обратной реакции хемосорбата и раствора хемосорбента рекуперируют путем осуществления теплообмена между ними и поступающим на обратную реакцию продуктом хемосорбции.

Кроме этого, в качестве раствора хемосорбента можно использовать водный раствор вещества из класса алканоламинов, например моноэтаноламина (МЭА), а в качестве хемосорбата можно использовать диоксид углерода.

К раствору хемосорбента можно добавить по меньшей мере один ингибитор коррозии и по крайней мере одно из веществ, предотвращающее прохождение побочных реакций хемосорбента.

Обратную реакцию можно проводить при пониженном давлении, поддерживая его уровень, в зависимости от температуры первичного источника тепла, в пределах 0,01-0,2 МПа, а прямую реакцию проводят при повышенном давлении в пределах 0,1-2,0 МПа, обеспечивая повышенную степень насыщения хемосорбента (=0,4 и выше) и поддерживая температуру в пределах 363-393 К (90-120°С) с помощью регулирования уровня давления.

Для реализации предлагаемого способа в устройстве системы теплоснабжения, включающем первичный источник тепла, например теплоэлектроцентраль (ТЭЦ) или котельную, с устройством отбора тепловой энергии, по меньшей мере один тепловой пункт с теплообменными устройствами для систем теплопотребления, например отопления и горячего водоснабжения, и системы прямого и обратного транспортирования теплоносителя между первичным источником тепла и тепловым пунктом, системы прямого и обратного транспортирования теплоносителя выполнены с возможностью раздельного прямого транспортирования двух веществ - хемосорбата и раствора хемосорбента и обратного транспортирования одного вещества - продукта хемосорбции, первичный источник тепла снабжен по меньшей мере одним десорбером, подключенным к устройству отбора тепловой энергии от первичного источника тепла, и по меньшей мере одним теплообменником-рекуператором, а тепловой пункт снабжен по меньшей мере одним абсорбером, подключенным для передачи тепла к теплообменным устройствам теплового пункта, и по меньшей мере одним теплообменником-рекуператором, причем два входа и выход абсорбера соединены через этот теплообменник-рекуператор соответственно с двумя выходами системы прямого транспортирования хемосорбата и раствора хемосорбента и входом системы обратного транспортирования продукта хемосорбции, а вход и два выхода десорбера соединены через соответствующий теплообменник-рекуператор соответственно с выходом системы обратного транспортирования продукта хемосорбции и двумя входами системы прямого транспортирования хемосорбата и раствора хемосорбента.

Кроме этого, устройство системы теплоснабжения может быть дополнительно снабжено по меньшей мере одним устройством фильтрации раствора хемосорбента и по меньшей мере одним устройством регенерации побочных продуктов и может быть дополнительно снабжено по меньшей мере тремя емкостями - хемосорбата, раствора хемосорбента и продукта хемосорбции, предназначенными для хранения этих веществ и подпитки ими системы, каждая из которых подсоединена к системе через смонтированные на емкости устройства дозированного перепуска вещества из системы в емкость и подачи его из емкости в систему.

Кроме этого, в устройстве системы теплоснабжения системы прямого и обратного транспортирования теплоносителя могут включать, соответственно, два непрерывных трубопровода для подачи хемосорбата и раствора хемосорбента и один непрерывный трубопровод для отвода продукта хемосорбции и могут включать мобильные средства доставки хемосорбата и раствора хемосорбента к абсорберу теплового пункта и продукта хемосорбции к десорберу первичного источника тепла, например авто- или железнодорожные цистерны.

В качестве первичного источника тепла можно использовать источник низкопотенциального тепла, при этом устройство системы теплоснабжения дополнительно снабжено устройствами регулирования давления в абсорбере (абсорберах) и десорбере (десорберах).

Одним из основных отличительных признаков предлагаемого способа теплоснабжения является то, что в качестве веществ-носителей скрытой теплоты химической реакции берут газообразный или жидкий хемосорбат и раствор по меньшей мере одного хемосорбента в воде или органическом растворителе с концентрацией, при которой температура затвердевания раствора меньше минимальной температуры окружающей среды, причем остаточное после передачи для потребления физическое тепло получаемого в результате прямой реакции продукта хемосорбции (хемоабсорбции) рекуперируют путем осуществления теплообмена между ним и поступающими на прямую реакцию хемосорбатом и раствором хемосорбента, а физическое тепло восстановленных в результате обратной реакции хемосорбата и раствора хемосорбента рекуперируют путем осуществления теплообмена между ними и поступающим на обратную реакцию продуктом хемосорбции.

По существу, в предлагаемом способе реализуется обратимая реакция "хемосорбция-хемодесорбция", а именно: прямая химическая реакция взаимодействия раствора хемосорбента с хемосорбатом (хемосорбция) с образованием нового продукта (продукта хемосорбции), которая сопровождается выделением тепловой энергии (экзотермическая реакция), и обратная реакция термического разложения продукта хемосорбции (эндотермическая реакция) с подводом физического тепла от первичного источника с получением исходных веществ (хемосорбата и раствора хемосорбента) с последующим их разделением и раздельным отводом.

Важно отметить, что указанные выше продукт хемосорбции и исходный (восстановленный в результате десорбции) раствор хемосорбента между собой могут отличатся только степенью насыщения хемосорбатом. Степень насыщения хемосорбента в результате проведения химической реакции между его раствором и хемосорбатом характеризуется параметром, определяющим мольное соотношение хемосорбата и хемосорбента "", с размерностью [моль хемосорбата/моль хемосорбента]. В предлагаемом решении исходный раствор хемосорбента может характеризоваться значением степени насыщения от _и=0 до некоторого значения оси _и>0. Продукт хемосорбции характеризуется степенью насыщения _п, причем _п> _и. В процессе проведения прямой реакции значение параметра изменяется от _и до _п. При проведении обратной реакции значение этого параметра меняется от _п до _и. Конкретные значения _и и _п определяются требованиями конкретной системы теплоснабжения, такими как: тип и параметры теплогенерирующего оборудования первичного источника, требованиями потребителя к параметрам получаемой тепловой энергии, используемым потребителем оборудованием и др. Установление начальных значений показателей степени насыщения или их регулирование в процессе работ системы теплоснабжения производится регулированием значений расходов как теплоносителей в первичном источнике и в системе потребления тепловой энергии, так и расходов компонент в системе передачи тепла (раствора хемосорбента, хемосорбата и продукта хемосорбции), а также установлением соответствующих термодинамических режимов в аппаратах для проведения хемосорбции и хемодесорбции (давлений и температур).

Существует широкий класс рассматриваемых веществ (хемосорбентов, хемосорбатов), реакции между которыми идут при температурах, соответствующих температурам в оборудовании первичных источников и потребителей действующих систем теплоснабжения и существенно меньших, чем в прототипе способа. В связи с этим они могут естественным образом использоваться в существующих системах теплоснабжения, включая тепловые сети используемого типа. При этом эффективность системы теплоснабжения будет повышена за счет большего количества переносимой тепловой энергии, складывающегося из скрытой теплоты химических реакций и физического тепла компонентов переноса тепловой энергии (раствора хемосорбента и хемосорбата). При этом прирост количества переносимого тепла будет как раз равен скрытой теплоте химических реакций, а тепловые потери, связанные с потерей физического тепла, в тепловых сетях в окружающую среду будут эквивалентны тепловым потерям в существующих системах теплоснабжения и даже меньше указанных, поскольку будут меньше расходы компонент, переносящих тепловую энергию, и, соответственно, меньше диаметры труб тепловых сетей и поверхности теплопередачи. По сравнению с хемотермическими методами в предлагаемом решении уровень тепловых потерь при передаче тепловой энергии при равных прочих условиях будет существенно меньше в силу меньших температур транспортируемых компонент. Это характеризует более высокий уровень эффективности работы предлагаемой системы теплоснабжения и является положительным эффектом с точки зрения достижения указанного технического результата.

Предлагаемый способ обеспечивает минимизацию уровня тепловых потерь в окружающую среду, что является техническим решением, непосредственно обеспечивающим фактическую экономию затрачиваемых на теплоснабжение топливно-энергетических ресурсов. Выбирая в качестве веществ-носителей скрытой теплоты химической реакции и, соответственно, продукта реакции вещества с низкой температурой замерзания (затвердевания), открывается возможность их передачи по трубопроводам с температурой, близкой или даже равной температуре окружающей среды, это обеспечивается применением рекуперации тепловой энергии в физической форме между веществами прямой и обратной реакции (хемосорбции и хемодесорбции) и получаемыми продуктами этих реакций. Очевидно, при проведении прямой реакции хемосорбции выделяющаяся тепловая энергия сосредоточена в виде физического тепла продукта хемосорбции. Передавая часть физического тепла продукта хемосорбции в локальные системы отопления и горячего водоснабжения, у продукта хемосорбции остается еще значительный запас физического тепла, определяемый уровнем его температуры на выходе из устройства передачи тепла теплового пункта системы локального теплоснабжения, что аналогично обратному потоку теплоносителя (воды) в существующих системах теплоснабжения. Аналогично, при хемодесобции на выходе восстановленные компоненты также выходят со значительным запасом физического тепла, характеризуемого уровнем температуры, при которой осуществляется хемодесорбция. Рекуперация тепловой энергии между веществами, получаемыми по прямой и обратной химическими реакциями, и, соответственно, веществами, поступающими на прямую и обратную реакции, обеспечивает предварительный подогрев последних и соответствующее охлаждение первых перед их поступлением в трубопроводы тепловой сети. Указанное, с одной стороны, обеспечивает повышение эффективности проводимых реакций за счет предварительного подогрева компонентов и, с другой стороны, низкие температуры транспортируемых в тепловых сетях веществ, обеспечивающие низкий уровень тепловых потерь в трубах. Проведение рекуперации физического тепла между веществами, участвующими в реакции, и продуктами реакции особенно важно при низких температурах окружающей среды для повышения эффективности тепловыделения при реакции хемосорбции и сокращения затрат энергии при хемодесорбции продукта хемосорбции и разделении компонентов (веществ-носителей скрытой теплоты химической реакции).

Для реализации способа в диапазоне температур окружающей среды от +10°С до -60°С, который охватывает возможные температурные диапазоны отопительного сезона в различных регионах, предложены рекуперативные схемы теплообмена между реактантами (хемосорбатом, раствором хемосорбента и продуктом хемосорбции). В результате организованной данным образом рекуперации тепла достигаются два положительных, с точки зрения получения указанного технического результата, эффекта: во-первых, даже при очень низких температурах окружающей среды не снижается количество тепла, передаваемого для потребления, и не требуется дополнительное тепло первичного источника для реализации процесса хемодесорбции, а во-вторых, уменьшается уровень тепловых потерь при транспортировании веществ-носителей скрытой теплоты химической реакции и вещества-продукта хемосорбции.

Таким образом, выбор хемосорбата и раствора хемосорбента в качестве веществ-носителей химической теплоты и реализация предложенных схем рекуперации тепла позволяют, в совокупности, во всем возможном диапазоне температур окружающей среды достичь указанного технического результата за счет следующих преимуществ предлагаемого способа по сравнению с прототипом: меньшие потери тепла при его передаче потребителю (транспортировании теплоносителей), меньшие, при прочих равных условиях, затраты тепла первичного источника на теплоснабжение и отсутствие необходимости в модернизации существующих теплогенерирующих систем.

Известно, что температура затвердевания (замерзания) раствора зависит от концентрации растворенного компонента. Поэтому концентрация хемосорбента в растворе должна быть такой, при которой температура затвердевания раствора хемосорбента (хемосорбентов) меньше минимальной температуры окружающей среды в течение отопительного сезона в регионе, где реализуется предложенный способ. Для хемосорбатов указанное ограничение менее существенно, так как, как правило, значение температуры их замерзания достаточно низкое, а газообразные хемосорбаты (например, из класса так называемых кислых газов) к тому же могут транспортироваться и в жидком виде.

Признаки способа "газообразный" и "жидкий" хемосорбат выражены в альтернативной форме, так как являются техническими эквивалентами. При осуществлении способа в любом случае достигается один и тот же технический результат. То же самое относится к признакам "раствор хемосорбента в воде" и " раствор хемосорбента в органическом растворителе". Различные сочетания предложенных веществ могут приводить лишь к количественному изменению (как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения) достигаемого технического результата. Выбор тех или иных веществ определяется в каждом случае реализации способа конкретными условиями (климатические условия, требуемая теплопроизводительность, мощность первичного источника тепла и т.п.) и, в значительной степени, экономическими соображениями (потребное количество веществ, масштабы их производства, стоимость).

Таким образом, перечисленные выше отличительные признаки предлагаемого способа являются существенными, и их совокупность позволяет достичь указанного технического результата.

В частном случае в качестве раствора хемосорбента может быть использован водный раствор вещества из класса алканоламинов, например моноэтаноламина (МЭА) с химической формулой NH₂CH₂CH ₂OH. Водный раствор МЭА с концентрацией 45%(масс.) затвердевает при температуре 217 К (-56°С), а при концентрации 60% - при 186 К (-87°С) [4], что меньше минимально возможной температуры окружающей среды, определяемой отечественными нормами эксплуатации систем теплоснабжения.

В качестве хемосорбата может быть использован диоксид углерода (CO₂). При хемосорбции двуокись углерода реагирует с водным раствором моноэтаноламина (МЭА) с образованием замещенной карбоаминовой кислоты и выделением тепла:

, где RСН ₂СН₂ОН.

В водном растворе МЭА мгновенно устанавливается равновесие:

RNH₂+H⁺ =RNH₃ ⁺,

в результате образуется продукт хемосорбции - карбамат моноэтаноламмония:

RNHCOO ^-+RNH₃ ^-=RNHCOORNH₃ .

Выделение тепла при хемосорбции (хемоабсорбции) в расчете на карбамат моноэтаноламмония составляет 73-81,5 кДж/моль при степени насыщения (или, в данном случае, - карбонизации) , равной 0,5-0,1 соответственно [4]. Это позволяет обеспечить потребителя горячей водой с температурой, соответствующей принятым, например, в России нормам - 343-353 К (70-80°С). При атмосферном давлении реакция хемодесорбции идет в диапазоне температур 373-423 К (100-150°С).

К раствору хемосорбента может быть добавлен по крайней мере один ингибитор коррозии и по крайней мере одно из веществ, предотвращающее прохождение побочных реакций хемосорбента. Это позволяет продлить срок службы трубопроводов и оборудования. В сочетании с раствором моноэтаноламина в качестве хемосорбента в качестве ингибитора можно выбрать родственный ему продукт, например триэтаноламин. Добавки веществ, предотвращающих прохождение побочных реакций с выпадением нерастворимых осадков, обеспечивают стабильность свойств хемосорбента при использовании недостаточно очищенных хемосорбента и хемосорбата, случайных отклонений в температурных режимах проведения реакций, а также при попадании в оборудование и магистрали посторонних веществ, например кислорода в составе воздуха или загрязнений со стенок труб и оборудования.

Проведение прямой (хемособция) и обратной (хемодесорбция) реакций может быть осуществлено с хемосорбентом и продуктом хемосорбции с большими степенями насыщения ( _и=4 и выше; _п=5 и выше), чем в общем случае реализации способа, при этом обратную реакцию проводят при пониженном давлений, поддерживая его уровень в пределах 0,01-0,2 МПа, а прямую реакцию проводят при повышенном давлении в пределах 0,1-2,0 МПа. Это позволяет использовать при теплоснабжении в качестве первичного источника тепла источник низкопотенциального тепла с температурой теплоносителя 323-353 К (50-80°С), например геотермальные воды, низкопотенциальные стоки и др., и получать потребителем тепловую энергию высокого качества с температурами в системах отопления и горячего водоснабжения, соответствующими нормативным требованиям. Температура проведения прямой реакции для обеспечения работы систем отопления и горячего водоснабжения может поддерживается регулированием уровня давления проведения реакции в указанных пределах.

При реализации этого способа достигается новый технический результат, заключающийся, по существу, в реализации рабочего процесса своеобразного теплового насоса с расширением функциональных возможностей системы теплоснабжения.

Поскольку предлагаемое устройство реализует способ, в котором в качестве реактантов обратимой химической реакции участвуют двухкомпонентный теплоноситель, состоящий из хемосорбата и раствора хемосорбента - двух веществ-носителей скрытой теплоты химической реакции, и вещество-продукт хемосорбции, то для выделения тепла и последующего восстановления компонентов необходимо обеспечение раздельной подачи компонентов на хемосорбцию и отвод продукта хемосорбции на десорбцию. Абсорбер (абсорберы) предназначен (предназначены) для осуществления процесса хемосорбции по предлагаемому способу. Подключение его к теплообменным устройствам теплового пункта необходимо для передачи выделившегося при хемосорбции тепла в системы теплопотребления, например отопления и горячего водоснабжения. Десорбер (десорберы) предназначен (предназначены) для осуществления процесса хемодесорбции по предлагаемому способу. Для подвода тепловой энергии к продукту хемосорбции для нагревания его до температур, при которых эффективно реализуется хемодесорбция, десорбер (десорберы) соединен (соединены) с устройством отбора тепловой энергии от первичного источника тепла. Теплообменники-рекуператоры, подключенные описанным образом к абсорберу, десорберу и системам подачи и раздельного отвода реактантов, предназначены для осуществления теплообмена между реактантами по схемам, присущим предлагаемому способу. Количество абсорберов, десорберов и теплообменников-рекуператоров, как и тепловых пунктов, определяется конкретными типом первичного источника тепла (теплогенерирующего оборудования), его мощностью, видом и условиями работы системы (уровнями и режимами потребления тепла, пиковьми нагрузками и т.п.).

Степень рекуперации тепла (эффективность теплообмена) теплообменниками-рекуператорами определяется конкретным конструктивным исполнением устройства и финансовыми затратами, влияющими на срок окупаемости системы теплоснабжения. Габаритно-массовые и, как следствие, стоимостные показатели теплообменников-рекуператоров существенно зависят от реализуемой ими степени рекуперации тепла. Так, расчеты для пластинчатого теплообменника-рекуператора в системе рекуперации тепла абсорбера показали, что обеспечение разности температур более 10 градусов между вводимым в него для нагрева холодным жидким компонентом (водного раствора МЭА) и выводимым из него после охлаждения горячим жидким компонентом (карбонизированного водного раствора МЭА) достигается на теплообменнике серийной комплектации. Однако при необходимости уменьшения разницы указанных температур, например, с 5,0 до 3,5 градусов масса (металлоемкость) сердечника теплообменника-рекуператора увеличивается почти на 25%, а при дальнейшем уменьшении этой разницы от 3,5 до 1,0 градуса - увеличивается практически в 6 раз. Указанное выше накладывает на степень рекуперации некоторое ограничение "сверху". Существует также ограничение "снизу", которое связано с необходимостью разделения хемосорбата и хемосорбента и, с этой целью, некоторого их охлаждения на выходе из десорбера путем рекуперации тепла. Это также необходимо для минимизации тепловых потерь при транспортировке хемосорбата. Достижение заявленного технического результата обеспечивается независимо от степени рекуперации. Так, при высокой степени рекуперации, для частного случая применения в качестве хемосорбента МЭА объемная плотность передаваемой в тепловую сеть тепловой энергии составляет 540 МДж/м³, тепловая энергия сосредоточена только в химической форме и ее передача осуществляется теплоносителями с температурой окружающей среды. После преобразования в абсорбере скрытой теплоты химической реакции раствора хемосорбента и хемосорбата в физическое тепло продукта хемосорбции большая его часть в количестве 306 МДж/м³ передается в потребительские сети горячего водоснабжения и отопления, а оставшееся физическое тепло продукта хемосорбции в количестве 234 МДж/м³ направляется на рекуперацию для окончательного его охлаждения перед выводом в обратный трубопровод. Данное количество тепла постоянно циркулирует в теплообменнике-рекуператоре и используется для подогрева входящих в абсорбер раствора хемосорбента и хемосорбата. Это практически полностью исключает потери тепловой энергии в окружающую среду и соответствующие затраты на теплоизоляцию тепловых сетей. Так, степень рекуперации тепловой энергии, обеспечивающая разницу между температурами транспортируемых продуктов и температурой окружающей среды до 5-10 градусов, позволяет уменьшить тепловые потери в системе теплоснабжения практически на порядок по сравнению с прототипом. Таким образом, эффективность передачи потребителю тепловой энергии (отношение количества тепла, получаемого потребителем, к количеству тепла, передаваемого в тепловую сеть от источника тепла) составляет 57%. При малой степени рекуперации и использовании тепловых сетей с теплоизолированными трубами объемная плотность запасенной тепловой энергии составляет 1090 МДж/м³ (550 МДж/м³ в физической и 540 МДж/м³ в химической формах), передаваемая потребителю - 516 МДж/м ³ и тепловые потери в сетях - 21 МДж/м³. Эффективность передачи тепловой энергии составляет 47%. В этом в случае в силу высокого значения объемной плотности запасенной носителями тепловой энергии передача потребителю одинакового количества тепла может осуществляться по трубам в два раза меньшего сечения. Сравнение показывает, что при высоком уровне рекуперации эффективность передачи тепловой энергии больше. Вместе с тем, при любом уровне рекуперации эффективность передачи тепла термохимическим методом выше, чем в существующих тепловых системах, где она составляет 38%: от первичного источника тепла в тепловую сеть передается теплоноситель (вода) с объемной плотностью 550 МДж/м³ , потери тепла при транспортировке составляют 21 МДж/м³ , потребителю передается 210 МДж/м³ и возвращается по обратному трубопроводу 330 МДж/м³. Таким образом, выбор рациональной степени рекуперации тепла в рамках достижения технического результата должен учитывать условия реализации предлагаемой системы теплоснабжения и быть основан на сопоставлении соответствующих затрат и реализуемого уровня эффективности.

Совокупность перечисленных выше отличительных признаков устройства позволяет реализовать предлагаемый способ с достижением указанного технического результата - экономии тепловой энергии (топлива).

В устройство системы теплоснабжения может быть дополнено введено оборудование полной или частичной фильтрации раствора хемосорбента и/или продукта хемосорбции с отделением твердых частиц и оборудование регенерации побочных продуктов, которое размещается, например, в составе оборудования десорбции у первичного источника энергии. Включение емкостей хемосорбата, раствора хемосорбента и продукта хемосорбции в состав устройства теплоснабжения существенно расширяет ее функциональные возможности: упрощение пуско-наладочных работ, возможность оперативной перенастройки устройства на работу в различных режимах (с различным количеством абсорберов и десорберов), регулирование устройства для установления требуемых режимов хемосорбции и хемодесорбции. Кроме того, емкости одновременно выполняют роль аккумуляторов тепловой энергии (накопителей исходных веществ и продукта реакции), что позволяет легко компенсировать (снять) пиковые тепловые нагрузки. Для этого достаточно включить дополнительную подачу веществ из этих емкостей и, при необходимости, подключить требуемое количество абсорберов, десорберов и теплообменников. Количество емкостей, как и количество абсорберов, десорберов и теплообменников, определяется условиями работы системы: уровнями и режимами потребления тепла, пиковыми нагрузками и т.п.

Включение в системы прямого и обратного транспортирования теплоносителя соответственно двух непрерывных трубопроводов для подачи хемосорбата и раствора хемосорбента и одного непрерывного трубопровода для отвода продукта хемосорбции является предпочтительным, преимущественно, для городских условий. При этом теплообменники-рекуператоры позволяют, при необходимости, достичь эффекта "холодных" труб - равенства (или весьма малого отличия, например на 1-5 градусов) температур транспортируемых веществ и окружающей среды, минимизировав тем самым тепловые потери и затраты на теплоизоляцию.

В системе прямого и обратного транспортирования теплоносителя могут быть включены мобильные средства доставки хемосорбата и раствора хемосорбента к абсорберу теплового пункта и продукта хемосорбции к десорберу первичного источника тепла. Этими средствами могут быть, например, авто- или железнодорожные цистерны или емкости, транспортируемые на других видах транспорта. В дополнение к достигаемому техническому результату, заключающемуся в экономии тепловой энергии, такое исполнение не только расширяет функциональные возможности предлагаемого устройства, но и расширяет область применения предлагаемой системы теплоснабжения. В частности, когда системы прямого и обратного транспортирования теплоносителя выполнены полностью мобильными, оно может использоваться в условиях, например, большой удаленности тепловых пунктов от первичных источников тепла, что характерно, например, для удаленных малонаселенных поселков или технических объектов. При этом в зависимости от расстояния и возможностей по объему перевозок реактантов система может функционировать либо в замкнутом режиме - с непрерывным циклическим процессом подачи хемосорбата и раствора хемосорбента и возврата на десорбцию продукта хемосорбции, либо в разомкнутом - с промежуточным накоплением указанных веществ в емкостях. Будучи включенными в системы прямого и обратного транспортирования теплоносителя в качестве вспомогательных средств, мобильные средства доставки хемосорбата, раствора хемосорбента и продукта хемосорбции позволяют в аварийной ситуации (например, при разрыве трубопроводов и т.п.) организовать на время ликвидации аварии подачу веществ-носителей скрытой теплоты химической реакции в абсорбер и отвод вещества-продукта хемосорбции в десорбер путем перевозки (транспортирования) этих веществ указанными средствами, минуя трубопроводы, и тем самым обеспечить бесперебойное теплоснабжение. Например, при использовании СО₂ и раствора МЭА в качестве носителей тепловой энергией для теплоснабжения в течение суток одного потребителя с мощностью потребления 1 МВт требуются две емкости по 250-300 м³ для 45%-ного водного раствора моноэтаноламина и накопления карбонизированного моноэтаноламина и одна емкость в 35 м³ для диоксида углерода в жидком виде. Добавим, что на основе предлагаемого устройства теплоснабжения может быть создана передвижная автономная система теплоснабжения, что актуально, например, для удаленных населенных пунктов небольшого масштаба или организации временного теплоснабжения в полевых условиях.

Устройство системы теплоснабжения может быть дополнительно снабжено устройствами регулирования давления в абсорбере (абсорберах) и десорбере (десорберах), а в качестве первичного источника тепла может быть использован источник низкопотенциального тепла с температурой теплоносителя, равной 323-353 К (50-80°С).

Предлагаемые изобретения иллюстрируются принципиальными схемами устройств систем теплоснабжения в конкретных формах, представленных на фиг.1-6.

На фиг.1 дана схема устройства системы теплоснабжения с двумя непрерывными трубопроводами для подачи хемосорбата и раствора хемосорбента и одним непрерывным обратным трубопроводом для отвода продукта хемосорбции.

На фиг.2 дана схема устройства системы теплоснабжения с двумя непрерывными трубопроводами для подачи хемосорбата и раствора хемосорбента и одним непрерывным обратным трубопроводом для отвода продукта хемосорбции, дополнительно снабженная емкостями хранения хемосорбата, раствора хемосорбента и продукта хемосорбции.

На фиг.3 дана схема устройства системы теплоснабжения с самостоятельными мобильными средствами доставки хемосорбата, раствора хемосорбента и продукта хемосорбции при работе в замкнутом режиме.

На фиг.4 дана схема устройства системы теплоснабжения с самостоятельными мобильными средствами доставки хемосорбата, раствора хемосорбента и продукта хемосорбции при работе в разомкнутом режиме.

На фиг.5 дана схема устройства системы теплоснабжения со вспомогательными мобильными средствами доставки хемосорбата, раствора хемосорбента и продукта хемосорбции при работе в аварийном режиме.

На фиг.6 дана схема устройства системы теплоснабжения, снабженного устройствами регулирования давления в абсорбере и десорбере при использовании первичного источника низкопотенциального тепла.

Предлагаемое устройство системы теплоснабжения включает (фиг.1-6): первичный источник тепла 1, например теплоэлектроцентраль (ТЭЦ) или котельную, устройство отбора тепловой энергии 2, по меньшей мере один тепловой пункт 3 с теплообменными устройствами 4 для систем теплопотребления, например отопления и горячего водоснабжения, системы прямого и обратного транспортирования теплоносителя 5, 6 между первичным источником тепла и тепловым пунктом, по меньшей мере один десорбер 7 с устройствами разделения компонентов, подключенный к устройству отбора тепловой энергии от первичного источника тепла 2, по меньшей мере один теплообменник-рекуператор с устройством фильтрации раствора хемосорбента 8, по меньшей мере один абсорбер 9, подключенный для передачи тепла к теплообменным устройствам 4 теплового пункта 3 и с по меньшей мере одним теплообменником-рекуператором 10.

В разных формах исполнения устройства теплоснабжения: она дополнительно содержит по меньшей мере три емкости - хемосорбата 11, раствора хемосорбента 12 и продукта хемосорбции 13, предназначенные для хранения этих веществ и подпитки ими устройства, каждая из емкостей подсоединена к соответствующим трубопроводам через смонтированные на емкости устройства дозированного перепуска вещества из трубопровода в емкость 14-16 и подачи его из емкости в трубопровод 17-19. Системы прямого и обратного транспортирования теплоносителя 5 и 6 включают, соответственно, два непрерывных трубопровода для подачи хемосорбата 20 и раствора хемосорбента 21 и один непрерывный трубопровод 22 для отвода продукта хемосорбции. В системы прямого и обратного транспортирования теплоносителя могут быть включены мобильные средства доставки хемосорбата 23, раствора хемосорбента 24 и продукта хемосорбции 25, например авто- или железнодорожные цистерны. В абсорбере 9 и десорбере 7 дополнительно введены устройства регулирования давления 26 и 27 (при использовании источника низкопотенциального тепла).

Предлагаемый способ осуществляют в следующей последовательности. Выбранный хемосорбат и раствор выбранного хемосорбента необходимой концентрации в требуемых количествах транспортируют (подают) к потребителю.

Затем осуществляют взаимодействие этих веществ - реакцию хемосорбции, выделившуюся тепловую энергию передают потребителю, рекуперируя при этом остаточное тепло таким образом, чтобы передать его поступающим на реакцию свежим порциям хемосорбата и раствора хемосорбента, а образовавшееся вещество - продукт хемосорбции транспортируют к первичному источнику тепла.

После этого проводят реакцию хемодесорбции, в результате которой получают восстановленные хемосорбат и раствор хемосорбента с аккумулированной в них в химической форме тепловой энергией первичного источника тепла и разделяют их. При этом физическое тепло, полученное хемосорбатом и раствором хемосорбента, рекуперируют таким образом, чтобы передать его поступающему на обратную реакцию продукту хемосорбции. Восстановленные хемосорбат и раствор хемосорбента разделяют и транспортируют (отводят) к потребителю, а процесс "подача - хемосорбция - отвод - хемодесорбция" многократно повторяют.

Аккумулирование тепла в химической форме и определенным образом ориентированные рекуперативные схемы обеспечивают меньшие, по сравнению с прототипом, потери тепла при транспортировании и меньшие затраты тепла первичного источника.

Пример.

В устройстве в виде модельной системы теплообеспечения подают при температуре окружающей среды 283,15 К (10°С) по двум раздельным трубопроводам газ СО₂ и 45%-й раствор МЭА, проводят реакцию хемосорбции, снимают тепло с продукта хемосорбции в систему теплопотребления, рекуперируют остаточное тепло и отводят продукт хемосорбции по обратной магистрали к первичному источнику тепла, проводят реакцию хемодесорбции с разделением компонентов, рекуперируют физическое тепло восстановленных CO₂ и раствора МЭА и многократно повторяют описанный процесс в течение 2-х часов.

Измеренные в процессе эксперимента по десорбции температуры СО₂ и восстановленного раствора МЭА после рекуперации тепла и карбонизированного раствора МЭА до и после рекуперации в среднем составили соответственно: 284,65 К (11,5°С), 284,55 К (11,4°С), 285,15 К (12°С), 363,15 К (90°С), что соответствует температурному напору в прямых трубопроводах в среднем 1,45 градуса, а в обратном - 2 градуса. Это существенно ниже значений, которые реализовались бы при использовании аналогов: 120 и 60 градусов соответственно.

Система теплоснабжения работает следующим образом (фиг.1-6).

По системе прямого транспортирования теплоносителя 5, выполненной с возможностью раздельного транспортирования хемосорбата и раствора хемосорбента, указанные вещества подаются в абсорбер 9. В частных случаях подача осуществляется по трубопроводам 20, 21 или с помощью мобильных транспортных средств 23, 24.

В абсорбере в процессе хемоабсорбции происходит насыщение раствора хемосорбента хемосорбатом с выделением тепла в физической форме. Образующийся продукт хемосорбции через теплообменное устройство 4 передает тепло системам теплопотребления, в данном случае - системе отопления и горячего водоснабжения. Остаточное тепло рекуперируется теплообменником-рекуператором 10. При этом рекуперация организована так, что поступающие в абсорбер вещества нагреваются, а образующийся продукт реакции - охлаждается.

Охлажденный продукт хемосорбции отводится по системе обратного транспортирования 6 в десорбер 7. В частных случаях отвод осуществляется по обратному трубопроводу 22 или с помощью мобильных транспортных средств 25. Предварительно включается устройство отбора тепловой энергии 2 от первичного источника тепла 7. После десорбции хемосорбат и хемосорбент разделяются, последний полностью или частично проходит через фильтры, а физическое тепло восстановленного хемосорбата и раствора хемосорбента рекуперируется в теплообменнике-рекуператоре 8. При этом рекуперация организована так, что поступающий в абсорбер продукт хемосорбции нагревается, а восстановленные и разделенные хемосорбат и раствор хемосорбента - охлаждаются.

Охлажденные хемосорбат и раствор хемосорбента поступают в систему прямого транспортирования, и процесс повторяется многократно.

Когда система теплоснабжения дополнительно снабжена по меньшей мере тремя емкостями - хемосорбата 11, раствора хемосорбента 12 и продукта хемосорбции 13, то при, например, отладке системы или снятии пиковой тепловой нагрузки включают или выключают смонтированные на емкостях устройства дозированного перепуска вещества из трубопровода в емкость 14, 15, 16 и дозированной подачи вещества из емкости в трубопровод 17, 18, 19, корректируя расчетные величины расходов хемосорбата и хемосорбента таким образом, чтобы обеспечить требуемый тепловой режим работы системы.

Работа устройства системы теплоснабжения в аварийных условиях зависит от конкретной ситуации (разрыв одного или нескольких трубопроводов) и состава оборудования системы (наличие и количество емкостей для хранения реактантов). В любом случае транспортировка реактантов осуществляется мобильными средствами.

Работа устройства системы теплоснабжения при использовании источника низкопотенциального тепла обеспечивается более глубоким регулированием давления в абсорбере (абсорберах) и десорбере (десорберах) с помощью дополнительных устройств 26, 27.

Источники информации

1. А.А.Ионин, Б.М.Хлыбов и др. Теплоснабжение. - М.: Стройиздат, 1982, с.27-53.

2. Э.К.Назаров, А.Я.Столяревский. Энерготехнологическое применение высокотемпературных ядерных реакторов. В сб. "Атомно-водородная энергетика и технология". Вып.3. М.: Атомиздат, 1980, с.106-112.

3. Патент RU 2200906 С 1, кл. F 24 D 3/08, дата публ: 2003.03.20.

4. Очистка технологических газов. Под ред. Семеновой Т.А. и Лейтеса И.Л. М.: Изд-во "Химия", 1977, с.121.