(57) Реферат / Формула:
Предложены система и способ, предназначенные для оптимизации концентрации CO 2 в замкнутых или полузамкнутых пространствах. В состав данной системы входит комплекс (3), улавливающий CO 2 из наружного воздуха и содержащий два блока (134, 172), способных адсорбировать и десорбировать CO 2 на адсорбенте и функционирующих попеременно в режиме адсорбции и в режиме десорбции.
Евразийское (21) 201990447 (13) A1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОЙ ЗАЯВКЕ
(43) Дата публикации заявки (51) Int. Cl. A01G 9/18 (2006.01)
2019.08.30 A01G 9/24 (2006.01)
(22) Дата подачи заявки 2017.08.16
(54) СИСТЕМА ДЛЯ КЛИМАТ-КОНТРОЛЯ В ЗАМКНУТЫХ ИЛИ ПОЛУЗАМКНУТЫХ ПРОСТРАНСТВАХ
(31) 20161306
(32) 2016.08.16
(33) NO
(86) PCT/NO2017/050204
(87) WO 2018/034570 2018.02.22
(71) Заявитель:
ГРИНКЭП СОЛЮШЕНЗ АС (NO)
(72) Изобретатель:
Юхансен Том, Кристенсен Тор, Шевеланн Ярле (NO)
(74) Представитель:
Хмара М.В., Липатова И.И., Новоселова С.В., Пантелеев А.С., Ильмер Е.Г., Осипов К.В. (RU)
(57) Предложены система и способ, предназначенные для оптимизации концентрации CO2 в замкнутых или полузамкнутых пространствах. В состав данной системы входит комплекс (3), улавливающий CO2 из наружного воздуха и содержащий два блока (134, 172), способных адсорбировать и де-сорбировать CO2 на адсорбенте и функционирующих попеременно в режиме адсорбции и в режиме десорбции.
СИСТЕМА ДЛЯ КЛИМАТ-КОНТРОЛЯ В ЗАМКНУТЫХ ИЛИ ПОЛУЗАМКНУТЫХ ПРОСТРАНСТВАХ
5 Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу повышения концентрации С02 в замкнутых пространствах (таких как теплицы и оранжереи), скомбинированному с кондиционированием воздуха и способному повысить уровень усвоения С02 растениями, а также ускорить процесс их роста и, в то же время, позволяющему
10 избежать проблем, связанных со слишком высокой или слишком низкой относительной влажностью воздуха. Более конкретно, изобретение относится к интеграции способа очистки и процесса улавливания С02 из воздуха в сочетании с контролем температуры как по влажному, так и по сухому термометру, причем данный контроль обладает высоким кпд по энергии, а предлагаемая комбинация указанных способа, процесса и
15 контроля не применяет каких-либо химикатов, разлагающихся под действием кислорода, и характеризуется высокоэффективным улавливанием С02, экономией суммарной полезной энергии и, с системной точки зрения, отрицательным показателем высвобождения углерода.
20 Предшествующий уровень техники
Растения, выращиваемые в замкнутых или ограниченных зонах, таких как теплицы, будут поглощать С02, уменьшая его содержание в окружающем воздухе. В результате концентрация С02 понижается, а скорость процесса роста растений тормозится. Это уменьшение может произойти очень быстро, в течение нескольких
25 часов, даже если какое-то количество воздуха поступает в замкнутое или полузамкнутое пространство из окружающей среды. В то время как в атмосфере содержание С02 составляет примерно 400 миллионных долей (м. д.) общего объема, этот же параметр в хорошо вентилируемом полузамкнутом пространстве в типичной ситуации может находиться в интервале 300-330 м. д. При этом предполагается, что
30 эффективность вентиляции достаточно велика, чтобы полностью заменять в полузамкнутом пространстве весь воздух один или два раза в час. Если вентиляция недостаточна, значения концентрации С02 заметно понижаются, смещаясь ниже 300330 м. д. и приближаясь к 200 м. д., в результате чего процесс роста растений может быть фактически заблокирован. Когда температура в полузамкнутом пространстве
35 отличается от температуры окружающего воздуха, требуемый свежий
(вентиляционный) воздух необходимо подогревать, а это может оказаться весьма энергоемкой операцией.
Независимо от уровней эффективности вентиляции, в полузамкнутом пространстве повысить концентрацию С02 до уровня концентрации С02 в 5 вентиляционном воздухе невозможно, не прибегая к обогащению воздуха С02. При этом хорошо известно, что обогащение воздуха этим газом до уровня, на котором концентрация С02 в полузамкнутой системе не только достигает 400 м. д., но и превышает 1000 м. д., может существенно ускорить процесс роста растений и, в частности, на 20-80 % или более повысить производство биомассы.
10 Испарение воды из растений в замкнутом или полузамкнутом пространстве
повышает уровень влажности местного воздуха. Из общего количества влаги, потребляемой растением, примерно 90 % расходуется на испарение, т. е. для процесса роста используется только 10%. Испарение охлаждает растение ниже температуры наружной среды на 2 % или более. Скорость испарения представляет
15 собой функцию, зависящую от нескольких факторов, в число которых входят радиационное поступление тепла и относительная влажность воздуха. В частности, испарение понижается в случае высокого уровня относительной влажности, близкого к насыщению местного воздуха парами воды. Если затем температура понижается, вода может осаждаться на листьях или в других местах растений, в результате чего
20 возникает опасность возникновения грибковых заболеваний. Низкая относительная влажность (например влажность ниже 50 %) в комбинации с высокой температурой может привести к избыточным уровням испарения. В возможном варианте после этого в растении начнут перекрываться устьица отверстий, через которые происходит испарение, и оно, соответственно, понизится. Однако поскольку, кроме того, через эти
25 устьица в растения поступает С02, данный эффект может ограничить процесс их роста. Поэтому важно поддерживать относительную влажность местного воздуха если не на оптимальном, то хотя бы на приемлемом уровне.
Скорость процесса роста растений зависит от температуры местного воздуха, причем оптимальная температура зависит от вида растения и времени дня. Для
30 большинства растений пригодна дневная температура 20-25 °С, а оптимальный уровень ночной температуры может находиться в интервале 10-18 °С. Во многих географических зонах, в которых широко применяются замкнутые или полузамкнутые системы производства биомассы, требуется круглогодичный подогрев.
Три важных регулируемых рабочих параметра, а именно концентрация С02,
35 относительная влажность и температура, часто регулируются более или менее независимо друг от друга, хотя они в высокой степени взаимозависимы. На фиг. 3
приведен пример воздействия С02 на скорость процесса роста, причем в данном случае допускается, что другие питательные вещества и свет отрегулированы с выведением на надлежащие уровни. В этом примере нормальная (принимаемая за стопроцентную) скорость роста достигается при уровне содержания С02 по объему 320 5 м. д. Если использовать другую терминологию, потребление С02 соответствует уровню 100 м. д. С02 в час или, в пересчете на объем 5000 м3, примерно 900 г С02 в час. По меньшей мере для некоторых растений оптимальная скорость роста достигается, когда концентрация С02 составляет примерно 1000 м. д. Если используется вентиляция, воздух, выведенный из замкнутой системы, также будет содержать 1000 м. д. С02,
10 являясь, таким образом, источником эмиссии С02.
С02 можно подавать посредством вентиляции, однако, таким образом нельзя повысить его концентрацию выше концентрации С02 в атмосфере, составляющей примерно 400 м. д. Для поддерживания концентраций С02 на уровнях, значительно превышающих 320 м. д., требуются высокие интенсивности вентиляции. В зонах с
15 холодным климатом может быть существенной энергия, требуемая для подогрева вентиляционного воздуха. В зонах с очень теплым климатом может потребоваться охлаждать этот воздух. В таком случае может возникнуть ситуация, в которой, чтобы свести к минимуму образование водяного конденсата, из воздуха должна быть удалена влага. Следствием вентиляции является потеря водяного пара,
20 образованного испарением, т. е. утрата 90 % оросительной воды.
В обычной ситуации, чтобы повысить концентрацию С02, этот газ должен подаваться не из воздуха, а из других источников. К примерам такой подачи относится С02, поступающий в виде продукта сжигания ископаемых типов топлива (при этом, кроме того, вырабатывается тепло), из баллонов со сжатым С02, из сухого льда, в
25 результате разложения органического вещества или в виде продукта ферментации. Если теплица вентилируется, а концентрация С02 поддерживается на уровне выше 400 м. д., всё это вместе взятое приводит к нежелательному выбросу С02 в атмосферу.
В WO 2013/075981 описан способ экстрагирования С02 из воздуха посредством 30 адсорбции и десорбции на твердом адсорбенте, функционализированном с использованием аминосоединений. Таким образом повышается способность к адсорбции и уменьшается чувствительность адсорбента к влаге. Однако во время регенерации адсорбента аминосоединения подвергаются воздействию горячего воздуха с высокими концентрациями С02, вызывающему потенциальное разложение с 35 образованием токсичных, а возможно и канцерогенных продуктов. Поэтому С02,
полученный из таких источников, нельзя применять в замкнутом пространстве теплицы.
В теплицах относительную влажность можно регулировать посредством воздушной вентиляции. Однако это может негативно повлиять на концентрацию С02 в 5 теплице, в особенности если используются повышенные концентрации С02. Кроме того, может оказаться существенной энергия, требуемая для подогрева вентиляционного воздуха. В зонах с теплым и влажным климатом понижение влажности посредством вентиляции может оказаться недостаточно эффективным. Как и в случае использования вентиляции для подачи С02, любое вентилирование с целью
10 уменьшения количества паров воды в воздухе вызывает потерю водяного пара, образованного испарением, т. е. утрату примерно 90 % оросительной воды.
Альтернативный вариант уменьшения содержания паров воды в воздухе внутри теплицы заключается в опрыскивании воздуха охлажденной водой. Соответствующее охлаждение может быть выполнено посредством циркуляции воды между
15 распыляющим устройством, находящимся в помещении, и наружной зоной контакта с воздухом. Если наружный воздух не насыщен парами воды и не близок к такому насыщению, в контакте с ним некоторое количество воды будет испаряться. В результате вода охлаждается, после чего ее можно повторно использовать в распыленном виде для охлаждения внутреннего пространства теплицы. Однако, как и
20 в варианте с удалением влаги посредством вентиляции, это приводит к потере потенциально полезной воды. К сожалению, распыление охлажденной водой не понижает относительную влажность воздуха. Несмотря на охлаждение и удаление паров воды из воздуха, он останется насыщенным данными парами, которые для растений могут оказаться вредными.
25 Для теплицы наилучший вариант контроля относительной влажности или
содержания паров воды относительно содержания паров воды в условиях насыщения представляет собой комбинацию вентиляции и нагрева. Нагрев повышает содержание паров воды в воздухе в условиях насыщения, причем, поскольку это происходит без добавления этих паров в воздух, относительная влажность понижается. Однако в
30 зонах с очень теплым климатом, в которых нагрев воздуха нежелателен, данный вариант может оказаться неприемлемым.
Нагревание воздуха теплицы может быть выполнено посредством электрического нагрева или за счет тепла, полученного путем сжигания ископаемых топлив. Во втором случае будет оказываться воздействие на содержание в воздухе
35 теплицы С02, а также (хотя и в меньшей степени) на содержание в воздухе теплицы паров воды.
В глобальном масштабе проблемы, связанные с продовольственными ресурсами, возрастают. Ожидается, что к 2050 году население Земли вырастет от примерно семи миллиардов (на 2012 год) до уровня, превышающего девять миллиардов. Соответственно должны увеличиться и продовольственные ресурсы, 5 причем без нанесения дальнейшего вреда окружающей среде. Это требование приходится выполнять в ситуации, в которой в результате глобального потепления понижается урожайность, причем в особенности в зонах с теплым климатом, где происходит наибольшее увеличение численности населения, сопровождаемое во многих из них значительным дефицитом воды из-за увеличения ее использования. В
10 число решений этих проблем входит переход на режим питания, основанный на увеличении потребления растительной пищи, понижение уровней эмиссии С02, а также уменьшение потребления воды и всех разновидностей ископаемого топлива.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в разработке способа и в создании установки, которые обеспечивают возможность контролировать в
15 теплице независимо друг от друга уровень содержания С02, температуру и относительную влажность, обеспечивая при этом минимальные или нулевые эмиссии С02, сохранение воды и эффективное расходование энергии для нагрева. Другой задачей изобретения является локальное получение С02 из воздуха или локальное повышение уровней его содержания за счет этого же источника, исключающее какую-
20 либо возможность образования вредных продуктов разложения аминов, а также создание условий, в которых гарантируется усвоение растениями фактически всего количества этого С02, практически без его обратной эмиссии в воздух посредством вентиляции.
В WO 2009/105566 А2 рассмотрен альтернативный возможный вариант 25 улавливания С02 в случае повышенных уровней его содержания. Для улавливания С02 в этом варианте вместо ионообменной смолы применены активированный уголь, цеолиты, слабоосновный амин или другие сорбенты, в частности активированный глинозем.
Однако в случае неповышенных уровней содержания С02 возникает 30 существенная проблема, в WO 2009/105566 А2 не упомянутая и связанная с тем, что физические адсорбенты отравляются водой, в результате чего их способность улавливать С02 снижается.
Сущность изобретения
Задача, на решение которой направлено изобретение, охарактеризованное в прилагаемой формуле, состоит в решении проблем, перечисленных выше.
Изобретение предлагает систему и способ, предназначенные для оптимизации 5 концентрации С02 в замкнутых или полузамкнутых пространствах. Предлагаемая система содержит комплекс, улавливающий С02 из наружного воздуха и содержащий два функциональных блока, способных адсорбировать и десорбировать С02 на адсорбенте, а также функционировать попеременно в режиме адсорбции и в режиме десорбции.
Перечень фигур чертежей
На фиг. 1 представлена блок-схема, иллюстрирующая подачу С02 в теплицу, а
также контроль температуры и относительной влажности, осуществляемые согласно
варианту изобретения.
15 На фиг. 2 представлены детали блоков, адсорбирующих С02.
На фиг. 3 приведен пример скорости роста, представленной в виде функции от уровня С02.
На фиг. 4 проведено сопоставление эффективностей улавливания С02.
На фиг. 5 приведен пример равновесных изотерм адсорбции С02.
20 На фиг. 6 приведен пример равновесных изотерм адсорбции Н20.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения В данном описании и формуле изобретения термины "влажность" и "абсолютная влажность" используются для обозначения количественной оценки
25 фактического содержания паров воды в воздухе (в г/м3). Термин "относительная влажность" смеси воздух - пары воды используется для обозначения количественной оценки отношения реального парциального давления паров воды в воздухе и парциального давления паров воды в воздухе в том случае, когда при конкретной температуре он насыщен. Термин "концентрация С02" используется для обозначения
30 оценки количества молей С02 в воздухе относительно суммарного количества содержащихся в нем молекул газа. Этот параметр измеряется в миллионных долях (м. д.).
В контексте изобретения давление, единицей измерения которого является бар, представляет собой бар абсолютного давления. Соответственно, 1,013 бара - это 35 нормальное абсолютное давление на уровне моря. В системе СИ один бар соответствует 100 кПа.
Содержание выражения "температура окружающей среды" в данном контексте может различаться в зависимости от климатических условий, в которых функционирует замкнутая или полузамкнутая система, обслуживаемая в соответствии со способом по изобретению. В стандартной ситуации температура окружающей среды лежит в 5 интервале 0-40 °С; однако, этот интервал может также находиться в пределах от минусовых уровней температуры до значений, несколько превышающих 40 °С, таких как 50 °С.
Термины "солнечное излучение" и "инсоляция" в данном контексте относятся к энергии на уровне моря, поступающей от Солнца. Плотность данной энергии
10 измеряется в Вт/м2. В зонах проживания большей части мирового населения уровни инсоляции составляют 150-300 Вт/м2.
На фиг. 1 представлена принципиальная общая схема системы, выполненной согласно предпочтительному варианту изобретения. В данной системе фильтрацию, охлаждение, осушение и нагрев воздуха обеспечивает часть (комплекс) 1, содержащая
15 (содержащий) две колонки. Одна из них предназначена для обработки циркулирующего воздуха и вентиляции в замкнутой или полузамкнутой системе, такой как теплица. Другая колонка выполняет фильтрацию, охлаждение и осушение воздуха, поступающего из окружающей среды. Часть 2 представляет собой тепловой насос, а часть (комплекс) 3 - систему, адсорбирующую С02 из наружного воздуха и из
20 вентиляционного воздуха теплицы, применяя для этого, вместо каких-либо химикатов, только твердые цеолиты.
Часть 1, обеспечивающая фильтрацию, охлаждение, осушение и нагрев воздуха, включает в себя замкнутую или полузамкнутую систему 100, предназначенную для выращивания растений, и систему, осуществляющую очистку
25 воздуха и обогащение его углекислым газом С02. Эта система содержит фильтр 149, трубопровод 130 для подачи воздуха, обогащенного С02, охлаждающую и осушающую колонку 106, вентилятор 123 и нагреватель 104. Из системы 100 воздух по трубопроводу 102 поступает к фильтру 149, а из него в трубопровод 109 и, далее, смешивается с воздухом, обогащенным С02 и поступающим из части 3 системы по
30 трубопроводу 130. В обогащенном воздухе количество С02 составляет 500-5000 м. д., например 1900 м. д. Смесь циркулирующего воздуха и воздуха, обогащенного С02, по трубопроводу 110 направляется в колонку 106, в которой воздух движется вверх, находясь в противотоке с охлажденной водой, через набивку 107, обеспечивающую хороший контакт между воздухом и водой (охлажденная вода подается в колонку по
35 трубопроводу 128). После контакта с водой в набивке 107 охлажденный воздух проходит через влагоудалитель 122, удаляющий захваченные воздухом капли воды.
Из колонки 106 охлажденный воздух поступает в трубопровод 146, за которым он разделяется на две составляющие, конкретно, на два разных потока. Более слабый из них направляется в часть 3 системы по трубопроводу 103, причем удаляемый воздух замещается воздухом из трубопровода 130 (см. далее), а более сильный поток 5 направляется по трубопроводу 145 к вентилятору 123. Воздух, напор которого был повышен вентилятором 123, нагревается в нагревателе 104 и по трубопроводу 101 возвращается в замкнутую или полузамкнутую систему для выращивания растений.
Охлажденная вода и вода, полученная из воздуха посредством конденсации в колонке 106, скапливаются на дне этой колонки и выводятся из системы по
10 трубопроводу 105. После смешивания с водой, поступившей из колонки 115 по трубопроводу 114, объединенный водяной поток направляется по трубопроводу 127 к насосу 147, из которого попадает в трубопровод 148, а избыток воды сбрасывается из системы в трубопровод 152. Оставшаяся вода по трубопроводу 155 направляется к охладителю 154, а затем, пройдя по трубопроводу 156, разделяется на две части,
15 попадающие, соответственно, в трубопровод 131 и трубопровод 128. Специалистам в этой области будет понятно, что воздух, поступающий из колонки 106, насыщен или близок к насыщению парами воды, а абсолютная влажность задается, таким образом, его температурой. Специалистам будет понятно также, что относительная влажность воздуха будет задаваться абсолютной влажностью и температурой за нагревателем
20 104 (т. е. относительно него далее по течению потока). Кроме того, скорость потока воздуха и концентрация С02 в трубопроводе 130 будут задавать концентрацию С02 в потоках воздуха, поступающих из колонки 106 в трубопровод 146. Возможен такой контроль, при котором в системе 100 желаемые уровни относительной влажности, температуры и концентрации С02 обеспечиваются на основе измерений в потоке
25 воздуха, вытекающего из системы 100 по трубопроводу 102.
Часть 1, обеспечивающая впуск воздуха и его предварительную обработку, содержит впускной канал 116, за которым воздух по трубопроводу 112 подается к фильтру 129. После фильтрации воздух охлаждается и осушается в набивке 125 колонки 115 посредством потока охлажденной воды, направленного в обратную
30 сторону, причем до выведения воздуха по трубопроводу 124 в часть 3 системы, описанной далее, из него влагоудалителем 113 удаляются капли воды. Циркулирующая вода и конденсат выводятся из колонки 115 в трубопровод 114 и, далее, в трубопровод 105, где смешиваются с водой. Как и вода, поступающая из колонки 106, эта вода направляется затем в водоохладительный контур, содержащий
35 трубопроводы 127, 148 и установленный между ними насос 147. Избыток воды сбрасывается из системы через выпускной канал 152, а оставшийся поток воды
охлаждается в охладителе 154, а затем направляется обратно в колонку 115 по трубопроводам 156 и 131.
Часть 2 представляет собой тепловой насос, который использует тепло, образованное в части 1 системы в результате охлаждения воздуха и конденсации 5 паров воды, а также, как вариант, полученное из окружающей среды. Это тепло насос выводит на более высокий температурный уровень и применяет для дополнительного нагревания воздуха, чтобы затем вернуть его в замкнутую или полузамкнутую систему 100, предназначенную для выращивания растений. В части 2 предусмотрено наличие двух основных проточных контуров. Один из них, уже обсуждавшийся выше,
10 представляет собой водяной проточный контур, снабжаемый водой из колонок 106 и 115. Эта вода протекает через трубопровод 127, насос 147 и трубопроводы 148, 155 к охладителю 154 воды, под воздействием которого ее температура понижается до 0-5 °С, например до 1 °С, и направляется по трубопроводу 156 и, далее, по трубопроводам 128 и 131 в колонки 106 и 115 соответственно. Скорости потока воды в трубопроводах
15 128 и 131 регулируются так, чтобы перед набивками 107 и 125 значения температуры воздуха выходили на требуемые уровни.
Во втором проточном контуре части 2 используется холодильный агент (хладагент), функционирующий на основе фреонового или аммониевого цикла охлаждения. Такой агент, имеющий высокое давление, зависящее от свойств агента и
20 составляющее 1500-3000 кПа (например 2000 кПа), по трубопроводу 150 поступает из компрессора 151 в трубопровод 178. По трубопроводу 178 хладагент уже в качестве высокотемпературной нагревательной среды направляется к части 3, в которой главным образом используется его физическая теплота. Израсходовав некоторое приемлемое количество (например 15%) доступного тепла, хладагент, всё еще
25 находящийся в газообразном состоянии, возвращается из части 3 в трубопровод 187. Далее этот поток разделяется на две составляющие, одна из которых по трубопроводу 144 проходит к нагревателю 104, где хладагент охлаждается, конденсируется и возвращается в трубопровод 143. Остальная часть хладагента по трубопроводу 175 направляется к охладителю 177, где тоже охлаждается и конденсируется, а затем
30 смешивается с хладагентом в трубопроводе 143, попав в него по трубопроводу 176. Весь этот сконденсированный хладагент направляется по трубопроводу 181 к клапану 185, в котором давление хладагента понижается до 200-500 кПа (например до 280 кПа). В результате температура хладагента, в зависимости от его свойств, уменьшается до уровня между -5 °С и -20 °С (например до -10 °С). Холодная текучая
35 среда по трубопроводу 186 направляется к отводящему трубопроводу 184, через который некоторое количество текучей среды направляется к нагревателю 183,
который в обычной ситуации, если тепла из теплообменника 154 недостаточно, использует тепло, поступающее из наружного воздуха. Остальная часть текучей среды по трубопроводу 157 направляется к теплообменнику 154, где она переходит в пар в результате теплообмена с водой, и поступает в трубопровод 155. Прежде чем попасть 5 по трубопроводу 153 в компрессор 151, хладагент, таким образом нагретый и превращенный в пар, поступая из нагревателя 183 по трубопроводу 182 и из теплообменника 154 по трубопроводу 191, смешивается и по трубопроводу 180 направляется в жидкостный сепаратор 179, завершающий контур, по которому течет хладагент.
10 Часть 3 обеспечивает улавливание С02 из воздуха, содержащего примерно 400
м. д. С02, и доставку уловленного С02, приведенного в более концентрированную форму (с концентрацией 750-4500 м. д., например 1400 м. д.), в систему 100, предназначенную для выращивания растений. Часть 3 содержит два основных идентичных функциональных блока 134 и 172, каждый из которых способен
15 адсорбировать и десорбировать С02 на адсорбенте, причем оба блока функционируют попеременно в режиме адсорбции и в режиме десорбции. Твердый адсорбент представляет собой цеолит (микропористый кристаллический алюмосиликат), не содержащий дополнительных химикатов и, таким образом, инертный и абсолютно безопасный. Он стабилен при температурах выше 700 °С и обычно применяется в
20 качестве поглотителя влаги и адсорбента С02, причем, действуя как адсорбент С02, он предпочтительно адсорбирует воду и поэтому должен поддерживаться сухим.
Воздух подается по впускному каналу 116 и направляется через фильтр 129, колонку 115 и трубопровод 124, который разветвляется на трубопровод 188, ведущий к блоку 134, функционирующему в режиме адсорбции С02, и на трубопровод 120,
25 ведущий к блоку 172, функционирующему в режиме десорбции С02.
В трубопроводе 120 воздух протекает через вентилятор 139, попадая затем в трубопровод 159, ведущий к блоку 172, осуществляющему десорбцию С02. Блок 172 снабжен клапанами 162' и 170' . На чертеже они показаны в положениях, в которых в данный блок может попасть только воздух, поступающий из трубопровода 159, а
30 воздуху, обогащенному С02, предоставлена возможность выхода только через трубопровод 173. Через впускной трубопровод 174 для воздуха или вентилятор 158 воздушный поток попасть в данный блок не может. Воздух, поступающий из трубопровода 159, будет обезвожен в цеолитной секции 164 до уровней с очень низким содержанием остаточной воды. Высушенный воздух нагревается в теплообменнике
35 117 посредством теплообмена с воздухом, выходящим из данного блока, а затем в подогревателе (теплообменнике) 166. В качестве подогревающей среды данный
подогреватель использует хладагент, поступающий из части 2 через трубопровод 178, открытый клапан 160' и трубопровод 163. Из теплообменника 166 сконденсированный и/или охлажденный хладагент возвращается по трубопроводам 161 и 187 к трубопроводу 175, расположенному в части 2, а воздух, теперь уже нагретый от 5 температуры ниже 10 °С до температуры, например, в интервале 50-70 °С, поступает к цеолитной секции 171, где происходит десорбция С02 посредством совместного воздействия повышенной температуры, понижающей способность адсорбента удерживать С02, и низкой концентрации С02 в притекающем воздухе, создающей для С02 тенденцию выделяться из адсорбента в воздух. После обогащения воздуха в
10 цеолитной секции 171 газообразным С02 сухой воздух, обогащенный С02, проходит к цеолитной секции 167, в которой адсорбированная вода десорбируется. Горячий и сухой воздух способствует выделению воды из цеолита в воздух, повышая температуру цеолита и, тем самым, уменьшая его способность удерживать воду. Воздух, обогащенный С02, покидает блок 172, переходя в трубопровод 173, и через
15 теплообменник 117 и трубопроводы 126, 130 поступает в часть 1.
Воздух, находящийся в трубопроводе 188, смешивается с воздухом, поступившим из трубопровода 103, и по трубопроводам 119 и 142 направляется в блок 134, функционирующий в режиме адсорбции С02. Сопрягающие элементы, относящиеся к десорбции, а именно впускное и выпускное отверстия для воздуха,
20 расположенные соответственно со стороны трубопроводов 118 и 169, теплообменник 189 и трубопровод 111 перекрыты дверцами (заслонками) 140 и 141. Кроме того, перекрыт также путь сжатому хладагенту для его подогрева от трубопровода 132 через клапан 133 до нагревателя 136 и обратно по трубопроводу 165. Из трубопровода 142 воздух течет через вентилятор 168 и открытую дверцу 141 к адсорбирующей секции
25 138, где происходит адсорбция воды. Из секции 138 сухой холодный воздух поступает в следующую секцию 137, в которой адсорбируется С02. Далее воздух, обедненный С02, проходит через нагреватель 136 и теплообменник 189 к секции 135, в которой вода десорбируется как следствие высокого содержания влаги в данной секции и низкого содержания влаги в воздухе. Чтобы способствовать данному процессу
30 десорбции, уменьшая способность адсорбента в секции 135 удерживать воду, можно применить нагрев, используя для этого нагреватель 136. После адсорбции С02 воздух из блока 134 направляется в окружающую среду.
На фиг. 2 представлены предпочтительные варианты адсорбирующих блоков 134 и 172, первый из которых показан в режиме адсорбции, а второй - в режиме
35 десорбции. В данном случае используются те же цифровые обозначения, что и для аналогичных компонентов на фиг. 1. Дверцы 140 и 141 открыты. Вместо
непосредственного перекрывания трубопроводов 118 и 169 в данном случае для этого используются два отдельных клапана 140' и 141' соответственно, которые на фиг. 2 показаны в закрытом состоянии. Дверцы 162 и 170 закрыты. Вместо непосредственного открывания каналов 159 и 173 в данном случае для этого 5 используются два отдельных клапана 162' и 170' соответственно, которые на фиг. 2 показаны в открытом состоянии.
Чтобы улучшить взаимодействие цеолита с потоком воздуха, в секциях 135, 137 и 138 блока 134 цеолит разделен на горизонтальные подсекции. Аналогичным образом разделен на горизонтальные подсекции цеолит в секциях 164, 171 и 167 блока 172. 10 Дополнительно улучшают распределение воздуха и его поступление в блоки 134 и 172 манифольды 200, 201 и 202, 203 соответственно.
Пример
Теплица с площадью пола 1000 м2 и объемом 5000 м3 воспринимает солнечное излучение с поверхностной плотностью 150 Вт/м2. Концентрация С02 должна
15 поддерживаться на уровне 850 м. д., температура - равной 25 °С, а относительная влажность - на уровне 75%. Наружная температура равна 15 °С, а относительная влажность наружного воздуха составляет 80 %. Внутри теплицы растения потребляют С02 в количестве примерно 1,6 кг/ч (это значение рассчитано на основе справочного потребления 100 м. д. С02) или примерно 0,9 кг/ч, если концентрация С02 равна 320
20 м. д. На фиг. 3 этот уровень представлен в виде треугольника, обозначенного, как "Нормальный воздух". При наличии в воздухе теплицы С02 с концентрацией 850 м. д. скорость роста в данном примере примерно в 1,8 раз больше, что соответствует потреблению С02, равному примерно 1,6 кг/ч.
Итоговые потери полезного тепла в теплице составляют примерно 46 кВт. Они
25 обусловлены такими факторами, как рассеивание солнечного излучения при отражении (альбедо), инфракрасное излучение, энергия, потребляемая в процессах фотосинтеза и испарения воды растениями, а также выброс энергии в окружающую среду посредством теплопереноса в направлении более холодного наружного воздуха. Испарение влаги растениями составляет примерно 74 кг/ч.
30 Используется процесс, проиллюстрированный фиг. 1. Расход воздуха,
поступающего из теплицы в трубопровод 102, составляет 7600 м3/ч (примерно 10000 кг/ч). При таком расходе воздуха время нахождения воздуха в теплице, определяемое соотношением между объемом теплицы и проходящим через нее волюметрическим потоком воздуха, составляет примерно 40 мин. В установившемся рабочем режиме
35 температура этого воздуха равна 25 °С, а его относительная влажность составляет 75 %. Концентрация С02 равна примерно 850 м. д. Данный воздух смешивается с
воздухом, поступающим, с расходом 1080 м3/ч, из трубопровода 130 и содержащим примерно 1900 м. д. С02. Полученная смесь охлаждается до примерно 7 °С посредством контакта с встречным потоком воды, происходящего в набивке 107. В результате этого охлаждения из воздуха удаляется вода в количестве примерно 75 5 кг/ч, и абсолютная влажность воздуха в трубопроводе 146 (содержание влаги за влагоудалителем 122) оказывается равной примерно 8 г/м3. Воздух, поступающий из трубопровода 146 с расходом примерно 1080 кг/ч (или, в пересчете на моли, в количестве 10 %), направляется по трубопроводу 103 для извлечения С02. Остальной воздух нагревается до примерно 44 °С в нагревателе 104 и по трубопроводу 101
10 возвращается обратно в теплицу для вторичного использования.
Охлаждающая вода поступает в колонку 106 по трубопроводу 128 с расходом примерно 5500 кг/ч при 1 °С. В набивке 107 она нагревается до примерно 18 °С и вместе с водой, поступающей из колонки 115 по трубопроводу 114 при 6 °С с расходом примерно 4500 кг/ч, проходит через трубопровод 127, насос 147 и трубопровод 148 к
15 отводному каналу 152. Температура в этой точке составляет примерно 13 °С. Избыточная вода или конденсат в количестве 90 кг/ч, из которых 71 кг/ч поступает из колонки 106, а 19 кг/ч - из колонки 115, сбрасывается по трубопроводу 152. Остальная вода, расход которой составляет примерно 10000 кг/ч, охлаждается в теплообменнике 154 от примерно 13 °С до примерно 1 °С и возвращается в рабочий цикл по
20 трубопроводу 156. Полезная мощность теплообменника 154 составляет 135 кВт.
Пройдя, с расходом 10000 кг/ч, по трубопроводу 156, вода разделяется на две части, одна из которых (5500 кг/ч) поступает в трубопровод 128, а другая (4500 кг/ч) попадает в трубопровод 131, по которому она проходит к колонке 115 и направляется к верхней части набивки 125, стекая вниз и находясь при этом в противотоке с воздухом,
25 поступающим с расходом 3650 кг/ч из впускного канала 116 и прошедшим через трубопровод 112, фильтр 129 для воздуха и трубопровод 121 к набивке 125 колонки 115 снизу. Прежде чем покинуть колонку 115 через влагоудалитель 113, воздух охлаждается в данной набивке до 1-2 °С, например до примерно 1,2 °С. Охлажденный и обезвоженный таким образом воздух проходит по трубопроводу 124 в систему,
30 улавливающую С02. Вода в количестве примерно 19 кг/ч конденсируется в ходе этого процесса охлаждения и вместе с основным выходящим массивом воды поступает из колонки 115 в трубопровод 114.
В цикле охлаждения, осуществляемом компрессором 151, используется аммониевый хладагент, который при расходе примерно 396 кг/ч подвергается в
35 компрессоре 151 сжатию под давлением 280-2000 кПа. Полезная мощность компрессора составляет 44 кВт. С всасывающей стороны компрессора температура
аммония равна примерно 3 °С. При политропическом кпд компрессора, равном 85 %, после сжатия температура повышается до примерно 193 °С. Теплый хладагент направляется в адсорбирующий блок, функционирующий в режиме десорбции и для понижения температуры хладагента до примерно 170 °С использующий примерно 6 5 кВт. После этого хладагент возвращается в трубопровод 187. Одна его часть с расходом примерно 242 кг/ч поступает к нагревателю 104, где она конденсируется и охлаждается до примерно 16 °С. Полезная мощность нагревателя составляет 105 кВт. Остальная часть хладагента направляется, с расходом 156 кг/ч, по трубопроводу 175 к охладителю 177 и конденсируется в нем. Полезная мощность охладителя составляет
10 65 кВт. Объединенный поток сконденсированного хладагента с расходом 396 кг/ч дросселируется в клапане 185 с понижением давления от примерно 2000 кПа до уровня, лежащего немного ниже 300 кПа. В результате температура уменьшается от примерно 16°С до примерно -10 °С. За клапаном текучая среда представляет собой, в основном, жидкость с небольшими включениями (примерно 10 %) газа. Вся она
15 направляется по трубопроводу 157 к теплообменнику 154, в котором хладагент целиком испаряется и нагревается до примерно 3°С. Из-за трения внутри теплообменника давление понижается с 300 кПа до примерно 280 кПа. Испаренный хладагент возвращается в рабочий цикл компрессора 151 через трубопровод 191, трубопровод 180, жидкостный сепаратор 179 и трубопровод 153. На этом цикл
20 охлаждения завершается.
Пройдя трубопровод 124, поток воздуха разделяется на две части, одна из которых (при расходе примерно 1080 кг/ч) через трубопровод 120, вентилятор 139 и трубопровод 159 направляется к блоку 172, функционирующему в режиме десорбции С02.
25 Блок 172 характеризуется следующими параметрами:
•Адсорбция Н20, секция 164. Воздух, подаваемый по трубопроводу 159 с расходом 1080 кг/ч, имеет влажность примерно 6 г/м3, что соответствует суммарному потоку воды, составляющему примерно 4,7 кг/ч. Парциальное давление Н20 равно примерно 700 Н/м2. Как показано на фиг. 6, состояние
30 адсорбента воды смещается из зоны, обозначенной, как "не нагруженный
Н20", в зону, обозначенную, как "нагруженный Н20". Предельная нагрузка (емкость) адсорбента составляет примерно 250 г/кг. Отсюда следует, что, если продолжительность процесса десорбции С02 равна 1 ч, потребуется по меньшей мере 18,8 кг адсорбента.
35 "Десорбция С02, секция 171. Воздух, подаваемый из секции 171 с
расходом 1080 кг/ч, содержит 400 м. д. С02, что соответствует количеству
примерно 0,65 кг/ч. Парциальное давление С02 равно примерно 40 Н/м2.
Этот воздух нагревают до примерно 90 °С в нагревателях 117 и 166. После
десорбции содержание С02 за секцией 171 составляет примерно 1900
м. д., а парциальное давление С02 и расход С02 равны соответственно
5 примерно 190 Н/м2 и примерно 3,1 кг/ч. Как показано на фиг. 5, состояние
адсорбента С02 смещается из точки, обозначенной, как "Нагруженный"
(см. верхний, т. е. левый кружок), в точку, обозначенную, как
"Ненагруженный" (см. нижний, т. е. правый кружок). Предельная нагрузка
адсорбента составляет примерно 15 г/кг, а полезное количество
10 десорбированного С02 равно примерно 2,5 кг. Отсюда следует, что, если
продолжительность процесса десорбции С02 равна одному часу, потребуется по меньшей мере 163 кг адсорбента.
•Десорбция Н20, секция 167. Для десорбции Н20 используется теплый
сухой воздух, поступающий из секции 171. Для завершения процесса
15 десорбции Н20 в конце цикла температура может быть повышена,
например до уровня 150 °С. Остальной воздух, оставшийся в трубопроводе 124, проходит (с расходом 2550 кг/ч) по трубопроводу 188 к зоне смешивания и смешивается там с воздухом, поступившим (с расходом примерно 1080 кг/ч) из трубопровода 103. Воздух в 20 трубопроводе 124 находится при температуре примерно 1,2 °С и содержит 400 м. д. С02, а влажность его составляет примерно 5 г/м3. Воздух в трубопроводе 103 находится при температуре примерно 7 °С и содержит 920 м. д. С02, а влажность его составляет примерно 8 г/м3. После смешивания воздух в трубопроводах 119 и 142 имеет температуру примерно 2,8 °С, а концентрация С02 в нем составляет примерно 25 550 м. д., что соответствует массовому расходу примерно 3,0 кг/ч. Парциальное давление С02 и влажность равны примерно 55 Н/м2 и примерно 6 г/м3 соответственно, что соответствует потоку воды, составляющему примерно 17,7 кг/ч. Парциальное давление паров воды равно 770 Н/м2.
Блок 134 характеризуется следующими параметрами:
30 "Адсорбция Н20, секция 138 адсорбента. Воздух, подаваемый из
трубопровода 142 с расходом 3630 кг/ч, имеет влажность примерно 6 г/м3,
а поток воды составляет 17,7 кг/ч. Парциальное давление Н20 равно
примерно 700 Н/м2. Как показано на фиг. 6, состояние адсорбента воды
смещается из зоны, обозначенной, как "не нагруженный Н20", в зону,
35 обозначенную, как "нагруженный Н20". Емкость адсорбента составляет
примерно 250 г/кг. Отсюда следует, что, если продолжительность
процесса десорбции С02 равна одному часу, потребуется по меньшей мере 70,8 кг адсорбента.
•Адсорбция С02, секция 137. Дегидратированный воздух, подаваемый из
секции 138 с расходом 3612 кг/ч, содержит 550 м. д. С02, что
5 соответствует примерно 3,0 кг/ч. Парциальное давление С02 равно
примерно 55 Н/м2. После адсорбции содержание С02 за секцией 137
составляет примерно 90 м. д., а парциальное давление С02 равно
примерно 9 Н/м2. Как показано на фиг. 5, состояние адсорбента С02
смещается из точки, обозначенной, как "Ненагруженный" (см. нижний, т. е.
10 правый кружок) в точку, обозначенную, как "Нагруженный" (см. верхний,
т. е. левый кружок). Емкость адсорбента составляет примерно 15 г/кг, а
полезное количество адсорбированного С02 равно примерно 2,5 кг, т. е
совпадает с количеством, десорбированным в блоке 172 секции 171. Как и
для блока 172, если продолжительность процесса десорбции С02 равна
15 одному часу, потребуется по меньшей мере 163 кг адсорбента.
•Десорбция Н20, секция 135. Для десорбции Н20 используется
дегидратированный воздух, поступающий из секции 137. Для завершения
процесса десорбции Н20 в конце цикла температура может быть
повышена, например до уровня 150 °С.
20 Специалисты в этой области отметят, что конкретная энергия, требуемая для
улавливания С02 из воздуха, сильно зависит от концентрации С02 в продукте со
значительным содержанием С02. На фиг. 4 показано, что минимальная удельная
энергия ниже уровня, требуемого для улавливания С02 из отработанного газа, который
по сравнению с воздухом имеет существенно большее содержание С02 (в
25 соответствующем продукте концентрация С02, уловленного из отработанного газа,
может приближаться к 100 %). Более того, анализ схемы по фиг. 1 открывает широкие
возможности для оптимизации использования тепловой энергии, такие, например, как
утилизация холода из воздуха, покидающего блок 134 и при этом охлажденного и
имеющего низкое содержание С02.
30 Специалисты в этой области отметят также, что при адсорбции Н20
высвобождаются большие количества тепла, по порядку величины такие же, как латентное тепло процесса конденсации паров воды. Это является преимуществом в режиме десорбции С02, использующем адсорбент 164, и недостатком в режиме адсорбции С02, использующем адсорбер 138. Как показано на фиг. 1, предусмотрена 35 возможность установить охлаждающие змеевики между секциями 137 и 138
адсорбера, расположенного в блоке 134, а также между секциями 171 и 167 адсорбера, расположенного в блоке 172,.
В добавление к этому, специалистам будет понятно, что вместо цеолитных слоев, адсорбирующих С02 и Н20, могут быть применены адсорбирующие системы, 5 более эффективные и менее чувствительные к Н20, такие как глинозем, функционализированный амином. Эти системы упрощают конструкцию блоков 134 и 172, однако, привносят такие недостатки, как возможное разложение амина и производство токсичных веществ. Предусмотрена также возможность применения других источников С02| таких как баллонный С02, сухой лед, а также С02, 10 поступающий из биореакторов или по соответствующей магистрали.
СИСТЕМА ДЛЯ КЛИМАТ-КОНТРОЛЯ В ЗАМКНУТЫХ ИЛИ ПОЛУЗАМКНУТЫХ ПРОСТРАНСТВАХ
5 Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу повышения концентрации С02 в замкнутых пространствах (таких как теплицы и оранжереи), скомбинированному с кондиционированием воздуха и способному повысить уровень усвоения С02 растениями, а также ускорить процесс их роста и, в то же время, позволяющему
10 избежать проблем, связанных со слишком высокой или слишком низкой относительной влажностью воздуха. Более конкретно, изобретение относится к интеграции способа очистки и процесса улавливания С02 из воздуха в сочетании с контролем температуры как по влажному, так и по сухому термометру, причем данный контроль обладает высоким кпд по энергии, а предлагаемая комбинация указанных способа, процесса и
15 контроля не применяет каких-либо химикатов, разлагающихся под действием кислорода, и характеризуется высокоэффективным улавливанием С02, экономией суммарной полезной энергии и, с системной точки зрения, отрицательным показателем высвобождения углерода.
20 Предшествующий уровень техники
Растения, выращиваемые в замкнутых или ограниченных зонах, таких как теплицы, будут поглощать С02, уменьшая его содержание в окружающем воздухе. В результате концентрация С02 понижается, а скорость процесса роста растений тормозится. Это уменьшение может произойти очень быстро, в течение нескольких
25 часов, даже если какое-то количество воздуха поступает в замкнутое или полузамкнутое пространство из окружающей среды. В то время как в атмосфере содержание С02 составляет примерно 400 миллионных долей (м. д.) общего объема, этот же параметр в хорошо вентилируемом полузамкнутом пространстве в типичной ситуации может находиться в интервале 300-330 м. д. При этом предполагается, что
30 эффективность вентиляции достаточно велика, чтобы полностью заменять в полузамкнутом пространстве весь воздух один или два раза в час. Если вентиляция недостаточна, значения концентрации С02 заметно понижаются, смещаясь ниже 300330 м. д. и приближаясь к 200 м. д., в результате чего процесс роста растений может быть фактически заблокирован. Когда температура в полузамкнутом пространстве
35 отличается от температуры окружающего воздуха, требуемый свежий
(вентиляционный) воздух необходимо подогревать, а это может оказаться весьма энергоемкой операцией.
Независимо от уровней эффективности вентиляции, в полузамкнутом пространстве повысить концентрацию С02 до уровня концентрации С02 в 5 вентиляционном воздухе невозможно, не прибегая к обогащению воздуха С02. При этом хорошо известно, что обогащение воздуха этим газом до уровня, на котором концентрация С02 в полузамкнутой системе не только достигает 400 м. д., но и превышает 1000 м. д., может существенно ускорить процесс роста растений и, в частности, на 20-80 % или более повысить производство биомассы.
10 Испарение воды из растений в замкнутом или полузамкнутом пространстве
повышает уровень влажности местного воздуха. Из общего количества влаги, потребляемой растением, примерно 90 % расходуется на испарение, т. е. для процесса роста используется только 10%. Испарение охлаждает растение ниже температуры наружной среды на 2 % или более. Скорость испарения представляет
15 собой функцию, зависящую от нескольких факторов, в число которых входят радиационное поступление тепла и относительная влажность воздуха. В частности, испарение понижается в случае высокого уровня относительной влажности, близкого к насыщению местного воздуха парами воды. Если затем температура понижается, вода может осаждаться на листьях или в других местах растений, в результате чего
20 возникает опасность возникновения грибковых заболеваний. Низкая относительная влажность (например влажность ниже 50 %) в комбинации с высокой температурой может привести к избыточным уровням испарения. В возможном варианте после этого в растении начнут перекрываться устьица отверстий, через которые происходит испарение, и оно, соответственно, понизится. Однако поскольку, кроме того, через эти
25 устьица в растения поступает С02, данный эффект может ограничить процесс их роста. Поэтому важно поддерживать относительную влажность местного воздуха если не на оптимальном, то хотя бы на приемлемом уровне.
Скорость процесса роста растений зависит от температуры местного воздуха, причем оптимальная температура зависит от вида растения и времени дня. Для
30 большинства растений пригодна дневная температура 20-25 °С, а оптимальный уровень ночной температуры может находиться в интервале 10-18 °С. Во многих географических зонах, в которых широко применяются замкнутые или полузамкнутые системы производства биомассы, требуется круглогодичный подогрев.
Три важных регулируемых рабочих параметра, а именно концентрация С02,
35 относительная влажность и температура, часто регулируются более или менее независимо друг от друга, хотя они в высокой степени взаимозависимы. На фиг. 3
приведен пример воздействия С02 на скорость процесса роста, причем в данном случае допускается, что другие питательные вещества и свет отрегулированы с выведением на надлежащие уровни. В этом примере нормальная (принимаемая за стопроцентную) скорость роста достигается при уровне содержания С02 по объему 320 5 м. д. Если использовать другую терминологию, потребление С02 соответствует уровню 100 м. д. С02 в час или, в пересчете на объем 5000 м3, примерно 900 г С02 в час. По меньшей мере для некоторых растений оптимальная скорость роста достигается, когда концентрация С02 составляет примерно 1000 м. д. Если используется вентиляция, воздух, выведенный из замкнутой системы, также будет содержать 1000 м. д. С02,
10 являясь, таким образом, источником эмиссии С02.
С02 можно подавать посредством вентиляции, однако, таким образом нельзя повысить его концентрацию выше концентрации С02 в атмосфере, составляющей примерно 400 м. д. Для поддерживания концентраций С02 на уровнях, значительно превышающих 320 м. д., требуются высокие интенсивности вентиляции. В зонах с
15 холодным климатом может быть существенной энергия, требуемая для подогрева вентиляционного воздуха. В зонах с очень теплым климатом может потребоваться охлаждать этот воздух. В таком случае может возникнуть ситуация, в которой, чтобы свести к минимуму образование водяного конденсата, из воздуха должна быть удалена влага. Следствием вентиляции является потеря водяного пара,
20 образованного испарением, т. е. утрата 90 % оросительной воды.
В обычной ситуации, чтобы повысить концентрацию С02, этот газ должен подаваться не из воздуха, а из других источников. К примерам такой подачи относится С02, поступающий в виде продукта сжигания ископаемых типов топлива (при этом, кроме того, вырабатывается тепло), из баллонов со сжатым С02, из сухого льда, в
25 результате разложения органического вещества или в виде продукта ферментации. Если теплица вентилируется, а концентрация С02 поддерживается на уровне выше 400 м. д., всё это вместе взятое приводит к нежелательному выбросу С02 в атмосферу.
В WO 2013/075981 описан способ экстрагирования С02 из воздуха посредством 30 адсорбции и десорбции на твердом адсорбенте, функционализированном с использованием аминосоединений. Таким образом повышается способность к адсорбции и уменьшается чувствительность адсорбента к влаге. Однако во время регенерации адсорбента аминосоединения подвергаются воздействию горячего воздуха с высокими концентрациями С02, вызывающему потенциальное разложение с 35 образованием токсичных, а возможно и канцерогенных продуктов. Поэтому С02,
полученный из таких источников, нельзя применять в замкнутом пространстве теплицы.
В теплицах относительную влажность можно регулировать посредством воздушной вентиляции. Однако это может негативно повлиять на концентрацию С02 в 5 теплице, в особенности если используются повышенные концентрации С02. Кроме того, может оказаться существенной энергия, требуемая для подогрева вентиляционного воздуха. В зонах с теплым и влажным климатом понижение влажности посредством вентиляции может оказаться недостаточно эффективным. Как и в случае использования вентиляции для подачи С02, любое вентилирование с целью
10 уменьшения количества паров воды в воздухе вызывает потерю водяного пара, образованного испарением, т. е. утрату примерно 90 % оросительной воды.
Альтернативный вариант уменьшения содержания паров воды в воздухе внутри теплицы заключается в опрыскивании воздуха охлажденной водой. Соответствующее охлаждение может быть выполнено посредством циркуляции воды между
15 распыляющим устройством, находящимся в помещении, и наружной зоной контакта с воздухом. Если наружный воздух не насыщен парами воды и не близок к такому насыщению, в контакте с ним некоторое количество воды будет испаряться. В результате вода охлаждается, после чего ее можно повторно использовать в распыленном виде для охлаждения внутреннего пространства теплицы. Однако, как и
20 в варианте с удалением влаги посредством вентиляции, это приводит к потере потенциально полезной воды. К сожалению, распыление охлажденной водой не понижает относительную влажность воздуха. Несмотря на охлаждение и удаление паров воды из воздуха, он останется насыщенным данными парами, которые для растений могут оказаться вредными.
25 Для теплицы наилучший вариант контроля относительной влажности или
содержания паров воды относительно содержания паров воды в условиях насыщения представляет собой комбинацию вентиляции и нагрева. Нагрев повышает содержание паров воды в воздухе в условиях насыщения, причем, поскольку это происходит без добавления этих паров в воздух, относительная влажность понижается. Однако в
30 зонах с очень теплым климатом, в которых нагрев воздуха нежелателен, данный вариант может оказаться неприемлемым.
Нагревание воздуха теплицы может быть выполнено посредством электрического нагрева или за счет тепла, полученного путем сжигания ископаемых топлив. Во втором случае будет оказываться воздействие на содержание в воздухе
35 теплицы С02, а также (хотя и в меньшей степени) на содержание в воздухе теплицы паров воды.
В глобальном масштабе проблемы, связанные с продовольственными ресурсами, возрастают. Ожидается, что к 2050 году население Земли вырастет от примерно семи миллиардов (на 2012 год) до уровня, превышающего девять миллиардов. Соответственно должны увеличиться и продовольственные ресурсы, 5 причем без нанесения дальнейшего вреда окружающей среде. Это требование приходится выполнять в ситуации, в которой в результате глобального потепления понижается урожайность, причем в особенности в зонах с теплым климатом, где происходит наибольшее увеличение численности населения, сопровождаемое во многих из них значительным дефицитом воды из-за увеличения ее использования. В
10 число решений этих проблем входит переход на режим питания, основанный на увеличении потребления растительной пищи, понижение уровней эмиссии С02, а также уменьшение потребления воды и всех разновидностей ископаемого топлива.
Задача, решаемая изобретением, состоит в разработке способа и в создании установки, которые обеспечивают возможность контролировать в теплице независимо
15 друг от друга уровень содержания С02, температуру и относительную влажность, обеспечивая при этом минимальные или нулевые эмиссии С02, сохранение воды и эффективное расходование энергии для нагрева. Другой задачей изобретения является локальное получение С02 из воздуха или локальное повышение уровней его содержания за счет этого же источника, исключающее какую-либо возможность
20 образования вредных продуктов разложения аминов, а также создание условий, в которых гарантируется усвоение растениями фактически всего количества этого С02, практически без его обратной эмиссии в воздух посредством вентиляции.
В WO 2009/105566 А2 рассмотрен альтернативный вариант улавливания С02 в случае повышенных уровней его содержания. Для улавливания С02 в этом варианте
25 вместо ионообменной смолы применены активированный уголь, цеолиты, слабоосновный амин или другие сорбенты, в частности активированный глинозем.
Однако в случае неповышенных уровней содержания С02 возникает существенная проблема, в WO 2009/105566 А2 не упомянутая и связанная с тем, что физические адсорбенты отравляются водой, в результате чего их способность
30 улавливать С02 снижается.
В WO 2011/004596 А1 и ЕР 1908809 А1 рассматриваются системы климат-контроля в замкнутых или полузамкнутых пространствах, содержащие устройство воздушного кондиционирования для фильтрации воздуха, охлаждения, а также для понижения влажности и нагревания, причем это устройство содержит тепловой насос.
35 Однако ни один из этих документов не предлагает решения задачи улавливания С02 из окружающего воздуха
Сущность изобретения
Задача, на решение которой направлено изобретение, охарактеризованное в прилагаемой формуле, состоит в решении проблем, перечисленных выше.
Изобретение предлагает систему и способ, предназначенные для оптимизации 5 концентрации С02 в замкнутых или полузамкнутых пространствах. Предлагаемая система содержит комплекс, улавливающий С02 из наружного воздуха и содержащий два функциональных блока, способных адсорбировать и десорбировать С02 на адсорбенте, а также функционировать попеременно в режиме адсорбции и в режиме десорбции.
Перечень фигур чертежей
На фиг. 1 представлена блок-схема, иллюстрирующая подачу С02 в теплицу, а
также контроль температуры и относительной влажности, осуществляемые согласно
варианту изобретения.
15 На фиг. 2 представлены детали блоков, адсорбирующих С02.
На фиг. 3 приведен пример скорости роста, представленной в виде функции от уровня С02.
На фиг. 4 проведено сопоставление эффективностей улавливания С02.
На фиг. 5 приведен пример равновесных изотерм адсорбции С02.
20 На фиг. 6 приведен пример равновесных изотерм адсорбции Н20.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения В данном описании и формуле изобретения термины "влажность" и "абсолютная влажность" используются для обозначения количественной оценки фактического содержания паров воды в воздухе (в г/м3). Термин "относительная влажность" смеси воздух - пары воды используется для обозначения количественной оценки отношения реального парциального давления паров воды в воздухе и парциального давления паров воды в воздухе в том случае, когда при конкретной температуре он насыщен. Термин "концентрация С02" используется для обозначения оценки количества молей С02 в воздухе относительно суммарного количества содержащихся в нем молекул газа. Этот параметр измеряется в миллионных долях (м. д.).
В контексте изобретения давление, единицей измерения которого является бар, представляет собой бар абсолютного давления. Соответственно, 1,013 бара - это нормальное абсолютное давление на уровне моря. В системе СИ один бар соответствует 100 кПа.
Содержание выражения "температура окружающей среды" в данном контексте может различаться в зависимости от климатических условий, в которых функционирует замкнутая или полузамкнутая система, обслуживаемая в соответствии со способом по изобретению. В стандартной ситуации температура окружающей среды лежит в 5 интервале 0-40 °С; однако, этот интервал может также находиться в пределах от минусовых уровней температуры до значений, несколько превышающих 40 °С, таких как 50 °С.
Термины "солнечное излучение" и "инсоляция" в данном контексте относятся к энергии на уровне моря, поступающей от Солнца. Плотность данной энергии
10 измеряется в Вт/м2. В зонах проживания большей части мирового населения уровни инсоляции составляют 150-300 Вт/м2.
На фиг. 1 представлена принципиальная общая схема системы, выполненной согласно предпочтительному варианту изобретения. В данной системе фильтрацию, охлаждение, осушение и нагрев воздуха обеспечивает часть (комплекс) 1, содержащая
15 (содержащий) две колонки. Одна из них предназначена для обработки циркулирующего воздуха и вентиляции в замкнутой или полузамкнутой системе, такой как теплица. Другая колонка выполняет фильтрацию, охлаждение и осушение воздуха, поступающего из окружающей среды. Часть 2 представляет собой тепловой насос, а часть (комплекс) 3 - систему, адсорбирующую С02 из наружного воздуха и из
20 вентиляционного воздуха теплицы, применяя для этого, вместо каких-либо химикатов, только твердые цеолиты.
Часть 1, обеспечивающая фильтрацию, охлаждение, осушение и нагрев воздуха, включает в себя замкнутую или полузамкнутую систему 100, предназначенную для выращивания растений, и систему, осуществляющую очистку
25 воздуха и обогащение его углекислым газом С02. Эта система содержит фильтр 149, трубопровод 130 для подачи воздуха, обогащенного С02, охлаждающую и осушающую колонку 106, вентилятор 123 и нагреватель 104. Из системы 100 воздух по трубопроводу 102 поступает к фильтру 149, а из него в трубопровод 109 и, далее, смешивается с воздухом, обогащенным С02 и поступающим из части 3 системы по
30 трубопроводу 130. В обогащенном воздухе количество С02 составляет 500-5000 м. д., например 1900 м. д. Смесь циркулирующего воздуха и воздуха, обогащенного С02, по трубопроводу 110 направляется в колонку 106, в которой воздух движется вверх, находясь в противотоке с охлажденной водой, через набивку 107, обеспечивающую хороший контакт между воздухом и водой (охлажденная вода подается в колонку по
35 трубопроводу 128). После контакта с водой в набивке 107 охлажденный воздух проходит через влагоудалитель 122, удаляющий захваченные воздухом капли воды.
Из колонки 106 охлажденный воздух поступает в трубопровод 146, за которым он разделяется на две составляющие, конкретно, на два разных потока. Более слабый из них направляется в часть 3 системы по трубопроводу 103, причем удаляемый воздух замещается воздухом из трубопровода 130 (см. далее), а более сильный поток 5 направляется по трубопроводу 145 к вентилятору 123. Воздух, напор которого был повышен вентилятором 123, нагревается в нагревателе 104 и по трубопроводу 101 возвращается в замкнутую или полузамкнутую систему для выращивания растений.
Охлажденная вода и вода, полученная из воздуха посредством конденсации в колонке 106, скапливаются на дне этой колонки и выводятся из системы по
10 трубопроводу 105. После смешивания с водой, поступившей из колонки 115 по трубопроводу 114, объединенный водяной поток направляется по трубопроводу 127 к насосу 147, из которого попадает в трубопровод 148, а избыток воды сбрасывается из системы в трубопровод 152. Оставшаяся вода по трубопроводу 155 направляется к охладителю 154, а затем, пройдя по трубопроводу 156, разделяется на две части,
15 попадающие, соответственно, в трубопровод 131 и трубопровод 128. Специалистам в этой области будет понятно, что воздух, поступающий из колонки 106, насыщен или близок к насыщению парами воды, а абсолютная влажность задается, таким образом, его температурой. Специалистам будет понятно также, что относительная влажность воздуха будет задаваться абсолютной влажностью и температурой за нагревателем
20 104 (т. е. относительно него далее по течению потока). Кроме того, скорость потока воздуха и концентрация С02 в трубопроводе 130 будут задавать концентрацию С02 в потоках воздуха, поступающих из колонки 106 в трубопровод 146. Возможен такой контроль, при котором в системе 100 желаемые уровни относительной влажности, температуры и концентрации С02 обеспечиваются на основе измерений в потоке
25 воздуха, вытекающего из системы 100 по трубопроводу 102.
Часть 1, обеспечивающая впуск воздуха и его предварительную обработку, содержит впускной канал 116, за которым воздух по трубопроводу 112 подается к фильтру 129. После фильтрации воздух охлаждается и осушается в набивке 125 колонки 115 посредством потока охлажденной воды, направленного в обратную
30 сторону, причем до выведения воздуха по трубопроводу 124 в часть 3 системы, описанной далее, из него влагоудалителем 113 удаляются капли воды. Циркулирующая вода и конденсат выводятся из колонки 115 в трубопровод 114 и, далее, в трубопровод 105, где смешиваются с водой. Как и вода, поступающая из колонки 106, эта вода направляется затем в водоохладительный контур, содержащий
35 трубопроводы 127, 148 и установленный между ними насос 147. Избыток воды сбрасывается из системы через выпускной канал 152, а оставшийся поток воды
охлаждается в охладителе 154, а затем направляется обратно в колонку 115 по трубопроводам 156 и 131.
Часть 2 представляет собой тепловой насос, который использует тепло, образованное в части 1 системы в результате охлаждения воздуха и конденсации 5 паров воды, а также, как вариант, полученное из окружающей среды. Это тепло насос выводит на более высокий температурный уровень и применяет для дополнительного нагревания воздуха, чтобы затем вернуть его в замкнутую или полузамкнутую систему 100, предназначенную для выращивания растений. В части 2 предусмотрено наличие двух основных проточных контуров. Один из них, уже обсуждавшийся выше,
10 представляет собой водяной проточный контур, снабжаемый водой из колонок 106 и 115. Эта вода протекает через трубопровод 127, насос 147 и трубопроводы 148, 155 к охладителю 154 воды, под воздействием которого ее температура понижается до 0-5 °С, например до 1 °С, и направляется по трубопроводу 156 и, далее, по трубопроводам 128 и 131 в колонки 106 и 115 соответственно. Скорости потока воды в трубопроводах
15 128 и 131 регулируются так, чтобы перед набивками 107 и 125 значения температуры воздуха выходили на требуемые уровни.
Во втором проточном контуре части 2 используется холодильный агент (хладагент), функционирующий на основе фреонового или аммониевого цикла охлаждения. Такой агент, имеющий высокое давление, зависящее от свойств агента и
20 составляющее 1500-3000 кПа (например 2000 кПа), по трубопроводу 150 поступает из компрессора 151 в трубопровод 178. По трубопроводу 178 хладагент уже в качестве высокотемпературной нагревательной среды направляется к части 3, в которой главным образом используется его физическая теплота. Израсходовав некоторое приемлемое количество (например 15%) доступного тепла, хладагент, всё еще
25 находящийся в газообразном состоянии, возвращается из части 3 в трубопровод 187. Далее этот поток разделяется на две составляющие, одна из которых по трубопроводу 144 проходит к нагревателю 104, где хладагент охлаждается, конденсируется и возвращается в трубопровод 143. Остальная часть хладагента по трубопроводу 175 направляется к охладителю 177, где тоже охлаждается и конденсируется, а затем
30 смешивается с хладагентом в трубопроводе 143, попав в него по трубопроводу 176. Весь этот сконденсированный хладагент направляется по трубопроводу 181 к клапану 185, в котором давление хладагента понижается до 200-500 кПа (например до 280 кПа). В результате температура хладагента, в зависимости от его свойств, уменьшается до уровня между -5 °С и -20 °С (например до -10 °С). Холодная текучая
35 среда по трубопроводу 186 направляется к отводящему трубопроводу 184, через который некоторое количество текучей среды направляется к нагревателю 183,
который в обычной ситуации, если тепла из теплообменника 154 недостаточно, использует тепло, поступающее из наружного воздуха. Остальная часть текучей среды по трубопроводу 157 направляется к теплообменнику 154, где она переходит в пар в результате теплообмена с водой, и поступает в трубопровод 155. Прежде чем попасть 5 по трубопроводу 153 в компрессор 151, хладагент, таким образом нагретый и превращенный в пар, поступая из нагревателя 183 по трубопроводу 182 и из теплообменника 154 по трубопроводу 191, смешивается и по трубопроводу 180 направляется в жидкостный сепаратор 179, завершающий контур, по которому течет хладагент.
10 Часть 3 обеспечивает улавливание С02 из воздуха, содержащего примерно 400
м. д. С02, и доставку уловленного С02, приведенного в более концентрированную форму (с концентрацией 750-4500 м. д., например 1400 м. д.), в систему 100, предназначенную для выращивания растений. Часть 3 содержит два основных идентичных функциональных блока 134 и 172, каждый из которых способен
15 адсорбировать и десорбировать С02 на адсорбенте, причем оба блока функционируют попеременно в режиме адсорбции и в режиме десорбции. Твердый адсорбент представляет собой цеолит (микропористый кристаллический алюмосиликат), не содержащий дополнительных химикатов и, таким образом, инертный и абсолютно безопасный. Он стабилен при температурах выше 700 °С и обычно применяется в
20 качестве поглотителя влаги и адсорбента С02, причем, действуя как адсорбент С02, он предпочтительно адсорбирует воду и поэтому должен поддерживаться сухим.
Воздух подается по впускному каналу 116 и направляется через фильтр 129, колонку 115 и трубопровод 124, который разветвляется на трубопровод 188, ведущий к блоку 134, функционирующему в режиме адсорбции С02, и на трубопровод 120,
25 ведущий к блоку 172, функционирующему в режиме десорбции С02.
В трубопроводе 120 воздух протекает через вентилятор 139, попадая затем в трубопровод 159, ведущий к блоку 172, осуществляющему десорбцию С02. Блок 172 снабжен клапанами 162' и 170' . На чертеже они показаны в положениях, в которых в данный блок может попасть только воздух, поступающий из трубопровода 159, а
30 воздуху, обогащенному С02, предоставлена возможность выхода только через трубопровод 173. Через впускной трубопровод 174 для воздуха или вентилятор 158 воздушный поток попасть в данный блок не может. Воздух, поступающий из трубопровода 159, будет обезвожен в цеолитной секции 164 до уровней с очень низким содержанием остаточной воды. Высушенный воздух нагревается в теплообменнике
35 117 посредством теплообмена с воздухом, выходящим из данного блока, а затем в подогревателе (теплообменнике) 166. В качестве подогревающей среды данный
подогреватель использует хладагент, поступающий из части 2 через трубопровод 178, открытый клапан 160' и трубопровод 163. Из теплообменника 166 сконденсированный и/или охлажденный хладагент возвращается по трубопроводам 161 и 187 к трубопроводу 175, расположенному в части 2, а воздух, теперь уже нагретый от 5 температуры ниже 10 °С до температуры, например, в интервале 50-70 °С, поступает к цеолитной секции 171, где происходит десорбция С02 посредством совместного воздействия повышенной температуры, понижающей способность адсорбента удерживать С02, и низкой концентрации С02 в притекающем воздухе, создающей для С02 тенденцию выделяться из адсорбента в воздух. После обогащения воздуха в
10 цеолитной секции 171 газообразным С02 сухой воздух, обогащенный С02, проходит к цеолитной секции 167, в которой адсорбированная вода десорбируется. Горячий и сухой воздух способствует выделению воды из цеолита в воздух, повышая температуру цеолита и, тем самым, уменьшая его способность удерживать воду. Воздух, обогащенный С02, покидает блок 172, переходя в трубопровод 173, и через
15 теплообменник 117 и трубопроводы 126, 130 поступает в часть 1.
Воздух, находящийся в трубопроводе 188, смешивается с воздухом, поступившим из трубопровода 103, и по трубопроводам 119 и 142 направляется в блок 134, функционирующий в режиме адсорбции С02. Сопрягающие элементы, относящиеся к десорбции, а именно впускное и выпускное отверстия для воздуха,
20 расположенные соответственно со стороны трубопроводов 118 и 169, теплообменник 189 и трубопровод 111 перекрыты дверцами (заслонками) 140 и 141. Кроме того, перекрыт также путь сжатому хладагенту для его подогрева от трубопровода 132 через клапан 133 до нагревателя 136 и обратно по трубопроводу 165. Из трубопровода 142 воздух течет через вентилятор 168 и открытую дверцу 141 к адсорбирующей секции
25 138, где происходит адсорбция воды. Из секции 138 сухой холодный воздух поступает в следующую секцию 137, в которой адсорбируется С02. Далее воздух, обедненный С02, проходит через нагреватель 136 и теплообменник 189 к секции 135, в которой вода десорбируется как следствие высокого содержания влаги в данной секции и низкого содержания влаги в воздухе. Чтобы способствовать данному процессу
30 десорбции, уменьшая способность адсорбента в секции 135 удерживать воду, можно применить нагрев, используя для этого нагреватель 136. После адсорбции С02 воздух из блока 134 направляется в окружающую среду.
На фиг. 2 представлены предпочтительные варианты адсорбирующих блоков 134 и 172, первый из которых показан в режиме адсорбции, а второй - в режиме
35 десорбции. В данном случае используются те же цифровые обозначения, что и для аналогичных компонентов на фиг. 1. Дверцы 140 и 141 открыты. Вместо
непосредственного перекрывания трубопроводов 118 и 169 в данном случае для этого используются два отдельных клапана 140' и 141' соответственно, которые на фиг. 2 показаны в закрытом состоянии. Дверцы 162 и 170 закрыты. Вместо непосредственного открывания каналов 159 и 173 в данном случае для этого 5 используются два отдельных клапана 162' и 170' соответственно, которые на фиг. 2 показаны в открытом состоянии.
Чтобы улучшить взаимодействие цеолита с потоком воздуха, в секциях 135, 137 и 138 блока 134 цеолит разделен на горизонтальные подсекции. Аналогичным образом разделен на горизонтальные подсекции цеолит в секциях 164, 171 и 167 блока 172. 10 Дополнительно улучшают распределение воздуха и его поступление в блоки 134 и 172 манифольды 200, 201 и 202, 203 соответственно.
Пример
Теплица с площадью пола 1000 м2 и объемом 5000 м3 воспринимает солнечное излучение с поверхностной плотностью 150 Вт/м2. Концентрация С02 должна
15 поддерживаться на уровне 850 м. д., температура - равной 25 °С, а относительная влажность - на уровне 75%. Наружная температура равна 15 °С, а относительная влажность наружного воздуха составляет 80 %. Внутри теплицы растения потребляют С02 в количестве примерно 1,6 кг/ч (это значение рассчитано на основе справочного потребления 100 м. д. С02) или примерно 0,9 кг/ч, если концентрация С02 равна 320
20 м. д. На фиг. 3 этот уровень представлен в виде треугольника, обозначенного, как "Нормальный воздух". При наличии в воздухе теплицы С02 с концентрацией 850 м. д. скорость роста в данном примере примерно в 1,8 раз больше, что соответствует потреблению С02, равному примерно 1,6 кг/ч.
Итоговые потери полезного тепла в теплице составляют примерно 46 кВт. Они
25 обусловлены такими факторами, как рассеивание солнечного излучения при отражении (альбедо), инфракрасное излучение, энергия, потребляемая в процессах фотосинтеза и испарения воды растениями, а также выброс энергии в окружающую среду посредством теплопереноса в направлении более холодного наружного воздуха. Испарение влаги растениями составляет примерно 74 кг/ч.
30 Используется процесс, проиллюстрированный фиг. 1. Расход воздуха,
поступающего из теплицы в трубопровод 102, составляет 7600 м3/ч (примерно 10000 кг/ч). При таком расходе воздуха время нахождения воздуха в теплице, определяемое соотношением между объемом теплицы и проходящим через нее волюметрическим потоком воздуха, составляет примерно 40 мин. В установившемся рабочем режиме
35 температура этого воздуха равна 25 °С, а его относительная влажность составляет 75 %. Концентрация С02 равна примерно 850 м. д. Данный воздух смешивается с
воздухом, поступающим, с расходом 1080 м3/ч, из трубопровода 130 и содержащим примерно 1900 м. д. С02. Полученная смесь охлаждается до примерно 7 °С посредством контакта с встречным потоком воды, происходящего в набивке 107. В результате этого охлаждения из воздуха удаляется вода в количестве примерно 75 5 кг/ч, и абсолютная влажность воздуха в трубопроводе 146 (содержание влаги за влагоудалителем 122) оказывается равной примерно 8 г/м3. Воздух, поступающий из трубопровода 146 с расходом примерно 1080 кг/ч (или, в пересчете на моли, в количестве 10 %), направляется по трубопроводу 103 для извлечения С02. Остальной воздух нагревается до примерно 44 °С в нагревателе 104 и по трубопроводу 101
10 возвращается обратно в теплицу для вторичного использования.
Охлаждающая вода поступает в колонку 106 по трубопроводу 128 с расходом примерно 5500 кг/ч при 1 °С. В набивке 107 она нагревается до примерно 18 °С и вместе с водой, поступающей из колонки 115 по трубопроводу 114 при 6 °С с расходом примерно 4500 кг/ч, проходит через трубопровод 127, насос 147 и трубопровод 148 к
15 отводному каналу 152. Температура в этой точке составляет примерно 13 °С. Избыточная вода или конденсат в количестве 90 кг/ч, из которых 71 кг/ч поступает из колонки 106, а 19 кг/ч - из колонки 115, сбрасывается по трубопроводу 152. Остальная вода, расход которой составляет примерно 10000 кг/ч, охлаждается в теплообменнике 154 от примерно 13 °С до примерно 1 °С и возвращается в рабочий цикл по
20 трубопроводу 156. Полезная мощность теплообменника 154 составляет 135 кВт.
Пройдя, с расходом 10000 кг/ч, по трубопроводу 156, вода разделяется на две части, одна из которых (5500 кг/ч) поступает в трубопровод 128, а другая (4500 кг/ч) попадает в трубопровод 131, по которому она проходит к колонке 115 и направляется к верхней части набивки 125, стекая вниз и находясь при этом в противотоке с воздухом,
25 поступающим с расходом 3650 кг/ч из впускного канала 116 и прошедшим через трубопровод 112, фильтр 129 для воздуха и трубопровод 121 к набивке 125 колонки 115 снизу. Прежде чем покинуть колонку 115 через влагоудалитель 113, воздух охлаждается в данной набивке до 1-2 °С, например до примерно 1,2 °С. Охлажденный и обезвоженный таким образом воздух проходит по трубопроводу 124 в систему,
30 улавливающую С02. Вода в количестве примерно 19 кг/ч конденсируется в ходе этого процесса охлаждения и вместе с основным выходящим массивом воды поступает из колонки 115 в трубопровод 114.
В цикле охлаждения, осуществляемом компрессором 151, используется аммониевый хладагент, который при расходе примерно 396 кг/ч подвергается в
35 компрессоре 151 сжатию под давлением 280-2000 кПа. Полезная мощность компрессора составляет 44 кВт. С всасывающей стороны компрессора температура
аммония равна примерно 3 °С. При политропическом кпд компрессора, равном 85 %, после сжатия температура повышается до примерно 193 °С. Теплый хладагент направляется в адсорбирующий блок, функционирующий в режиме десорбции и для понижения температуры хладагента до примерно 170 °С использующий примерно 6 5 кВт. После этого хладагент возвращается в трубопровод 187. Одна его часть с расходом примерно 242 кг/ч поступает к нагревателю 104, где она конденсируется и охлаждается до примерно 16 °С. Полезная мощность нагревателя составляет 105 кВт. Остальная часть хладагента направляется, с расходом 156 кг/ч, по трубопроводу 175 к охладителю 177 и конденсируется в нем. Полезная мощность охладителя составляет
10 65 кВт. Объединенный поток сконденсированного хладагента с расходом 396 кг/ч дросселируется в клапане 185 с понижением давления от примерно 2000 кПа до уровня, лежащего немного ниже 300 кПа. В результате температура уменьшается от примерно 16°С до примерно -10 °С. За клапаном текучая среда представляет собой, в основном, жидкость с небольшими включениями (примерно 10 %) газа. Вся она
15 направляется по трубопроводу 157 к теплообменнику 154, в котором хладагент целиком испаряется и нагревается до примерно 3°С. Из-за трения внутри теплообменника давление понижается с 300 кПа до примерно 280 кПа. Испаренный хладагент возвращается в рабочий цикл компрессора 151 через трубопровод 191, трубопровод 180, жидкостный сепаратор 179 и трубопровод 153. На этом цикл
20 охлаждения завершается.
Пройдя трубопровод 124, поток воздуха разделяется на две части, одна из которых (при расходе примерно 1080 кг/ч) через трубопровод 120, вентилятор 139 и трубопровод 159 направляется к блоку 172, функционирующему в режиме десорбции С02.
25 Блок 172 характеризуется следующими параметрами:
•Адсорбция Н20, секция 164. Воздух, подаваемый по трубопроводу 159 с расходом 1080 кг/ч, имеет влажность примерно 6 г/м3, что соответствует суммарному потоку воды, составляющему примерно 4,7 кг/ч. Парциальное давление Н20 равно примерно 700 Н/м2. Как показано на фиг. 6, состояние
30 адсорбента воды смещается из зоны, обозначенной, как "не нагруженный
Н20", в зону, обозначенную, как "нагруженный Н20". Предельная нагрузка (емкость) адсорбента составляет примерно 250 г/кг. Отсюда следует, что, если продолжительность процесса десорбции С02 равна 1 ч, потребуется по меньшей мере 18,8 кг адсорбента.
35 "Десорбция С02, секция 171. Воздух, подаваемый из секции 171 с
расходом 1080 кг/ч, содержит 400 м. д. С02, что соответствует количеству
примерно 0,65 кг/ч. Парциальное давление С02 равно примерно 40 Н/м2.
Этот воздух нагревают до примерно 90 °С в нагревателях 117 и 166. После
десорбции содержание С02 за секцией 171 составляет примерно 1900
м. д., а парциальное давление С02 и расход С02 равны соответственно
5 примерно 190 Н/м2 и примерно 3,1 кг/ч. Как показано на фиг. 5, состояние
адсорбента С02 смещается из точки, обозначенной, как "Нагруженный"
(см. верхний, т. е. левый кружок), в точку, обозначенную, как
"Ненагруженный" (см. нижний, т. е. правый кружок). Предельная нагрузка
адсорбента составляет примерно 15 г/кг, а полезное количество
10 десорбированного С02 равно примерно 2,5 кг. Отсюда следует, что, если
продолжительность процесса десорбции С02 равна одному часу, потребуется по меньшей мере 163 кг адсорбента.
•Десорбция Н20, секция 167. Для десорбции Н20 используется теплый
сухой воздух, поступающий из секции 171. Для завершения процесса
15 десорбции Н20 в конце цикла температура может быть повышена,
например до уровня 150 °С. Остальной воздух, оставшийся в трубопроводе 124, проходит (с расходом 2550 кг/ч) по трубопроводу 188 к зоне смешивания и смешивается там с воздухом, поступившим (с расходом примерно 1080 кг/ч) из трубопровода 103. Воздух в 20 трубопроводе 124 находится при температуре примерно 1,2 °С и содержит 400 м. д. С02, а влажность его составляет примерно 5 г/м3. Воздух в трубопроводе 103 находится при температуре примерно 7 °С и содержит 920 м. д. С02, а влажность его составляет примерно 8 г/м3. После смешивания воздух в трубопроводах 119 и 142 имеет температуру примерно 2,8 °С, а концентрация С02 в нем составляет примерно 25 550 м. д., что соответствует массовому расходу примерно 3,0 кг/ч. Парциальное давление С02 и влажность равны примерно 55 Н/м2 и примерно 6 г/м3 соответственно, что соответствует потоку воды, составляющему примерно 17,7 кг/ч. Парциальное давление паров воды равно 770 Н/м2.
Блок 134 характеризуется следующими параметрами:
30 "Адсорбция Н20, секция 138 адсорбента. Воздух, подаваемый из
трубопровода 142 с расходом 3630 кг/ч, имеет влажность примерно 6 г/м3,
а поток воды составляет 17,7 кг/ч. Парциальное давление Н20 равно
примерно 700 Н/м2. Как показано на фиг. 6, состояние адсорбента воды
смещается из зоны, обозначенной, как "не нагруженный Н20", в зону,
35 обозначенную, как "нагруженный Н20". Емкость адсорбента составляет
примерно 250 г/кг. Отсюда следует, что, если продолжительность
процесса десорбции С02 равна одному часу, потребуется по меньшей мере 70,8 кг адсорбента.
•Адсорбция С02, секция 137. Дегидратированный воздух, подаваемый из
секции 138 с расходом 3612 кг/ч, содержит 550 м. д. С02, что
5 соответствует примерно 3,0 кг/ч. Парциальное давление С02 равно
примерно 55 Н/м2. После адсорбции содержание С02 за секцией 137
составляет примерно 90 м. д., а парциальное давление С02 равно
примерно 9 Н/м2. Как показано на фиг. 5, состояние адсорбента С02
смещается из точки, обозначенной, как "Ненагруженный" (см. нижний, т. е.
10 правый кружок) в точку, обозначенную, как "Нагруженный" (см. верхний,
т. е. левый кружок). Емкость адсорбента составляет примерно 15 г/кг, а
полезное количество адсорбированного С02 равно примерно 2,5 кг, т. е
совпадает с количеством, десорбированным в блоке 172 секции 171. Как и
для блока 172, если продолжительность процесса десорбции С02 равна
15 одному часу, потребуется по меньшей мере 163 кг адсорбента.
•Десорбция Н20, секция 135. Для десорбции Н20 используется
дегидратированный воздух, поступающий из секции 137. Для завершения
процесса десорбции Н20 в конце цикла температура может быть
повышена, например до уровня 150 °С.
20 Специалисты в этой области отметят, что конкретная энергия, требуемая для
улавливания С02 из воздуха, сильно зависит от концентрации С02 в продукте со
значительным содержанием С02. На фиг. 4 показано, что минимальная удельная
энергия ниже уровня, требуемого для улавливания С02 из отработанного газа, который
по сравнению с воздухом имеет существенно большее содержание С02 (в
25 соответствующем продукте концентрация С02, уловленного из отработанного газа,
может приближаться к 100 %). Более того, анализ схемы по фиг. 1 открывает широкие
возможности для оптимизации использования тепловой энергии, такие, например, как
утилизация холода из воздуха, покидающего блок 134 и при этом охлажденного и
имеющего низкое содержание С02.
30 Специалисты в этой области отметят также, что при адсорбции Н20
высвобождаются большие количества тепла, по порядку величины такие же, как латентное тепло процесса конденсации паров воды. Это является преимуществом в режиме десорбции С02, использующем адсорбент 164, и недостатком в режиме адсорбции С02, использующем адсорбер 138. Как показано на фиг. 1, предусмотрена 35 возможность установить охлаждающие змеевики между секциями 137 и 138
адсорбера, расположенного в блоке 134, а также между секциями 171 и 167 адсорбера, расположенного в блоке 172,.
В добавление к этому, специалистам будет понятно, что вместо цеолитных слоев, адсорбирующих С02 и Н20, могут быть применены адсорбирующие системы, 5 более эффективные и менее чувствительные к Н20, такие как глинозем, функционализированный амином. Эти системы упрощают конструкцию блоков 134 и 172, однако, привносят такие недостатки, как возможное разложение амина и производство токсичных веществ. Предусмотрена также возможность применения других источников С02| таких как баллонный С02, сухой лед, а также С02, 10 поступающий из биореакторов или по соответствующей магистрали.
1. Система для климат-контроля в замкнутых или полузамкнутых пространствах,
5 отличающаяся тем, что содержит комплекс (1) для кондиционирования воздуха с
целью его фильтрации, охлаждения/осушения и нагрева, тепловой насос (2) и комплекс (3), осуществляющий улавливание С02 из наружного воздуха.
2. Система по п. 1, в которой блок, осуществляющий улавливание С02 из наружного воздуха, содержит два функциональных блока (134, 172), способных
10 адсорбировать и десорбировать С02 на адсорбенте и функционирующих попеременно в режиме адсорбции и в режиме десорбции.
3. Система по п. 2, в которой каждый из указанных функциональных блоков (134, 172) содержит воздухозаборник, вентилятор (168), дверцу (141, 170), манифольд (201, 203), адсорбирующую секцию (138, 167), в которой адсорбируется вода, секцию
15 (137, 171), в которой адсорбируется С02, обогреватель (136, 166), теплообменник (189, 117), секцию (135, 164), в которой вода десорбируется, другой манифольд (200, 202), другую дверцу (140, 162) и выпускной канал для воздуха.
4. Система по п. 3, в которой секции (138, 137, 135, 167, 171, 164) функциональных блоков (134, 172) содержат адсорбирующий материал.
20 5. Система по п. 4, в которой указанный адсорбирующий материал разделен на
горизонтальные секции, чтобы оптимизировать течение воздуха.
6. Система по п. 5, в которой указанный адсорбирующий материал
представляет собой цеолит.
7. Система по п. 5, в которой указанный адсорбирующий материал
25 представляет собой аминогруппы.
8. Система по п. 1, в которой комплекс (1) для кондиционирования воздуха
содержит первую колонку, предназначенную для обработки циркулирующего воздуха и
вентиляционного воздуха, и вторую колонку, предназначенную для фильтрации и
охлаждения/осушения воздуха, поступающего из окружающей среды.
30 9. Способ климат-контроля в замкнутых или полузамкнутых пространствах,
отличающийся тем, что при его осуществлении используют комплекс (1) для кондиционирования воздуха с целью его фильтрации, охлаждения/осушения и нагрева, тепловой насос (2) и комплекс (3), осуществляющий улавливание С02 из наружного воздуха.
1. Система для климат-контроля в замкнутых или полузамкнутых пространствах,
5 отличающаяся тем, что содержит комплекс (1) для кондиционирования воздуха с
целью его фильтрации, охлаждения/осушения и нагрева, тепловой насос (2) и комплекс (3), который осуществляет улавливание С02 из наружного воздуха и содержит два функциональных блока (134, 172), способных адсорбировать и десорбировать С02 на адсорбенте и функционирующих попеременно в режиме 10 адсорбции и в режиме десорбции.
2. Система по п. 1, в которой каждый из указанных функциональных блоков (134, 172) содержит воздухозаборник, вентилятор (168), дверцу (141, 170), манифольд (201, 203), адсорбирующую секцию (138, 167), в которой адсорбируется вода, секцию (137, 171), в которой адсорбируется С02, нагреватель (136, 166), теплообменник (189,
15 117), секцию (135, 164), в которой вода десорбируется, другой манифольд (200, 202), другую дверцу (140, 162) и выпускной канал для воздуха.
3. Система по п. 2, в которой секции (138, 137, 135, 167, 171, 164) функциональных блоков (134, 172) содержат адсорбирующий материал.
4. Система по п. 3, в которой указанный адсорбирующий материал разделен на
20 горизонтальные секции, чтобы оптимизировать течение воздуха.
5. Система по п. 4, в которой указанный адсорбирующий материал представляет собой цеолит.
6. Система по п. 4, в которой указанный адсорбирующий материал представляет собой аминогруппы.
25 7. Система по п. 1, в которой комплекс (1) для кондиционирования воздуха
содержит первую колонку, предназначенную для обработки циркулирующего воздуха и вентиляционного воздуха, и вторую колонку, предназначенную для фильтрации и охлаждения/осушения воздуха, поступающего из окружающей среды.
8. Способ климат-контроля в замкнутых или полузамкнутых пространствах,
30 отличающийся тем, что при его осуществлении используют комплекс (1) для кондиционирования воздуха с целью его фильтрации, охлаждения/осушения и нагрева, тепловой насос (2) и комплекс (3), который осуществляет улавливание С02 из наружного воздуха и содержит два функциональных блока (134, 172), способных адсорбировать и десорбировать С02 на адсорбенте и функционирующих попеременно
35 в режиме адсорбции и в режиме десорбции.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ, ИЗМЕНЕННАЯ В СООТВЕТСТВИИ СО СТ. 34 РСТ
о S
s I-Р,
(Т)
05 03
нО 03
S в
В В
УЛАВЛИВАНИЕ С02 ИЗ ВОЗДУХА, ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ, РАБОТАЮЩАЯ НА УГЛЕ И ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ, РАБОТАЮЩАЯ НА ГАЗЕ Улавливается 90 % (во всех случаях), минимальная энергия как функция от чистоты уловленного С02
Воздух с 0,04 % С02
И Отработанный газ при сгорании угля, 13 % С02
15 А Отработанный газ комбинированного цикла, 4 % СО;
0.01
100
Подача СО, в теплицу
0.1 1 10
Чистота продукта, содержащего С02, %
ПРИМЕР РАВНОВЕСНЫХ ИЗО ТЕРМ АДСОРБЦИИ I I/)
(19)
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ИЗМЕНЕННОЕ СОГЛАСНО СТ. 34 РСТ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ИЗМЕНЕННОЕ СОГЛАСНО СТ. 34 РСТ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ИЗМЕНЕННОЕ СОГЛАСНО СТ. 34 РСТ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ИЗМЕНЕННОЕ СОГЛАСНО СТ. 34 РСТ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ИЗМЕНЕННОЕ СОГЛАСНО СТ. 34 РСТ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ИЗМЕНЕННОЕ СОГЛАСНО СТ. 34 РСТ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ИЗМЕНЕННОЕ СОГЛАСНО СТ. 34 РСТ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ИЗМЕНЕННОЕ СОГЛАСНО СТ. 34 РСТ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ИЗМЕНЕННОЕ СОГЛАСНО СТ. 34 РСТ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ИЗМЕНЕННОЕ СОГЛАСНО СТ. 34 РСТ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ИЗМЕНЕННОЕ СОГЛАСНО СТ. 34 РСТ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ИЗМЕНЕННОЕ СОГЛАСНО СТ. 34 РСТ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ИЗМЕНЕННОЕ СОГЛАСНО СТ. 34 РСТ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ИЗМЕНЕННОЕ СОГЛАСНО СТ. 34 РСТ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ИЗМЕНЕННОЕ СОГЛАСНО СТ. 34 РСТ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ИЗМЕНЕННОЕ СОГЛАСНО СТ. 34 РСТ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ИЗМЕНЕННОЕ СОГЛАСНО СТ. 34 РСТ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ИЗМЕНЕННОЕ СОГЛАСНО СТ. 34 РСТ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ИЗМЕНЕННОЕ СОГЛАСНО СТ. 34 РСТ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ИЗМЕНЕННОЕ СОГЛАСНО СТ. 34 РСТ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ИЗМЕНЕННОЕ СОГЛАСНО СТ. 34 РСТ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ИЗМЕНЕННОЕ СОГЛАСНО СТ. 34 РСТ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ИЗМЕНЕННОЕ СОГЛАСНО СТ. 34 РСТ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ИЗМЕНЕННОЕ СОГЛАСНО СТ. 34 РСТ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ИЗМЕНЕННОЕ СОГЛАСНО СТ. 34 РСТ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ИЗМЕНЕННОЕ СОГЛАСНО СТ. 34 РСТ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ИЗМЕНЕННОЕ СОГЛАСНО СТ. 34 РСТ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ИЗМЕНЕННОЕ СОГЛАСНО СТ. 34 РСТ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ИЗМЕНЕННОЕ СОГЛАСНО СТ. 34 РСТ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ИЗМЕНЕННОЕ СОГЛАСНО СТ. 34 РСТ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ИЗМЕНЕННОЕ СОГЛАСНО СТ. 34 РСТ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ИЗМЕНЕННОЕ СОГЛАСНО СТ. 34 РСТ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ИЗМЕНЕННОЕ СОГЛАСНО СТ. 34 РСТ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ИЗМЕНЕННОЕ СОГЛАСНО СТ. 34 РСТ
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
ФИГ. 1
ФИГ. 1
ФИГ. 2
ФИГ. 2
ФИГ. 4
ФИГ. 6
