RU2319912C2 - Способ трансформации тепла и теплохолодильное устройство для его осуществления - Google Patents
Способ трансформации тепла и теплохолодильное устройство для его осуществления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2319912C2 RU2319912C2 RU2006103918/06A RU2006103918A RU2319912C2 RU 2319912 C2 RU2319912 C2 RU 2319912C2 RU 2006103918/06 A RU2006103918/06 A RU 2006103918/06A RU 2006103918 A RU2006103918 A RU 2006103918A RU 2319912 C2 RU2319912 C2 RU 2319912C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heating
- heat
- compressor
- liquid
- cooling
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Air-Conditioning For Vehicles (AREA)
- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
Abstract
Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в теплонасосных и холодильных установках бытового и промышленного назначения. Способ осуществляется посредством одновременных процессов изотермического сжатия и адиабатного расширения разных частей порций рабочего тела с последующим восстановлением давления до первоначального в теплообменниках нагрева и охлаждения. Гетерогенное рабочее тело в виде пены из нейтральной жидкости с пенообразующими присадками и инертного газа сжимают, а затем разделяют на жидкую и газовую части, которые подвергают раздельному дросселированию и детандированию соответственно, далее пропускают раздельно через параллельные теплообменники нагрева и охлаждения с последующим политропным смешиванием и новым пенообразованием. Устройство содержит контуры циркуляции рабочего тела с его компрессором, дросселем и теплообменниками нагрева и охлаждения. Выход компрессора соединен с тангенциальным патрубком отделителя. Верхний патрубок отделителя соединен со входом детандера, а нижний - с дросселем, соединенным через теплообменник нагрева с входным соплом инжектора входного патрубка компрессора. Боковой патрубок инжектора соединен через теплообменник охлаждения с выходом детандера, механически или электрически связанного с приводом компрессора. Техническим результатом является снижение давления в теплообменниках нагрева и охлаждения до уровня входного давления компрессора и повышение экологической безопасности. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
Description
Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в теплонасосных и холодильных установках бытового и промышленного назначения.
Из технической литературы известно большое количество способов преобразования тепла и механической энергии, то есть термодинамических циклов с рабочим телом как в виде пара низкокипящей жидкости, так и газа. Теоретически максимальным по технической эффективности преобразования энергии признается цикл Карно, к которому асимптотически приближаются практически реализуемые циклы, в частности обратный цикл Ренкина с фазовым переходом гомогенного рабочего тела, например, воды, фреона, аммиака и т.п. [Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы. - М.: Энергоиздат. - 1982. - с.25].
Существующие теплонасосные установки с таким циклом обычно содержат последовательно соединенные компрессор, теплообменники испарителя и конденсатора, детандер или дроссель, а также вспомогательные элементы, такие как отделитель жидкости, электропривод и различные вентили [1. Промышленная теплотехника и теплоэнергетика. - М. 2. Авторское свидетельство СССР 1740915, Б.И. №22].
Недостатком цикла Ренкина и реализующих его устройств является ограниченный набор жидкостей и газов для его рабочего тела, который уменьшает их температурный диапазон и величину коэффициентов тепловой и холодильной эффективности на уровне 5-7 единиц, что гораздо меньше, чем у адекватного цикла Карно. При этом теплообменник нагревателя-конденсатора всегда находится под высоким выходным давлением компрессора, что увеличивает металлоемкость конструкции и снижает ее безопасность.
Наиболее близким предлагаемому способу и устройству является патент России №2133000, реализующий расщепленный цикл Карно, образованный процессами, отображаемыми на p-v-диаграмме как смещение двух треугольных половинок цикла Карно в виде цифры 8.
Согласно известному способу, преобразование тепла осуществляют проведением одновременных процессов сжатия и расширения разных порций рабочего тела из смеси газа и пара со сбалансированным теплообменом между ними посредством контакта рабочего тела обоих процессов с одними и теми же регенеративными поверхностями с последующим восстановлением давления до первоначального в адиабатных процессах. При этом часть пара, перешедшего в жидкую фазу, удаляют из оборота, а восстановление давления оставшейся части смеси производят при постоянной температуре.
Устройство для осуществления способа по патенту 2133000 содержит контуры циркуляции рабочего тела в виде смеси теплоносителя и хладагента с его компрессором, дросселем и теплообменниками нагрева и охлаждения, заключенными в цилиндрический корпус с двумя коаксиальными друг другу и концентрично ему расположенными роторами, каждый с несколькими равномерно расположенными лопастями, совместно образующими круговую цепочку камер с расположенными в них телами с развитой регенеративной поверхностью в виде пластин, расположенных перпендикулярно оси вращения ротора, и привод неравномерного вращения роторов из некруглых колес [Патент РФ 2133000, 10.07.1999].
Благодаря этому, отопительный коэффициент ε такой установки превышает аналогичные показатели цикла Карно примерно в два раза при тех же температурных соотношениях
Здесь ΔT=T2-T1,
T2 - температура нагрева,
Т1 - температура охлаждения.
К сожалению, практическая реализация двух вышеназванных смещенных треугольных половинок цикла связана с большими технологическими трудностями и применением специальных двухроторных машин, что обусловило использование данного изобретения лишь для сушки и выпаривания ягод, фруктов, травы и т.п. [Авторское свидетельство СССР 1740915, Б.И. №22].
Технической задачей заявляемого изобретения является снижение давления в теплообменниках нагрева и охлаждения до уровня входного давления компрессора и превышение технической эффективности цикла Карно при одновременном его упрощении и повышении экологической безопасности.
Предлагаемый способ трансформации тепла посредством одновременных процессов изотермического сжатия и адиабатного расширения разных частей порций рабочего тела с последующим восстановлением давления до первоначального в теплообменниках нагрева и охлаждения отличается тем, что гетерогенное рабочее тело в виде пены из нейтральной жидкости с пенообразующими присадками и инертного газа сжимают, а затем разделяют на жидкую и газовую части, которые подвергают раздельному дросселированию и детандированию соответственно, далее пропускают раздельно через параллельные теплообменники жидкостного нагрева и газового охлаждения с последующим политропным смешиванием и новым пенообразованием.
Политропное смешивание можно осуществлять по изобаре с адиабатой.
Политропное смешивание можно осуществлять по изобаре с непосредственным переходом к процессу изотермического сжатия.
Причем вначале политропное смешивание осуществляют по изобаре с укороченной адиабатой, которыми на p-v-диаграмме замыкают концы политропы треугольного полуцикла Карно. А в дальнейшем политропное смешивание осуществляют по изобаре частного цикла Карно непосредственно перед изотермическим сжатием.
Заявляемое теплохолодильное устройство для осуществления предлагаемого способа, содержащее контуры циркуляции рабочего тела с его компрессором, дросселем и теплообменниками нагрева и охлаждения, отличается тем, что выход компрессора соединен с тангенциальным патрубком отделителя жидкой части гетерогенного рабочего тела в виде смеси теплоносителя и хладагента, представляющего собой пенообразную смесь нейтральной кремнийорганической жидкости с пенообразующими присадками и инертного газа, верхний газовый патрубок отделителя соединен со входом детандера, а нижний - с жидкостным дросселем, соединенным через теплообменник нагрева с входным соплом пенообразующего инжектора входного патрубка компрессора, тогда как боковой патрубок этого инжектора соединен через газовый теплообменник охлаждения с выходом детандера, механически или электрически связанного с приводом компрессора.
В устройстве отделитель жидкой части гетерогенного рабочего тела выполнен в виде вертикальной вихревой трубы Ранка, у которой верхний холодный патрубок снабжен гидродинамическим газовым фильтром, а горячий нижний патрубок прикрыт пеногасящим конусом с кольцевой щелью.
Предлагаемый способ поясняется диаграммами, представленными на фигурах 1 и 2.
На фигуре 1 изображена p-v-диаграмма частного полуцикла Карно, реализованного изобретением, а на фигуре 2 - графики отопительного коэффициента ε. На фигуре 3 изображена принципиальная схема теплохолодильного устройства, реализующего предложенный способ.
В соответствии с предлагаемым способом покажем трансформацию тепла по верхнему полуциклу Карно 1-2-3 на фигуре 1, которую осуществляют следующим образом.
Гетерогенное рабочее тело, участвующее в процессе, получают смешиванием до пенообразования нейтральной кремнийорганической жидкости [см. Ридер г., Хупер Ч. Двигатели Стирлинга. - М.: Мир, 1986] с пенообразующими присадками и инертного одноатомного газа с малой молярной теплоемкостью, но большим показателем адиабаты. Например, смесь из гелия или ксенона и жидкости торговой марки ДАУТЕРМ с температурой кипения до 675 градусов Кельвина [Куландин А.А. и др. Энергетические процессы космических аппаратов. - М.: Машиностроение, 1979. - c.175]. Процесс смешивания соответствует на p-v-диаграмме (фигура 1) политропном участку 1-2 термодинамического цикла.
Полученную пену адиабатно сжимают практически по изотерме 2-3, так как мелкодисперсные пузырьки газа, разогреваемые сжатием, практически мгновенно отдают свое избыточное тепло окружающей их жидкости. При этом температура нагрева жидкости может достигать 200°С. Поскольку жидкая фракция рабочего тела практически несжимаема, то в точке 3 плотность пены существенно увеличивается и ее разлагают на составные части - газ и жидкость. Разогретую жидкость дросселируют и отдают ее избыточное тепло Q2 обогреваемому объему, так как температура жидкости увеличивается не только от нагрева сжимаемыми пузырьками газа, но и диссипативным сбросом энергии давления при дросселировании. При этом газ, наоборот, охлаждают с использованием эффекта Ранке и подвергают детантированию, то есть расширению, которое сопровождается тоже резким понижением его температуры. Тем самым снижают и температуру охлаждаемого объема окружающей среды, отводя тепло Q1, а затем газообразную и жидкую фракции рабочего тела снова смешивают между собой и вспенивают. Поскольку процесс разогрева и охлаждения различных частей рабочего тела проводят одновременно и параллельно, то соответствующий термодинамический процесс между точками 1 и 2 идет по усредненной политропе с небольшим отрицательным показателем, то есть практически по изобаре 6-2, что и позволяет без труда найти величину коэффициентов отопительного ε и холодильного μ такого цикла:
Здесь
- отопительный коэффициент полного цикла Карно,
- относительная температура.
Сравнительная зависимость отопительного коэффициента ε различных циклов от относительной температуры нагрева и охлаждения, представленная на фигуре 2, показывает, что использование предлагаемого способа в тепловых насосах особенно эффективно в более широком диапазоне температур, где его отопительный коэффициент (кривая 7 на фигуре 2) практически в 2 раза превышает соответствующую эффективность цикла Карно (кривая 8), так как при одном и том же количестве переданного тепла Q2, площадь треугольного полуцикла Карно 1-2-3 и его соответствующая работа A1 привода в два раза меньше общей работы А=A1+А2 полного цикла Карно. Для сравнения показана кривая 9 - отопительный коэффициент известных установок.
В соответствии с описанным процессом p-v диаграмма на фигуре 1 показывает, что при осуществлении изобретения термодинамический процесс характеризуется использованием лишь одной треугольной половины цикла Карно, состоящей из изотермы, адиабаты и замыкающей их политропы, которая в общем случае может быть аппроксимирована изобарой 1-4 и частью адиабаты 4-2, а в предельном случае - одной изобарой частного цикла Карно с точками перехода адиабат в изотермы, расположенными на общей изобаре 6-2. Этот процесс перехода к установившемуся треугольному циклу 2-3-6 на p-v-диаграмме происходит постепенно через несколько циклов разогрева установки по 4-угольному циклу 1-4-2-3, то есть, как сказано выше, сначала политропное смешивание осуществляют по изобаре с адиабатой, которыми замыкают концы треугольного полуцикпа Карно. А в дальнейшем политропное смешивание осуществляют по изобаре частного цикла Карно, реализованного заявляемым изобретением, непосредственно перед изотермическим сжатием.
Причем вначале до выхода на установившийся режим смешивание осуществляют по изобаре с укороченной адиабатой обобщенного цикла Карно, которыми замыкают концы вышеупомянутой политропы, и диагонально противоположные углы этого цикла. А в дальнейшем при установившемся режиме смешивание осуществляют по изобаре частного цикла Карно, у которого точки перехода адиабат в изотермы расположены на общей изобаре.
В результате процесс трансформации тепла ведут по треугольному полуциклу Карно, состоящему из изотермы, адиабаты и изобары, который совпадает с половинкой упомянутого частного цикла Карно, но обладает в два раза меньшей площадью, а следовательно, и затратами механической работы по сравнению с любым обобщенным циклом Карно с расположением всех углов на различных изобарах или уровнях p-v-диаграммы.
При этом простое устройство, реализующее предложенный способ, содержит два связанных контура жидкости и газа, образующих гетерогенное пенообразное рабочее тело компрессора, которое может обладать более широким набором технических свойств, чем однородное гомогенное вещество.
Устройство для осуществления предложенного способа содержит компрессор 10, выход которого соединен с боковым тангенциальным патрубком отделителя жидкой фракции 11, выполненным, например, в виде вертикальной вихревой трубы Ранке. Верхний холодный патрубок вихревой трубы снабжен гидродинамическим газовым фильтром 12, служащим для осаждения жидкости, и соединен со входом детандера 13, а нижний - прикрыт пеногасящим конусом 14 с кольцевой щелью 15 для сбора жидкости у стенок вихревой трубы и соединен с жидкостным дросселем 16. Выходной патрубок этого дросселя через теплообменник нагрева 17 обогреваемого объема (например, отапливаемого помещения) соединен с центральным соплом пенообразующего инжектора 18 входного патрубка компрессора 10, а боковой патрубок этого инжектора через теплообменник 19 охлаждения окружающей среды соединен с выходом детандера 13, который механически или электрически связан с приводом 20 компрессора 10.
При использовании данного устройства в качестве холодильника теплообменник 19 располагается в охлаждаемом объеме, а теплообменник нагрева 17 - в окружающей среде, например в воздухе или проточной воде. Поскольку охлаждение осуществляют газом, а не парами жидкого хладагента, то предельная температура охлаждения может быть гораздо ниже температуры кипения и даже замерзания легкокипящих жидкостей, которые используются в известных одноконтурных холодильных установках с последовательным соединением компрессора и теплообменников.
Работа предложенного устройства, по существу, не отличается от вышерассмотренного способа и сводится к прокачиванию гетерогенного рабочего тела компрессором 10 по двум связанным контурам жидкости и газа.
Первый контур жидкости начинается в нижнем горячем патрубке отделителя жидкой фракции 11 в виде вихревой трубы Ранке, после которого жидкость еще больше разогревается в дросселе 16, поскольку на него приходится почти весь перепад давления Р3-P1, создаваемого компрессором 10. Поэтому давление в теплообменнике нагрева 17 практически равно входному давлению P1 цикла, так как на смешивание частей рабочего тела в пенообразующем инжекторе 18 затрачивается небольшая работа, а следовательно, и небольшой перепад давлений на инжекторе 18.
Второй газовый контур начинается в верхнем холодном патрубке вихревой трубы Ранке, после которого газ адиабатно расширяется и еще больше охлаждается в детандере 13, также затрачивая на это практически весь перепад давления Р3-P1 компрессора 10. После отбора тепла Q1 в теплообменнике охлаждения 19 подогретый газ поступает в боковой патрубок пенообразующего инжектора 18, где смешивается с охлажденной в теплообменнике 17 жидкостью первого контура и в пенообразном состоянии сжимается компрессором 10. При этом происходит передача избыточного тепла сжимаемого газа несжимаемой жидкости без каких-либо дополнительных регенеративных теплообменников, как у прототипа. Кроме того, полезная работа, создаваемая детандером 13, также может быть возвращена рабочему циклу за счет частичной разгрузки привода 20 компрессора 10.
Таким образом, осуществление процесса нагрева нейтральной высококипящей жидкостью, а охлаждение - одноатомными газами с очень низкой температурой сжижения и отвержения позволяет максимально использовать широкий температурный диапазон такого гетерогенного рабочего тела для эффективного преобразования его двух видов внутренней энергии - кинетической и потенциальной, которое происходит при совместном сжатии и раздельном расширении вышеупомянутых фракций рабочего тела с коэффициентами эффективности нагрева и охлаждения выше, чем у идеального цикла Карно по экологически чистой технологии без озоноопасных и вредных веществ.
Claims (5)
1. Способ трансформации тепла посредством одновременных процессов изотермического сжатия и адиабатного расширения разных частей порций рабочего тела с последующим восстановлением давления до первоначального в теплообменниках нагрева и охлаждения, отличающийся тем, что гетерогенное рабочее тело в виде пены из нейтральной жидкости с пенообразующими присадками и инертного газа сжимают, а затем разделяют на жидкую и газовую части, которые подвергают раздельному дросселированию и детандированию соответственно, далее пропускают раздельно через параллельные теплообменники жидкостного нагрева и газового охлаждения с последующим политропным смешиванием и новым пенообразованием.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что политропное смешивание осуществляют по изобаре с адиабатой.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что политропное смешивание осуществляют по изобаре с непосредственным переходом к процессу изотермического сжатия.
4. Теплохолодильное устройство для осуществления способа по п.1, содержащее контуры циркуляции рабочего тела с его компрессором, дросселем и теплообменниками нагрева и охлаждения, отличающееся тем, что выход компрессора соединен с тангенциальным патрубком отделителя жидкой части гетерогенного рабочего тела в виде смеси теплоносителя и хладагента, представляющего собой пенообразную смесь нейтральной кремнийорганической жидкости с пенообразующими присадками и инертного газа, верхний газовый патрубок отделителя соединен со входом детандера, а нижний - с жидкостным дросселем, соединенным через теплообменник нагрева с входным соплом пенообразующего инжектора входного патрубка компрессора, тогда как боковой патрубок этого инжектора соединен через газовый теплообменник охлаждения с выходом детандера, механически или электрически связанного с приводом компрессора.
5. Теплохолодильное устройство по п.4, отличающееся тем, что отделитель жидкой части гетерогенного рабочего тела выполнен в виде вертикальной вихревой трубы Ранка, у которой верхний холодный патрубок снабжен гидродинамическим газовым фильтром, а горячий нижний патрубок прикрыт пеногасящим конусом с кольцевой щелью.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006103918/06A RU2319912C2 (ru) | 2006-02-09 | 2006-02-09 | Способ трансформации тепла и теплохолодильное устройство для его осуществления |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006103918/06A RU2319912C2 (ru) | 2006-02-09 | 2006-02-09 | Способ трансформации тепла и теплохолодильное устройство для его осуществления |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2006103918A RU2006103918A (ru) | 2006-06-27 |
RU2319912C2 true RU2319912C2 (ru) | 2008-03-20 |
Family
ID=36714578
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006103918/06A RU2319912C2 (ru) | 2006-02-09 | 2006-02-09 | Способ трансформации тепла и теплохолодильное устройство для его осуществления |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2319912C2 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2533278C2 (ru) * | 2012-08-21 | 2014-11-20 | Андрей Леонидович Шпади | Теплонасосная энергоснабжающая установка |
RU2548468C2 (ru) * | 2012-06-25 | 2015-04-20 | Открытое акционерное общество "Красная Звезда" | Система обеспечения теплового режима космического аппарата |
-
2006
- 2006-02-09 RU RU2006103918/06A patent/RU2319912C2/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2548468C2 (ru) * | 2012-06-25 | 2015-04-20 | Открытое акционерное общество "Красная Звезда" | Система обеспечения теплового режима космического аппарата |
RU2533278C2 (ru) * | 2012-08-21 | 2014-11-20 | Андрей Леонидович Шпади | Теплонасосная энергоснабжающая установка |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2006103918A (ru) | 2006-06-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9038390B1 (en) | Apparatuses and methods for thermodynamic energy transfer, storage and retrieval | |
Aphornratana et al. | Analysis of a combined Rankine–vapour–compression refrigeration cycle | |
EP3303779B1 (en) | Heat engines, systems for providing pressurized refrigerant, and related methods | |
CN103940134B (zh) | 蒸汽压缩制冷循环膨胀功回收系统 | |
Yoon et al. | Efficiency comparison of subcritical OTEC power cycle using various working fluids | |
Li et al. | Entransy dissipation/loss-based optimization of two-stage organic Rankine cycle (TSORC) with R245fa for geothermal power generation | |
CN105401988B (zh) | 利用涡流管的高效热力循环系统 | |
Dubey et al. | Performance evaluation and optimal configuration analysis of a transcritical carbon dioxide/propylene cascade system with vortex tube expander in high-temperature cycle | |
RU2319912C2 (ru) | Способ трансформации тепла и теплохолодильное устройство для его осуществления | |
Dubey et al. | Numerical optimization of a transcritical CO 2/propylene cascaded refrigeration-heat pump system with economizer in HT cycle | |
CN108779685B (zh) | 用于供应电功率和/或机械功率、加热功率和/或冷却功率的设备和方法 | |
US20220403760A1 (en) | Plant based upon combined joule-brayton and rankine cycles working with directly coupled reciprocating machines | |
EP2638252B1 (en) | Method for converting thermal power, delivered from a variable temperature heat source, into mechanical power | |
US10712050B2 (en) | Multi-stage heat engine | |
Kim | Comparative exergy analysis of organic flash cycle with and without regeneration using low-grade heat source | |
He et al. | Equivalent Cycle and Optimization of Auto-Cascade Absorption Refrigeration Systems | |
Samanta et al. | Thermodynamic analysis of a cogeneration system integrating organic Rankine cycle and absorption chiller using a diesel engine exhaust | |
Beans | Comparative thermodynamics for Brayton and Rankine cycles | |
SU591667A1 (ru) | Способ охлаждени рабочего тела | |
Özdil et al. | Investigation of different working fluid effects on exergy analysis for Organic Rankine Cycle (ORC) | |
Wang et al. | Experimental Evaluation and Comparison of Organic Rankine Cycle Using Mixture of R245fa/R141b Under Different Operating Conditions | |
RU2617039C1 (ru) | Низкотемпературная холодильная машина | |
Ehab et al. | Performance Analysis of an organic Rankine Cycle applied on Marine Engine for Fourteen Working Fluid | |
Hao et al. | Exergy analysis of natural gas liquefaction system with dual mixed refrigerant based on HYSYS | |
Wang et al. | Modeling and simulation of a transcritical R744 heat pump system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160210 |