СПОСОБ ТРАНСФОРМАЦИИ ТЕПЛА Российский патент 1998 года по МПК F25B30/04 

Изобретение относится к способам трансформации тепла, преобразующих тепловую энергию одного температурного потенциала в энергию другого температурного потенциала, и предназначается для получения холода либо тепла, либо того и другого.

Известны способы, в которых преобразование температурного потенциала тепловой энергии осуществляют для счет абсорбции и десорбции рабочего вещества, например, аммиака абсорбентом, например водоаммиачным раствором (Е.Я. Соколов, В.М. Бердянский "Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения", - М.: Энергоиздат, 1981, с. 109 - 134).

В известных способах трансформации тепла десорбция рабочего вещества осуществляется путем выпаривания крепкого раствора за счет его подогрева горячим водяным паром, далее пар конденсируется, затем испаряется в испарителе, после чего поглощается слабым раствором в абсорбере.

Для осуществления этого способа необходимо подведение высокопотенциального тепла. С другой стороны, осуществление указанных процессов требует применения громоздких и металлоемких аппаратов. Соответственно, известный способ может быть применен лишь там, где имеется высокопотенциальное тепло в виде греющего пара.

Заявляемое изобретение решает задачу осуществления трансформации тепла путем абсорбции и десорбции рабочего вещества абсорбентом, без применения греющего пара с использованием электроэнергии.

Это достигается путем замены процесса выпаривания рабочего агента в генераторе посредством нагрева концентрированного крепкого раствора процессов десорбции его при понижении давления раствора при его адиабатическом расширении в эжекторе, а также замене процесса абсорбции рабочего вещества в абсорбере путем охлаждения слабого раствора процессом абсорбции рабочего тепла в эжекторе при адиабатическом сжатии его пара вместе с обедненным жидким абсорбентом.

Таким образом, в предлагаемом изобретении абсорбцию рабочего вещества ведут путем сжатия его пара в эжекторе совместно обедненным раствором, а десорбцию рабочего вещества осуществляют при расширении крепкого раствора в эжекторе, в результате чего смесь охлаждается. Образовавшийся при десорбции пар рабочего вещества пропускают в эжектор; где он сжимается и адсорбируется обедненным раствором, в результате чего смесь нагревается.

Сравнительный анализ прототипа и предлагаемого решения показывает принципиальное различие процессов абсорбции и десорбции паров рабочего вещества, в связи с чем заявляемое изобретение соответствует критерию "новизна".

На чертеже представлена схема, поясняющая способ трансформации тепла.

Схема состоит из насоса 1, эжектор-абсорбера 2, теплообменника 3, эжектора-десорбера 4, теплообменника 5 и соединительного трубопровода 6.

Трансформация тепла осуществляется следующим образом.

Насосом 1 прокачивают смесь рабочего вещества и абсорбента через эжектор-абсорбер 2, теплообменник 3, эжектор-десорбер 4 и теплообменник 5. Тепло Q₁ при температуре T₁ подводят к теплообменнику 5, в результате чего раствор рабочего вещества подогревают в теплообменнике 5 на Δt₁= T₁ - T₄ и после сжатия в насосе 1 на Δ P = P₂ - P₁ подают в эжектор-абсорбер 2, где в диффузоре его расширяют до давления P₃ и смешивают с поступающим по трубопроводу 6 рабочим веществом, а затем смесь сжимают в конфузоре эжектора-абсорбера 2 до давления P₄. В результате сжатия смеси рабочего вещества оно абсорбируется и температура смеси повышается с T₁ до T₂. Далее смесь подают в теплообменник 3, где тепло Q₁ при T₂ отдают потребителю, охлаждая смесь на Δt₂= T₂ - T₃.

После теплообменника 3 охлажденную смесь при T₃ и давлении P₅ подают в эжектор-десорбер 4, где в диффузоре она расширяется с P₅ до P₆. В процессе расширения смеси рабочее вещество десорбирует, смесь обедняется и охлаждается с T₃ до T₄. Выделившийся при расширении пар при давлении P₆ отделяют от смеси и перепускают из эжектора-десорбера 4 в эжектор-абсорбер 2. Обедненную и охлажденную смесь направляют при T₄ и P₇ в теплообменник 5, где ее подогревают от T₄ до T₁, поглощая при этом тепло Q₁. Далее цикл повторяется.

Непременным условием трансформации тепла, т.е. поглощении Q₁ при T₁ в теплообменнике 5 и выделении Q₂ при T₂ в теплообменнике 3, является перепуск пара рабочего вещества по трубопроводу 6 из эжектора-десорбера 4 в эжектор-абсорбер 2 за счет того, что давление его после расширения крепкого раствора в эжекторе-десорбере 4, т.е. P₆ выбирают больше давления пара после расширения слабого раствора в эжекторе-абсорбере 2, т.е. P₃ или P₆ > P₃. Последнее достигается тем, что в эжекторе-абсорбере 2 конструктивные параметры по сравнению с эжектором-десорбером 4 выбираются такими, при которых после расширения в эжекторе-абсорбере 2 обеспечивается более глубокое понижение давления. С другой стороны, перепад давления, создаваемый насосом 1 (P₂ - P₁), выбирают таким, чтобы он обеспечил циркуляцию смеси в контуре и соответствовал условию:
P₂ - P₁ ≥ (P₂ - P₄) + (P₄ - P₅) + (P₄ - P₇) + (P₇ - P₁),
где
(P₂ - P₄) = (P₂ - P₃) - (P₄ - P₃) - перепад давления на эжекторе-абсорбере 2;
(P₄ - P₅) и (P₁ - P₇) - потеря давления на теплообменной аппаратуре и трубопроводах;
(P₅ - P₇) = (P₅ - P₆) - (P₇ - P₆) - перепад давления на эжекторе-абсорбере 4.

В случае, если (P₇ - P₆) > (P₅ - P₆), то эжектор-десорбер 4 может работать в насосном режиме.

Баланс тепла определяется соотношением:
Q₂ = Q₁ + AL,
где
L - мощность насоса.

Трансформатор тепла может работать в режиме холодильной машины, в этом случае обедненный раствор рабочего вещества, циркулирующий через теплообменник 5, должен иметь температуру T₄ выше температуры замерзания раствора при P₁.

Параметры схемы определяются:
тепло, поглощаемое в теплообменнике 5
Q₁ = (T₁ - T₄) • G₁ • C₁,
где
G₁ - количество циркулирующего раствора (смеси);
C₁ - теплоемкость раствора,
тепло, выделяемое в теплообменнике 3
Q₂ = (T₂ - T₃) • G₂ • C₂.

тепло, выделяемое в эжекторе-абсорбере 2 за счет абсорбции рабочего вещества
Q₃ = (T₂ - T₁) • G₂ • C = G_x • q_a,
где
G_x - количество рабочего вещества, абсорбируемое в эжекторе;
q_a - дифференциальная теплота абсорбции,
тепло, отнятое в эжекторе-десорбере 4 за счет десорбции рабочего вещества
Q₄ = (T₃ - T₄) • G • C = G_x • q_a,
где G_x - количество рабочего вещества, десорбируемое в эжекторе;
q_aD - дифференциальная теплота десорбции.

Коэффициент преобразования

где
L_н - мощность насоса.

Для расчета коэффициента ϕ_i необходимы экспериментальные данные по оценке потерь в эжекторе, трубопроводах и теплообменниках. В виду отсутствия таких данных, для ориентировочной оценки можно воспользоваться опубликованным расчетом для водоэжекторных трансформаторов тепла (см. "Тематический сборники трудов ВНИИхолодмаш" за 1990 г.).

Согласно этим данным, коэффициент преобразования по аналогии для условий подогрева с 5 до 65^oC будет порядка ϕ_i= 4 - 6.

Предлагаемый способ трансформации тепла может также найти широкое применение в холодильной технике для получения температур диапазона от минус 30 до 5^oC. При этом, основными преимуществами по сравнению с прототипом являются.

высокое значение коэффициента преобразования,
значительное снижение металлоемкости абсорбционного трансформатора тепла за счет замены громоздких аппаратов эжекторами.

Использование: в тепловых насосах. Сущность изобретения: абсорбцию рабочего вещества ведут путем сжатия его пара в эжекторе-абсорбере совместно с его слабым раствором, а десербцию рабочего вещества осуществляют в эжекторе путем расширения крепкого раствора. Выделившийся пар рабочего вещества перепускают в эжектор-абсорбер. 1 ил.

Способ трансформации тепла путем абсорбции и десорбции рабочего вещества абсорбентом, отличающийся тем, что абсорбцию рабочего вещества ведут путем сжатия его пара в эжекторе-абсорбере с его слабым раствором, а десорбцию рабочего вещества осуществляют в эжекторе путем расширения крепкого раствора, а выделившийся пар рабочего вещества перепускают в эжектор-абсорбер.