RU2119619C1

RU2119619C1 - Method of transformation of heat

Info

Publication number: RU2119619C1
Application number: RU94038424A
Authority: RU
Inventors: М.А. Марканов; В.С. Щербаков; Н.Г. Шмуйлов
Original assignee: Акционерное общество открытого типа Холдинговая компания "ВНИИхолодмаш-холдинг"
Priority date: 1994-10-07
Filing date: 1994-10-07
Publication date: 1998-09-27
Also published as: RU94038424A

Abstract

FIELD: thermal pumps. SUBSTANCE: absorption of working medium is effected by compression of its vapor in ejector-absorber together with its weak solution; desorption of working medium is effected in ejector by expansion of strong solution. Vapor of working medium is bypassed to ejector-absorber. EFFECT: enhanced efficiency. 1 dwg

Description

Изобретение относится к способам трансформации тепла, преобразующих тепловую энергию одного температурного потенциала в энергию другого температурного потенциала, и предназначается для получения холода либо тепла, либо того и другого. The invention relates to methods for transforming heat, converting the thermal energy of one temperature potential into the energy of another temperature potential, and is intended to produce cold or heat, or both.

Известны способы, в которых преобразование температурного потенциала тепловой энергии осуществляют для счет абсорбции и десорбции рабочего вещества, например, аммиака абсорбентом, например водоаммиачным раствором (Е.Я. Соколов, В.М. Бердянский "Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения", - М.: Энергоиздат, 1981, с. 109 - 134). Known methods in which the conversion of the temperature potential of thermal energy is carried out for the absorption and desorption of a working substance, for example, ammonia with an absorbent, for example a water-ammonia solution (E.Ya. Sokolov, V.M. Berdyanskiy "Energy fundamentals of heat transformation and cooling processes", - M .: Energoizdat, 1981, p. 109 - 134).

В известных способах трансформации тепла десорбция рабочего вещества осуществляется путем выпаривания крепкого раствора за счет его подогрева горячим водяным паром, далее пар конденсируется, затем испаряется в испарителе, после чего поглощается слабым раствором в абсорбере. In the known methods of heat transformation, the desorption of the working substance is carried out by evaporating a strong solution by heating it with hot water vapor, then the steam condenses, then evaporates in the evaporator, and then is absorbed by a weak solution in the absorber.

Для осуществления этого способа необходимо подведение высокопотенциального тепла. С другой стороны, осуществление указанных процессов требует применения громоздких и металлоемких аппаратов. Соответственно, известный способ может быть применен лишь там, где имеется высокопотенциальное тепло в виде греющего пара. To implement this method, it is necessary to supply high potential heat. On the other hand, the implementation of these processes requires the use of bulky and metal-intensive devices. Accordingly, the known method can be applied only where there is high potential heat in the form of heating steam.

Заявляемое изобретение решает задачу осуществления трансформации тепла путем абсорбции и десорбции рабочего вещества абсорбентом, без применения греющего пара с использованием электроэнергии. The claimed invention solves the problem of the transformation of heat by absorption and desorption of the working substance with an absorbent, without the use of heating steam using electricity.

Это достигается путем замены процесса выпаривания рабочего агента в генераторе посредством нагрева концентрированного крепкого раствора процессов десорбции его при понижении давления раствора при его адиабатическом расширении в эжекторе, а также замене процесса абсорбции рабочего вещества в абсорбере путем охлаждения слабого раствора процессом абсорбции рабочего тепла в эжекторе при адиабатическом сжатии его пара вместе с обедненным жидким абсорбентом. This is achieved by replacing the process of evaporation of the working agent in the generator by heating a concentrated strong solution of desorption processes while lowering the pressure of the solution with its adiabatic expansion in the ejector, as well as by replacing the process of absorption of the working substance in the absorber by cooling the weak solution with the process of absorption of working heat in the ejector during adiabatic compressing its vapor along with a depleted liquid absorbent.

Таким образом, в предлагаемом изобретении абсорбцию рабочего вещества ведут путем сжатия его пара в эжекторе совместно обедненным раствором, а десорбцию рабочего вещества осуществляют при расширении крепкого раствора в эжекторе, в результате чего смесь охлаждается. Образовавшийся при десорбции пар рабочего вещества пропускают в эжектор; где он сжимается и адсорбируется обедненным раствором, в результате чего смесь нагревается. Thus, in the present invention, the absorption of the working substance is carried out by compressing its vapor in the ejector with a jointly lean solution, and the desorption of the working substance is carried out by expanding a strong solution in the ejector, as a result of which the mixture is cooled. The vapor of the working substance formed during desorption is passed into an ejector; where it is compressed and adsorbed by a lean solution, whereby the mixture is heated.

Сравнительный анализ прототипа и предлагаемого решения показывает принципиальное различие процессов абсорбции и десорбции паров рабочего вещества, в связи с чем заявляемое изобретение соответствует критерию "новизна". A comparative analysis of the prototype and the proposed solution shows a fundamental difference between the processes of absorption and desorption of the vapor of the working substance, in connection with which the claimed invention meets the criterion of "novelty."

На чертеже представлена схема, поясняющая способ трансформации тепла. The drawing shows a diagram illustrating a method of transforming heat.

Схема состоит из насоса 1, эжектор-абсорбера 2, теплообменника 3, эжектора-десорбера 4, теплообменника 5 и соединительного трубопровода 6. The circuit consists of a pump 1, an ejector-absorber 2, a heat exchanger 3, an ejector-desorber 4, a heat exchanger 5 and a connecting pipe 6.

Трансформация тепла осуществляется следующим образом. The transformation of heat is as follows.

Насосом 1 прокачивают смесь рабочего вещества и абсорбента через эжектор-абсорбер 2, теплообменник 3, эжектор-десорбер 4 и теплообменник 5. Тепло Q₁ при температуре T₁ подводят к теплообменнику 5, в результате чего раствор рабочего вещества подогревают в теплообменнике 5 на Δt₁= T₁ - T₄ и после сжатия в насосе 1 на Δ P = P₂ - P₁ подают в эжектор-абсорбер 2, где в диффузоре его расширяют до давления P₃ и смешивают с поступающим по трубопроводу 6 рабочим веществом, а затем смесь сжимают в конфузоре эжектора-абсорбера 2 до давления P₄. В результате сжатия смеси рабочего вещества оно абсорбируется и температура смеси повышается с T₁ до T₂. Далее смесь подают в теплообменник 3, где тепло Q₁ при T₂ отдают потребителю, охлаждая смесь на Δt₂= T₂ - T₃.A mixture of the working substance and absorbent is pumped through the pump 1 through the ejector-absorber 2, the heat exchanger 3, the ejector-desorber 4 and the heat exchanger 5. Heat Q ₁ at a temperature T _{1 is} supplied to the heat exchanger 5, as a result of which the working substance solution is heated in the heat exchanger 5 by Δt ₁ = T ₁ - T ₄ and after compression in the pump 1, Δ P = P ₂ - P _{1 is} fed into the ejector-absorber 2, where in the diffuser it is expanded to pressure P ₃ and mixed with the working substance coming in through the pipe 6, and then the mixture compress in the confuser of the ejector-absorber 2 to a pressure of P ₄ . As a result of compression of the mixture of the working substance, it is absorbed and the temperature of the mixture rises from T ₁ to T ₂ . Next, the mixture is fed into the heat exchanger 3, where the heat Q ₁ at T _{2 is} given to the consumer, cooling the mixture by Δt ₂ = T ₂ - T ₃ .

После теплообменника 3 охлажденную смесь при T₃ и давлении P₅ подают в эжектор-десорбер 4, где в диффузоре она расширяется с P₅ до P₆. В процессе расширения смеси рабочее вещество десорбирует, смесь обедняется и охлаждается с T₃ до T₄. Выделившийся при расширении пар при давлении P₆ отделяют от смеси и перепускают из эжектора-десорбера 4 в эжектор-абсорбер 2. Обедненную и охлажденную смесь направляют при T₄ и P₇ в теплообменник 5, где ее подогревают от T₄ до T₁, поглощая при этом тепло Q₁. Далее цикл повторяется.After heat exchanger 3, the cooled mixture at T ₃ and pressure P _{5 is} fed to the ejector-stripper 4, where in the diffuser it expands from P ₅ to P ₆ . In the process of expansion of the mixture, the working substance desorbs, the mixture is depleted and cooled from T ₃ to T ₄ . The steam released during expansion at a pressure of P _{6 is} separated from the mixture and passed from the ejector-stripper 4 to the ejector-absorber 2. The lean and cooled mixture is sent at T ₄ and P ₇ to the heat exchanger 5, where it is heated from T ₄ to T ₁ , absorbing while heat Q ₁ . Next, the cycle repeats.

Непременным условием трансформации тепла, т.е. поглощении Q₁ при T₁ в теплообменнике 5 и выделении Q₂ при T₂ в теплообменнике 3, является перепуск пара рабочего вещества по трубопроводу 6 из эжектора-десорбера 4 в эжектор-абсорбер 2 за счет того, что давление его после расширения крепкого раствора в эжекторе-десорбере 4, т.е. P₆ выбирают больше давления пара после расширения слабого раствора в эжекторе-абсорбере 2, т.е. P₃ или P₆ > P₃. Последнее достигается тем, что в эжекторе-абсорбере 2 конструктивные параметры по сравнению с эжектором-десорбером 4 выбираются такими, при которых после расширения в эжекторе-абсорбере 2 обеспечивается более глубокое понижение давления. С другой стороны, перепад давления, создаваемый насосом 1 (P₂ - P₁), выбирают таким, чтобы он обеспечил циркуляцию смеси в контуре и соответствовал условию:
P₂ - P₁ ≥ (P₂ - P₄) + (P₄ - P₅) + (P₄ - P₇) + (P₇ - P₁),
где
(P₂ - P₄) = (P₂ - P₃) - (P₄ - P₃) - перепад давления на эжекторе-абсорбере 2;
(P₄ - P₅) и (P₁ - P₇) - потеря давления на теплообменной аппаратуре и трубопроводах;
(P₅ - P₇) = (P₅ - P₆) - (P₇ - P₆) - перепад давления на эжекторе-абсорбере 4.An indispensable condition for the transformation of heat, i.e. the absorption of Q ₁ at T ₁ in the heat exchanger 5 and the release of Q ₂ at T ₂ in the heat exchanger 3 is the transfer of steam of the working substance through the pipe 6 from the ejector-desorber 4 to the ejector-absorber 2 due to the fact that its pressure after expansion of the strong solution in ejector desorber 4, i.e. P ₆ choose more vapor pressure after expansion of a weak solution in the ejector-absorber 2, i.e. P ₃ or P ₆ > P ₃ . The latter is achieved by the fact that in the ejector-absorber 2, the design parameters in comparison with the ejector-desorber 4 are selected such that, after expansion in the ejector-absorber 2, a deeper decrease in pressure is achieved. On the other hand, the pressure drop created by the pump 1 (P ₂ - P ₁ ) is chosen so that it ensures the circulation of the mixture in the circuit and meets the condition:
P ₂ - P ₁ ≥ (P ₂ - P ₄ ) + (P ₄ - P ₅ ) + (P ₄ - P ₇ ) + (P ₇ - P ₁ ),
Where
(P ₂ - P ₄ ) = (P ₂ - P ₃ ) - (P ₄ - P ₃ ) - pressure drop across the ejector-absorber 2;
(P ₄ - P ₅ ) and (P ₁ - P ₇ ) - pressure loss on the heat exchange equipment and pipelines;
(P ₅ - P ₇ ) = (P ₅ - P ₆ ) - (P ₇ - P ₆ ) - pressure drop across the ejector-absorber 4.

В случае, если (P₇ - P₆) > (P₅ - P₆), то эжектор-десорбер 4 может работать в насосном режиме.If (P ₇ - P ₆ )> (P ₅ - P ₆ ), then the ejector-stripper 4 can operate in the pump mode.

Баланс тепла определяется соотношением:
Q₂ = Q₁ + AL,
где
L - мощность насоса.The heat balance is determined by the ratio:
Q ₂ = Q ₁ + AL,
Where
L is the power of the pump.

Трансформатор тепла может работать в режиме холодильной машины, в этом случае обедненный раствор рабочего вещества, циркулирующий через теплообменник 5, должен иметь температуру T₄ выше температуры замерзания раствора при P₁.The heat transformer can operate in the chiller mode, in this case the depleted solution of the working substance circulating through the heat exchanger 5 must have a temperature T ₄ above the freezing temperature of the solution at P ₁ .

Параметры схемы определяются:
тепло, поглощаемое в теплообменнике 5
Q₁ = (T₁ - T₄) • G₁ • C₁,
где
G₁ - количество циркулирующего раствора (смеси);
C₁ - теплоемкость раствора,
тепло, выделяемое в теплообменнике 3
Q₂ = (T₂ - T₃) • G₂ • C₂.The parameters of the circuit are determined by:
heat absorbed in the heat exchanger 5
Q ₁ = (T ₁ - T ₄ ) • G ₁ • C ₁ ,
Where
G ₁ - the amount of circulating solution (mixture);
C ₁ is the heat capacity of the solution,
heat generated in the heat exchanger 3
Q ₂ = (T ₂ - T ₃ ) • G ₂ • C ₂ .

тепло, выделяемое в эжекторе-абсорбере 2 за счет абсорбции рабочего вещества
Q₃ = (T₂ - T₁) • G₂ • C = G_x • q_a,
где
G_x - количество рабочего вещества, абсорбируемое в эжекторе;
q_a - дифференциальная теплота абсорбции,
тепло, отнятое в эжекторе-десорбере 4 за счет десорбции рабочего вещества
Q₄ = (T₃ - T₄) • G • C = G_x • q_a,
где G_x - количество рабочего вещества, десорбируемое в эжекторе;
q_aD - дифференциальная теплота десорбции.heat generated in the ejector-absorber 2 due to the absorption of the working substance
Q ₃ = (T ₂ - T ₁ ) • G ₂ • C = G _x • q _a ,
Where
G _x - the amount of working substance absorbed in the ejector;
q _a - differential heat of absorption,
heat taken away in the ejector-desorber 4 due to desorption of the working substance
Q ₄ = (T ₃ - T ₄ ) • G • C = G _x • q _a ,
where G _x is the amount of working substance desorbed in the ejector;
q _a D is the differential heat of desorption.

Коэффициент преобразования

где
L_н - мощность насоса.Conversion rate

Where
L _n - pump power.

Для расчета коэффициента φ_i необходимы экспериментальные данные по оценке потерь в эжекторе, трубопроводах и теплообменниках. В виду отсутствия таких данных, для ориентировочной оценки можно воспользоваться опубликованным расчетом для водоэжекторных трансформаторов тепла (см. "Тематический сборники трудов ВНИИхолодмаш" за 1990 г.).To calculate the coefficient φ _i , experimental data are needed to estimate the losses in the ejector, pipelines and heat exchangers. Due to the lack of such data, for an approximate assessment, you can use the published calculation for water-ejector heat transformers (see "Thematic collections of works of VNIIholodmash" for 1990).

Согласно этим данным, коэффициент преобразования по аналогии для условий подогрева с 5 до 65^oC будет порядка φ_i= 4 - 6.According to these data, the conversion coefficient by analogy for heating conditions from 5 to 65 ^o C will be of the order of φ _i = 4 - 6.

Предлагаемый способ трансформации тепла может также найти широкое применение в холодильной технике для получения температур диапазона от минус 30 до 5^oC. При этом, основными преимуществами по сравнению с прототипом являются.The proposed method of heat transformation can also be widely used in refrigeration to obtain temperatures in the range from minus 30 to 5 ^o C. Moreover, the main advantages compared with the prototype are.

высокое значение коэффициента преобразования,
значительное снижение металлоемкости абсорбционного трансформатора тепла за счет замены громоздких аппаратов эжекторами.high conversion coefficient,
a significant reduction in the metal consumption of the absorption heat transformer by replacing bulky devices with ejectors.

Claims

The method of heat transformation by absorption and desorption of the working substance by an absorbent, characterized in that the absorption of the working substance is carried out by compressing its vapor in the ejector-absorber with its weak solution, and the desorption of the working substance is carried out in the ejector by expanding a strong solution, and the released working substance vapor is bypassed into the ejector absorber.