RU2698900C1

RU2698900C1 - Method for determining medium heat exergy as a renewable energy source

Info

Publication number: RU2698900C1
Application number: RU2018145273A
Authority: RU
Inventors: Станислав Григорьевич Карташов; Иван Иосифович Свентицкий
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2019-08-30

Abstract

FIELD: technological processes.SUBSTANCE: determination of the limit value of energy, which can be used in a useful manner in a thermodynamic process, and optimum values of thermal and energy efficiency of monothermal plants at simultaneous operation of a heat pump and a thermal engine is carried out at the design stage and displayed in thermodynamic diagrams using graphical calculations and using an automated design system. From the total exergy, used by energy converter, determined by thermodynamic characteristic of working medium and thermodynamic cycle of power converter for a certain period of time, subtracts exergy of electric power consumed by converter during same period of time.EFFECT: method provides determination of heat exergy of medium as a renewable energy source.1 cl, 4 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к способам определения эксергии теплоты среды, а также в термодинамике, теплоэнергетике и двигателестроению и может быть использовано для совершенствования любых стационарных и мобильных силовых установок вместо паровых, газовых турбин и поршневых двигателей внутреннего и внешнего сгорания, а также в теплоэлектрогенераторах, холодильных машинах и в тепловых насосах.The invention relates to agriculture, in particular to methods for determining the exergy of the heat of the environment, as well as in thermodynamics, heat power and engine building and can be used to improve any stationary and mobile power plants instead of steam, gas turbines and reciprocating internal and external combustion engines, as well as in heat and power generators, refrigerators and in heat pumps.

Важное значение имеет определение эксергии для теоретизации агротехнологий как растениеводства, так и животноводства. Of great importance is the definition of exergy for theorizing agricultural technologies of both crop production and animal husbandry.

Известный способ оптимизации метрологии оптического излучения и устройство для его реализации - универсальный фотометр-эксергометр позволил создать эксергетическую теорию урожая (патент № 2626219, опубл.24.07.2017, Бюл. №21).A well-known method for optimizing the metrology of optical radiation and a device for its implementation - a universal photometer-exergometer made it possible to create an exergy theory of the crop (patent No. 2626219, publ. 24.07.2017, Bull. No. 21).

Известен способ эксергетического анализа преобразований различных видов энергии и технологий с целью их совершенствования (В.М. Бродянский, В. Фратшер, К. Михалек "Эксергетический метод и его приложения". (М.: Энергоатомиздат, 1988, 288с. и с. 129-134). Высокая энергопреобразующая эффективность работы холодильников и тепловых насосов свидетельствует о наличии эксергии в теплоте среды, в этих преобразователях в качестве рабочего процесса использован природный самоорганизующийся энергоэкономный фазовый переход: испарение - конденсация теплоносителя (рабочего тела). Этот процесс позволяет использовать в них эксергию теплоты посредством переноса теплоты от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой. There is a method of exergy analysis of the transformations of various types of energy and technologies with the aim of improving them (V.M. Brodyansky, V. Fratsher, K. Mikhalek "Exergy method and its applications" (M .: Energoatomizdat, 1988, 288 p. 129 -134). The high energy-converting efficiency of refrigerators and heat pumps indicates the presence of exergy in the heat of the medium, in these converters a natural self-organizing energy-saving phase transition was used as a working process: evaporation - condensation of the heat carrier ator (working fluid.) This process allows the use of exergy in them by heat transfer of heat from the body with a low temperature to a body at a higher temperature.

В известном способе, в отличие от эксергетического анализа всех иных In the known method, in contrast to the exergy analysis of all other

преобразователей энергии, приведен только энергетический анализ холодильных машин и тепловых насосов, при этом принимая ошибочно эксергию теплоты среды раной нулю. В этом случае эксергетический КПД теплового насоса будет определяться только отношением эксергии потребляемой им электроэнергии к произведенной им теплоте. energy converters, only an energy analysis of refrigerators and heat pumps is given, while mistakenly accepting the exergy of the heat of the medium as a zero wound. In this case, the exergy efficiency of the heat pump will be determined only by the ratio of the exergy of the electricity consumed by it to the heat produced by it.

Недостатком известного способа является то, что в нем принято считать, что теплота среды не содержит эксергии и является анергией, поэтому ее не-The disadvantage of this method is that it is generally believed that the heat of the medium does not contain exergy and is anergy, therefore, it does not

возможно использовать в качестве источника энергии.possible to use as an energy source.

Известны тепловые насосы типа воздух – вода, у которых энергопреобразующая способность достигает 560%, но ее называют не КПД, а нагревательным коэффициентом. Высокое значение нагревательного элемента объясняют "обратным циклом Карно" (фирмы Vitocal http://www.viessmann.ru), так и поступают - приводя значения их технических характеристик. Но объяснить его можно только наличием переноса энергии, а не преобразования. Heat pumps of the air-water type are known, in which the energy-converting ability reaches 560%, but it is called not efficiency, but a heating coefficient. The high value of the heating element is explained by the "Carnot reverse cycle" (Vitocal http://www.viessmann.ru), and they do so by citing the values of their technical characteristics. But it can only be explained by the presence of energy transfer, not transformation.

Недостатком является так же ошибочное традиционное утверждение современных изданий по термодинамике и эксергетическому анализу отрицание зависимости КПД энергопреобразователя от свойств используемого в нем рабочего тела (теплоносителя). The disadvantage is also the erroneous traditional assertion of modern publications on thermodynamics and exergetic analysis, the denial of the dependence of the efficiency of the energy converter on the properties of the working fluid (coolant) used in it.

Известны способы, использующие водоаммиачный цикл в теплоэнергетике с ”неводяными” парами, который имеет низкую температурную испарения и конденсации, при этом выбор рабочего тела низкотемпературных геотермальных электростанций исчерпывается (htth://Referatwork.ru/category/ tehnologii/view/ 5000125_na_cikle_a_i_kaliny»). Known methods that use a water-ammonia cycle in a power system with “non-water” vapors that have low temperature evaporation and condensation, while the choice of a working fluid of low-temperature geothermal power plants is exhausted (htth: //Referatwork.ru/category/ tehnologii / view / 5000125_na_iikal_cikal_.

Недостатком известного способа является отсутствие определения эксергии теплоты среды, что создает определенную трудность и практически невозможность определения путей совершенства преобразователя на стадии его проектирования. The disadvantage of this method is the lack of determination of exergy of the heat of the environment, which creates a certain difficulty and the inability to determine the path of perfection of the Converter at the design stage.

Известен способ, включающий объединение в одном агрегате теплового насоса и низкотемпературного теплового двигателя, имеющих одинаковый принцип работы - монотермической установки, в которой топливом для которого является окружающее тепло (Яйле А.С. Монотермическая установка - альтернатива энергоносителям. Интернет, alex25011970@mail.ru Г. Калининград). Тепловой двигатель, входящий в установку, работает физически иначе, чем тепловые двигатели, работающие по "прямому термодинамическому циклу Карно"A known method, comprising combining in one unit a heat pump and a low-temperature heat engine, having the same operating principle - a monothermal installation in which the fuel is ambient heat (A. Yaile. Monothermal installation is an alternative to energy sources. Internet, alex25011970@mail.ru G. Kaliningrad). The heat engine included in the installation works physically differently than heat engines operating on the "direct thermodynamic Carnot cycle"

Недостатком известного способа является отсутствие определения эксергии теплоты, которая является основным возобновляемым источником энергии для двух преобразователей агрегата, а также трудоемкое оформление заданных термических и энергетических КПД принятой монотермической установки по расчету, построению и изображению термодинамических диаграмм и цикла работы этих преобразователей в режиме взаимоувязанной работы.The disadvantage of this method is the lack of determination of heat exergy, which is the main renewable energy source for the two converters of the unit, as well as the time-consuming design of the given thermal and energy efficiency of the adopted monothermal installation for calculating, constructing and displaying thermodynamic diagrams and the operation cycle of these converters in the mode of interconnected operation.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ для повышения КПД цикла Калины, включающий сбор данных от одного или нескольких датчиков, несущих информацию относительно одного или нескольких параметров, от которых зависит КПД термодинамического цикла, передачу данных в процессор системы управления с использованием одного или нескольких механизмов передачи, вычисление одного или нескольких фактических параметров на основании указанных данных с использованием процессора системы управления, нахождение одного или нескольких оптимальных параметров, позволяющих повысить КПД цикла, и автоматическую регулировку одного или нескольких фактических параметров, чтобы получить один или несколько оптимальных параметров (патент № 2530938, МПК F01 25/06. Бюл. № 29, 2014г.). При этом энергопреобразующая способность холодильников и тепловых насосов характеризуется из-за искажения соответственно коэффициентами ”холодильным” и ”нагревательным”, а не термодинамическим и энергетическим КПД, как у всех преобразователей. Closest to the technical nature of the present invention is a method for increasing the efficiency of the Kalina cycle, which includes collecting data from one or more sensors that carry information on one or more parameters on which the efficiency of the thermodynamic cycle depends, transferring data to the processor of the control system using one or several transmission mechanisms, the calculation of one or more actual parameters based on the specified data using the processor of the control system, REPRESENTATIONS one or more optimal parameters that improve cycle efficiency, and automatic adjustment of one or more actual parameters to obtain one or more optimal parameters (№ patent 2,530,938, IPC F01 25/06. Bul. № 29, 2014.). At the same time, the energy-converting ability of refrigerators and heat pumps is characterized due to distortion, respectively, by the “cooling” and “heating” coefficients, and not by the thermodynamic and energy efficiency, as with all converters.

Недостатком известного способа является отсутствие определения эксергии теплоты среды, как используемого возобновляемого источника энергии, а при осуществлении проектирования и создания полноценных преобразователей не возможно без количественного расчета и определения источника используемого в этих преобразователях.The disadvantage of this method is the lack of determination of exergy of the heat of the environment as a used renewable energy source, and when designing and creating high-grade converters it is not possible without quantitative calculation and determination of the source used in these converters.

Другие примерные технологии на базе «цикла Калины», с использованием которых может быть осуществлено указанное выше изобретение, приведены в патентах США Nos. 7516619, 5822990, 5953918, 5572871, 5440882 и 49882568, которые включены в описание в качестве ссылки.Other exemplary technologies based on the "Viburnum cycle", with which the above invention can be carried out, are given in US Pat. Nos. 7516619, 5822990, 5953918, 5572871, 5440882 and 49882568, which are incorporated herein by reference.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение КПД монотермических установок за счет использования определения эксергии теплоты природной среды, при одновременной работе теплового насоса и теплового двигателя, работающего по аналогичному принципу для вращения электрогенератора.The objective of the invention is to increase the efficiency of monothermal plants through the use of determining the exergy of the heat of the natural environment, while the heat pump and the heat engine are operating on a similar basis for rotating the generator.

В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность определения эксергии теплоты среды, как возобновляемого источника энергии при учете термодинамических характеристик теплоносителей (рабочих тел) и термодинамических циклов энергопреобразователей, работающих на возобновляемом источнике энергии - теплоте среды - и с использованием самоорганизующего энергоэкономного природного процесса - фазового перехода - испарение-конденсация, для обеспечения и учета переноса тепловой энергии от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой необходимо из общего количества эксергии преобразователя за определенный промежуток времени вычитают эксергию электроэнергии потребленной им из вне за тот же промежуток времени.As a result of the use of the present invention, it becomes possible to determine the exergy of the heat of the medium as a renewable energy source, taking into account the thermodynamic characteristics of heat carriers (working bodies) and the thermodynamic cycles of energy converters operating on a renewable energy source - the heat of the environment - and using a self-organizing energy-saving natural process - phase transition - evaporation-condensation, to ensure and account for the transfer of thermal energy from a body with a low temperature A fit for a body with a higher temperature is necessary from the total amount of exergy of the transducer for a certain period of time, the exergy of the electricity consumed by it from outside is subtracted for the same period of time.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе определения эксергии теплоты среды, как возобновляемого источника энергии, включающем сбор данных от одного или нескольких датчиков, несущих информацию относительно одного или нескольких параметров, от которых зависит КПД термодинамического цикла, передачу данных в процессор системы управления с использованием одного или нескольких механизмов передачи, вычисление одного или нескольких фактических параметров на основании указанных данных с использованием процессора системы управления, нахождение одного или нескольких оптимальных параметров, позволяющих повысить КПД цикла, и автоматическую регулировку одного или нескольких фактических параметров, чтобы получить один или несколько оптимальных параметров, согласно изобретению, при определении термодинамических характеристик теплоносителей и термодинамических циклов энергопреобразователей, работающих на возобновляемом источнике энергии – теплоте среды и с использованием самоорганизующего энергоэкономного природного процесса - фазового перехода испарение – конденсация, из общей эксергии, используемой энергопреобразователем, определенной по термодинамической характеристике рабочего тела и термодинамическому циклу энергопреобразователя за определенный промежуток времени, вычитают эксергию электроэнергии потребленной из вне преобразователем за этот же промежуток времени, а определение показателей эксергии и оптимальных значений термического и энергетического КПД монотермических установок за счет использования эксергии теплоты природной среды, при одновременной работе теплового насоса и теплового двигателя осуществляют на стадии проектирования и отображают в термодинамических диаграммах с использованием графических расчётов и применением системы автоматизированного проектирования САПР.The above technical result is achieved by the fact that in the proposed method for determining the exergy of the heat of the medium as a renewable energy source, which includes collecting data from one or more sensors that carry information about one or more parameters, on which the efficiency of the thermodynamic cycle depends, transferring data to the processor of the control system using one or more transmission mechanisms, calculating one or more actual parameters based on the data using by the processor of the control system, finding one or more optimal parameters to increase the efficiency of the cycle, and automatically adjusting one or more actual parameters to obtain one or more optimal parameters, according to the invention, when determining the thermodynamic characteristics of heat carriers and thermodynamic cycles of energy converters operating on renewable the source of energy is the heat of the environment and using a self-organizing energy-saving natural process ca - phase transition evaporation - condensation, from the total exergy used by the energy converter, determined by the thermodynamic characteristics of the working fluid and the thermodynamic cycle of the energy converter for a certain period of time, the exergy of electricity consumed from outside the converter for the same period of time is subtracted, and the determination of exergy indicators and optimal values thermal and energy efficiency of monothermal plants through the use of exergy of heat of the natural environment, p and simultaneous operation of the heat pump and the heat engine is performed during the design phase and are displayed in thermodynamic charts using graphical calculations and applying aided design CAD system.

Способ определения эксергии переноса теплоты среды способствует более полной теоретизации сельскохозяйственных технологий в животноводстве и кормопроизводстве для рационального их энергообеспечения. The method for determining the exergy of heat transfer of the environment contributes to a more complete theorization of agricultural technologies in animal husbandry and feed production for their rational energy supply.

При расчетах показателей эксергии теплоты природной среды, как возобновляемого источника энергии и оптимальных параметров и режимов работы установки в предлагаемом способе используют существующие данные, в режиме реального времени их работы, которые систематизированы по существующим математическим программам. When calculating the exergy indices of the warmth of the natural environment as a renewable energy source and optimal parameters and operating modes of the installation, the proposed method uses existing data in real-time mode of their operation, which are systematized according to existing mathematical programs.

Для повышения эффективности процесса использования эксергии теплоты среды, определяется в количественных показателях эксергия теплоты среды, как возобновляемого источника энергии, имеет единую установку (агрегат) ее использующую и состоящую из теплового насоса и теплового двигателя с электрогенератором при одновременной взаимоувязанной работе их на возобновляемом источнике энергии – теплоте среды, включающий использование самоорганизующего, энергоэкономного природного процесса, фазового перехода испарение-конденсация рабочего тела, обеспечивающего перенос тепловой энергии от тела с низкой температурой к телу с большей температурой, и выделением той части эксергии, которая потенциально пригодна для использования. Определение показателей эксергии и оптимальных значений термического и эксергетического КПД использованных установок проводят уже на стадии проектирования, а отображение термодинамических диаграмм осуществляют с использованием графических расчётов в системе САПР. Обработку результатов данных производят с использованием известных математических программ.To increase the efficiency of the process of using exergy of heat of the environment, the exergy of heat of the environment as a renewable energy source is determined in quantitative terms, it has a single installation (unit) that uses it and consists of a heat pump and a heat engine with an electric generator while simultaneously interconnecting them using a renewable energy source - the warmth of the environment, including the use of a self-organizing, energy-efficient natural process, a phase transition, evaporation-condensation of workers body providing heat transfer from the body with a low temperature to a body with a higher temperature, and isolating that portion of the exergy that is potentially suitable for use. Exergy indicators and optimal values of thermal and exergy efficiency of the used plants are determined already at the design stage, and thermodynamic diagrams are displayed using graphical calculations in a CAD system. Data processing is performed using well-known mathematical programs.

Наличие эксергии в теплоте среды целесообразно использовать в способе определения теплоты среды, как общедоступного возобновляемого источника энергии, и тем самым распространить применение термодинамического и эксергетического КПД применительно к холодильникам, тепловым насосам и работающим по подобному им принципу низкотемпературным тепловым двигателям. Эксергия теплоты среды, как возобновляемого источника энергии представляется особым видом эксергии. В отличии от эксергии преобразования энергии у иных возобновляемых источников, у теплоты среды она является эксергией передачи энергии – передачи тепловой энергии от тел с низкой температурой к телам с более высокой температурой.The presence of exergy in the heat of the medium is advisable to use in the method of determining the heat of the medium as a publicly available renewable energy source, and thereby extend the use of thermodynamic and exergy efficiency as applied to refrigerators, heat pumps, and low-temperature heat engines operating on a similar principle. The exergy of the heat of the environment as a renewable energy source seems to be a special type of exergy. Unlike the energy conversion exergy of other renewable sources, the heat of the medium is the exergy of energy transfer - the transfer of thermal energy from bodies with a low temperature to bodies with a higher temperature.

Раздельное определение эксергии теплоты среды и эксергии электроэнергии потребленной тепловым насосом на основе термодинамической характеристики рабочего тела и термодинамического цикла насоса позволило установить. Примерно 89 % эффективности теплового насоса приходится на эксергию теплоты среды и только 11 % на эксергию потребляемой им электроэнергии.A separate determination of the exergy of the heat of the medium and the exergy of electricity consumed by the heat pump based on the thermodynamic characteristics of the working fluid and the thermodynamic cycle of the pump made it possible to establish. Approximately 89% of the efficiency of the heat pump is due to the exergy of the heat of the medium and only 11% to the exergy of the energy it consumes.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг.1, 2, 3 и 4, где на фиг.1 изображена термодинамическая характеристика водно-аммиачного раствора при различном весовом соотношении частей раствора, на фиг.2 изображена термодинамические диаграмма и цикл теплового насоса (рабочее тело октафторциклобутан - RC318 (C₄F₈)) монотермической установки, на фиг.3 изображена термодинамические диаграмма и цикл теплового двигателя монотермической установки (рабочее тело трихлорфторметан - R11 (CCl3F), на фиг.4 представлена общая схема новой монотермической установки /стрелками показан обратный цикл Калины / при определении эксергии теплоты среды.The essence of the invention is illustrated in figures 1, 2, 3 and 4, where figure 1 shows the thermodynamic characteristics of an aqueous ammonia solution at different weight ratios of the parts of the solution, figure 2 shows the thermodynamic diagram and cycle of the heat pump (working fluid octafluorocyclobutane - RC318 (C ₄ F ₈ )) of a monothermal installation, Fig. 3 shows a thermodynamic diagram and a cycle of a heat engine of a monothermal installation (working medium trichlorofluoromethane - R11 (CCl3F), Fig. 4 shows a general diagram of a new monothermal installation The arrows / arrows show the inverse Kalina cycle / in determining the exergy of the heat of the medium.

Установка включает рабочее тело (аммиак) 1, компрессор 2, детандер (расширитель) 3, тепловой насос 4, рабочее тело (октафторциклобутан) 5, а также компрессор 6, расширитель (турбина) 7, тепловой двигатель 8, общий вал 9. Соответственно в установке организован теплообменник Т1 и Т2 и предусматривается также охлаждение внешней среды 10.The installation includes a working fluid (ammonia) 1, compressor 2, expander (expander) 3, heat pump 4, working fluid (octafluorocyclobutane) 5, as well as compressor 6, expander (turbine) 7, heat engine 8, common shaft 9. Accordingly, the installation is organized by a heat exchanger T1 and T2 and cooling of the external environment 10 is also provided.

В установке применяется тепловой насос 4, в котором используется рабочее тело 1 (аммиак - R717) , компрессор 2, детандер (расширитель) 3. Также имеется тепловой двигатель 8, в котором используется рабочее тело 5 (октафторциклобутан – RС318), компрессор 6, расширитель (турбина) 7. The installation uses a heat pump 4, which uses a working fluid 1 (ammonia - R717), a compressor 2, an expander (expander) 3. There is also a thermal engine 8, which uses a working fluid 5 (octafluorocyclobutane - RC318), a compressor 6, an expander (turbine) 7.

Компрессор 2, детандер 3 и компрессор 6 с расширителем (турбиной) 7 находятся на общем валу 9. Compressor 2, expander 3 and compressor 6 with an expander (turbine) 7 are located on a common shaft 9.

При работе установки для создания монотермического двигателя берут два рабочих тела с противоположными термодинамическими свойствами и разными КПД в циклах. Чтобы обеспечить максимальный КПД цикла Калины берут в качестве теплового насоса 4 цикл на аммиаке (R717), а в качестве теплового двигателя 8 используется рабочее тело 5 – октафторциклобутан (RC318). При этом общий вал 9 теплового двигателя и теплового насоса вращается в противоположную сторону, чем при прямом цикле Калины.During the operation of the installation for creating a monothermal engine, two working fluids with opposite thermodynamic properties and different efficiency in cycles are taken. To ensure maximum efficiency of the cycle, Kalina take as a heat pump a 4 cycle on ammonia (R717), and as a heat engine 8 uses a working fluid 5 - octafluorocyclobutane (RC318). In this case, the common shaft 9 of the heat engine and heat pump rotates in the opposite direction than with a direct cycle of Kalina.

Принцип работы двигателя монотермической установки такой же, как холодильных машин и тепловых насосов - использование в качестве рабочего процесса самоорганизующегося энергоэкономного фазового перехода испарение - конденсация рабочего тела. Теплоноситель (рабочее тело) для теплового насоса принят аммиак (R717), а для теплового двигателя принят октафторциклобутан - RC318 (C₄F₈). По существующим методикам, при заданном температурном перепаде от 0⁰С до +20⁰С, но с использованием САПР, проектируют и вычерчивают термодинамическую характеристику водно-аммиачного раствора при различном весовом соотношении частей раствора, затем строят две изотермы и две изоэнтропы (адиабаты) и далее на диаграммах аммиака и RC318 вычисляют КПД двигателя. Термодинамическая диаграмма и термодинамический цикл этого рабочего тела, по которым вычислен термодинамический (термический) КПД равен 14,6% энергоэкономного фазового перехода испарение – конденсация (фиг.1 и 2) В рассматриваемых схемах приводятся значения термодинамического КПД, но он всегда больше эксергетического КПД и не позволяет определить совершенство конструкции преобразователя на стадии конструкторской разработки. Значение термического КПД значительно больше эксергетичес-кого КПД, который определяют по отношению экспериментально установленной величине выработанной теплоты насосом к затраченной им эксергии на нее. Без определения эксергии теплоты среды невозможно определить эксергетический КПД.The principle of operation of the engine of a monothermal installation is the same as that of refrigeration machines and heat pumps — the use as a working process of a self-organizing energy-efficient phase transition, evaporation and condensation of the working fluid. The heat carrier (working medium) for the heat pump was ammonia (R717), and for the heat engine octafluorocyclobutane - RC318 (C ₄ F ₈ ) was adopted. According to existing methods, for a given temperature difference from 0 ⁰ С to + 20 ⁰ С, but using CAD, the thermodynamic characteristics of the ammonia-water solution are designed and plotted at different weight ratios of the solution parts, then two isotherms and two isoentropes (adiabats) are built and Further, the ammonia and RC318 diagrams calculate the engine efficiency. The thermodynamic diagram and the thermodynamic cycle of this working fluid, according to which the thermodynamic (thermal) efficiency is calculated, is equal to 14.6% of the energy-efficient evaporation - condensation phase transition (Figs. 1 and 2). The considered schemes give the values of thermodynamic efficiency, but it is always greater than the exergy efficiency and does not allow to determine the perfection of the design of the Converter at the design stage. The value of thermal efficiency is much greater than the exergy efficiency, which is determined by the ratio of the experimentally established value of the generated heat by the pump to the exergy expended on it. Without determining the exergy of the heat of the medium, it is impossible to determine the exergy efficiency.

По термодинамическому КПД, определенному на основе формулы Карно, можно определить эксергию теплоты среды для данных рабочего тела и термодинамического цикла. Для определения эксергетического КПД этого теплового насоса устанавливают количество произведенной им теплоты на единицу потребленной им эксергии. Этот КПД характеризует уровень (меру) совершенства конкретной конструкции этого типа теплового насоса. Количество конструктивных решений по созданию любого определенного типа преобразователя может быть неограниченным. Значение эксергетического КПД свидетельствует о том, какой уровень совершенства имеет данная конструкция преобразователя. Это значение должно приближаться к единице. В качестве оптимального параметра используют концентрацию базовой рабочей жидкости.According to the thermodynamic efficiency, determined on the basis of the Carnot formula, it is possible to determine the exergy of the heat of the medium for the data of the working fluid and the thermodynamic cycle. To determine the exergy efficiency of this heat pump, the amount of heat produced by it per unit of exergy consumed by it is set. This efficiency characterizes the level (measure) of perfection of a particular design of this type of heat pump. The number of design decisions to create any particular type of converter can be unlimited. The value of exergy efficiency indicates what level of perfection a given converter design has. This value should approach unity. As an optimal parameter, the concentration of the base working fluid is used.

В низкотемпературном двигателе, работающем по "обратному циклу Калины", как и в тепловом насосе в качестве рабочего процесса использован фазовый переход: испарение - конденсация, а в качестве энергоносителя - водно-аммиачный раствор, которые обеспечивают высокоэффективное использование эксергии тепловой среды. In a low-temperature engine operating according to the “Kalina reverse cycle”, as well as in a heat pump, the phase transition is used as a working process: evaporation – condensation, and water – ammonia solution, which provide highly efficient use of thermal fluid exergy, is used as an energy carrier.

При заданном диапазоне рабочих температур от -30°С до +20° С. Для теплового двигателя монотермической установки в качестве рабочего тела использован трихлорфторметан - R11 (CCl3F). Построены также термодинамическая диаграмма и термодинамический цикл с таким же интервалом температур от -30°С до +20°С и вычислен на их основе термодинамический КПД равный 19,7% двигателя монотермической установки. Как и в случае теплового насоса по данным (фиг.3) определяют эксэргию теплоты среды теплового двигателя КПД. For a given range of operating temperatures from -30 ° C to + 20 ° C. For a thermal engine of a monothermal installation, trichlorofluoromethane - R11 (CCl3F) was used as a working fluid. Also built a thermodynamic diagram and thermodynamic cycle with the same temperature range from -30 ° C to + 20 ° C and calculated on their basis thermodynamic efficiency equal to 19.7% of the engine of the monothermal installation. As in the case of a heat pump according to the data (figure 3) determine the exergy of the heat of the medium of the heat engine efficiency.

При температурном градиенте 50^оС- классический тепловой двигатель, работающий по "прямому циклу Калины", имеет термодинамический КПД существенно меньший (примерно 9,1 %). Это свидетельствует о неверности общепринятого в термодинамике утверждения о том, что термический КПД не зависит от рабочего тела. At a temperature gradient ^of 50 C classic heat engine operating according to "the direct Kalina Cycle", thermodynamic efficiency is significantly smaller (approximately 9.1%). This indicates the incorrectness of the generally accepted statement in thermodynamics that thermal efficiency is independent of the working fluid.

В результате работы установки, в предлагаемом способе значение эксергии теплоты среды определяется теплота парообразования рабочего тела при температуре рабочего режима энергопреобразователя. Способ определения эксергии теплоты среды, энергопреобразователей, работающих по "обратному циклу Калины", включает те же традиционные устройства и операции, которые использовали и используют при изучении термодинамических характеристик воды и водяного пара, а также "прямых термодинамических циклов Калины", но с расширенным диапазоном измерения температуры и давлений в сторону низких их значений. При этом из общей эксергии преобразователя, определенной по формуле Карно, на основе термодинамической характеристики рабочего тела и рабочего цикла энергопреобразователя, определяют суммарную эксэргию энергопреобразователя за определенный промежуток времени и из нее вычитают эксергию, потребленной им из вне эксергии за тот же временный период электроэнергии. Такое определение эксергии теплоты среды обеспечивает возможность использования показателя КПД для энергопреобразующей характеристики тепловых насосов, холодильных машин и низкотемпературных двигателей, работающих по такому же принципу, в такой же мере обоснованности, как и в иных энергетических преобразователях.As a result of the installation, in the proposed method, the value of the exergy of the heat of the medium is determined by the heat of vaporization of the working fluid at the temperature of the operating mode of the energy converter. The method for determining the exergy of the heat of the medium, energy converters operating according to the “reverse Kalina cycle” includes the same traditional devices and operations that were used to study the thermodynamic characteristics of water and water vapor, as well as “direct thermodynamic cycles of Kalina”, but with an extended range temperature and pressure measurements towards their low values. In this case, the total exergy of the energy converter for a certain period of time is determined from the total exergy of the converter, determined by the Carnot formula, based on the thermodynamic characteristics of the working fluid and the duty cycle of the energy converter, and the energy consumed by it from the outside of the exergy for the same time period is subtracted from it. Such a determination of the exergy of the heat of the environment makes it possible to use the efficiency indicator for the energy-converting characteristics of heat pumps, refrigerators and low-temperature engines operating on the same principle, with the same degree of validity as in other energy converters.

При этом обработку экспериментальных данных, полученных режимов и параметров, осуществляют с использованием известных математических программ, а термодинамические диаграммы, возможно, отображать с использованием графических расчётов в системе автоматизированного проектирования (САПР). In this case, the processing of experimental data, the obtained modes and parameters, is carried out using well-known mathematical programs, and thermodynamic diagrams may be displayed using graphical calculations in a computer-aided design (CAD) system.

Следовательно, с использованием предложенного способа появляется необходимость определения показателей эксергии теплоты среды и возможность применения ее для определения оптимальных значений термического и энергетического КПД разрабатываемых энергопреобразователей уже на стадии их проектирования, а отображение термодинамических диаграмм необходимо осуществлять с использованием графических расчётов в системе автоматизированного проектирования САПР.Therefore, using the proposed method, it becomes necessary to determine the exergy indices of the heat of the medium and the possibility of applying it to determine the optimal values of thermal and energy efficiency of the developed energy converters already at the design stage, and the thermodynamic diagrams must be displayed using graphical calculations in the CAD computer-aided design system.

Пример конкретного выполнения способа определения эксергии теплоты среды, как возобновляемого источника энергии. An example of a specific implementation of the method for determining the exergy of the heat of the medium as a renewable energy source.

Выполнение способа для определения эксергии переноса теплоты среды:The implementation of the method for determining the exergy of heat transfer medium:

берут современный тепловой насос типа Vitokal WW 240, который работает в течение одного часа, при этом его паспортной номинальной тепловой мощности 52 кВт. take a modern heat pump type Vitokal WW 240, which works for one hour, while its rated heat output rating is 52 kW.

За один час работы тепловой насос израсходовал 52 кВт. ч. электроэнергии, в которой 100 % эксергии. In one hour of operation, the heat pump consumed 52 kW. including electricity, in which 100% exergy.

Суммарную эксергию выработанной эксергии теплоты определяют как произведение его мощности на эксергетический КПД=5,6%, который вычисляют по термодинамическим диаграммам и рабочим циклам, построенных с использованием САПР: 52 х 5,6 = 291,2кВт.ч. The total exergy of the generated heat exergy is defined as the product of its power and the exergy efficiency = 5.6%, which is calculated from thermodynamic diagrams and duty cycles built using CAD: 52 x 5.6 = 291.2 kWh.

Далее из общей эксергии вычитают эксергию потребленной эксергии за час работы /взятого в примере/ теплового насоса: 291,2 – 52 = 239,2 кВт.ч. Then, from the total exergy, the exergy of the consumed exergy per hour of operation / heat pump taken in the example is subtracted: 291.2 - 52 = 239.2 kWh.

Следовательно, эксергия теплоты среды составила 239,2 кВт.ч. Therefore, the exergy of the heat of the medium was 239.2 kWh.

Результаты реализации способа прототипа нового The results of the implementation of the new prototype method

1. Представлена общая схема новой монотермичес-1. The general scheme of a new monothermal

кой установки /стрелками показан обратный цикл Калины/ нет да installation / arrows show the reverse cycle of Kalina / no yes

2. Использование обратного цикла Калины при 2. The use of the reverse cycle of viburnum with

определении эксергии теплоты среды нет да determination of exergy of heat of the medium no yes

3. Способ повышения КПД цикла, который 3. A way to increase the efficiency of the cycle, which

включает в себя операции: сбор данных от несколькихincludes operations: collecting data from several

датчиков, несущих информацию относительно несколь- sensors carrying information on several

ких параметров обратного цикла, от которых зависит of the parameters of the reverse cycle, on which depends

КПД обратного цикла Калины нет да Viburnum reverse cycle efficiency no yes

1. Передача данных в процессор систем управления с1. Data transfer to the processor of control systems with

использованием одного или нескольких механизмов using one or more mechanisms

передачи, вычисление одного или нескольких фактических transmission, calculation of one or more actual

параметров на основе указанных данных с использова-parameters based on the specified data using

нием известного процессора системы управления да даa known processor control system yes yes

5. Нахождение нескольких оптимальных параметров, 5. Finding several optimal parameters,

позволяющих повысить КПД обратного цикла Калины наallowing to increase the efficiency of the reverse viburnum cycle by

стадии проектирования за счет использования эксергииdesign stages through the use of exergy

теплоты природной среды нет да warmth of the environment no yes

6. Автоматическая регулировка нескольких фактических 6. Automatically adjust multiple actual

параметров, чтобы получить несколько оптимальных parameters to get some optimal

параметров, при этом в качестве оптимального параметра parameters, while as an optimal parameter

используют концентрацию базовой рабочей жидкости да даuse the concentration of the base fluid yes yes

7. Автоматическая регулировка рабочей жидкости 7. Automatic adjustment of the working fluid

обратного цикла Калины за счёт регулировки производи-reverse cycle viburnum due to the adjustment of production

тельности насоса нет даpump life no yes

8. Отображение термодинамических диаграмм осущест- 8. The display of thermodynamic diagrams is

вляют с использованием графических расчётов в системеusing graphical calculations in the system

автоматизированного проектирования САПР нет да CAD CAD no yes

Claims

A method for determining the exergy of heat of the medium as a renewable energy source, including collecting data from one or more sensors that carry information on one or more parameters on which the efficiency of the thermodynamic cycle depends, transferring data to the processor of the control system using one or more transmission mechanisms, calculating one or more actual parameters based on the specified data using the processor of the control system, finding one or more optim parameters to increase the efficiency of the cycle, and automatic adjustment of one or more actual parameters to obtain one or more optimal parameters, characterized in that when determining the thermodynamic characteristics of heat carriers and thermodynamic cycles of energy converters operating on a renewable energy source - the heat of the environment and using self-organizing energy-saving natural process - phase transition evaporation - condensation, from total exergy, using my energy transducer, determined by the thermodynamic characteristics of the working fluid and the thermodynamic cycle of the energy transducer for a certain period of time, subtract the exergy of electricity consumed externally by the converter for the same period of time, and the determination of the exergy indices and the optimal values of thermal and energy efficiency of monothermal units due to the use of natural heat exergy environment, with the simultaneous operation of the heat pump and the heat engine, carry out at the design stage and displayed in thermodynamic diagrams using graphical calculations and the use of CAD computer aided design.