RU2187769C1 - Method for operation of thermocompressor and thermocompressor for its realization - Google Patents
Method for operation of thermocompressor and thermocompressor for its realization Download PDFInfo
- Publication number
- RU2187769C1 RU2187769C1 RU2001121661A RU2001121661A RU2187769C1 RU 2187769 C1 RU2187769 C1 RU 2187769C1 RU 2001121661 A RU2001121661 A RU 2001121661A RU 2001121661 A RU2001121661 A RU 2001121661A RU 2187769 C1 RU2187769 C1 RU 2187769C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- volume
- working substance
- pressure
- heat
- Prior art date
Links
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B30/00—Heat pumps
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Sorption Type Refrigeration Machines (AREA)
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технологии преобразования тепловой энергии и может быть использовано при разработке и изготовлении тепловых насосов, холодильных машин и трансформаторов тепла. The invention relates to a technology for converting thermal energy and can be used in the development and manufacture of heat pumps, refrigerators and heat transformers.
Известен способ работы теплового насоса /1/, который включает нагрев рабочего вещества путем подвода тепла из окружающей среды, его всасывание и последующее сжатие в компрессоре с повышением температуры, отвод тепла в отапливаемое помещение, расширение рабочего вещества с понижением температуры, при этом рабочее вещество выбирают с критической температурой, близкой или равной температуре окружающей среды, а всасывание рабочего вещества в компрессор производят при параметрах его критического состояния и сжатие ведут до параметров, при которых коэффициент сжимаемости равен единице. A known method of operation of a heat pump / 1 /, which includes heating the working substance by supplying heat from the environment, its absorption and subsequent compression in the compressor with increasing temperature, heat removal to a heated room, the expansion of the working substance with lowering the temperature, while the working substance is chosen with a critical temperature close to or equal to the ambient temperature, and the absorption of the working substance into the compressor is carried out at the parameters of its critical state and compression is carried out to the parameters at otorrhea compressibility factor is equal to unity.
Недостатком данного способа является то, что максимальный отопительный коэффициент достигается только в том случае, если охлаждаемая среда, как источник тепла, имеет постоянную температуру. Если охлаждаемая среда имеет переменную температуру, то для достижения максимального отопительного коэффициента по данному способу требуется смена рабочего вещества. Однако эта операция является технически сложной и значительно снижает экономическую эффективность теплового насоса. The disadvantage of this method is that the maximum heating coefficient is achieved only if the cooled medium, as a heat source, has a constant temperature. If the medium to be cooled has a variable temperature, then in order to achieve the maximum heating coefficient by this method, a change of the working substance is required. However, this operation is technically complex and significantly reduces the economic efficiency of the heat pump.
Известно устройство теплового насоса /2/, близкое к заявляемому, содержащее компрессор, выполняющий функции сжимающего устройства, теплообменники, два не связанных циркуляционных контура с жидкими теплоносителями, каждый из которых состоит из двух теплообменников, причем один теплообменник первого контура помещен в охлаждаемую среду, а один теплообменник второго контура помещен в нагреваемую среду, вторые теплообменники помещены в сосуд с рабочим веществом, при этом компрессор выполнен так, что рабочий объем его цилиндра равен половине объема рабочего вещества в смежном сосуде. A known device of the heat pump / 2 /, close to the claimed one, containing a compressor acting as a compression device, heat exchangers, two unconnected circulation circuits with liquid heat carriers, each of which consists of two heat exchangers, one heat exchanger of the first circuit is placed in a cooled medium, and one heat exchanger of the second circuit is placed in a heated medium, the second heat exchangers are placed in a vessel with a working substance, while the compressor is designed so that the working volume of its cylinder is equal to half volume of the working substance in the adjacent vessel.
К недостаткам известного устройства следует отнести то, что увеличение мощности устройства приводит к быстрому увеличению объема цилиндра и смежного сосуда. Кроме того, рабочее вещество после сжатия нагревается непосредственно в смежном сосуде, поэтому в этот период установка делает паузу. Это обстоятельство при повышении мощности установки делает необходимым изготовление и подключение новых установок для параллельной работы. Указанные недостатки снижают эффективность установки. The disadvantages of the known device include the fact that an increase in the power of the device leads to a rapid increase in the volume of the cylinder and the adjacent vessel. In addition, the working substance after compression is heated directly in an adjacent vessel, therefore, during this period, the installation pauses. This circumstance, while increasing the capacity of the installation, makes it necessary to manufacture and connect new installations for parallel operation. These disadvantages reduce the efficiency of the installation.
Решаемая техническая задача состояла в разработке способа и устройства для его реализации, позволяющих наиболее эффективно достигать максимально возможные значения отопительного коэффициента при текущей температуре охлаждаемой среды в случае использования источников тепла с переменной температурой в широком диапазоне температур. The technical problem to be solved was to develop a method and device for its implementation, which would most effectively achieve the maximum possible values of the heating coefficient at the current temperature of the medium to be cooled in the case of using heat sources with a variable temperature in a wide temperature range.
Сущность предлагаемого способа состоит в том, что работа теплового насоса, включающая нагрев рабочего вещества путем подвода тепла из охлаждаемой среды, последующее сжатие с повышением температуры, отвод тепла и проталкивание рабочего вещества осуществляют с использованием рабочего вещества, у которого критическая температура больше минимальной температуры Тmin, но меньше максимальной температуры Тmах предварительно определенного диапазона температур охлаждаемой среды, при этом неадиабатическому сжатию подвергают рабочее вещество в состоянии, соответствующем моменту исчезновения границы раздела фаз, до плотности, не менее чем в 2 раза превышающей критическую плотность, при этом рабочее вещество перед сжатием приводят в одно из состояний с параметрами, удовлетворяющими следующим условиям
Tmin≤Т≤Ткр при любом Тохл.ср
предварительно определенного диапазона температур,
Pmin≤P≤Ркр,
Vкр≤Vmax,
где Т, Р, V - температура, давление и объем рабочего вещества,
Ткр, Ркр, Vкр - температура, давление и объем рабочего вещества в критической точке,
Тохл.ср - температура охлаждаемой среды,
Pmin - давление, соответствующее участку постоянного давления на изотерме с температурой Тmin,
Vmax - максимальный объем рабочего вещества на границе процесса, в котором T=const и P=const одновременно при Р=Pmin и Т=Tmin,
после чего перед сжатием увеличивают объем рабочего вещества до момента исчезновения границы раздела фаз при T=const и P=const, причем перед проталкиванием давление в сжимающем устройстве выравнивают с давлением в остальной части теплового насоса и проталкивание осуществляют при этом давлении.The essence of the proposed method is that the heat pump, including heating the working substance by supplying heat from the cooled medium, subsequent compression with increasing temperature, heat removal and pushing the working substance is carried out using the working substance, in which the critical temperature is greater than the minimum temperature T min but below the maximum temperature T max predetermined refrigerating environment temperature range, the nonadiabatic subjected to compression working substances in the state corresponding to the time of disappearance of the phase boundary, to a density of not less than 2 times the critical density, the working fluid before the compression is brought into one of the states with the parameters satisfying the following conditions
T min ≤T≤T cr for any T cooling average
predefined temperature range,
P min ≤P≤P cr ,
V cr ≤V max ,
where T, P, V - temperature, pressure and volume of the working substance,
T cr , R cr , V cr - temperature, pressure and volume of the working substance at a critical point,
T okhl.sr - temperature of the cooled environment,
P min - pressure corresponding to the area of constant pressure on the isotherm with a temperature T min ,
V max - the maximum volume of the working substance at the boundary of the process, in which T = const and P = const simultaneously at P = P min and T = T min ,
then, before compression, the volume of the working substance is increased until the phase boundary disappears at T = const and P = const, and before pushing, the pressure in the compression device is equalized with the pressure in the rest of the heat pump and pushing is carried out at this pressure.
Сущность изобретения, касающаяся теплового насоса, осуществляющего предлагаемый способ, состоит в том, что тепловой насос, включающий сжимающее устройство с поршнем и цилиндром, смежный сосуд, теплообменники и рабочее вещество, включает также циркуляционный насос, соединенный с теплообменником охлаждаемой среды, смежным сосудом и цилиндром сжимающего устройства в замкнутый циркуляционный контур переменного объема, причем максимальный объем циркуляционного контура равен объему, позволяющему рабочему веществу при Т= Тmin принять состояние, соответствующее исчезновению границы раздела фаз.The invention relates to a heat pump implementing the proposed method, consists in the fact that the heat pump, including a compression device with a piston and a cylinder, an adjacent vessel, heat exchangers and a working substance, also includes a circulation pump connected to a heat exchanger of the cooled medium, an adjacent vessel and a cylinder compressing device in a closed circulation loop of variable volume, the maximum volume equal to the volume of the circulation circuit, which allows the working substance at T = T min accept state of the corresponding disappearance of the phase boundary.
При этом цилиндр сжимающего устройства и смежный сосуд являются теплообменником нагреваемой среды. In this case, the cylinder of the compression device and the adjacent vessel are a heat exchanger of the heated medium.
При этом сжимающее устройство и смежный сосуд выполнены так, что максимальное смещение поршня обеспечивает сжатие рабочего вещества до необходимой плотности при любой его начальной плотности, но не менее чем в 2 раза превышающую плотность рабочего вещества в критической точке. In this case, the compression device and the adjacent vessel are made so that the maximum piston displacement provides compression of the working substance to the required density at any initial density, but not less than 2 times the density of the working substance at a critical point.
Технический результат достигается за счет того, что производят подбор рабочего вещества с критической температурой между Tmin и Тmах диапазона температур охлаждаемой среды, приведением рабочего вещества перед сжатием в состояние с максимальной суммарной внутренней энергией, сжатием рабочего вещества до плотности, при которой потенциальная энергия полностью превращается в тепловую, а также путем выполнения процесса проталкивания после выравнивания давления в смежном сосуде и давления в остальной части циркуляционного контура теплового насоса.The technical result is achieved due to the fact that they select a working substance with a critical temperature between T min and T max of the temperature range of the medium to be cooled, bring the working substance before compression to a state with maximum total internal energy, compress the working substance to a density at which the potential energy is completely turns into heat, and also by performing the pushing process after equalizing the pressure in the adjacent vessel and the pressure in the rest of the circulation circuit th pump.
Подбор рабочего вещества позволяет без существенного снижения отопительного коэффициента использовать рабочее вещество при переменной температуре охлаждаемой среды без его замены. The selection of the working substance allows, without a significant reduction in the heating coefficient, the use of the working substance at a variable temperature of the medium to be cooled without replacement.
Приведение рабочего вещества перед сжатием в состояние с максимальной потенциальной энергией позволяет превратить эту энергию в тепловую при незначительном увеличении работы сжатия. Bringing the working substance before compression into a state with maximum potential energy allows you to turn this energy into heat with a slight increase in the work of compression.
Выполнение процесса проталкивания рабочего вещества при уравновешенном давлении в сжимающем устройстве и остальной части циркуляционного контура исключает необходимость использования детандера в тепловом насосе, что позволяет значительно упростить конструкцию теплового насоса. The process of pushing the working substance at a balanced pressure in the compression device and the rest of the circulation circuit eliminates the need for an expander in a heat pump, which greatly simplifies the design of the heat pump.
Отбор тепла из окружающей среды вне объема смежного сосуда позволяет увеличить мощность теплового насоса за счет увеличения частоты циклов. The removal of heat from the environment outside the volume of the adjacent vessel allows you to increase the power of the heat pump by increasing the frequency of cycles.
При температуре ниже критической рабочее вещество достигает состояния с максимальной суммарной внутренней энергией на границе процесса, в котором одновременно P= const и T=const. В этом случае суммарная внутренняя энергия равна скрытой энергии парообразования и кинетической энергии, которая определяется температурой рабочего вещества. At temperatures below critical, the working substance reaches a state with a maximum total internal energy at the boundary of the process, in which P = const and T = const. In this case, the total internal energy is equal to the latent energy of vaporization and kinetic energy, which is determined by the temperature of the working substance.
В процессе, когда P=const и T=const одновременно, увеличение внутренней энергии возможно только за счет увеличения объема. Но поскольку T=const, то кинетическая энергия рабочего вещества не изменяется при увеличении объема, следовательно, увеличение внутренней энергии может происходить только за счет увеличения потенциальной энергии. In the process, when P = const and T = const at the same time, an increase in internal energy is possible only by increasing the volume. But since T = const, the kinetic energy of the working substance does not change with increasing volume, therefore, an increase in internal energy can occur only due to an increase in potential energy.
Известно, что в точке исчезновения границы раздела фаз (мениска) жидкость полностью превращается в газ. В данном состоянии потенциальная энергия достигает максимального значения, эта энергия равна скрытой теплоте парообразования. Энергия парообразования зависит только от индивидуальных свойств рабочего вещества. Для ее определения необходимо рассмотреть критическое состояние вещества. Известно, что в критической точке коэффициент сжимаемости Ркр*Vкр/Ткр=1/3. Это означает, что в критической точке одну треть полной энергии представляет собой кинетическую энергию, а две трети - потенциальную. Поскольку критическая точка - это такое состояние, при котором также исчезает граница между жидкостью и газом, то можно заключить, что на границе любого процесса, в котором T=const и P=const одновременно, внутренняя потенциальная энергия равна энергии парообразования и, значит, эта энергия равна двум третям полной энергии критического состояния. Если рабочее вещество с максимальной потенциальной энергией сжать до состояния, при котором коэффициент сжимаемости равен единице, то потенциальная энергия полностью преобразуется в кинетическую энергию.It is known that at the point of disappearance of the phase boundary (meniscus), the liquid completely turns into gas. In this state, the potential energy reaches its maximum value, this energy is equal to the latent heat of vaporization. The energy of vaporization depends only on the individual properties of the working substance. To determine it, it is necessary to consider the critical state of a substance. It is known that at the critical point the compressibility coefficient P cr * V cr / T cr = 1/3 . This means that at a critical point, one third of the total energy is kinetic energy, and two thirds is potential energy. Since the critical point is a state in which the boundary between the liquid and the gas also disappears, we can conclude that at the boundary of any process in which T = const and P = const at the same time, the internal potential energy is equal to the energy of vaporization and, therefore, this energy is equal to two thirds of the total energy of a critical state. If the working substance with the maximum potential energy is compressed to a state in which the compressibility coefficient is unity, then the potential energy is completely converted into kinetic energy.
С учетом сказанного, для ориентировочной оценки максимального значения отопительного коэффициента теплового насоса можно воспользоваться равенством
где Q - теплота, перенесенная в нагреваемую среду,
А - работа неадиабатического сжатия,
Тнс - температура рабочего вещества в начале сжатия,
Ткр - критическая температура рабочего вещества,
Ткс - температура рабочего вещества в конце сжатия (в идеальном случае температура нагреваемой среды),
Р - давление рабочего вещества в процессе сжатия,
Vmax - объем рабочего вещества в начала сжатия,
Vmin - объем рабочего вещества в конце сжатия.Based on the foregoing, for a rough estimate of the maximum value of the heating coefficient of the heat pump, we can use the equality
where Q is the heat transferred to the heated medium,
A is the work of non-adiabatic compression,
T ns is the temperature of the working substance at the beginning of compression,
T cr - the critical temperature of the working substance,
T cc is the temperature of the working substance at the end of compression (in the ideal case, the temperature of the heated medium),
P is the pressure of the working substance in the compression process,
V max - the volume of the working substance at the beginning of compression,
V min - the volume of the working substance at the end of compression.
Из (1) следует, что отопительный коэффициент имеет максимальное значение, если процесс сжатия происходит при P=const. Если при этом Ткс=Тнс, то отопительный коэффициент равен отношению энергии парообразования к работе сжатия. Все величины в уравнении (1) доступны прямому измерению.From (1) it follows that the heating coefficient has a maximum value if the compression process occurs at P = const. If at the same time T ks = T ns , then the heating coefficient is equal to the ratio of the energy of vaporization to the work of compression. All values in equation (1) are available for direct measurement.
Особенностью конструкции предлагаемого теплового насоса является то, что его контур имеет переменный объем, что позволяет при определенном положении поршня обеспечить равенство объема циркуляционного контура объему, который занимает масса рабочего вещества в критическом состоянии рабочего вещества, и обладает возможностью увеличиваться до такого объема, чтобы рабочее вещество, нагретое до температуры охлаждаемой среды Тохл.ср при Тохл.ср<Tкр, можно было привести в состояние с максимальной внутренней энергией (перевести в состояние исчезновения мениска).The design feature of the proposed heat pump is that its circuit has a variable volume, which allows for a certain position of the piston to ensure equality of the volume of the circulation circuit to the volume that occupies the mass of the working substance in a critical state of the working substance, and has the ability to increase to such a volume that the working substance heated to the temperature of the cooled medium T ohl.sr ohl.sr at T <T cr, could lead to a state of maximum internal energy (able to transfer the disappearance of the meniscus).
При этом сжимающее устройство и смежный сосуд выполнены так, что обеспечивают необходимое увеличение объема циркуляционного контура и одновременно обеспечивают сжатие рабочего вещества до заданной плотности. Кроме того, смежный сосуд обеспечивает необходимый теплообмен при сжатии, а циркуляционный насос выполняет функцию проталкивания рабочего вещества. In this case, the compression device and the adjacent vessel are made so as to provide the necessary increase in the volume of the circulation circuit and at the same time provide compression of the working substance to a given density. In addition, the adjacent vessel provides the necessary heat transfer during compression, and the circulation pump performs the function of pushing the working substance.
На чертеже представлена схема теплового насоса, реализующего предлагаемый способ. Тепловой насос содержит 1 - теплообменник, 2, 3 - соответственно цилиндр и поршень сжимающего устройства, 4 - смежный сосуд, 5 - термометр, 6 - манометр, 7 - клапан, 8 - теплообменник, 9 - циркуляционный насос, 10 - клапан, 11 - масляный насос высокого давления, 12 - клапан масляного насоса, 13 - масляный бак, 14 - уравнемер, 15 - клапан, 16 - манометр, 17 - термометр, 18 - манометр. The drawing shows a diagram of a heat pump that implements the proposed method. The heat pump contains 1 - a heat exchanger, 2, 3 - respectively a cylinder and a piston of a compression device, 4 - an adjacent vessel, 5 - a thermometer, 6 - a manometer, 7 - a valve, 8 - a heat exchanger, 9 - a circulation pump, 10 - a valve, 11 - high pressure oil pump, 12 - oil pump valve, 13 - oil tank, 14 - equalizer, 15 - valve, 16 - pressure gauge, 17 - thermometer, 18 - manometer.
Тепловой насос представляет замкнутый циркуляционный контур, в который последовательно включены: клапан 7, теплообменник 8, циркуляционный насос 9, клапан 10, смежный сосуд 4, соединенный со сжимающим устройством, состоящим из цилиндра 2 и поршня 3. Поршень 3, цилиндр 2 и смежный сосуд размещены в сосуде 1, который является теплообменником обогреваемой среды. Сжимающее устройство снабжено гидравлической системой сжатия, состоящей из клапанов 12 и 15 масляного насоса высокого давления 11, масляного бака 13 с уравнемером 14 и манометром 16. Работу теплового насоса контролируют манометры 6, 16, 18 и термометры 5 и 17. The heat pump is a closed circulation circuit, in which are included: valve 7, heat exchanger 8, circulation pump 9, valve 10, adjacent vessel 4 connected to a compression device consisting of cylinder 2 and piston 3. Piston 3, cylinder 2 and adjacent vessel placed in a vessel 1, which is a heat exchanger of a heated medium. The compression device is equipped with a hydraulic compression system, consisting of valves 12 and 15 of the high pressure oil pump 11, the oil tank 13 with an equalizer 14 and a pressure gauge 16. The operation of the heat pump is controlled by pressure gauges 6, 16, 18 and thermometers 5 and 17.
Тепловой насос работает следующим образом. The heat pump operates as follows.
В начальном состоянии поршень 3 находится в положении, при котором объем циркуляционного контура равен объему, соответствующему состоянию с максимально возможным значением объема на границе процесса, в котором P=const и T= const одновременно. Цилиндр 2 и смежный сосуд 4 заполнены рабочим веществом в состоянии с максимальной полной внутренней энергией. Перед сжатием клапаны 10 и 7 закрыты. Затем включается гидравлическая система, обеспечивающая процесс сжатия. Величина смещения поршня определяется с учетом начальной и конечной плотности рабочего вещества. Процесс сжатия контролируется по величине выкачанного масла из масляного бака уравнемером 14, а также манометрами 6 и 16. По окончании процесса сжатия открываются клапан 7, затем клапан 10, включается циркуляционный насос 9. Под действием циркуляционного насоса 9 происходит проталкивание отжатого рабочего вещества и замена его новой порцией рабочего вещества, находящегося в состоянии с максимальной внутренней энергией. Процесс проталкивания заканчивается при следующей последовательности операций: открывается клапан 15 для сброса масла в бак, закрывается клапан 7, включается циркуляционный насос 9 и нагнетает рабочее вещество в полость смежного сосуда и цилиндр сжимающего устройства и смещает поршень в исходное состояние. При достижении поршнем исходного состояния закрывается клапан 10, включается гидравлическая система и цикл повторяется. При неадиабатическом сжатии рабочего вещества происходит нагрев рабочего вещества с одновременным отбором тепла. In the initial state, the piston 3 is in a position in which the volume of the circulation circuit is equal to the volume corresponding to the state with the maximum possible value of the volume at the process boundary, in which P = const and T = const at the same time. The cylinder 2 and the adjacent vessel 4 are filled with a working substance in a state with maximum total internal energy. Before compression, valves 10 and 7 are closed. Then the hydraulic system is turned on, providing the compression process. The magnitude of the displacement of the piston is determined taking into account the initial and final density of the working substance. The compression process is controlled by the amount of oil pumped out from the oil tank by equalimeter 14, as well as by pressure gauges 6 and 16. At the end of the compression process, valve 7 is opened, then valve 10, the circulation pump 9 is turned on. Under the action of the circulation pump 9, the pressed working substance is pushed and replaced a new portion of the working substance in a state with maximum internal energy. The pushing process ends with the following sequence of operations: the valve 15 is opened to discharge oil into the tank, the valve 7 is closed, the circulation pump 9 is turned on and the working substance is pumped into the cavity of the adjacent vessel and the cylinder of the compression device and displaces the piston to its original state. When the piston reaches its initial state, the valve 10 closes, the hydraulic system is turned on, and the cycle repeats. With non-adiabatic compression of the working substance, the working substance is heated with simultaneous heat removal.
На чертеже смежный сосуд 4 выполнен, как продолжение цилиндра 2. При такой конструкции процесс проталкивания может быть выполнен смещением поршня. Однако, если смежный сосуд изготовить из набора трубок для развития поверхности теплообменника, то процесс проталкивания может быть осуществлен только циркуляционным насосом. Представленная на чертеже конструкция теплового насоса позволяет осуществить термодинамический цикл без циркуляционного насоса. В таком режиме проталкивание производится поршнем, а заполнение рабочим веществом смежного сосуда и цилиндра происходит под действием внутреннего давления в циркуляционном контуре. In the drawing, the adjacent vessel 4 is made as a continuation of the cylinder 2. With this design, the pushing process can be performed by displacing the piston. However, if the adjacent vessel is made of a set of tubes for developing the surface of the heat exchanger, then the pushing process can be carried out only by a circulation pump. The design of the heat pump shown in the drawing allows for a thermodynamic cycle without a circulation pump. In this mode, the push is made by the piston, and the filling of the adjacent vessel and cylinder with the working substance occurs under the influence of internal pressure in the circulation circuit.
Работу теплового насоса обеспечивает автоматическая система управления, отслеживающая изменения температуры охлаждаемой среды с учетом термодинамических свойств используемого рабочего вещества на линии насыщения. The operation of the heat pump is ensured by an automatic control system that monitors changes in the temperature of the medium being cooled, taking into account the thermodynamic properties of the working substance used on the saturation line.
Пример осуществления способа. An example implementation of the method.
Вначале определяют границы изменения температуры охлаждающей среды Тmin и Тmax. При этом возможны два варианта. Один вариант - когда охлаждаемая среда имеет практически постоянную температуру на достаточно длинном интервале времени (соизмеримом с длительностью времени года), которая слабо зависит от времени года. К таким источникам тепла следует отнести, например, сбросовое тепло атомных и тепловых электростанций, тепло компрессорных станций, геотермальное тепло. .. Второй вариант - когда температура охлаждаемой среды изменяется в некотором диапазоне. К таким источникам тепла, например, следует отнести тепло атмосферного воздуха, тепло воды различных водоемов, тепло солнечного излучения.First, determine the boundaries of the temperature of the cooling medium T min and T max . In this case, two options are possible. One option is when the medium to be cooled has an almost constant temperature over a sufficiently long time interval (commensurate with the duration of the year), which weakly depends on the time of year. Such heat sources include, for example, waste heat from nuclear and thermal power plants, heat from compressor stations, and geothermal heat. .. The second option is when the temperature of the medium to be cooled varies in a certain range. Such sources of heat, for example, include the heat of atmospheric air, the heat of water in various reservoirs, the heat of solar radiation.
Затем для каждого источника тепла выбирается рабочее вещество для теплового насоса. Then, for each heat source, the working substance for the heat pump is selected.
Если охлаждаемая среда имеет постоянную температуру, то в качестве рабочего вещества следует использовать то вещество, у которого критическая температура равна температуре охлаждаемой среды. В этом случае отопительный коэффициент будет максимальным и постоянным. If the medium to be cooled has a constant temperature, then the substance at which the critical temperature is equal to the temperature of the medium to be cooled should be used as a working substance. In this case, the heating coefficient will be maximum and constant.
Если температура охлаждаемой среды изменяется между минимальным и максимальным значениями, например, температура воздуха за отопительный сезон с октября по апрель, то в качестве рабочего вещества целесообразно использовать такое вещество, критическая температура которого близка к средней температуре воздуха за отопительный сезон. В этом случае максимальный отопительный коэффициент будет достигаться только при температуре окружающей среды, равной критической температуре рабочего вещества. При всех же остальных температурах он будет максимально возможным для этих температур и данного рабочего вещества. If the temperature of the medium to be cooled varies between the minimum and maximum values, for example, the temperature of the air during the heating season from October to April, then it is advisable to use a substance whose critical temperature is close to the average air temperature for the heating season. In this case, the maximum heating coefficient will be achieved only at an ambient temperature equal to the critical temperature of the working substance. At all other temperatures, it will be the maximum possible for these temperatures and for this working substance.
Например, для климатической зоны с изменением температуры воздуха от 263 до 293 К целесообразно использовать в качестве рабочего вещества одноатомный газ ксенон. For example, for a climatic zone with a change in air temperature from 263 to 293 K, it is advisable to use monatomic gas xenon as a working substance.
Для определения массы ксенона для конкретной конструкции теплового насоса необходимо определить объем части контура, куда входят объем соеденительных трубопроводов, клапанов 7, 10, теплообменника 8 и рабочий объем циркуляционного насоса 9. Если объем этой части контура Vк чк=10 л, то поршень сжимающего устройства устанавливается так, что объем под поршнем Vпп=5 л. В объем под поршнем Vк пп входит часть рабочего объема цилиндра и объем смежного сосуда. Полный объем контура в этом случае будет равен Vк пк=Vк чк+Vк пп=15 л. Полученный объем принимается за критический объем. Критическая плотности ксенона ρ=1.1 кг/л. Следовательно, необходимая масса ксенона для данного теплового насоса равна m = ρV
Чтобы сжать рабочее вещество в критическом состоянии до конечной плотности необходимо объем Vк пп уменьшить на 1/3, т.е на Vк пп/3=5/3=1,666 л. Объем, полученный в результате этого сжатия, равен объему смежного сосуда Vcc=2/3(Vк пп)=2/9(Vк пк).To compress the working substance in critical condition to a final density, it is necessary to reduce the volume V to pp by 1/3, i.e. by V to pp / 3 = 5/3 = 1,666 l. The volume obtained as a result of this compression is equal to the volume of the adjacent vessel V cc = 2/3 (V to pp ) = 2/9 (V to pc ).
Итак, нами были получены значения объемов для конкретного теплового насоса при критическом состоянии рабочего вещества: Vк пк, Vк чк, Vк пп и Vcc. Независимо от величины объема Vчк любого другого теплового насоса соотношения объемов Vк пк, Vк чк, Vк пп и Vсc не могут быть изменены. Это обстоятельство позволяет без изменения конструкции теплового насоса использовать в качестве рабочего тела любое вещество с критической температурой Тmin≤Ткр≤Тmах. Отмеченные особенности обусловлены законом соответственных соотношений /3, 4/.So, we obtained the values of volumes for a specific heat pump at a critical state of the working substance: V to pc , V to pc , V to pp and V cc . Regardless of the magnitude of the volume V hk of any other heat pump, the ratio of the volumes V to pc , V to hk , V to pp and V cc cannot be changed. This circumstance allows, without changing the design of the heat pump, to use any substance with a critical temperature T min ≤T cr ≤T max as a working fluid. The noted features are due to the law of the corresponding ratios / 3, 4 /.
Знание этих объемов и их соотношение позволяют выполнить термодинамический цикл теплового насоса при объеме, больше критического. Последовательность выполнения цикла следующая: поршень устанавливается так, что объем контура равен Vк пк, затем рабочее вещество нагревается до температуры охлаждаемой среды, при этом устанавливается давление Р. Далее происходит смещение поршня (или увеличение объема контура) до тех пор пока давление Р будет оставаться постоянным. Начало падения давления Р означает, что процесс при P= const и T= const закончен и при этом объеме рабочее вещество обладает максимальной потенциальной энергией. Если этот объем в два раза превышает критический, т.е. Vпк= 2Vк пк=30 л, то в этом случае объем под поршнем без смежного сосуда равен Vпп= 20 л.Knowing these volumes and their ratio allows you to perform the thermodynamic cycle of the heat pump with a volume greater than critical. The sequence of the cycle is as follows: the piston is set so that the volume of the circuit is equal to V to pc , then the working substance is heated to the temperature of the medium to be cooled, while the pressure is set P. Then the piston is displaced (or the volume of the circuit is increased) until the pressure P remains permanent. The beginning of the pressure drop P means that the process at P = const and T = const is completed and at this volume the working substance has the maximum potential energy. If this volume is twice the critical, i.e. V pc = 2V to pc = 30 l, then in this case the volume under the piston without an adjacent vessel is equal to V pp = 20 l.
Плотность рабочего вещества в этом состоянии равняется ρ=16.5 кг/30 л= 0.55 кг/л. The density of the working substance in this state is ρ = 16.5 kg / 30 l = 0.55 kg / l.
Используя полученные результаты, определяют насколько необходимо уменьшить объем под поршнем, чтобы сжать рабочее вещество до конечной плотности. Using the results obtained, it is determined how much it is necessary to reduce the volume under the piston in order to compress the working substance to a final density.
При сжатии рабочего вещества до критической плотности объем под поршнем необходимо уменьшить в два раза или Vпп=10 л, а затем оставшийся объем уменьшить еще на 1/3, что составит 3.33 л. Конечный объем будет равен Vко= 20-10-3.33=6,57 л. Отсюда находим, что первоначальный объем под поршнем Vпп= 20 л необходимо уменьшить на 13.33 литра.When the working substance is compressed to a critical density, the volume under the piston must be halved or Vpp = 10 l, and then the remaining volume should be reduced by another 1/3, which will be 3.33 l. The final volume will be equal to V ko = 20-10-3.33 = 6.57 liters. From this we find that the initial volume under the piston V pp = 20 l must be reduced by 13.33 liters.
В автоматическом режиме управления работой теплового насоса объем контура определяется по температуре охлаждаемой среды с учетом термодинамических свойств рабочего вещества на линии насыщения и поршень устанавливается сразу в исходное состояние. Сжатие от начальной до конечной плотности в этом случае производится в одну стадию. При этом сжатие производят при максимальной интенсивности отбора тепла от стенок цилиндра сжимающего устройства. In the automatic mode of controlling the operation of the heat pump, the volume of the circuit is determined by the temperature of the medium being cooled, taking into account the thermodynamic properties of the working substance on the saturation line and the piston is set immediately to its original state. Compression from initial to final density in this case is performed in one stage. In this case, compression is performed at the maximum intensity of heat removal from the walls of the cylinder of the compression device.
Если смежный сосуд выполнен, как продолжение цилиндра, как показано на чертеже, то проталкивание производится поршнем сжимающего устройства в одну стадию. Если смежный сосуд выполнен с развитой поверхностью теплообмена, то проталкивание до объема смежного сосуда осуществляется поршнем сжимающего устройства, а проталкивание рабочего вещества из смежного сосуда осуществляется циркуляционным насосом. Для того, чтобы проталкивание производилось только циркуляционным насосом, необходимо к входному концу трубопровода сжимающего устройства прикрепить неподвижный конец телескопической трубы, а подвижный ее конец с выходным отверстием закрепить на поршне (не показано). If the adjacent vessel is made as an extension of the cylinder, as shown in the drawing, then the pushing is performed by the piston of the compression device in one stage. If the adjacent vessel is made with a developed heat exchange surface, then pushing to the volume of the adjacent vessel is carried out by the piston of the compressing device, and the working substance is pushed from the adjacent vessel by a circulation pump. In order for the push to be carried out only by the circulation pump, it is necessary to attach the fixed end of the telescopic pipe to the inlet end of the compression device pipeline, and fix its movable end with the outlet to the piston (not shown).
Примеры подбора рабочего вещества. Examples of the selection of the working substance.
Если в качестве охлаждаемой среды используют атмосферный воздух с Tmin= 253 K и Тmах=313 К, то в качестве рабочего вещества выбирают одно из следующих веществ: CO2 или Хе, или CF3Cl.If atmospheric air with T min = 253 K and T max = 313 K is used as a cooled medium, then one of the following substances is chosen as the working substance: CO 2 or Xe, or CF 3 Cl.
Если же в качестве охлаждаемой среды используют геотермальные воды природных источников с Тmin=293 К и Тmах=393 К, то в качестве рабочего вещества выбирают одно из следующих веществ СО2 или CHF2Cl.If geothermal waters of natural sources with T min = 293 K and T max = 393 K are used as a cooled medium, then one of the following substances, CO 2 or CHF 2 Cl, is chosen as the working substance.
Если же в качестве охлаждаемой среды используют воды естественных и искусственных водоемов с Tmin=274 K и Тmах=300 К, то в качестве рабочего вещества выбирают одно из следующих веществ: CO2 или Хе, или С2H4.If, however, water of natural and artificial reservoirs with T min = 274 K and T max = 300 K is used as a cooled medium, then one of the following substances is chosen as the working substance: CO 2 or Xe, or C 2 H 4 .
Если же в качестве охлаждаемой среды используют сбросовые воды атомных или тепловых электростанций, или других промышленных тепловых установок с Тmin= 293 К и Тmах=393 К, то в качестве рабочего вещества выбирают одно из следующих веществ: С2Н3F2Сl или СFСl3, или СН3Сl.If, however, waste water from nuclear or thermal power plants, or other industrial thermal installations with T min = 293 K and T max = 393 K is used as a cooled medium, then one of the following substances is selected as the working substance: С 2 Н 3 F 2 Сl or CFL 3 or CH 3 Cl.
В основе работы предложенного теплового насоса лежит максимальное использование эффекта взаимного превращения двух видов внутренней энергии - кинетической и потенциальной, которое происходит при сжатии и расширении рабочего вещества. The work of the proposed heat pump is based on the maximum use of the effect of the mutual transformation of two types of internal energy - kinetic and potential, which occurs during compression and expansion of the working substance.
Этот эффект может быть использован и в разработке высокоэффективных трансформаторов тепла и холодильных установок. This effect can also be used in the development of highly efficient heat transformers and refrigeration units.
Источники информации
1. Патент РФ 2083932 на "Способ достижения максимального отопительного коэффициента тепловых насосов и установка для его осуществления".Sources of information
1. RF patent 2083932 on "A method for achieving the maximum heating coefficient of heat pumps and installation for its implementation."
2. Патент РФ 2153133 на "Способ достижения максимального отопительного коэффициента тепловых насосов и установка для его осуществления". 2. RF patent 2153133 on "A method for achieving the maximum heating coefficient of heat pumps and installation for its implementation."
3. Л. Д. Ландау, Е. Н. Лифшиц "Статистическая физика" Часть 1, Наука, 1976, стр. 286-288. 3. L. D. Landau, E. N. Lifshitz, “Statistical Physics,” Part 1, Science, 1976, pp. 286-288.
4. И.И. Новиков "Термодинамика". Машиностроение, 1984, стр. 402-406. 4. I.I. Novikov "Thermodynamics". Engineering, 1984, pp. 402-406.
Claims (2)
Тmin≤Т≤Ткр
при любом Тохл.ср предварительно определенного диапазона температур;
Рmin≤Р≤Ркр;
Vкр≤V≤Vmax,
где Т, Р, V - температура, давление и объем рабочего вещества;
Ткр, Ркр, Vкр - температура, давление и объем рабочего вещества в критической точке;
Тохл.ср - температура охлаждаемой среды;
Рmin - давление, соответствующее участку постоянного давления на изотерме с температурой Тmin;
Vmax - максимальный объем рабочего вещества на границе процесса, в котором Р=const и Т=const одновременно при Р=Рmin и Т=Тmin,
после чего перед сжатием увеличивают объем рабочего вещества до момента исчезновения границы раздела фаз при Р=const и Т=const, причем перед проталкиванием давление в сжимающем устройстве выравнивают с давлением в остальной части теплового насоса и при этом давлении осуществляют проталкивание.1. The method of operation of a heat pump, including heating the working substance by supplying heat from the cooled medium, subsequent compression with increasing temperature in the adjacent vessel, heat removal and pushing the working substance from the adjacent vessel, characterized in that the temperature range of the cooled medium is determined as the working substances use that substance at which the critical temperature is greater than the minimum temperature T min , but less than the maximum temperature T max of the temperature range of the medium to be cooled, while to which the working substance is compressed in a state corresponding to the moment of disappearance of the phase boundary to a density not less than 2 times the critical density, while the working substance is brought into one of the states with compression parameters meeting the following conditions:
T min ≤T≤T cr
at any T cooling average of a predetermined temperature range;
P min ≤P≤P cr ;
V cr ≤V≤V max ,
where T, P, V - temperature, pressure and volume of the working substance;
T cr , R cr , V cr - temperature, pressure and volume of the working substance at a critical point;
T okhl.sr - temperature of the cooled environment;
P min - pressure corresponding to the area of constant pressure on the isotherm with a temperature T min ;
V max - the maximum volume of the working substance at the boundary of the process, in which P = const and T = const simultaneously at P = P min and T = T min ,
then, before compression, the volume of the working substance is increased until the phase boundary disappears at P = const and T = const, and before pushing, the pressure in the compressing device is equalized with the pressure in the rest of the heat pump and at that pressure pushing is performed.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001121661A RU2187769C1 (en) | 2001-08-03 | 2001-08-03 | Method for operation of thermocompressor and thermocompressor for its realization |
| PCT/RU2002/000364 WO2003012349A1 (en) | 2001-08-03 | 2002-08-02 | Operating method for a heat pump |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001121661A RU2187769C1 (en) | 2001-08-03 | 2001-08-03 | Method for operation of thermocompressor and thermocompressor for its realization |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2187769C1 true RU2187769C1 (en) | 2002-08-20 |
Family
ID=20252288
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2001121661A RU2187769C1 (en) | 2001-08-03 | 2001-08-03 | Method for operation of thermocompressor and thermocompressor for its realization |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2187769C1 (en) |
| WO (1) | WO2003012349A1 (en) |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5365744A (en) * | 1993-11-08 | 1994-11-22 | Thermo King Corporation | Air conditioning and refrigeration systems utilizing a cryogen |
| RU2083932C1 (en) * | 1994-02-08 | 1997-07-10 | Алексей Филиппович Конов | Method of attaining maximum heating coefficient of thermocompressors and plant for realization of this method |
| RU2153133C2 (en) * | 1998-08-03 | 2000-07-20 | Захаров Аркадий Николаевич | Method of attaining maximum heating coefficient of thermal pumps and plant for realization of this method |
-
2001
- 2001-08-03 RU RU2001121661A patent/RU2187769C1/en not_active IP Right Cessation
-
2002
- 2002-08-02 WO PCT/RU2002/000364 patent/WO2003012349A1/en not_active Application Discontinuation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2003012349A1 (en) | 2003-02-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104612765B (en) | For thermoelectric power stocking system and the method for store heat electric energy | |
| Nekså et al. | CO2-heat pump water heater: characteristics, system design and experimental results | |
| JP5199517B2 (en) | Thermoelectric energy storage system with intermediate storage tank and method for storing thermoelectric energy | |
| EP3734188B1 (en) | Method for transferring heat between two or more media and system for carrying out said method | |
| US20030061823A1 (en) | Deep cycle heating and cooling apparatus and process | |
| Qin et al. | System development and simulation investigation on a novel compression/ejection transcritical CO2 heat pump system for simultaneous cooling and heating | |
| CN108413675B (en) | Modularization refrigerator based on magnetic refrigeration | |
| Badache et al. | Experimental study of a carbon dioxide direct-expansion ground source heat pump (CO2-DX-GSHP) | |
| Cao et al. | Performance evaluation of controllable separate heat pipes | |
| Yu et al. | Thermodynamic analysis and parameter estimation of a high-temperature industrial heat pump using a new binary mixture | |
| Itard et al. | Considerations when modelling compression/resorption heat pumps | |
| RU2187769C1 (en) | Method for operation of thermocompressor and thermocompressor for its realization | |
| Bergander et al. | New regenerative cycle for vapor compression refrigeration | |
| Kush | Performance of heat pumps at elevated evaporating temperatures—with application to solar input | |
| Arnaiz del Pozo et al. | Thermal and exergy efficiency analysis of a solar-driven closed brayton power plant with helium & S-CO2 as working fluids | |
| Lu et al. | Thermodynamic analysis of a novel isothermal compressed carbon dioxide energy storage system | |
| Sami et al. | Development of a simulation model for predicting dynamic behaviour of heat pump with nonazeotropic refrigerant mixtures | |
| Wang et al. | Experimental study of a CO2 thermal battery for simultaneous cooling and heating applications | |
| Northrup Jr et al. | A hydrogen-actuated pump | |
| RU2153133C2 (en) | Method of attaining maximum heating coefficient of thermal pumps and plant for realization of this method | |
| Loehrke | A passive, vapor compression refrigerator for solar cooling | |
| AU2019209876A1 (en) | Gaseous fluid compression with alternating refrigeration and mechanical compression | |
| RU2083932C1 (en) | Method of attaining maximum heating coefficient of thermocompressors and plant for realization of this method | |
| JP3841051B2 (en) | Heat pump water heater | |
| Rothuizen et al. | High efficient ammonia heat pump system for industrial process water using the ISEC concept. Part 1 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100804 |