CZ36887U1

CZ36887U1 - Reversible heat engine

Info

Publication number: CZ36887U1
Application number: CZ2022-40452U
Authority: CZ
Inventors: Pavel ÄŚinÄŤura; Pavel Činčura; Zdeněk Lochmann
Original assignee: Pavel Činčura; Zdeněk Lochmann
Priority date: 2022-08-24
Filing date: 2022-08-24
Publication date: 2023-03-14

Description

Vratný tepelný strojReversible heat engine

Oblast technikyField of technology

Technické řešení se týká vratného tepelného stroje, který může pracovat jako tepelné čerpadlo či chladicí stroj.The technical solution concerns a reversible heat engine that can work as a heat pump or a cooling machine.

Dosavadní stav technikyCurrent state of the art

V současnosti je u vratných tepelných strojů používán dvoudobý cyklus. Stroj se skládá z kondenzátoru, dále výparníku, škrticího ventilu a kompresoru. Práce do vratného tepelného stroje je dodávána například elektrickým motorem. Z praxe víme, že nej efektivnější současné vratné tepelné stroje (tepelná čerpadla) dosahují v nejlepším případě méně než polovinu účinnosti, než je teoretická tepelná účinnost obráceného Carnotova cyklu. Malá praktická účinnost současně vyráběných vratných strojů má sice několik příčin, ale zcela zásadní příčinou je velmi nedokonalý průběh vlastního dvoudobého termodynamického cyklu. Aby bylo možno dosáhnout co největší praktické účinnosti, je nutné, aby vratný tepelný stroj pracoval v co nej dokonalejším termodynamickém pracovním cyklu. Úkolem předkládaného technického řešení je výrazné zvýšení praktické účinnosti oproti stávajícím vratným tepelným strojům.Currently, reversible heat engines use a two-stroke cycle. The machine consists of a condenser, an evaporator, a throttle valve and a compressor. Work is supplied to a reversible heat engine by, for example, an electric motor. We know from practice that the most efficient current reversible heat engines (heat pumps) achieve at best less than half the efficiency of the theoretical thermal efficiency of the reversed Carnot cycle. The low practical efficiency of currently produced reciprocating machines has several causes, but the most fundamental cause is the very imperfect course of its own two-period thermodynamic cycle. In order to achieve the greatest possible practical efficiency, it is necessary for the reversible heat engine to operate in the most perfect thermodynamic duty cycle. The task of the presented technical solution is a significant increase in practical efficiency compared to existing reversible heat engines.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Tento úkol je řešen předkládaným technickým řešením, jenž pracuje v kontinuálním termodynamickém uzavřeném cyklu a je tvořen teplo odčerpávajícím úsekem o nižší teplotě T a tlaku páry pracovního plynup, který se vždy nachází v oblasti, ze které je teplo Q odčerpáváno, a teplo odevzdávajícím úsekem o vyšší teplotě TI a vyšším tlaku páry pracovního plynupl, kde je celkové teplo Qc odebíráno při vyšší teplotě TI, přičemž oba úseky jsou propojeny potrubím přes protiproudý tepelný výměník.This task is solved by the presented technical solution, which works in a continuous thermodynamic closed cycle and consists of a heat-removing section with a lower temperature T and vapor pressure of the working gasp, which is always located in the area from which the heat Q is pumped out, and a heat-releasing section o at a higher temperature TI and a higher vapor pressure of the working gaspl, where the total heat Qc is removed at a higher temperature TI, while the two sections are connected by a pipe through a counter-current heat exchanger.

Proti dosud existujícím vratným tepelným strojům je zásadní výhodou, že v teplo odčerpávajícím úseku je uložen teplo odčerpávající výměník, ve kterém je kapalný pracovní plyn a také pohon stroje, jehož hřídel je propojen s hřídelí hydrostatického rotačního izobarického stroje, a jeho hřídel je spojen z druhé strany s hřídelem hydromotoru, přičemž jeho hřídel z druhé strany je propojen s termoizolační spojkou. Toto uspořádání umožní využít tlaku páry p pracovního plynu v teplo odčerpávajícím výměníku k tomu, že vykoná v hydrostatickém rotačním izobarickém motoru práci W a tato práce potom nemusí být dodána pohonem stroje, což zvyšuje praktickou účinnost.Compared to existing reversible heat machines, the fundamental advantage is that the heat-pumping section contains a heat-pumping exchanger in which there is a liquid working gas and also the drive of the machine, the shaft of which is connected to the shaft of the hydrostatic rotary isobaric machine, and its shaft is connected from the other side with the shaft of the hydromotor, while its shaft from the other side is connected to the thermal insulation coupling. This arrangement makes it possible to use the vapor pressure p of the working gas in the heat-pumping exchanger to do work W in the hydrostatic rotary isobaric engine, and this work then does not have to be supplied by the machine drive, which increases practical efficiency.

Podstata technického řešení spočívá dále v tom, že pára pracovního plynu je přesunuta z hydrostatického izobarického rotačního stroje potrubím přes otevřený elektroventil, dále přes protiproudý tepelný výměník, kde odebere většinu měrného tepla proti proudícímu kapalnému plynu a její teplota se zvýší z teploty T přibližně na TI, do vstupu hydrostatického rotačního izotermického kompresoru, což dále zvyšuje praktickou účinnost.The essence of the technical solution lies in the fact that the steam of the working gas is moved from the hydrostatic isobaric rotary machine through a pipe through an open solenoid valve, then through a countercurrent heat exchanger, where it takes most of the specific heat against the flowing liquid gas and its temperature increases from temperature T to approximately TI , into the hydrostatic rotary isothermal compressor inlet, which further increases practical efficiency.

V teplo odevzdávajícím úseku je uložen hydrostatický rotační izotermický kompresor, jehož hřídel je propojen termoizolační spojkou s hydrostatickým rotačním izobarickým strojem a pohonem stroje uloženými v teplo odčerpávajícím úseku a jeho výstup je propojen přes zpětný ventil s teplo odevzdávajícím výměníkem, ve kterém je zkapalněný pracovní plyn o teplotě TI a ten je přiváděn potrubím přes protiproudý tepelný výměník do hydromotoru, přičemž v ideálním případě předá téměř celé své měrné teplo protiproudící páře pracovního plynu a jeho teplota poklesne z TI na T.A hydrostatic rotary isothermal compressor is located in the heat transfer section, the shaft of which is connected by a thermal insulation coupling to the hydrostatic rotary isobaric machine and the machine drive located in the heat removal section, and its output is connected via a non-return valve to a heat transfer exchanger in which the liquefied working gas is temperature TI and it is fed through a pipeline through a counter-current heat exchanger to the hydromotor, where in the ideal case it transfers almost all of its specific heat to the counter-flow working gas steam and its temperature drops from TI to T.

Z výstupu hydromotoru je pracovní kapalný plyn potrubím přiváděn do teplo odčerpávajícího výměníku, a protože tlak pracovního plynupl v teplo odevzdávajícím výměníku při teplotě TI jeFrom the output of the hydromotor, the working liquid gas is fed through a pipeline to the heat-removing exchanger, and since the pressure of the working gas in the heat-giving exchanger at the temperature TI is

- 1 CZ 36887 UI větší než tlak p v teplo odčerpávajícím výměníku při teplotě T, vykoná hydromotor izobarickou práci, o kterou může pohon stroje dodat méně, což opět zvyšuje praktickou účinnost. Pracovní objem hydromotoru je přitom nastaven tak, aby hladiny kapalného pracovního plynu jak v teplo odčerpávajícím výměníku, tak teplo odevzdávajícím výměníku byly během provozu vyrovnané.- 1 CZ 36887 UI greater than the pressure p in the heat-pumping exchanger at temperature T, the hydromotor performs isobaric work, which the machine drive can deliver less, which again increases the practical efficiency. At the same time, the working volume of the hydraulic motor is set so that the levels of the liquid working gas in both the heat-removing exchanger and the heat-giving exchanger are balanced during operation.

Vratný tepelný stroj pracuje tak, že je otevřen elektro ventil a spuštěn pohon stroje a tím je pára kapalného plynu z teplo odčerpávajícího výměníku o nižší teplotě T a tlakup přivedena potrubím do hydrostatického rotačního izobarického stroje, kde se rozpíná izobaricky a koná práci W a na výstupu je vedena potrubím přes elektroventil a přes protiproudý tepelný výměník do hydrostatického rotačního izotermického kompresoru a odtud je pára pracovního plynu stlačena izotermicko-izobaricky přes zpětný ventil do teplo odevzdávajícího výměníku o vyšší teplotě TI a tlaku pl, kde pára kondenzuje a odevzdá zde všechno teplo Q, které bylo odebrané v teplo odčerpávajícím výměníku, plus teplo, ve které se přemění práce dodaná pohonem stroje a práce W vykonaná hydrostatickým rotačním izobarickým strojem a hydromotorem, v podobě celkového tepla Qc. Souběžně je kapalný plyn z teplo odevzdávajícího výměníku přiváděn potrubím přes protiproudý tepelný výměník, kde předá většinu svého měrného tepla proti proudící páře pracovního plynu a je přiveden do hydromotoru, kde vykoná práci a odtud je přiveden potrubím do teplo odčerpávajícího výměníku. Tím je celý kontinuální pracovní cyklus ukončen, a přitom bylo z teplo odčerpávajícího úseku odebráno celkové teplo Qc, které je rovno součtu skupenského tepla varu Iv pracovního plynu plus tepla Q, které je rovno vykonané práci W hydrostatickým rotačním izobarickým strojem, včetně tepla Ql, ve které se proměnila práce W1 dodaná pohonem stroje, a toto teplo bylo pomocí činnosti vratného tepelného stroje přesunuto do teplo odevzdávajícího výměníku při vyšší teplotě TI. Tím je celý izobaricko-izobaricko-izotermickoizobarický cyklus ukončen.The reversible heat engine works in such a way that the electric valve is opened and the drive of the machine is started, and thus the vapor of liquid gas from the heat-pumping exchanger at a lower temperature T and pressure is brought through a pipe to a hydrostatic rotary isobaric machine, where it expands isobarically and does work W a at the outlet it is piped through an electrovalve and through a countercurrent heat exchanger to a hydrostatic rotary isothermal compressor, and from there the working gas vapor is compressed isothermally-isobarically through a non-return valve to a heat-transferring exchanger with a higher temperature TI and pressure pl, where the vapor condenses and gives up all the heat Q, which has been removed to the heat-pumping exchanger, plus the heat into which the work supplied by the machine drive and the work W done by the hydrostatic rotary isobaric machine and the hydromotor are converted into the total heat Qc. Simultaneously, the liquid gas from the heat transfer exchanger is piped through the countercurrent heat exchanger, where it transfers most of its specific heat against the flowing steam of the working gas and is fed to the hydromotor, where it does work, and from there it is piped to the heat pumping exchanger. This completes the entire continuous work cycle, while the total heat Qc, which is equal to the sum of the heat of boiling Iv of the working gas plus the heat Q, which is equal to the work done W by the hydrostatic rotary isobaric machine, including the heat Ql, has been removed from the heat pumping section, in into which the work W1 delivered by the machine drive was transformed, and this heat was transferred to the heat transfer exchanger at a higher temperature TI by the action of a reversible heat engine. This completes the entire isobaric-isobaric-isothermal-isobaric cycle.

Pracovní objemy jednotlivých strojů jsou dány rozdílem teplot TI - T tak, aby všechny jednotlivé děje kontinuálního pracovního termodynamického cyklu proběhly co nejpřesněji. Pouze tak lze docílit maximální praktické účinnosti.The working volumes of individual machines are determined by the temperature difference TI - T so that all individual events of the continuous work thermodynamic cycle take place as accurately as possible. Only in this way can maximum practical efficiency be achieved.

Objasnění výkresůClarification of drawings

Technické řešení bude objasněno výkresem konkrétního příkladu vratného tepelného stroje, kde znázorňuje obr. 1 schematické uspořádání celého stroje.The technical solution will be clarified by a drawing of a specific example of a reversible heat engine, where Fig. 1 shows the schematic layout of the entire machine.

Příklad uskutečnění technického řešeníAn example of the implementation of a technical solution

Vratný tepelný stroj, dle zobrazeného příkladného provedení, sestává z teplo odčerpávajícího úseku 11 o nižší teplotě T a teplo odevzdávajícího úseku 12, kde je teplo odebíráno při vyšší teplotě TI, přičemž oba úseky jsou propojeny potrubím přes protiproudý tepelný výměník 9. V teplo odčerpávajícím úseku lije uložen teplo odčerpávající výměník 6, ve kterém je pracovní kapalný plyn. Dále je zde umístěn pohon stroje 1, jehož hřídel je propojen s hřídelí hydrostatického rotačního izobarického stroje 2, jehož hřídel je spojen z druhé strany s hřídelem hydromotoru 3 a jeho hřídel z druhé strany je propojen přes termoizolační spojku 5 s hřídelí hydrostatického rotačního izotermického kompresoru 4, jenž je uložen v teplo odevzdávajícím úseku 12. Vstup hydrostatického rotačního izobarického stroje 2 je propojen potrubím s teplo odčerpávajícím výměníkem 6 a výstup je propojen potrubím přes elektroventil 10 a protiproudý tepelný výměník 9 se vstupem hydrostatického rotačního izotermického kompresoru 4 a jeho výstup je propojen potrubím přes zpětný ventil 8 s teplo odevzdávajícím výměníkem 7, ve kterém je kapalný pracovní plyn o vyšší teplotě TI. Teplo odevzdávající výměník 7 je ve spodní části propojen potrubím přes protiproudý tepelný výměník 9 se vstupem do hydromotoru 3, přičemž jeho výstup je propojen potrubím s teplo odčerpávajícím výměníkem 6, umístěným v teplo odčerpávajícím úseku 11 o nižší teplotě T.The reversible heat engine, according to the exemplary embodiment shown, consists of a heat-removing section 11 at a lower temperature T and a heat-releasing section 12, where heat is removed at a higher temperature TI, and both sections are connected by a pipe through a counter-flow heat exchanger 9. In the heat-removing section the heat-pumping exchanger 6, in which the working liquid gas is poured, is stored. Furthermore, the drive of the machine 1 is located here, the shaft of which is connected to the shaft of the hydrostatic rotary isobaric machine 2, the shaft of which is connected on the other side to the shaft of the hydromotor 3, and its shaft on the other side is connected via the thermal insulation coupling 5 to the shaft of the hydrostatic rotary isothermal compressor 4 , which is stored in the heat-giving section 12. The inlet of the hydrostatic rotary isobaric machine 2 is connected by a pipe to the heat-pumping exchanger 6, and the output is connected by a pipe through the electrovalve 10 and the countercurrent heat exchanger 9 to the input of the hydrostatic rotary isothermal compressor 4, and its output is connected by a pipe through the non-return valve 8 with the heat-transferring exchanger 7, in which there is a liquid working gas with a higher temperature TI. In the lower part, the heat-transferring exchanger 7 is connected by a pipe via a countercurrent heat exchanger 9 to the inlet to the hydromotor 3, while its output is connected by a pipe to the heat-removing exchanger 6, located in the heat-removing section 11 with a lower temperature T.

-2CZ 36887 UI-2CZ 36887 UI

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Vratný tepelný stroj bude mít výrazně vyšší účinnost než současně používané vratné tepelné stroje a velmi široké využití a vzhledem ke své vysoké praktické účinnosti postupně nahradí dosud používaná tepelná čerpadla, klimatizační jednotky a chladicí stroje, jejichž praktická účinnost nedosahuje ani poloviny teoreticky maximálně dosažitelné účinnosti.The reversible heat engine will have significantly higher efficiency than currently used reversible heat engines and a very wide range of uses, and due to its high practical efficiency, it will gradually replace the heat pumps, air conditioning units and cooling machines used so far, whose practical efficiency does not even reach half of the theoretically maximum achievable efficiency.

Claims

1. A reversible heat engine, consisting of a heat pumping section (11) with a temperature T and a pressure p and a heat transferring section (12) with a temperature T1 and tlakemp1 higher than the temperature Ta and pressure in the heat pumping section (11), characterized in that the heat the pumping section (11) is equipped with a machine drive (1), a hydrostatic rotary isobaric machine (2), a hydromotor (3), a heat pumping exchanger (6) and an electric valve (10), and the heat transferring section (12) is equipped with a heat transferring exchanger ( 7), a hydrostatic rotary compressor (4) and a non-return valve (8), while the connecting pipe connects the heat pumping section (11) with the heat transferring section (12) through a countercurrent heat exchanger (9), while in the heat pumping section (11) a connecting the pipeline connects the heat-pumping exchanger (6) with the hydrostatic rotary isobaric machine (2), which is connected to the electrovalve (10) through a connecting pipe, which is connected to the countercurrent heat exchanger (9) which is in the heat-giving section (12) through a connecting pipe connected by a connecting pipe to a hydrostatic rotary isothermal compressor (4), which is connected by a connecting pipe to a non-return valve (8), which is connected by a connecting pipe to a heat transfer exchanger (7), which is connected by a connecting pipe to a countercurrent heat exchanger (9), which on the other hand, in the heat-pumping section (11) via the connecting pipe, it is connected to the hydraulic motor (3), which is connected to the heat-pumping exchanger (6) via the connecting pipe.

2. Reversible heat engine according to claim 1, characterized in that the working substance is liquid gases or their compounds.