СПОСОБ ДОСТИЖЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОГО ОТОПИТЕЛЬНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F25B30/00 

Изобретение относится к технологии преобразования тепловой энергии и может быть использовано в тепловых насосах, холодильных машинах, трансформаторах тепла.

Согласно законам термодинамики, если тепловой насос работает по обратному циклу Карно, то его отопительный коэффициент Φ определяется соотношением

где
Т₁ температура отопляемого помещения;
Т₂ температура окружающей среды.

Из выражения (1) следует, что природа хладагента не влияет на величину отопительного коэффициента, а его значение зависит только от температуры окружающей среды и температуры отопляемого помещения, причем, если значения этих температур становятся равными, то величина отопительного коэффициента стремится к бесконечности.

Мировой опыт эксплуатации тепловых насосов показывает, что отопительный коэффициент практически не превышает значения пяти, а изменение этого коэффициента от 3 до 5 обусловлено именно природой хладагента. Отсюда следует, что в настоящее время не существует физического обоснования причин, определяющих максимальное значение отопительного коэффициента, а значит и механизма влияния природы хладагента на его величину.

Известно техническое решение [1] близкое к заявленному. Однако недостатком этого решения является то, что оно не позволяет использовать для повышения отопительного коэффициента давление хладагента, возникающее при температуре окружающей среды.

Цель изобретения заключается в достижении максимального отопительного коэффициента в тепловых насосах.

Способ достижения максимального отопительного коэффициента тепловых насосов, включающий нагрев хладагента путем подвода тепла из окружающей среды, его всасывание и последующее сжатие в компрессоре с повышением температуры, отвод высокопотенциального тепла в отапливаемое помещение и расширение хладагента с понижением температуры, отличается тем, что для осуществления цикла теплового насоса выбирают хладагент с критической температурой, близкой или равной температуре окружающей среды, всасывание хладоагента в компрессор производят при параметрах его критического состояния, а также сжатие ведут до параметров, при которых коэффициент сжимаемости равен единице, при этом отопительный коэффициент определяют из соотношения

где
R газовая постоянная;
T_z=1 температура хладагента при достижении коэффициента сжатия равного единице;
T_п температура отопляемого помещения;
l_сж работа в процессе адиабатного сжатия.

Установка для достижения максимального отопительного коэффициента тепловых насосов, содержащая включенные в замкнутый циркуляционный контур компрессор, теплообменники и детандер, отличается тем, что установка снабжена сосудом, включенным в циркуляционный контур, и редукционным клапаном, установленным перед детандером, компрессор выполнен поршневым с впускным и выпускным клапанами, при этом цилиндр компрессора размещен в сосуде, а дно поршня снабжено дополнительным впускным клапаном.

На фиг. 1 представлена схематически установка, реализующая предлагаемый способ; на фиг. 2 индикаторная диаграмма работы адиабатного сжатия реального и идеального газов.

Установка содержит емкость с хладагентом 1, в которую помещен цилиндр компрессора 2, соединенный последовательно с теплообменником отопляемого помещения 3, редукционным клапаном 4, детандером 5 и теплообменником окружающей среды.

Тепловой насос работает следующим образом. Хладагент поступает в теплообменник 6, где нагревается до температуры окружающей среды и поступает в сосуд 1, в котором компрессором 2 сжимается до состояния, при котором коэффициент сжимаемости равен единице и нагнетается в теплообменник 3, затем, после охлаждения, через редукционный клапан 4 поступает в детандер 5 и совершив работу возвращается в теплообменник окружающей среды 6. Затем цикл повторяется.

Пример реализации предлагаемого способа. Если температура окружающей среды T_с 31^oC, то в качестве хладагента можно использовать двухокись углерода, поскольку критическая температура CO₂ равна T_кр 31^oC. В сосуде 1 двуокись углерода приводят в критическое состояние, при этом его параметры будут равны P_к 73 атм. T_к 304К и V_к 97 см³/моль. При сжатии CO₂ до состояния, при котором коэффициент сжимаемости z 1. Это состояние известно также как точка Бойля. В точке Бойля параметры хладагента примут значения P_Б 306 атм, T_Б 912К, V 70 см³/моль.

Если температура отопляемого помещения равна температуре окружающей среды, то отопительный коэффициент согласно формуле (2) будет равен

Известно, что температура в точке Бойля в три раза выше критической температуры, т.е. T_б 3T_к. А поскольку температура отопляемого помещения равна температуре среды и в то же время эта температура равна критической температуре двуокиси углерода, то T_п T_ср T_к. В этом случае отопительный коэффициент Φ равен

В точке Бойля реальный газ приобретает свойство идеального газа. Потенциальная энергия реального газа равна нулю, а коэффициент сжимаемости равен

а в критической точке

Коэффициент сжимаемости в критической точке уменьшается вследствие взаимодействия атомов газа. Потенциальная энергия в критической точке равна 2/3 общей энергии газа. При адиабатном сжатии газа от критической точки до точки Бойля, потенциальная энергия полностью превращается в тепловую энергию. Полная энергия газа в точке Бойля E_Б 3R•3T_к, а количество тепловой энергии, которое может отдать сжатый хладагент в отопляемое помещение равно E 3R•2T_к.

Для вычисления отопительного коэффициента необходимо вычислить работу адиабатического сжатия l_сж. Эта работа может быть определена из выражения

В выражении (3) V_б и V_к координаты точки Бойля и критической точки на плоскости PV. Для интегрирования выражения (3) необходимо вместо P подставить уравнение реального газа. Это уравнение должно предсказывать координаты критической точки и точки Бойля, поскольку кривая, отражающая это уравнение должна проходить через обе точки. Без определения координат этих точек невозможно определить границы интегрирования. Уравнение должно также предсказывать превращение потенциальной энергии в кинетическую энергию молекул при адиабатном сжатии, причем это превращение должно быть таким, чтобы общая энергия была постоянной в любой точке процесса. Например, для интегрирования (3) невозможно использовать уравнение Ван-дер-Ваальса, поскольку это уравнение не предсказывает точки Бойля, а предсказываемая координата критической точки не совпадает с экспериментально установленной. Уравнение Ван-дер-Ваальса не предсказывает также превращения потенциальной энергии в кинетическую при сжатии от критического объема до точки Бойля.

Указанным требованиям соответствует уравнение состояния реального газа, которое в безразмерных переменных имеет вид

где P, V, T приведенные значения давления, объема и температуры.

Уравнение (4) предсказывает координаты критической точки и точки Бойля, оно дает также обоснование изменению коэффициенту сжимаемости в этих точках. Можно также убедиться в том, что уравнение (4) предсказывает превращение потенциальной энергии в кинетическую в процессе сжатия, причем на любой стадии этого процесса общая энергия реального газа остается постоянной.

Определив границы интегрирования в выражении (3) и подставив вместо P его значение из (4) находим, что работа сжатия l_сж равна площади под кривой ВК (фиг.2). Эта площадь уменьшена на величину площади Уменьшение площади обусловлено конструкцией компрессора. Поскольку при сжатии поршень испытывает давление хладагента находящегося в сосуде 1. Величина этого давления равна критическому давлению данного хладагента. Работа, выполняемая этим давлением, равна площади K1 1/√2DK
Таким образом, работа, производимая компрессором при сжатии, равна площади BKDB. Численно эта работа равна l_сж 0,3T R91K. Поскольку известна энергия, которая может быть передана в отопляемое помещение E 3R•2•T_к, то, поделив ее на энергию сжатия, получим величину отопительного коэффициента

Для двуокиси углерода при использовании ее в качестве хладагента при докритическом состоянии отопительный коэффициент равен Φ 2.56 ([1] табл.3), что в 7,7 раза меньше максимального значения отопительного коэффициента.

Если в качестве хладагента используется идеальный газ, то работа сжатия определяется площадью (фиг.2). Из этой площади следует вычесть работу, равную площади DC3 1/√2D Тогда затраченная работа компрессором на сжатие идеального газа равна l_сж 2T. Переходя к размерным переменным и подставляя в формулу (2) это значение, получим отопительный коэффициент с идеальным газом, который равен Φ=3
Таким образом, при равенстве температур отопляемого помещения и окружающей среды отопительный коэффициент теплового насоса, с подобранным соответственным образом хладагентом, достигает максимального, но строго определенного значения и его величина, при данных условиях, не стремится к бесконечности. Отопительный коэффициент уменьшается, если в качестве хладагента используется идеальный газ. Уменьшение отопительного коэффициента будет наблюдаться и при использовании реального газа ниже критического состояния.

На фиг. 2 точка K соответствует критическому состоянию хладагента. Точка B является точкой Бойля. Кривая BCR представляет собой изотерму идеального газа. Кривая BKF описывает критическую изотерму реального газа (4). Внутренние энергии реального и идеального газа равны между собой. В точке Бойля пересекаются кривые, описывающие состояние реального и идеального газов. В этой точке оба газа являются идеальными газами и член под знаком модуля в уравнении (4) обращается в нуль.

Формула (2) описывает случай с максимальным отопительным коэффициентом. Однако, используя уравнение (4) и формулу (2), можно определить значение отопительного коэффициента при любой температуре среды и отопляемого помещения и при любом хладагенте.

Использование: в разработке тепловых насосов, холодильных машин и трансформаторов тепла. Сущность изобретения: хладагент выбирают так, чтобы его критическая температура была близка или равна температуре охлаждаемой среды. Затем выбранный хладагент перед сжатием приводят в критическое состояние, а сжатие производят до состояния, соответствующего точке Бойля. Показывается, что в этом случае отопительный коэффициент достигает максимального значения. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ достижения максимального отопительного коэффициента тепловых насосов, включающий нагрев хладагента путем подвода тепла из окружающей среды, его всасывание и последующее сжатие в компрессоре с повышением температуры, отвод высокопотенциального тепла в отапливаемое помещение и расширение хладагента с понижением температуры, отличающийся тем, что для осуществления цикла теплового насоса выбирают хладагент с критической температурой, близкой или равной температуре окружающей среды, всасывание хладагента в компрессор производят при параметрах его критического состояния, а также сжатие ведут до параметров, при которых коэффициент сжимаемости равен единице, при этом отопительный коэффициент определяют из соотношения

где R газовая постоянная;
T_z = 1 температура хладагента по достижении коэффициента сжатия, равного единице;
T_п температура отопляемого помещения;
l_сж работа в процессе адиабатного сжатия. 2. Установка для достижения максимального отопительного коэффициента тепловых насосов, содержащая включенные в замкнутый циркуляционный контур компрессор, теплообменники и детандер, отличающаяся тем, что установка снабжена сосудом, включенным в циркуляционный контур, и редукционным клапаном, установленным перед детандером, компрессор выполнен поршневым с впускным и выпускным клапанами, при этом цилиндр компрессора размещен в сосуде, а дно поршня снабжено дополнительным впускным клапаном.