Диссертация (1091053), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Получившиеся пары поступают в адсорбер, кудатакже подается регенерированный адсорбент. В результате процессаадсорбции выделяется тепло, отводимое потребителю, а сорбент подается настадию регенерации, проводимую при пониженном давлении.Вадсорбционныхтепловыхнасосахвкачествеадсорбентовиспользуются цеолиты [124-127], активированный уголь [120, 128-131],силикагель [128, 129], а также различные композиты и пористые материалы[129, 132-135]. В качестве рабочих тел, кроме воды, также могутиспользоваться аммиак [134, 136] и метанол [129, 131, 136].Термохимические тепловые насосыПо сути, термохимические тепловые насосы являются частнымслучаем абсорбционных тепловых насосов [138, 139]. В них происходитциркуляция двух реагентов, способных вступать друг с другом в обратимуюхимическую реакцию. В результате этой реакции выделяется требуемоетепло, после чего образовавшееся химическое соединение термическиразлагается на индивидуальные компоненты.В качестве систем для термохимических тепловых насосов частовыступают системы на основе гидридов металлов [139, 140], а такжеразличные водные системы (CaCl2–H2O, Al2O3–H2O, MgO–H2O, Mg(OH)2–H2O) [141-145].
В работах [144, 145] также анализируется использованиетермохимическихтепловыхнасосовсприменениемMg(OH)2модифицированного LiCl и LiBr. В работе [146] проводится сравнительный38анализ использования хлорида кальция и хлорида лития в качествеабсорбентов, причем последний показывает большую эффективность ваккумулировании тепловой энергии. Большое распространение такжеполучило использование в термохимических тепловых насосах тройнаясистема изопропанол–ацетон–водород [147-151]. Статья [152] посвященаобзору различных технологий утилизации низкопотенциального тепла иаккумулированияизбыточнойтепловойэнергииспомощьютермохимических тепловых насосов и некоторых термодинамических циклов(например, цикла Ренкина).
В статье [153] разбирается применениетермохимических тепловых насосов с использованием солнечной энергиидля процессов сушки в сельскохозяйственном производстве.Термоэлектрические тепловые насосыТермоэлектрические тепловые насосы основаны на использованиитермоэлектрическогопреобразователя,принципдействиякоторогобазируется на эффекте Пельтье [154-159].
Элемент Пельтье состоит из двухсваренных друг с другом токопроводящих материалов (полупроводников) сразными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. Припротекании электрического тока через них, полупроводник с низким уровнемэнергии будет охлаждаться, а полупроводник с высоким уровнем энергиибудет нагреваться. Если при этом поместить полупроводник-акцептор всреду теплоприемника, а полупроводник-донор в среду источника тепла, тоданную установку можно будет использовать в качестве теплового насоса[154, 156].
В данном случае электроны будут играть роль рабочего телатеплового насоса, а сваренные полупроводники будут выступать в качествекомпрессора теплового насоса.К достоинствам термоэлектрических тепловых насосов можно отнестималые размеры, что дает возможность делать батареи из несколькихэлементов Пельтье [157], отсутствие шума и вибрации, а также возможностьрегулировки мощности.
Существенным недостатком термоэлектрическихтепловыхнасосовявляютсяихнизкий39КПД,возникающийиз-занеобходимости использовать для элементов Пельтье материалы с хорошейэлектропроводностью, но плохой теплопроводностью [156].Тепловые насосы на основе элементов Пельтье имеют довольноширокий спектр применения в различных электронных блоках и устройствах(например, в компьютерах), медицинской технике, а также для нагрева илиохлаждения помещений [159, 160].Магнетокалорические тепловые насосыДанный тип тепловых насосов работает за счет магнетокалорическогоэффекта. Данный эффект представляет собой изменение температурымагнетика в результате обратимого выделения или поглощения тепла привоздействии магнитного поля на вещество в адиабатических условиях [161162]. Адиабатический процесс достигается при быстром включении ивыключении магнитного поля, когда теплопередачей можно пренебречь.Магнетокалорические тепловые насосы используются в большинствесвоем для целей охлаждения [164-170].
В магнитной холодильной машинерабочее тело (магнетик) циклически перемещается между приемником иисточником теплоты (охлажденным телом). В зоне сильного магнитного полярабочее тело изотермически намагничивается, а теплота, которая выделяетсяв рабочем теле вследствие магнетокалорического эффекта, передаетсяприемнику теплоты. В зоне, где магнитное поле отсутствует, рабочее телоразмагничивается, вследствие чего температура рабочего тела снижается, ионо нагревается от источника теплоты – охлаждаемого тела. Послеустановленияравновесияциклповторяется.Такимобразом,магнетокалорический эффект обеспечивает работу магнитотеплового насоса,который забирает тепловую энергию от охлаждаемого тела. Имеютсямагнетокалорические тепловые насосы, в которых используется жидкость, снаполнителем в виде магнитных частиц.В качестве рабочих тел магнетокалорические тепловые насосыпредлагается использовать редкоземельные магнетики, сплавы Гейслера,арсенид марганца MnAs, соединения Gd5(Si2Ge2), Rco2, La(Fe,Si)13 и другие40подобные вещества, обладающие большим магнетокалорическим эффектом иизменением магнитной энтропии в удобных для работы таких машининтервалов температур [164, 165].1.4.
Использование тепловых насосов при проведении массообменныхпроцессовНаиболее широко тепловые насосы используются в различныхэнергетическихустановках.Онинаходяттакжедовольноширокоеприменение в химической технологии при проведении ряда массообменныхи реакционных процессов. Рассмотрим некоторые из них.ВыпариваниеПроцесс выпаривания применяется в основном для полученияконцентрированных водных растворов солей [3, 67, 171]. На его проведениетратитсязначительноеколичествоэнергии,впервуюочередьнаосуществление испарения. С целью энергосбережения при проведениипроцесса выпаривания могут применяться парокомпрессионные тепловыенасосы открытого и закрытого типов [172].Наиболее часто при выпаривании применяются тепловые насосыоткрытого типа. Это можно объяснить тем, что в качестве рабочего тела вэтом случае используется водяной пар, получаемый со стадии выпаривания[3, 6, 67]. Вторичные пары, образующиеся в процессе выпаривания,сжимаются компрессором теплового насоса от давления p1 до давления p2 иподаются в греющую камеру выпарного аппарата.
В греющей камере сжатыепары за счет теплообмена с испаряемым раствором конденсируются,нагревая раствор. Зная количество теплоты QИ, потребляемое процессомвыпаривания, количество получаемых вторичного пара и его тепловыехарактеристики можно определить до какого давления требуется сжатьвторичные пары. В большинстве случаев давление p2 будет достаточновелико, что потребует значительных энергозатрат на сжатие паровкомпрессором. Решить эту проблему можно, добавив к потоку сжатых41вторичных паров некоторое количество свежего греющего пара, что позволитснизить степень сжатия паров в компрессоре.В случае использования теплового насоса закрытого типа в качестверабочего тела используется циркулирующий по замкнутому контурувторичный теплоноситель. Получаемые вторичные пары из выпарногоаппарата направляются в конденсатор.
В нем они конденсируются, испаряяза счет конвективного теплообмена вторичный теплоноситель при давленииp1. Получаемые в результате пары сжимаются компрессором тепловогонасоса до давления p2 и направляются в греющую камеру выпарногоаппарата. Конденсируясь, сжатые пары нагревают испаряемый раствор.Образовавшийся конденсат вторичного теплоносителя дросселируется сдавления p2 до давления p1 и поступают в конденсатор на испарение.Аналогично открытому тепловому насосу, параметры работы закрытоготеплового насоса можно рассчитать на основе количества тепла QИ, котороенадоподвестиввыпарнойаппаратдляосуществленияпроцессавыпаривания.
Зная величину QИ и задав значение давления p2 до которогосжимаютсяпарывторичноготеплоносителяизначенияэнтальпиивторичного теплоносителя при давлениях p1 и p2 можно найти требуемоеколичество вторичного теплоносителя GВ, циркулирующего в контуретеплового насоса.Принциписпользованияпароструйногоинжектора воткрытомтепловом насосе в случае выпарки схож с использованием компрессора [3,67]. Вторичные пары под давлением p1 поступают в инжектор, куда такжеподается поток греющего пара высокого давления. В результате чегообразуется поток пара под давлением p2, подаваемый в греющую камерувыпарногоаппаратаиобеспечивающийупариваниерастворасоли.Суммарный поток вторичных паров, получаемых со стадии выпаривания, ипара высокого давления будет больше требуемого для обогрева выпарногоаппарата.
Поэтому часть вторичных паров отбирается в качестве экстрапара[3].42В работах [3, 172-175] приведены условия, в которых выгодноиспользовать парокомпрессионные тепловые насосы открытого типа.Технико-экономические расчеты показали, что использование компрессоровдля сжатия вторичных паров оправдывается при условии, что степень сжатиявторичных паров p2/p1 не превышает значений 2,5-3. При этом рабочаяразница между температурами конденсации паров и кипения раствора ваппарате не должна быть ниже 10оС.В работах [172-177] проводится анализ возможного повышенияэффективности использования тепловых насосов в процессе выпаривания.Так было показано, что использование рекуперативного теплообмена дляподогрева исходного раствора позволяет существенно сократить количествосжатого греющего пара, подаваемого в греющую камеру выпарногоаппарата.Выпарная кристаллизацияДанный процесс применяется для выделения веществ из водныхрастворов за счет изотермической отгонки части растворителя.
В работах [92,94, 178, 179] рассматривается процесс выпарной кристаллизации с тепловымнасосом открытого типа.При проведении выпарной кристаллизации с использованием тепловыхнасосов образовавшиеся вторичные пары под давлением p1 пропускаютсячерез компрессор, в результате чего их давление повышается до p2. Далее онипоступают в греющую камеру кристаллизатора, где они конденсируется,нагревая при этом кристаллизующийся раствор. Количество греющего паразависит от теплофизических характеристик кристаллизуемого раствора иусловий проведения процесса [92, 179]. В данном варианте возможно такжеиспользование рекуперации тепла между потоком отводимого конденсатагреющего пара и исходным раствором, подаваемым в кристаллизатор. Вработе [92] также рассматривается случай, когда часть отводимогоконденсата используется для насыщения сжатых вторичных паров путем43впрыскивания конденсата или путем барботажа перегретого пара черезкипящий конденсат.В работе [94] приводится анализ различных схем разделения путемсочетания процессов выпаривания и выпарной кристаллизации, а такжедвухкорпусной выпарной кристаллизации с использованием тепловыхнасосов открытого типа.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
