CS260901B1 - Zařízení pro dálkový přenos nízkopotenciálnfho tepla pomocí tepelnábo čerpadla - Google Patents

Abstract

Podstatou řešení je, že výměník tepla celého systému je vytvořen jako dvoufázový výměník tepla v deskovém provedení a je umístěn pod chladicí věží kondenzační elektrárny, popřípadě je upraven v chladicím systému nahrazujícím chladicí věž elektrárny, přičemž kompresor je vytvořen ,jako dvou· stupňový.

Description

Vynález se týká zařízení pro dálkový přenos nízkopotenciálního tepla pomocí tepelného čerpadla.

Jde o řešení problému využití odpadního kondenzačního tepla přiváděného do vody v chladicích věžích elektráren, které tam mizí do ovzduší v důsledku proudění chladicího vzduchu, jakož i problému využití jiných zdrojů odpadního tepla, například z větracích šachet dolů, z průmyslových provozů (sušíren, pekáren, čistíren aj.), kde rovněž teplo uniká do ovzduší bez užitku a ještě zhoršuje ekologickou rovnováhu životního prostředí. Na rozdíl od různých teoretických studií, které podávají nástin principů řešení vytčeného problému s využitím tepelných čerpadel, například článek prof. Alefelda v čísle 3 časopisu Brennstoff-Warme-Kraft z roku 1977 (str. 94-98), je předmětem vynálezu konkrétní, za nynějšího stavu techniky uskutečnitelné řešení, které sleduje vhodnou kombinací známých prvků (zařízení a způsobu jejich aplikace) dosaženi jednak co nejefektivnějšího přestupu tepla z jeho nositele (například chladicí vody z kondenzační elektrárny) do proudícího tepelného média (například čpavkových par) včetně jeho co nejbezpečnějšího a minimálně ztrátového přepravování do místa komprese a tudíž i do místa využití, jednak co nejúčinnějšího využití otopného výkonu agregátu sestávajícího z kompresoru, kondenzátoru a topného potrubí pro přívod otopné vody do míst spotřeby tepla včetně co nejvhodnější zpětné přepravy zkondenzovaného tepelného média (například kapalného čpavku)'ke zdroji tepla.

Podstatou zařízení pro dálkový přenos nízkopotenciálního tepla pomocí tepelného čerpadla podle vynálezu je, že výměník tepla je vytvořen jako dvoufázový, v deskovém provedení a je umístěn pod chladicí věži kondenzační elektrárny, popříp. je upraven v chladicím systému, nahrazujícím chladicí věž elektrárny, přičemž kompresor je vytvořen jako dvoustupňový. Z prvního stupně tohoto dvoustupňového kompresoru je upraven vývod pro vytlačováni komprimovaného plynného média pod hladinu kapalného média v průchozím mezichladiči, z něhož vychází spojovací potrubí pro nasávání ochlazeného plynného média za mezitlaku do druhého stupně dvoustupňového kompresoru. Z kondenzátoru je upraven odvod zkapalněného média, který může popřípadě procházet dochlazovačem, a to za účelem zvýšení výkonu celéjío zařízení a takto se přivádí zkapalněné médium rovněž pod hladinu kapalného média v průchozím mezichladiči. Na jeho vyústění je orgán pro seškrcení kapalného média a pro odvedeni vzniklé plynné části spojovacím potrubím do nasávací části druhého stupně dvoustupňového kompresoru ke zvýšení otopného výkonu.

Ze spodní části průchozího mezichladiče vystupuje zpětné potrubí pro přenos zkondenzovaného média do místa zdroje tepla. Toto zpětné potrubí může být umístěno uvnitř dálkového funkčního potrubí, které spojuje výměník tepla napojený na zdroj nízkopotenciálního tepla s kompresorem.

V zařízení podle vynálezu použité dvoufázové výměníky tepla, a to jak deskové resp. ploché, tak s uzavřenými funkčními elementy přinášejí - ve srovnání s dosud používanými trubkovými a kotlovými výměníky - daleko efektivnější výměnu tepla a tím i účinnější využiti odpadového tepla k jeho přenosu.

Pokud jde o výměníky deskové, založené na principu turbulentního proudění média, například vody, z tepelného zdroje v jednom deskovém tělese a turbulentního protiproudění média, například čpavku resp. jeho par, v přilehlém deskovém tělese, dosahovaného zvrásněním (profilováním) vnitřního povrchu deskových - dutých plochých - těles, se těchto pro přestup tepla resp. naopak chladu tak účinných výměníků používá prakticky téměř výhradně pro chlazení v potravinářském průmyslu (mléka, vaječné směsi, ovocných š€áv atp.). Jak se však ukázalo ve výsledku řešení konkrétního úkolu v oblasti dálkového přenosu nízkopotenciálního tepla, lze s použitím deskových výměníků přenést tepelný výkon z vody do čpavku ve výši až 270 MW při vstupní teplotě vody 25 °C, výstupní teplotě vody 15 °C, vypalovací teplotě média NH, = +10 °C, pomocí ^J 2 cca 4 938 až 5 000 desek o celkové ploše přenášející teplo cca 7 900 m .

Díky osvědčenému řešení konstrukce deskových výměníků zavěšených do pevných rámů zaberou výměníky s uvedeným výkonem prostor představující zlomek odpovídající celkové kubatury výměníků tepla dosud u nás užívaných; jde o cca 197 až 200 desek připadajících na 1 jednotku těchto deskových výměníků tepla, takže lze uvažovat s 24-25 jednotkami.

Uspořádání kompresorového agregátu je dáno potřebou dosahovat sice velkých topných výkonů, avšak zároveň zabránit tomu, aby teplota komprimovaného tepelného média nepřesáhla 130 °C, kdy by mohly nastat poruchy jak v mazání agregátu, tak v médiu samém (eventuální disociace NH₃): proto je vestavěn mezichladič a proto je aplikován dvoustupňový kompresor. K dosahování velkých topných výkonů jsou v agregátu uplatněny prvky vynahrazující energetické ztráty, jako například ty, jež nastanou ochlazením plynného média vystupujícího z prvního stupně kompresoru, a to tím, že se ochlazení provádí probubláním skrz kapalnou část média v dolní části mezichladiče a takto se dosáhne zvýšené koncentrace plynného média k převodu do nasávací části druhého stupně kompresoru; kromě toho jsou tam uplatněný prvky zvyšující otopný výkon zařízení, jako například vestavění dochlazovače zásobovaného obyčejnou vodou ze sítě jako chladicím médiem pro dochlazení zkapalněného média a dále seškrcování tohoto zkapalněného média při jeho přívodu pod hladinu kapalného média v mezichladiči, kde v důsledku toho vzniklá plynná část se opět přivádí do nasávací části druhého kompresoru.

Výhodou výměníku tepla s uzavřenými funkčními elementy je možnost použití snadno dostupných materiálů k jejich konstrukci i_gednoduchost výroby uzavřených funkčních elementů pro jejich poměrně malé rozměry a omezenou tlouštku stěny. Dělicí přepážka zde v zásadě nemá funkci tepelně výměnné plochy a protože slouží jako nosič uzavřených funkčních elementů, musí mít potřebnou tuhost a pevnost; to přináší novou přednost spočívající v tom, že přepážka může být zhotovena z libovolného materiálu, včetně například betonu. Jal^o kapalinovou a párovou fázi lze pro uzavřené funkční elementy použít snadno zkapalnitelné plyny jako oxid siřičitý SOj, nízkovroucí kapaliny jako čpavek KH^, propan CHjCHjCHj, butan CH₃CH₂CH₂CH₃, nižší chlorované alifatické nebo aromatické uhlovodíky, zvláště nehořlavý tetrachlormetan CCl^, methano], ethanol apod., včetně směsí nižších alkoholů s vodou a dalšími kapalinami. Zvlášt výhodné je použití čpavku NH^, vody H.,0 a metanolu CH^OH vzhledem k jejich vysokému skupenskému teplu, jež stimuluje intenzivní výměnu tepla.

Zařízení pro dálkový přenos nízkopotenciálního tepla podle vynálezu je znázorněno na výkresech na obr. 1 až 7, kde obr. 1 ukazuje uspořádání systému deskových výměníků upraveného pod chladicí věží kondenzační elektrárny, popřípadě místo této věže při pohledu z boku, obr. 2 znázorňuje totéž v půdorysu a na obr. 3 je axonometrické znázornění pevného spojení a propojení jednotlivých výměníkových desek v jednotce.

Výměníkové jednotky JI (v celkovém počtu 24) jsou upraveny na pevných, zpravidla betonových, záklaáech v betonové nádrži g, do níž vyústují potrubí 2 pro přítok vody oteplené v kondenzátoreoh elektrárny; u jednotlivých výměníkových jednotek JI jsou upravena oběhová čerpadla Jj pro nasávání oteplené vody do oběhu ve vodních výměníkových dutinách a tím pro účinný přestup tepla do přilehlých dutin spojených s dvojím potrubím k přivádění protiproudícího kapalného čpavku, který po seškrcení ve ventilech z mezitlaku na vypařovací tlak se tím mění ve čpavkovou páru. Pro odvod těchto par jsou na jednotlivé výměníkové jednotky 1_ napojena potrubní ramena 7_ ústící do vnějšího mezikruží dálkového funkčního potrubí 8;,· zatímco dvojí potrubí 6 ústí do vnitřní roury dálkového funkčního potrubí _8 pro .přívod ochlazeného tekutého čpavku od místa spotřeby tepla. Pro zpětný přívod ochlazené vody z vodních výměníkových dutin jsou jednotlivé výměníkové jednotky JL napojeny na dvojí vratné vodní potrubí vedoucí k elektrárenskému kondenzátoru.

V uvedeném příkladě provedení mají čpavkové páry vstupující do dálkového funkčního potrubí Jj tak vysoký tlak, že rozdíl mezi ním a tlakem čpavkových par na sací straně turbokompresoru (obr. 7) na místě spotřeby tepla je dostatečný k zajištění transportu par, takže není nutno do dálkového funkčního potrubí 8_ instalovat dmychadla.

Výměníky tepla s uzavřenými funkčními elementy jsou znázorněny na obr. 4 - výměník s jednou komorou - , na obr. 5 - s dvěma .komorami a na obr. 6, na němž je pohled shora na vodorovný řez probíhající dělicí přepážkou, zatímco na obr. 7 je znázorněno pokračování dálkového funkčního potrubí.

Výměník s uzavřenými funkčními elementy je tvořen komorou la zpravidla protáhlého tvaru (s případnou tepelnou izolací), která je neprodyšně rozdělena podélnou plochou přepážkou 2a na dvě části, z nichž do horní části vústuje přívod 3a chladného média, určeného k ohřátí , a odváděného vývodem 4a na protilehlé straně. Do dolní části je na této straně upraven přívod 5a média ze zdroje tepla, jež se po ochlazení v komoře la výměníku vypouští vývodem 6a na opačné straně. V neprodyšné přepážce 2. jsou rovněž neprodyšně umístěna uzavřená protáhlá dutá tělesa 7a; mohou být upevněna kolmo i šikmo k ploše přepážky 2a, symetricky i asymetricky a mohou mít různé tvary, mohou být uchycena jak v přepážce 2a, tak v dolní nebo horní stěně komory la. Uzavřená dutá tělesa 7a mohou mít řadu materiálových provedení podle požadavků daných použitými médii (odolnost proti korozi, pevnost uchycení atp.). Zpravidla je spodní část uzavřeného dutého tělesa, ponořená do teplonosného ochlazovaného média, zaplněna z větší části kapalinou a zbytek objemu celého tělesa je zaplněn parami. Vzájemný poměr objemů kapaliny a páry se určuje různě podle účinnosti skupenské přeměny dané kapaliny, ukazateli přenosu tepla a poměru povrchů dolní a horní části uzavřeného dutého tělesa nad a pod dělicí přepážkou, fyzikálními parametry kapaliny a páry (jako například viskozita, skupenské teplo při fázové přeměně aj.). Tyto parametry a jejich vzájemné vztahy se mohou promítnout do rozměrů celého výměníku tepla a pokud bude, při minimálním tepelném spádu zapotřebí vyrobit výměník tepla s velkým tepelným výkonem, bude možno zhotovit výměník se dvěma nebo více komorami, jak je zřejmé z obr. 5.

Jeho tělesné uspořádání je u první komory la totožné s obr. 4 a u druhé komory lb do její horní části vyústuje přívod 3a vyvedený z horní části komory la, a to pro chladné médium, určené k ohřátí, jež se odvádí z dvoukomorového výměníku vývodem 4a z horní části druhé komory lb. Obdobně přívod 5a média ze zdroje tepla do dolní části první komory la pokračuje do dolní části lb druhé komory, odkud je na opačné straně upraven vývod 6a média po odevzdání tepla jak uzavřeným tělesům 7a v první komoře la tak uzavřeným tělesům 7b v druhé komoře lb.

Na obr. 4 a 5 znázorněná protiproudová výměna tepla však může být nahrazena i jiným uspořádáním, založeným na souběžnosti proudů ohřívaného a ochlazovaného média (jak kapaliny/ tak páry či plynu). Rovněž rozmístění uzavřených funkčních elementů (protáhlých dutých těles) je možno určovat rozmanitě, a to v souladu s požadavky kompaktnosti výměníku tepla na straně jedné a přijatelného odporu proudění kapaliny přes komplikovaný průřezový profil komory na straně druhé. Zpravidla budou uzavřená dutá tělesa (uzavřené funkční elementy) umístěna kolmo nebo šikmo napříč toku ohřívaného nebo ochlazovaného média, a to tak, aby četnost těchto těles a velikost mezer mezi nimi nutily tepělné médium k intenzivnímu a pokud možno turbulentnímu proudění a tím ke zintenzivnění výměny tepla; příklad provedení je zřejmý z obr, 6, který znázorňuje pohled shora na vodorovný řez probíhající dělicí přepážkou 2a (k obr. 4).

V souvislosti se systémem zařízení pro dálkový přenos nízkopotenciálního tepla pomoci tepelných čerpadel, je třeba podotknout, že zatímco deskové výměníky jsou vhodné zejména při využiti odpadního tepla z elektráren, poskytnou výměníky tepla s uzavřenými funkčními elementy možnost využit obdobně jiné zdroje tepla, a to právě pro rozmanitost možných provedeni a konstrukcí včetně použitelnosti různých druhů médií.

Pokud jde o uvedené příklady provedení, poukazujeme na to, že jako u obr. 2 je naznačena možnost napojení potrubních ramen 7. pro odvod čpavkových par do vnějšího mezikruží dálkového funkčního potrubí 8, tak obdobně lze napojit vývod 4a ohřátého média znázorněný na obr. 4 do tohoto mezikruží dálkového funkčního potrubí .8, znázorněného na obr. 7, zatímco přívod 3a chladného média na obr. 4 je napojen na zpětné potrubí 6 pro přenos zkondenzovaného média do místa zdroje tepla na obr. 7.

Další částí zařízení podle vynálezu je soubor tvořený dvoustupňovým kompresorem (s výhodou turbokompresorem vzhledem k velkým tepelným výkonům) a s ním pomocí mezichladíče spřažený kondenzační výměník tepla a topné potrubí pro přívod otopné vody do míst spotřeby tepla.

K odvodu zkondenzovaného média (ochlazeného kapalného čpavku) je na kondenzační výměník tepla napojeno zpětné potrubí, jež je s výhodou (zejména při použiti čpavku) umístěno uvnitř dálkového funkčního potrubí.

Příklad provedení této části je na obr. 7, kde je znázorněno pokračování dálkového funkčního potrubí jí pro dopravu média nesoucího nízkopotenciální teplo (čpavkové páry) do prvního stupně dvoustupňového kompresoru 9. Odtud je upraven vývod 9a pro vytlačování komprimovaného plynného média pod hladinu kapalného média v průchozím mezichladiči JU), z něhož vychází spojovací potrubí 9b pro nasáváni ochlazeného plynného média za mezitlaku do druhého stupně dvoustupňového kompresoru 9_, přičemž z kondenzátoru 11 je upraven odvod 10b zkapalněného média - s eventuálním průchodem skrz dochlazovač D pro zvýšení výkonu zařízení - rovněž pod hladinu kapalného média v průchozím mezichladiči 10, na jehož vyústění je orgán 10c pro seškrcení kapalného média a odvedení vzniklé plynné části spojovacím potrubím 9b do nasávací části druhého stupně dvoustupňového kompresoru 2 ke zvýšení otopného výkonu. Ze spodní části průchozího mezichladiče 10 vystupuje zpětné potrubí /5 pro přenos zkondenzovaného média do místa zdroje tepla.

Zařízení pro dálkový přenos nízkopotenciálního tepla podle vynálezu najde praktické uplatnění v místech vzdálených od velkého zdroje odpadního tepla.

Claims (3)

1. PftEDMĚT VYNALEZU

   1. Zařízení pro dálkový přenos nízkopotenciálního tepla pomocí tepelného čerpadla, sestávající z výměníku tepla napojeného na zdroj nízkopotenciálního tepla a spojeného dálkovým funkčním potrubím pro přenos odpařeného média s kompresorem, ke kterému je připojen kondenzační výměník tepla, na nějž navazuje topné potrubí pro přívod otopné vody do míst spotřeby tepla a zpět ke kondenzačnímu výměníku tepla, z něhož vede zpětné potrubí pro přenos zkondenzovaného média do místa zdroje tepla, vyznačující se tím, že výměník tepla je vytvořen jako dvoufázový výměník tepla v deskovém provedení a je umístěn pod chladicí věží kondenzační elektrárny, popřípadě je upraven v chladicím systému, nahrazujícím chladicí věž elektrárny, přičemž kompresor (9) je vytvořen jako dvoustupňový.
2. 2. Zařízení podle bodu 1 vyznačující se tím, že z prvního stupně dvoustupňového kompresoru (9) je upraven vývod (9a) pro vytlačování komprimovaného plynného média pod hladinu kapalného média v průchozím mezichladiči (10), z něhož vychází spojovací potrubí (9b) pro nasávání ochlazeného plynného média za mezitlaku do druhého stupně dvoustupňového kompresoru (9), přičemž z kondenzátoru (11) je upraven odvod (10b) kapaliny, popřípadě s průchodem dochlazovačem (D) pro zvýšení výkonu zařízení, rovněž pod hladinu kapalného média v průchozím mezichladiči (10), na jehož vyústění je orgán (10c) pro seškrcení kapalného média a odvedení vzniklé plynné části spojovacím potrubím (9b) do nasávací části druhého stupně dvoustupňového kompresoru (9) ke zvýšení otopného výkonu, zatímco ze spodní části průchozího mezichladiče (10) vystupuje zpětné potrubí (6) pro přenos zkondenzovaného média do místa zdroje tepla.
3. 3. Zařízení podle bodů 1 a 2 vyznačující se tím, že zpětné potrubí (6) pro přenos zkondenzovaného média do místa zdroje tepla je upraveno uvnitř dálkového funkčního potrubí (8)