EP1630509A2 - Verfahren zum erhitzen eines kühlfluidmediums - Google Patents

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EP1630509A2
EP1630509A2 EP04736021A EP04736021A EP1630509A2 EP 1630509 A2 EP1630509 A2 EP 1630509A2 EP 04736021 A EP04736021 A EP 04736021A EP 04736021 A EP04736021 A EP 04736021A EP 1630509 A2 EP1630509 A2 EP 1630509A2
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cooling
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Abdul Sultanovich Kurkaev
Isa Sultanovich Kurkaev
Georgy Konstantinovich Manastyrly
Elena Antonovna Alieva
Natalya Vasilievna Logvina
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KURKAEV, ABDUL SULTANOVICH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/026—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits
    • F28F9/0263—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits by varying the geometry or cross-section of header box
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/0066—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids

Definitions

  • the invention relates to the field of thermal engineering, in particular devices for supplying heated or cooled, liquid or gaseous media to consumers, for example in heating, ventilation or air conditioning systems of production and recreation rooms.
  • thermoelectric generator for heating and cooling air by means of an air conditioning system in a vehicle cabin
  • filter ventilation and heat dissipation fluid systems connected to a DC power source.
  • thermoelectric generator for heating and cooling air by means of an air conditioning system in a vehicle cabin
  • filter ventilation and heat dissipation fluid systems connected to a DC power source.
  • thermoelectric batteries which are connected to radiant convection plates, which are directed with the radiant surfaces in the area of the driver's stay, the plates on the opposite side have thermal contact with thermoelectric batteries, these plates are formed with internal air ducts and are connected to collectors, which are equipped with outlet taps.
  • the above-described method of heating and cooling air has a relatively low energy efficiency with increased energy consumption for air conditioning, which limits the use of a plant implementing this method as an air conditioning system for a vehicle.
  • a method closest to the technical character and the achieved result according to the invention is a method for heating or cooling a fluid medium, comprising supplying the fluid medium to be cooled or heated into a flow channel and sequentially heating or cooling the fluid Medium in the flow channel in at least two stages (see RU Patent No. 2140365, Kl. F25B 29/00, 27.10.1999).
  • This method of heating or cooling a fluid medium makes it possible to increase the efficiency of heating or cooling of the fluid medium by a stepwise action on the fluid medium. But even with this method, one can not achieve high efficiency of energy conversion in performing the cooling or heating processes, which is related to the lack of an optimal algorithm of the process of heating or cooling the fluid medium.
  • the present invention is directed to increasing the efficiency of processes of heating or cooling a fluid medium with minimal electrical power consumption using two or more stage heat generators.
  • the developed method for heating or cooling a fluid medium comprises the supply of the fluid medium to be cooled or heated in a flow channel and the successive heating or cooling of the fluid medium in the flow channel in at least two stages, wherein the flow channel in cooling or Heating stages of the same length is divided and the temperature of each stage in the direction from the first to the next step increases abruptly and directly proportional in the case of heating or is lowered in the case of cooling, wherein the fluid to be heated or fluid medium tangentially to the flow channel is supplied at an angle of 45 ° to 90 ° to the generatrix of the flow channel inner surface at the entry of the fluid medium.
  • Fig. 1 is a longitudinal section of one of the variants of a system in which the described method for heating or cooling of a fluid medium is realized, is shown; in Fig. 2, the section A-A of Fig. 1 is shown.
  • the system for heating or cooling a fluid medium has a flow channel 1 along which stages 2 of equal length for cooling or heating of the flowing through the channel fluid medium (gas or liquid) are formed.
  • the above-mentioned stages 2 may be in the form of a flow channel comprising housing which forms a cavity with the outer wall of the flow channel 1 to which a heat carrier (heating or cooling medium) is supplied, or in the form of, for example, the outer surface of the flow channel 1 arranged thermoelectric batteries, wherein the thermoelectric batteries are connected to a supply source such that steps of equal length are formed, to which a directly proportional and step by step increasing voltage is applied.
  • a heat transfer medium heat transfer medium
  • heat transfer agent for example, alcohol, freon or liquid ammonia
  • the Temperature jumps and directly proportional from level to level increases or decreases.
  • a heat carrier with the required temperature can be obtained and supplied by means of a compression refrigeration machine.
  • This compression refrigeration machine can be used for both heating the fluid meduim and cooling it.
  • the cavities around the flow channel 1 forming housing in one case, the role of the capacitor and in the other case, the role of the evaporator of the compression refrigeration machine.
  • the fluid medium is introduced tangentially via a pipe section or a nozzle 3 (preferably via the latter).
  • Pipe piece or nozzle 3 are arranged at an angle ⁇ of 45 ° to 90 ° to the surface line of the inner surface of the flow channel 1 at the entry point of the fluid medium.
  • the method of heating or cooling a fluid medium is realized in the following manner.
  • the fluid to be cooled or heated to be heated medium is introduced via a piece of pipe or a nozzle 3.
  • a successive heating or cooling of the fluid medium takes place in at least two stages 2.
  • the temperature of each stage 2 increases (in the direction from the first stage to the next stage) abruptly and directly proportional in the case of heating or decreases in the case of Cooling.
  • a successive heating or cooling of the fluid medium takes place in the flow channel 1.
  • thermoelectric batteries In the case of using thermoelectric batteries, the latter are connected to a DC power source via a control panel which allows the polarity of the voltage applied to the thermoelectric batteries to be changed, making it possible to change the operation of the batteries, namely the fluid medium Flow channel 1 to heat or cool.
  • the heating or cooling stages As separate, heat-insulated cooling or heating stages in the course of the flow of the fluid medium.
  • applied to the thermoelectric batteries different operating voltage, wherein the voltage across the thermoelectric batteries of the second and further stages is directly proportional greater than the voltage across the thermoelectric batteries of the first stage.
  • the above-described method for heating or cooling a fluid medium enables effective cooling of a gas or a liquid and can be used in industry, for example in the heat treatment of liquefied gases in the petroleum and petrochemical industries, for cooling Seasoning or, for example, a margarine emulsion in the food industry and in air conditioning systems for heating or cooling air.

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Abstract

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Wärmetechnik. Das Verfahren zur Erhitzung oder Kühlung eines fluiden Mediums umfasst die Zufuhr des zu kühlenden bzw. zu erhitzenden fluiden Mediums in einen Durchflußkanal und die aufeinanderfolgende Erhitzung bzw. Kühlung des fluiden Mediums im Durchflußkanal in mindestens zwei Stufen, wobei der Durchflußkanal in Kühlungs- bzw. Erhitzungsstufen gleicher Länge geteilt ist und die Temperatur jeder Stufe in Richtung von der ersten Stufe zur nächsten Stufe sprungartig und direkt proportional im Falle der Erhitzung erhöht bzw. im Falle der Kühlung gesenkt wird, wobei das zu kühlende bzw. zu erhitzende fluide Medium dem Durchflußkanal tangential unter einem Winkel von 45° bis 90° zur Mantellinie der Durchflußkanal-Innenoberfläche am Eintrittsort des fluiden Mediums zugeführt wird. Im Ergebnis wird eine Erhöhung der Effektivität der Prozesse der Erhitzung oder Kühlung eines fluiden Mediums erreicht.

Description

    GEBIET DER TECHNIK
  • Die Erfindung betrifft das Gebiet der Wärmetechnik, insbesondere Einrichtungen zur Zufuhr von erhitzten oder gekühlten, flüssigen oder gasförmigen Medien an Verbraucher, zum Beispiel in Heizungs-, Lüftungs- oder Klimatisierungssystemen von Produktions- und Aufenthaltsräumen.
    • BISHERIGER STAND DER TECHNIK
  • Es ist ein Verfahren zur Erhitzung und Kühlung von Luft mittels einer Luftklimatisierungsanlage in einer Fahrzeugkabine bekannt, (siehe Urheberschein der UdSSR Nr. 688351, 30.09.1979), die einen an eine Gleichstromquelle angeschlossenen thermoelektrischen Generator, Filterlüftungs- und wärmeableitende Flüssigkeits-Systeme aufweist, die mit Strahlungs-Konvektionsplatten verbunden sind, die mit den Strahlungsflächen in den Bereich des Aufenthaltes des Fahrzeugführers gerichtet sind, wobei die Platten an der gegenüberliegenden Seite einen Wärmekontakt mit thermoelektrischen Batterien haben, wobei diese Platten mit inneren Luftkanälen gebildet sind und mit Kollektoren verbunden sind, die mit Auslasshähnen versehen sind. In dieser Anlage wird die Arbeit in den Betriebsweisen Belüftung, Strahlungs-, Strahl-, Strahlungs-Konvektions-Kühlung bzw. -Erhitzung organisiert, mit der Möglichkeit der Benutzung von insbesondere unter den Taupunkt gekühlter Luft zur teilweisen Wärmeableitung von den heißen Lötstellen der thermoelektrischen Batterien, was es erlaubt, die Effektivität der Luftkonditionierung zu verbessern und bei wesentlichen Wärmeeintritten in die Kabine durch Anwendung einer komplexen Einwirkung auf das Medium des Arbeitsbereiches in der Kabine Komfortbedingungen sicherzustellen.
  • Das oben beschriebene Verfahren zur Erhitzung und Kühlung von Luft hat jedoch eine verhältnismäßig niedrige energetische Effektivität bei erhöhtem Energieverbrauch zur Luftkonditionierung, was die Benutzung einer dieses Arbeitsverfahren realisierenden Anlage als Klimaanlage für ein Fahrzeug beschränkt.
  • Ein dem technischen Wesen und dem erreichten Ergebnis nach der Erfindung am nächsten kommendes Verfahren ist ein Verfahren zur Erhitzung oder Kühlung eines fluiden Mediums, umfassend die Zufuhr des zu kühlenden bzw. zu erhitzenden fluiden Mediums in einen Durchflußkanal und die aufeinanderfolgende Erhitzung bzw. Kühlung des fluiden Mediums im Durchflußkanal in mindestens zwei Stufen (siehe RU-Patent Nr. 2140365, Kl. F25B 29/00, vom 27.10.1999).
  • Dieses Verfahren zur Erhitzung oder Kühlung eines fluiden Mediums erlaubt es, die Effektivität der Erhitzung bzw. Kühlung des fluiden Mediums durch eine stufenweise Einwirkung auf das fluide Medium zu erhöhen. Aber auch mit diesem Verfahren kann man keine hohe Effektivität der Energieumwandlung bei der Durchführung der Kühlungs- bzw. Erhitzungsprozesse erreichen, was mit dem Fehlen eines optimalen Algorithmus' des Prozesses der Erhitzung bzw. Kühlung des fluiden Mediums zusammenhängt.
    • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung ist auf die Erhöhung der Effektivität von Prozessen der Erhitzung bzw. Kühlung eines fluiden Mediums bei minimalem Verbrauch elektrischer Leistung unter Benutzung von zwei und mehr Kälte- bzw. Wärme-Stufengeneratoren gerichtet.
  • Das entwickelte Verfahren zur Erhitzung oder Kühlung eines fluiden Mediums umfasst die Zufuhr des zu kühlenden bzw. zu erhitzenden fluiden Mediums in einen Durchflußkanal und die aufeinanderfolgende Erhitzung bzw. Kühlung des fluiden Mediums im Durchflußkanal in mindestens zwei Stufen, wobei der Durchflußkanal in Kühlungs- bzw. Erhitzungsstufen gleicher Länge geteilt ist und die Temperatur jeder Stufe in der Richtung von der ersten zur nächsten Stufe sprungartig und direkt proportional im Falle der Erhitzung erhöht bzw. im Falle der Kühlung gesenkt wird, wobei das zu kühlende bzw. zu erhitzende fluide Medium dem Durchflußkanal tangential unter einem Winkel von 45° bis 90° zur Mantellinie der Durchflußkanal-Innenoberfläche am Eintrittsort des fluiden Mediums zugeführt wird.
  • Die Betrachtung der Funktion verschiedenartiger Einrichtungen zur Erhitzung oder Kühlung eines fluiden Mediums hat gezeigt, dass für die Effektivität von Wärmeaustauschprozessen die Organisation des Prozesses der Wechselwirkung zwischen zu kühlenden und zu erhitzenden fluiden Medien eine wesentliche Rolle spielt. Eine vernünftige Organisation des Prozesses des Wärmeaustausches ermöglicht es, die Masse- und Abmessungsdaten von Anlagen zur Erhitzung und Kühlung eines fluiden Mediums zu verbessern, den Energieverbrauch zu senken. Die Organisation von Stufen gleicher Länge zur Erhitzung und Kühlung des fluiden Mediums bei direkt proportionaler sprungartiger Temperaturänderung der Erhitzungs- bzw. Kühlungsstufen ermöglicht es, entlang des Kanals eine ungefähr gleiche Temperaturdifferenz zwischen der Erhitzungs- bzw. Kühlungsquelle und dem fluiden Medium zu erhalten, was es unter den Bedingungen der Strömungsverwirbelung des fluiden Mediums auf Grund seines Dralls am Eintritt in den Durchflußkanal erlaubt, die Temperatur des fluiden Mediums bei dessen gleichmäßiger und aufeinanderfolgender Erhitzung bzw. Kühlung über den Querschnitt zu egalisieren.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • In Fig. 1 ist ein Längsschnitt einer der Varianten einer Anlage, in der das beschriebenen Verfahren zur Erhitzung bzw. Kühlung eines fluiden Mediums realisiert wird, dargestellt; in Fig. 2 ist der Schnitt A-A der Fig. 1 dargestellt.
  • Die Anlage zur Erhitzung bzw. Kühlung eines fluiden Mediums weist einen Durchflußkanal 1 auf, entlang dessen Stufen 2 gleicher Länge zur Kühlung oder Erhitzung des durch den Kanal fliessenden fluiden Mediums (Gas oder Flüssigkeit) gebildet sind. Die oben genannten Stufen 2 können in Form eines den Durchflußkanal umfassenden Gehäuses ausgebildet sein, das mit der Außenwand des Durchflußkanals 1 einen Hohlraum bildet, welchem ein Wärmeträger (Heiz- bzw. Kühlmittel) zugeführt wird, oder in Form von beispielsweise an der Außenfläche des Durchflußkanals 1 angeordneten thermoelektrischen Batterien, wobei die thermoelektrischen Batterien derart an eine Speisequelle angeschlossen sind, dass Stufen gleicher Länge gebildet werden, an welche eine direkt proportional und sprungartig von Stufe zu Stufe steigende Spannung angelegt wird. In die oben genannten Gehäuse wird ein Wärmeträger (Heiz- bzw. Kühlmittel, beispielsweise Spiritus, Freon oder flüssiges Ammoniak) zugeführt, dessen Temperatur sprungartig und direkt proportional von Stufe zu Stufe steigt bzw. sinkt. Beispielsweise ist es möglich, in die Gehäuse Wärmeträger einzubringen, oder man kann (für den Fall mit den thermoelektrischen Batterien) in der ersten Stufe eine Temperatur von 14 °C, in der zweiten Stufe von 28 °C und in der dritten Stufe von 42 °C erzeugen.
  • Ein Wärmeträger mit der erforderlichen Temperatur kann mit Hilfe einer Kompressionskältemaschine gewonnen und zugeführt werden. Diese Kompressionskältemaschine kann sowohl zur Erhitzung des fluiden Meduims als auch zu dessen Kühlung eingesetzt werden. Dabei spielen die Hohlräume um den Durchflußkanal 1 bildenden Gehäuse im einen Fall die Rolle des Kondensators und im anderen Fall die Rolle des Verdampfers der Kompressionskältemaschine. In den Durchflußkanal 1 wird das fluide Medium tangential über ein Rohrstück oder eine Düse 3 (vorzugsweise über letztere) eingeführt. Rohrstück oder Düse 3 sind dabei unter einem Winkel α von 45° bis 90° zur Mantellinie der Innenoberfläche des Durchflußkanals 1 am Eintrittsort des fluiden Mediums angeordnet.
    • AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DES VERFAHRENS
  • Das Verfahren zur Erhitzung bzw. Kühlung eines fluiden Mediums wird auf folgende Weise realisiert. In den Durchflußkanal 1 wird über ein Rohrstück oder eine Düse 3 das zu kühlende bzw. zu erhitzende fluide Medium eingeführt. Im Durchflußkanal 1 erfolgt eine aufeinanderfolgende Erhitzung bzw. Kühlung des fluiden Mediums in mindestens zwei Stufen 2. Die Temperatur jeder Stufe 2 steigt (in Richtung von der ersten Stufe zur nächsten Stufe) sprungartig und direkt proportional im Falle der Erhitzung bzw. sinkt im Falle der Kühlung. Im Ergebnis erfolgt eine aufeinanderfolgende Erhitzung bzw. Kühlung des fluiden Mediums im Durchflußkanal 1.
  • Im Falle der Benutzung thermoelektrischer Batterien sind die letzteren an eine Gleichstromquelle über ein Steuerpult angeschlossen, das es erlaubt, die Polarität der an die thermoelektrischen Batterien angelegten Spannung zu ändern, was es ermöglicht, die Arbeitsweise der Batterien zu ändern, und zwar das fluide Medium im Durchflußkanal 1 zu erhitzen oder zu kühlen. Gegebenenfalls ist es bei Bedarf möglich, die Erhitzungs- bzw. Kühlungsstufen als im Verlauf der Strömung des fluiden Mediums getrennte, voneinander wärmeisolierte Kühlungs- bzw. Erhitzungsstufen auszuführen. In diesem Falle wird, wie auch oben beschrieben, an die thermoelektrischen Batterien unterschiedliche Betriebsspannung angelegt, wobei die Spannung an den thermoelektrischen Batterien der zweiten und der weiteren Stufen direkt proportional größer ist als die Spannung an den thermoelektrischen Batterien der ersten Stufe.
    • GEWERBLICHE VERWERTBARKEIT
  • Das oben beschriebene Verfahren zur Erhitzung oder Kühlung eines fluiden Mediums ermöglicht eine effektive Kühlung bzw. Erhitzung eines Gases oder einer Flüssigkeit und kann in der Industrie eingesetzt werden, zum Beispiel bei der Wärmebehandlung von verflüssigten Gasen in der Erdöl- und petrolchemischen Industrie, zum Abkühlen von Würzen oder zum Beispiel einer Margarineemulsion in der Lebensmittelindustrie sowie in Klimaanlagen zur Erhitzung bzw. Kühlung von Luft.

Claims (1)

  1. Verfahren zur Erhitzung oder Kühlung eines fluiden Mediums, umfassend die Zufuhr des zu kühlenden bzw. zu erhitzenden fluiden Mediums in einen Durchflußkanal und die aufeinanderfolgende Erhitzung bzw. Kühlung des fluiden Mediums im Durchflußkanal in mindestens zwei Stufen, dadurch gekennzeichnet,
    dass der Durchflußkanal in Kühlungs- bzw. Erhitzungsstufen gleicher Länge geteilt ist und
    die Temperatur jeder Stufe in der Richtung von der ersten zur nächsten Stufe sprungartig und direkt proportional im Falle der Erhitzung erhöht bzw. im Falle der Kühlung gesenkt wird, wobei
    das zu kühlende bzw. zu erhitzende fluide Medium dem Durchflußkanal tangential unter einem Winkel von 45° bis 90° zur Mantellinie der Durchflußkanal-Innenoberfläche am Eintrittsort des fluiden Mediums zugeführt wird.
EP04736021A 2003-06-03 2004-06-03 Verfahren zum erhitzen oder kühlen eines fluidmediums Expired - Lifetime EP1630509B1 (de)

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