RU2106582C1

RU2106582C1 - Device for production of heat and cold

Info

Publication number: RU2106582C1
Application number: RU93051578A
Authority: RU
Inventors: В.И. Андреев; И.И. Мейнцер
Original assignee: Научно-производственный концерн "Резерв"
Priority date: 1993-11-02
Filing date: 1993-11-02
Publication date: 1998-03-10

Abstract

FIELD: air heating and cooling of living and industrial buildings; heating systems and refrigerating engineering. SUBSTANCE: gas distributing device is made in form of two-position four-way cock 1. Expander and compressor are made in form of intake bellows 3 and 4 and compression bellows 2 and 5 which are rigidly interconnected. Mechanical drive is kinematically linked with rigid brace of bellows 2 and 3 of compressor and two-position four-way cock 10 which makes its possible for expander to operate under action of gas resultant force and transmission of heat from working medium to rated volume of air to be heated in two stages from receiving bellows 4 of expander and from compression bellows 2 of compressor. EFFECT: enhanced efficiency, reduction of spurious spaces and hydrodynamic losses due to facilitated heat exchanger between working medium and air without any external heat exchangers and devices for blowing air through them. 2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к отопительной и холодильной технике, представляет собой бесфреоновый тепловой насос с силовым приводом и может найти применение при создании кондиционеров и агрегатов для воздушного обогрева и охлаждения жилых и производственных помещений. The invention relates to heating and cooling equipment, is a freon-free heat pump with a power drive and can find application in the creation of air conditioners and units for air heating and cooling of residential and industrial premises.

В настоящее время известны устройства для получения тепла и холода, например [1] , которое в режиме обогрева работает как тепловой насос, путем сжатия в компрессоре рабочего тела за счет электроэнергии и поглощения тепла из окружающей среды, в режиме охлаждения - за счет рекомбинации р.т. на трехфазной границе раздела в полости высокого давления. At present, there are known devices for generating heat and cold, for example [1], which works as a heat pump in the heating mode by compressing the working fluid in the compressor due to electric energy and absorbing heat from the environment, and in cooling mode by recombining p. t at the three-phase interface in the high-pressure cavity.

Недостатком описанного устройства является его сложность, т.к. кроме электрохимического компрессора и теплообменников содержит двухфазное р.т., пористые электроды, электролитную мембрану, металлический сетчатый материал, тоководы и т.д., что снижает надежность и эффективность работы устройства. The disadvantage of the described device is its complexity, because in addition to an electrochemical compressor and heat exchangers, it contains a two-phase RT, porous electrodes, an electrolyte membrane, metal mesh material, current leads, etc., which reduces the reliability and efficiency of the device.

Известна также установка для получения тепла и холода [2], которая содержит линию, подводящую сжатый воздух, детандер, волновой криогенератор и теплообменники, связывающие их в одну систему. Установка достаточно проста, но решающим ее недостатком является "открытость" цикла, требующего подвода сжатого воздуха извне, что делает КПД установки неприемлемо низким в случае применения ее для нужд отопления. Also known is an installation for generating heat and cold [2], which contains a line supplying compressed air, an expander, a wave cryogenerator and heat exchangers connecting them into one system. The installation is quite simple, but its crucial drawback is the "openness" of the cycle, which requires the supply of compressed air from the outside, which makes the efficiency of the installation unacceptably low if it is used for heating needs.

Наиболее близким аналогом является газовая холодильная машина [3], работающая по обратному циклу Стирлинга. Машина содержит детандерную и компрессорную рабочие полости, выполненные в виде сильфонных цилиндров, сообщенных между собой через регенератор и снабженных раздельными механическими приводами, обеспечивающими их гармонические колебания. При этом детандерный сильфон заключен в теплоизолированный кожух и сообщен посредством обратных клапанов с холодной камерой, отвод тепла от охлаждаемого объекта осуществляется через промежуточное рабочее тело, что существенно сужает область применения этой машины. The closest analogue is a gas refrigeration machine [3], operating on the reverse Stirling cycle. The machine contains an expander and compressor working cavities, made in the form of bellows cylinders, interconnected through a regenerator and equipped with separate mechanical drives, ensuring their harmonic vibrations. In this case, the expander bellows is enclosed in a thermally insulated casing and communicated through check valves with a cold chamber, heat is removed from the cooled object through an intermediate working fluid, which significantly narrows the scope of this machine.

Недостатком является сложность механического привода (раздельного для компрессора и детандера), следовательно, громоздкость конструкции машины относительно охлаждаемой площади, а также наличие регенератора, необходимость которого обусловлена возвратно-поступательным движением газообразного рабочего тела в тракте холодильной машины. The disadvantage is the complexity of the mechanical drive (separate for the compressor and expander), therefore, the cumbersome design of the machine relative to the cooled area, as well as the presence of a regenerator, the need for which is due to the reciprocating movement of the gaseous working fluid in the path of the refrigeration machine.

Предлагаемое устройство для получения тепла и холода предназначено для изменения температуры воздуха и призвано решить техническую задачу повышения КПД, сокращения паразитных пространств и снижения гидродинамических потерь за счет упрощения теплообмена между рабочим телом и воздухом без применения внешних теплообменников и устройств для прокачки воздуха через них. The proposed device for generating heat and cold is designed to change air temperature and is designed to solve the technical problem of increasing efficiency, reducing spurious spaces and reducing hydrodynamic losses by simplifying heat transfer between the working fluid and air without the use of external heat exchangers and devices for pumping air through them.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для получения тепла и холода, содержащем детандер и компрессор, выполненный в виде сильфонных цилиндров, взаимодействующих между собой, механический привод, кинематически связанный с компрессором, и газораспределительное устройство выполняют в виде двухпозиционного четырехходового крана, детандер и компрессор - в виде приемных сильфонов и сильфонов сжатия, жестко связанных между собой, при этом механический привод кинематически связан с жесткой связью сильфонов компрессора и двухпозиционным четырехходовым краном, обеспечивающим возможность работы детандера под действием газовой результирующей силы и передачи тепла от рабочего тела к расчетному объему нагреваемого воздуха последовательно, в две стадии от приемного сильфона детандера и от сильфона сжатия компрессора. The problem is achieved in that in a device for generating heat and cold, containing an expander and a compressor made in the form of bellows cylinders interacting with each other, a mechanical drive kinematically connected to the compressor and a gas distribution device are designed as a two-position four-way valve, the expander and compressor - in the form of receiving bellows and compression bellows, rigidly interconnected, while the mechanical drive is kinematically connected with a rigid connection of the compressor bellows and two ozitsionnym four-way valve, an expander capable of operating under the influence of the resultant force of the gas and transferring heat from the working fluid to the calculated volume of heated air sequentially in two steps from the receiver bellows expander and compressor of the compression of the bellows.

Устройство схематически изображено на фиг. 1 в разрезе, а на фиг. 2 показана его диаграмма P-V. The device is shown schematically in FIG. 1 in section, and in FIG. 2 shows its P-V diagram.

Устройство содержит корпус 1, на котором установлены состоящие из мембранных сильфонов со складывающимися гофрами (далее "сильфонов") компрессор, содержащий сильфон сжатия 2 и приемный сильфон 3, а также детандер, содержащий приемный сильфон 4 и сильфон расширения 5. При этом сильфон сжатия 2 компрессора и приемный фильфон 4 детандера имеют одинаковый диаметр - d_ср (меньше диаметров D_ср приемного сильфона 3 компрессора и сильфона 5 детандера). Внутренние полости выполнены с возможностью сообщения по газообменным каналам 6, 7, 8 и 9 через посредством газораспределительного двухпозиционного четырехходового крана 10, кинематически связанного с валом кривошипа 13 (на фиг. условно не показано). Полости сильфонов заполнены под избыточным давлением газообразным рабочим телом, например, гелием.The device comprises a housing 1, on which a compressor comprising compression bellows 2 and receiving bellows 3, as well as an expander containing receiving bellows 4 and expansion bellows 5 are installed, consisting of membrane bellows with folding corrugations (hereinafter “bellows”). the compressor and the receiving filter 4 of the expander have the same diameter - d _cf (less than the diameters D _{cf of the} receiving bellows 3 of the compressor and the bellows 5 of the expander). The internal cavities are configured to communicate through the gas exchange channels 6, 7, 8, and 9 through a gas distribution two-position four-way valve 10 kinematically connected to the shaft of the crank 13 (not shown conventionally in Fig.). The bellows cavities are filled under overpressure with a gaseous working fluid, for example, helium.

Сильфоны 2 и 3 компрессора жестко связаны между собой штоком 11, который через шатун 12 кинематически связан с кривошипом привода 13. Двигатель привода на фиг. не показан. The bellows 2 and 3 of the compressor are rigidly connected to each other by a rod 11, which is kinematically connected through the connecting rod 12 to the crank of the drive 13. The drive motor in FIG. not shown.

Сильфоны 4 и 5 детандера также жестко связаны друг с другом штоком 14, который может быть выполнен в виде струны, т.е. эта пара сильфонов не имеет механического привода. The bellows 4 and 5 of the expander are also rigidly connected to each other by the rod 14, which can be made in the form of a string, i.e. this pair of bellows does not have a mechanical drive.

Сильфоны 2, 4 и 5 заключены в кожуха, соответственно 15, 16 и 17. Кожух 15 (горячий) снабжен выпускным клапаном 18 и сообщен патрубком 19 посредством перепускного клапана 20 с кожухом 16, снабженным всасывающим клапаном 21 и воздушным фильтром 22. The bellows 2, 4 and 5 are enclosed in a casing, respectively 15, 16 and 17. The casing 15 (hot) is equipped with an exhaust valve 18 and is communicated by a pipe 19 by a bypass valve 20 with a casing 16, equipped with a suction valve 21 and an air filter 22.

Кожух 17 (холодный) снабжен всасывающим клапаном 23, воздушным фильтром-осушителем 24 и выпускным клапаном 25. The casing 17 (cold) is equipped with a suction valve 23, an air filter dryer 24 and an exhaust valve 25.

Теплоизоляция кожухов на фиг. не показана. The thermal insulation of the housings in FIG. not shown.

Устройство для получения тепла и холода работает следующим образом. A device for generating heat and cold works as follows.

На фиг. 1 кривошип привода 13 находится в верхней мертвой точке, поэтому сильфон сжатия 2 компрессора имеет максимальную длину, а больший по размерам приемный сильфон 3 компрессора - минимальную, поэтому рабочее тело в этой паре сильфонов вытеснено из приемного сильфона 3 компрессора через каналы 7 и 6, газораспределительный кран 10 в сильфон сжатия 2. Это положение соответствует окончанию цикла сжатия рабочего тела в компрессоре (см. кривую I - II на диаграмме P-V, фиг. 2). В результате сжатия рабочего тела его теплота через стенки гофр сильфона 2 частично перешла к воздуху, заполняющему полость кожуха 15. В результате этого процесса воздух, вытесняемый сильфоном 2 из полости кожуха 15 через выпускной клапан 18, будет иметь максимальную температуру. In FIG. 1 the crank of the actuator 13 is at the top dead center, so the compressor compression bellows 2 has a maximum length, and the larger compressor receiving bellows 3 is minimal, so the working fluid in this pair of bellows is displaced from the compressor bellows 3 through channels 7 and 6, gas distribution valve 10 into compression bellows 2. This position corresponds to the end of the compression cycle of the working fluid in the compressor (see curve I - II in diagram PV, Fig. 2). As a result of the compression of the working fluid, its heat through the walls of the corrugations of the bellows 2 partially passed to the air filling the cavity of the casing 15. As a result of this process, the air displaced by the bellows 2 from the cavity of the casing 15 through the exhaust valve 18 will have a maximum temperature.

Одновременно в сильфонах 4 и 5 детандера закончен такт расширения рабочего тела, так как, будучи сообщены каналами 8 и 9 посредством распределительного крана 10 друг с другом, они займут под действием газовых результирующих сил нижнее крайнее положение, поскольку D_ср>d_ср, и, следовательно, температура рабочего тела понизится до минимального значения, что соответствует кривой III-IV, (см. фиг. 2). Теплота воздуха, заключенного в кожухе 17, перейдет при этом через стенки мембран сильфона расширения 5 детандера к рабочему телу, заполняющему внутреннюю полость сильфона 5.At the same time, in expansion bellows 4 and 5, the expansion cycle of the working fluid is completed, since, being communicated by channels 8 and 9 by means of a distribution valve 10 to each other, they will occupy the lower extreme position due to the gas resulting forces, since D _cf > d _cf , and, therefore, the temperature of the working fluid will drop to a minimum value, which corresponds to curve III-IV, (see Fig. 2). The heat of the air enclosed in the casing 17, will pass through the walls of the membranes of the expansion bellows 5 of the expander to the working fluid filling the internal cavity of the bellows 5.

В результате этого процесса воздух из кожуха 17, вытесняемый сильфоном 5, будет выходить через выхлопной клапан 25 при минимальной температуре. Одновременно с этими процессами произойдет такт всасывания воздуха в кожух 16 через всасывающий клапан 21. As a result of this process, air from the casing 17, displaced by the bellows 5, will exit through the exhaust valve 25 at a minimum temperature. Simultaneously with these processes, there will be a cycle of suction of air into the casing 16 through the suction valve 21.

При дальнейшем повороте кривошипа 13 кран будет повернут на 90^o, в результате чего полость сильфона сжатия 2 будет сообщена каналами 6 и 8 посредством газораспределительного крана 10 с полостью приемного сильфона 4 детандера, а полость приемного сильфона 3 компрессора будет сообщена каналами 7 и 9 посредством газораспределительного крана 10 с полостью сильфона расширения 5.With further rotation of the crank 13, the valve will be rotated 90 ^° , as a result of which the cavity of the compression bellows 2 will be communicated by channels 6 and 8 through the gas distribution valve 10 with the cavity of the receiving bellows 4 of the expander, and the cavity of the receiving bellows 3 of the compressor will be communicated by channels 7 and 9 through the gas distribution tap 10 with expansion bellows cavity 5.

Вследствие этого, в течение поворота кривошипа 13, от верхней мертвой точки будут одновременно происходить два процесса. As a result of this, during the rotation of the crank 13, two processes will simultaneously occur from the top dead center.

Из сильфона сжатия 2 рабочее тело будет вытесняться в равный ему по размерам приемный сильфон детандера 4. В течение этого процесса будет происходить понижение температуры рабочего тела за счет передачи тепла через стенки мембран сильфонов 2 и 4 воздуху, вытесняемому сильфоном 4 из полости кожуха 15. Вследствие этого давление рабочего тела в сильфоне 4 в течение хода вниз уменьшится без изменения его объема (см. отрезок II - III на диаграмме P-V, фиг. 2). From the compression bellows 2, the working fluid will be forced into the receiving bellows of expander 4 of equal size. During this process, the temperature of the working fluid will decrease due to heat transfer through the walls of the bellows membranes 2 and 4 to the air displaced by the bellows 4 from the casing cavity 15. As a result this pressure of the working fluid in the bellows 4 during the downward stroke will decrease without changing its volume (see section II - III in the diagram PV, Fig. 2).

Одновременно рабочее тело будет перетекать по каналам 9 и 7 через газораспределительный кран 10 в равный ему по размерам приемный сильфон 3 компрессора. При этом температура и давление рабочего тела будет повышаться без изменения объема, что на диаграмме P-V изображено отрезком IV - I (см. фиг. 2), вследствие теплоотдачи от воздуха, всасываемого в полость кожуха 17 через всасывающий канал 23. At the same time, the working fluid will flow through channels 9 and 7 through the gas distribution valve 10 into an equal-sized receiving bellows 3 of the compressor. In this case, the temperature and pressure of the working fluid will increase without changing the volume, which is shown in the P-V diagram as a segment IV - I (see Fig. 2), due to heat transfer from the air drawn into the cavity of the casing 17 through the suction channel 23.

Перемещение сильфонов 5 и 4 вверх будет происходить под действием газовых составляющих сил, поскольку произведение давления рабочего тела на площадь сильфона 4 больше, чем произведение давления рабочего тела на площадь сильфона 5. При дальнейшем повороте кривошипа 13, кран 10 будет повернут на 90^o и вновь займет положение, изображенное на фиг. 1, т.е. процесс повторится. Для компрессора (сильфон 2 и сильфон 30 это будет соответствовать кривой I - II, а для детандера (cильфоны 4 и 5) это будет соответствовать кривой III - IV.The movement of the bellows 5 and 4 will occur under the action of the gas component forces, since the product of the pressure of the working fluid on the area of the bellows 4 is greater than the product of the pressure of the working fluid on the area of the bellows 5. Upon further rotation of the crank 13, the valve 10 will be rotated 90 ^o and again will occupy the position shown in FIG. 1, i.e. the process will be repeated. For the compressor (bellows 2 and bellows 30, this will correspond to curve I - II, and for the expander (bellows 4 and 5) this will correspond to curve III - IV.

В течение рабочего процесса масса рабочего тела будет перемещаться двумя, равными по весовому количеству, потоками (на диаграмме параллельно) из сильфона в сильфон "по кругу", как это видно из таблицы. During the working process, the mass of the working fluid will be moved by two flows, equal in weight quantity (in the diagram in parallel) from the bellows to the bellows "in a circle", as can be seen from the table.

Из вышеизложенного следует, что устройство для получения тепла и холода не требует регенераторов, рекуператоров и т.п., имеет минимальный паразитный объем за счет простейшей схемы газораспределения, выполненной в виде 4-канального 2-позиционного газораспределительного крана, кинематически связанного с кривошипом. Механический привод имеет только компрессор, а детандер работает как самодействующий, т.е. под действием результирующих газовых сил. Для повышения удельной тепло- и хладопроизводительности нагрев воздуха происходит последовательно в две стадии, сначала от приемного сильфона 4 детандера, затем от сильфона сжатия 2 компрессора, а охлаждение воздуха происходит от сильфона расширения детандера. Вышесказанное, а также удаленность горячих полостей от холодных и автопрокачка нагреваемого и охлаждаемого воздуха через полости кожухов 15, 16 и 17 обеспечивают повышение термодинамического и механического КПД устройства. From the above it follows that the device for generating heat and cold does not require regenerators, recuperators, etc., has a minimum parasitic volume due to the simplest gas distribution scheme, made in the form of a 4-channel 2-position gas distribution valve, kinematically connected with a crank. A mechanical drive has only a compressor, and the expander works as a self-acting one, i.e. under the action of the resulting gas forces. To increase the specific heat and cold production, the air is heated sequentially in two stages, first from the receiving bellows of the expander 4, then from the compression bellows of the compressor 2, and the air is cooled from the expansion bellows of the expander. The above, as well as the remoteness of the hot cavities from the cold and the autopumping of the heated and cooled air through the cavity of the casings 15, 16 and 17 provide an increase in the thermodynamic and mechanical efficiency of the device.

Claims

A device for generating heat and cold, designed to change the temperature of the air, containing an expander and a compressor made in the form of bellows cylinders interacting with each other, a mechanical drive kinematically connected to the compressor, and a gas distribution device, characterized in that the gas distribution device is made in the form of a two-position four-way crane, expander and compressor - in the form of receiving bellows and compression bellows, rigidly interconnected, while the mechanical drive to nematic connected with a rigid connection of the compressor bellows and two-position four-way valve, an expander capable of operating under the influence of the resultant force of the gas and transferring heat from the working fluid to the calculated volume of heated air sequentially in two steps from the receiver bellows expander and compressor of the compression of the bellows.