СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРАНСФОРМАЦИИ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 1999 года по МПК F25B29/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к процессам преобразования низкотемпературной тепловой энергии в тепловую энергию повышенного температурного уровня и холод.

Уровень техники
Известен способ трансформации тепловой энергии с применением компрессионно-резорбционных тепловых насосов. В этом способе, осуществляемом при переменных температурах десорбции (испарения) и абсорбции (конденсации) водоаммиачных смесей, возможно достижение значений коэффициентов термотрансформации, превышающих теоретические величины цикла Карно. Однако достигнутые показатели термотрансформации все же сравнительно невысоки из-за несовершенства процесса и оборудования.

Известен парокомпрессионный способ термотрансформации, наиболее близкий к изобретению по технической сущности.

Указанный способ включает обратный (теплонасосный, холодильный) термодинамический цикл, в котором рабочее тело (хладагент) испаряют с подводом теплоты от теплоносителя низкой температуры (ТНТ), образовавшиеся пары сжимают с подводом внешней работы, охлаждают и конденсируют теплоносителем с высокой температурой (ТВТ) с последующим дросселированием или расширением в детандере.

Недостатком способа является сравнительно низкая энергетическая эффективность процесса, значительно меньшая теоретически возможной в цикле Карно.

Цель изобретения
Целью изобретения является создание способа преобразования тепловой энергии, обеспечивающего значительное повышение энергетической эффективности.

Раскрытие изобретения
Указанная цель достигается тем, что в известном способе трансформации тепловой энергии, включающем циклическую последовательность процессов, в которой рабочее тело (хладагент) испаряют с подводом теплоты от теплоносителя низкой температуры (ТНТ), сжимают с подводом внешней работы, охлаждают теплоносителем высокой температуры (ТВТ) и дросселируют, хладагент дополнительно охлаждают в процессе его сжатия теплоносителем высокой температуры (ТВТ).

Другим отличием предлагаемого способа является то, что от 30 до 80% ТВТ нагревают в процессе сжатия хладагента (а нагрев его остальной части также проводят хладагентом, но уже после завершения процесса сжатия хладагента).

Другим отличием предлагаемого способа является то, что обратный поток хладагента перед дросселированием или детандированием охлаждают потоком ТНТ, используемым затем для испарения хладагента.

Кроме того, отличиями являются:
- использование ТНТ для первоначального охлаждения хладагента в процессе его сжатия;
- регенеративный нагрев прямого потока хладагента после испарения обратным потоком хладагента, поступающим на дросселирование;
- применение в качестве хладагента смеси веществ с различной температурой кипения.

В устройстве для осуществления предлагаемого способа (тепловом насосе), включающем циркуляционный контур с установленными последовательно испарителем хладагента, подключенного к коммуникациям подачи ТНТ, компрессором, охладителем (конденсатором) хладагента, подключенного к коммуникациям подачи ТВТ и дросселем или детандером, компрессор (или отдельные его ступени) снабжен (снабжены) теплообменными поверхностями, подключенными к коммуникациям для подачи ТВТ и ТНТ.

Другим отличием устройства является то, что циркуляционный контур перед дросселем (по ходу хладагента) содержит теплообменник с коммуникациями для подачи ТНТ.

Следующим отличием является то, что контур дополнительно содержит регенеративный теплообменник, охлаждающий обратный поток хладагента перед дросселем и нагревающий прямой поток хладагента перед компрессором.

Отличие также состоит в том, что коммуникации для подачи ТВТ содержат клапаны распределения величин потоков между охладителем (конденсатором) и теплообменными поверхностями.

Предлагаемый способ по сравнению с аналогичными известными обеспечивает значительное повышение эффективности по сравнению с теоретическими пределами цикла Карно.

В частности, охлаждение хладагента в процессе его сжатия частью ТНТ и ТВТ позволяет по сравнению с известным способом;
- провести нагрев различных частей ТВТ при переменных температурах с минимальными термодинамическими потерями;
- исключить перегрев хладагента при сжатии, характерный для традиционного способа;
- уменьшить затраты механической энергии на сжатие хладагента.

Другое принципиальное отличие заключается в охлаждении обратного потока хладагента перед дросселированием ТНТ.

Оно позволяет:
- снизить потери от дросселирования до пренебрежимо малой величины;
- использовать полезно ранее теряемую при дросселировании энергию в процессе испарения;
- повысить температурный диапазон термотрансформации при пониженных энергетических затратах.

Возникающие в предлагаемом способе эффекты приводят к повышению коэффициента термотрансформации μ = Q/W, определяемого отношением переданной теплоты Q к затраченной работе W, в 1,2 - 1,25 раза по отношению к μ цикла Карно даже в сравнительно узком температурном диапазоне термотрансформации от 0 до 70^oC.

Сущность способа поясняется следующими фигурами:
фиг. 1 (a, b) - диаграммы существующего (a) и предлагаемого (b) способов в координатах абсолютная температура (T) - энтропия (S);
фиг. 2 (a, b) - диаграммы существующего (a) и предлагаемого (b) способов в координатах давление (p) и энтальпия (h);
фиг. 3 - принципиальная схема устройства для осуществления способа с использованием винтового компрессора;
На фиг. 1 и 2 представлены операции изменения состояния хладагента (см. таблицу в конце описания).

В одном из вариантов предлагаемого способа, показанного на фиг. 1(b) и 2(b), вместо операций 7 - 1 и 1 - 2 могут быть реализованы операции цикла.

7 - 2' - адиабатическое сжатие хладагента и
2'-2 - сжатие хладагента в области сухого пара с охлаждением ТВТ.

Устройство на фиг. 3 включает циркуляционный контур 1, содержащий испаритель 2 с коммуникациями для подачи ТНТ 3, компрессор 4 с приводом 5, теплообменными поверхностями 6, дополнительным средством теплообмена 7 и коммуникациями подачи ТВТ 9 и ТНТ 3, охладитель (конденсатор) 8, подключенный к коммуникациям подачи ТВТ 9 с регулировочным клапаном 10, регенеративный теплообменник 11, теплообменник 12 с коммуникациями для подачи ТНТ 3 и дроссель (дроссельный вентиль) 13.

Для реализации способа можно использовать существующие сегодня хладагенты, такие, как R12, R22, R717 (аммиак), R502, R13 и другие. В случае использования хладагентов с низкой критической температурой, например, R13, возможно реализовать способ при сжатии хладагента до давлений выше критических.

Указанный способ может быть реализован следующим образом.

Пример 1
Жидкое рабочее тело (хладагент R12) испаряют в испарителе 2 при температуре 0^oC, образовавшиеся пары нагревают до 30^oC регенеративно обратным потоком хладагента. Перегретый поток сухого пара хладагента сжимают в компрессоре почти изотермически с одновременным охлаждением компрессора частью ТНТ, затем сжатие хладагента продолжается в области мокрого пара с охлаждением хладагента частью ТВТ. Интенсивность применяемого охлаждения компрессора определяется высокой степенью конденсации хладагента, достигающей 50-100%.

Выходящий из компрессора поток хладагента далее охлаждается в охладителе (конденсаторе) другой частью ТВТ до температуры примерно 33^oC в регенеративном теплообменнике и дросселируется. Температура нагрева ТВТ составит около 65-67^oC.

Коэффициент термотрансформации μ в этом случае определяется выражением
μ = (Q_к+Q_ox)/W_к,
где Q_к, Q_ох - соответственно теплота, отданная ТВТ в компрессоре и охладителе; W_к - работа, потребляемая компрессором.

Для рассматриваемого примера μ = 6,06, значение μ_к для идеального цикла Карно в температурном диапазоне 0-70^oC составляет
μ_к= T_в/(T_в-T_н) = 343/(343-273) = 4,9
(T_в, T_н - наибольшая и наименьшая температура цикла).

Аналогичные закономерности характерны и для других рабочих тел. В частности, для условий приведенного примера коэффициент термотрансформации μ при использовании хладагента R22 составит величину 5,85, а для R717 (аммиак) - 6,26.

Пример 2.

Хладагент R12B1 после испарения при температуре 0^oC сжимают адиабатически до температуры 30^oC. Затем хладагент сжимают политропно с охлаждением ТВТ сначала в области сухого пара, а затем влажного пара.

В процессе сжатия хладагент нагревается до 70^oC и конденсируется на 50-90%. Выделяющаяся при этом тепловая энергия передается одному из потоков ТВТ, который в свою очередь нагревается с повышением температуры примерно от 30 до 66-68^oC.

Хладагент после компрессора с температурой около 70^oC далее охлаждается изобарно примерно до 30^oC другой частью ТВТ, которая в свою очередь нагревается до 66-68^oC.

Далее поток хладагента охлаждается дополнительно примерно до 5-10^oC потоком ТНТ, дросселируется до 0^oC и испаряется. Испарение хладагента проводят потоком предварительно нагретого ТНТ.

Расчетный коэффициент термотрансформации в этом процессе составляет μ = 6,12.

Учитывая, что практический коэффициент термотрансформации обычно меньше теоретического на 25-35%, он может составить значения, существенно превосходящие уже достигнутые в парокомпрессионных установках.

Предлагаемый способ и устройство могут быть реализованы не только с винтовыми компрессорами, но также и с компрессорами других типов, например, многоступенчатыми поршневыми или центробежными. В этом случае охлаждение хладагента в процессе сжатия теплоносителями ТВТ и ТНТ может осуществляться как на отдельных ступенях сжатия, так и в промежутках между ними.

Кроме того, для теплообмена в процессе сжатия хладагента могут быть использованы промежуточные теплоносители, например масло, имеющие тепловой контакт с ТВТ и ТНТ. Эти промежуточные теплоносители могут впрыскиваться в компрессор.

Таким образом, предлагаемый способ и устройство обладают новизной, полезностью и могут быть реализованы.

В способе трансформации тепловой энергии систем теплоснабжения рабочее тело испаряют с подводом теплоты от низкотемпературного теплоносителя, сжимают, конденсируют, нагревая теплоноситель системы теплоснабжения, и дросселируют. При этом часть общего потока теплоносителя системы теплоснабжения перед нагреванием в конденсаторе нагревают рабочим телом в процессе его сжатия. В устройстве, реализующем данный способ, компрессор (или отдельные его ступени) снабжен (снабжены) теплообменными поверхностями, подключенными к коммуникациям конденсатора для ввода теплоносителя системы теплоснабжения. Коммуникации содержат клапаны распределения потоков теплоносителя системы теплоснабжения между конденсатором и теплообменными поверхностями компрессора. Использование изобретения позволит значительно повысить энергетическую эффективность преобразования тепловой энергии. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Способ трансформации тепловой энергии систем теплоснабжения, включающий циклическую последовательность процессов, в которой рабочее тело испаряют с подводом теплоты от низкотемпературного теплоносителя, сжимают с подводом внешней работы, конденсируют, нагревая теплоноситель системы теплоснабжения, и дросселируют, отличающийся тем, что перед нагреванием в процессе конденсации рабочего тела часть общего потока теплоносителя системы теплоснабжения нагревают рабочим телом в процессе его сжатия. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе сжатия рабочего тела нагревают от 30 до 70% общего количества теплоносителя системы теплоснабжения. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что низкотемпературный теплоноситель нагревают обратным потоком рабочего тела, поступающим на дросселирование (или детандирование). 4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что охлаждение рабочего тела при сжатии первоначально проводят низкотемпературным теплоносителем. 5. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что рабочее тело после испарения нагревают регенеративно потоком рабочего тела, поступающим на дросселирование. 6. Способ по пп.1 - 5, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела используют смеси веществ с различной температурой кипения. 7. Устройство для трансформации тепловой энергии систем теплоснабжения, содержащее циркуляционный контур, включающий последовательно установленные испаритель с коммуникациями подачи низкотемпературного теплоносителя, компрессор, конденсатор, имеющий коммуникации для ввода и вывода теплоносителя системы теплоснабжения, и терморегулирующий вентиль, отличающееся тем, что компрессор (или отдельные его ступени) снабжен (снабжены) теплообменными поверхностями, подключенными к коммуникациям конденсатора для ввода теплоносителя системы теплоснабжения, а эти коммуникации содержат клапаны распределения потоков теплоносителя системы теплоснабжения между конденсатором и теплообменными поверхностями компрессора. 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что перед теплообменными поверхностями (по ходу рабочего тела) компрессор содержит дополнительное средство теплообмена, сообщающееся с низкотемпературным теплоносителем. 9. Устройство по пп.7 и 8, отличающееся тем, что циркуляционный контур перед терморегулирующим клапаном снабжен теплообменником с коммуникациями, сообщающимися с низкотемпературным теплоносителем. 10. Устройство по п.7, отличающееся тем, что циркуляционный контур дополнительно содержит регенеративный теплообменник, охлаждающий рабочее тело перед терморегулирующим клапаном и нагревающий его перед компрессором.