Простейшим примером процесса с рекуперацией тепловой энергии является выпаривание с тепловым насосом. Этот способ выпаривания является альтернативным использованию многокорпусных выпарных установок, реализующих экономию греющего пара. В данном случае в качестве греющего используется вторичный пар, для повышения потенциала которого (давления и соответственно температуры конденсации) его сжимают в компрессоре. При этом его температура конденсации становится на 10-15 градусов выше температуры кипения раствора.
Схема такого выпарного аппарата с полным тепловым насосом (сжимается весь вторичный пар) представлена на рис. 2.
Сжатие вторичного пара целесообразно проводить в турбокомпрессорах, так как поршневые компрессоры загрязняют пар смазкой, что резко повышает термическое сопротивление в процессе конденсации.
2
W, hвт, tвт, Pвт
Gн, xн, сн, tн W, Ргр
D, Hгр, tгр, Ргр
D, tконд, cконд D0
Gк, xк, ск, tк
Рис.2. Схема выпарного аппарата с полным тепловым насосом:
1- выпарной аппарат; 2 - турбокомпрессор
При конденсации 1 кг греющего пара получается 0,8 - 0,9 кг вторичного, поэтому для стационарности выпаривания к сжатому вторичному пару Wдобавляют свежий пар в количестве D0. Необходимый расход пара:
D = W + D0, тогда: (2)
D0=D–W=(Q/rгр)-W=[GнCн(tк-tн)+W(hвт-cвтtк)+Qп+Qконц]/rгр)–W(3)
Мощность, затрачиваемую на сжатие вторичного пара, определяют по формуле:
, (4)
где (H* - hвт) – работа сжатия вторичного пара от давления Рвт до Ргр;
H* - энтальпия сжатого пара, находящегося после сжатия в перегретом состоянии; поэтому H*> Hгр;
hсж- КПД политропного сжатия;
hмех - механический КПД компрессора.
При работе такой выпарной установки вследствие рецикла (обратного потока) вторичного пара происходит рекуперация тепловой энергии. Естественно, что работа по схеме с тепловым насосом энергетически выгоднее, чем без него. Но область ее применения ограничена специфическими характеристиками работы турбокомпрессоров (высокие производительности при сравнительно небольших степенях сжатия). В результате обобщения опыта эксплуатации различных выпарных установок найдено, что выпаривание с тепловым насосом экономически оправдано, когда Ргр / Рвт > 2,5 - 3 и W > 1,5 м3/с [6].
Типичным сопряженным процессом, рекуперирующим механическую энергию, является абсорбционно-десорбционный процесс.
Упрощенная схема процесса приведена на рис.3
V III II
IY 2 1
III 3 4 IY I
Рис.3. Принципиальная схема абсорбционно-десорбционного агрегата:
1 - абсорбер, 2 - десорбер, 3 - электродвигатель, 4 - насос, 5 - турбина;
I - исходный очищаемый газ, II - очищенный газ, III - абсорбент, IV - отработанный абсорбент, V - десорбированный компонент
Исходный газ I, содержащий поглощаемый компонент, подается в абсорбер 1, работающий под достаточно высоким давлением. Туда же многоступенчатым центробежным насосом 4 направляется абсорбент III. Из абсорбера выходят очищенный газ II и абсорбент IV, насыщенный поглощенным компонентом. Абсорбент, находящийся после абсорбера под высоким давлением, поступает на турбину 5, где его давление сбрасывается до атмосферного. Из турбины поток IV направляется в десорбер 2, где происходит выделение поглощенного компонента из его смеси с абсорбентом и их разделение. Поток компонента V выводится к потребителю, а регенерированный абсорбент III возвращается насосом в абсорбер.
Рассмотренный процесс является примером сопряжения насоса и турбины: последняя возвращает заметную долю механической энергии, затрачиваемой насосом на подачу поглотителя в абсорбер. Описанный процесс используется в промышленности для выделения СО2 из азотоводородной смеси. При этом давление в абсорбере составляет 1,6 - 3,0 МПа, а в десорбере – атмосферное. В комбинации «электродвигатель – насос - турбина» удается рекуперировать до 40 % энергии, необходимой для работы насоса. Отметим, что такое же сопряжение насоса и турбины применяется и на крупных обратноосмотических установках, служащих, например, для опреснения морской воды. Сбрасываемый поток концентрата находится под давлением 4,5-5,0 МПа, и эта энергия рекуперируется также с помощью турбины.
Способ десорбции понижением давления над абсорбентом является простым и особенно выгоден в тех случаях, когда абсорбцию проводят при повышенных давлениях.