СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РАБОЧЕГО АГЕНТА В КОМПРЕССИОННОМ ТЕПЛОВОМ НАСОСЕ Российский патент 2018 года по МПК C09K5/04 F25B9/00 

Предлагаемый способ относится к получению рабочего агента в компрессионном тепловом насосе. В частности, способ может найти применение в системах вентиляции жилых помещений, плавательных бассейнов при использовании теплоты уходящего из них теплого воздуха, т.е. источника теплоты с ограниченной объемной теплоемкостью, при воздушной низкотемпературной сушке сельскохозяйственной продукции, такой как трава, чай, овощи, фрукты, рыба, строительных материалов, таких как древесина, керамика, кирпич и при проведении аналогичных процессов.

Следует отметить, что в тех случаях, когда тепловой источник имеет ограниченную объемную теплоемкость, например воздух, температура которого при охлаждении в испарителе и нагревании в конденсаторе, существенно изменяется, использование в качестве рабочего агента вещества с постоянной температурой кипения, характеризуется снижением эффективности применения первичного органического топлива (жидкого, твердого и газообразного) на привод компрессора, непосредственно или путем преобразования в электроэнергию. В то же время реализация цикла с переменными температурами как теплового источника, так и рабочих агентов в испарителе и конденсаторе позволяет, в этом случае, повысить энергетическую эффективность использования тепловых насосов [Мартыновский B.C. Циклы, схемы и характеристики термотраснформаторов / B.C. Мартыновский. - М.: Энергия, 1979. - 285 с.]. Известно, что рабочие агенты, состоящие из зеотропных смесей имеют переменные температуры в испарителе и конденсаторе [Букин В.Г., Кузьмин А.Ю. Экспериментальное исследование малых холодильных машин на смеси R22/R142b. // Холодильная техника. - 1996, - №5. - С. 12-14], например смеси пропана и бутана (R290/600), пропана и изопентана R290/R601a, изобутана и пентана (R600a/R601) и другие. Использование зеотропных смесей в качестве рабочих агентов в тепловых насосах может позволить повысить их энергетическую эффективность в случае применения тепловых источников с ограниченной объемной теплоемкостью.

Известен способ использования теплоты воздуха при сушке фруктов и овощей, содержащий: снижение температуры насыщенной жидкой фазы рабочего агента с постоянной температурой кипения в регуляторе для снижения температуры насыщенной жидкой фазы до значения, меньшего, чем температура охлаждаемого воздуха в межтрубном пространстве испарителя, испарение жидкой фазы рабочего агента с постоянной температурой кипения в испарителе при температуре, меньшей, чем температура воздуха охлаждаемого в межтрубном пространстве испарителя, повышение температуры паровой фазы рабочего агента в компрессоре до значения, большего, чем температура воздуха в межтрубном пространстве конденсатора, конденсация паровой фазы рабочего агента с постоянной температурой конденсации в конденсаторе при температуре, большей, чем температура воздуха, нагреваемого в межтрубном пространстве конденсатора (Бауэр Е.П. Конвективная сушка с применением теплового насоса. / Е.П. Бауэр, В.М. Столетов // Продукты питания и рациональное использование сырьевых ресурсов. Сб. научн. работ. Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. Вып. 14. Кемерово. 2007. - Стр. 120-122).

Недостатком данного способа является незначительное изменение температуры воздуха в межтрубном пространстве испарителя и конденсатора, как следствие, большая разность температур между рабочим агентом в конденсаторе и испарителе и низкая энергетическая эффективность теплового насоса.

Известен способ использования теплоты уходящего из плавательных бассейнов вентиляционного воздуха, заключающийся в снижении температуры насыщенной жидкой фазы рабочего агента с постоянной температурой кипения в регуляторе для снижения температуры насыщенной жидкой фазы до значения, меньшего, чем температура охлаждаемого воздуха в межтрубном пространстве испарителя, испарении жидкой фазы рабочего агента в испарителе при температуре, меньшей, чем температура воздуха охлаждаемого в межтрубном пространстве испарителя, повышении температуры паровой фазы рабочего агента в компрессоре до значения, большего, чем температура воздуха в межтрубном пространстве конденсатора, конденсации паровой фазы рабочего агента с постоянной температурой конденсации в конденсаторе при температуре, большей, чем температура воздуха нагреваемого в межтрубном пространстве конденсатора до высоких значений температур (Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы. Пер. с англ. - М.: Энергоиздат, 1982. Стр. 154-157).

Недостатком данного способа является большие разности температур между:

- рабочим агентом с постоянной температурой кипения в испарителе и воздухом, охлаждаемым в межтрубном пространстве испарителя;

- рабочим агентом с постоянной температурой конденсации в конденсаторе и воздухом, нагреваемым в межтрубном пространстве конденсатора;

- рабочим агентом в испарителе и конденсаторе и, как следствие, низкая энергетическая эффективность теплового насоса.

Большие разности температур обусловлены следующим. Температура применяемого рабочего агента, состоящего из одного вещества, при кипении в испарителе и при переходе из парообразного в жидкое состояние в конденсаторе остается постоянной. Вместе с тем, с целью более полного извлечения теплоты, температура влажного воздуха в испарителе должна уменьшиться в межтрубном пространстве испарителя до низких значений температур, а в конденсаторе, наоборот, увеличиться до высоких значений температур. Это приводит к увеличению средней разности температур между рабочим агентом и воздухом в испарителе и в конденсаторе теплового насоса, по сравнению со случаем, когда температуры рабочего агента и воздуха, а следовательно, разности их температур, будут постоянными в течение всего процесса.

Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков к предложенному изобретению является способ использования такого источника теплоты с ограниченной теплоемкостью, как вода, заключающийся в снижении температуры насыщенной жидкой фазы рабочего агента из зеотропной смеси в регуляторе до значения, меньшего, чем температура охлаждаемой воды на выходе из межтрубного пространства противоточного трубного испарителя; испарении жидкой фазы рабочего агента из зеотропной смеси с увеличением температуры кипения в противоточном трубном испарителе от начального значения на входе, более низкого, чем температура воды на выходе из межтрубного пространства испарителя, до конечного значения на выходе из проточного трубного испарителя, более низкого, чем температура воды на входе в межтрубное пространство противоточного испарителя; повышении температуры паровой фазы рабочего агента из зеотропной смеси в компрессоре до значения, большего, чем температура воды на выходе из межтрубном пространства противоточного конденсатора; конденсации паровой фазы рабочего агента из зеотропной смеси с уменьшением температуры конденсации в противоточном трубном конденсаторе от начального значения на входе, большего, чем температура воды на выходе из межтрубного пространства противоточного конденсатора, до конечного значения на выходе из противоточного трубного конденсатора, большего, чем температура воды на входе в межтрубное пространство конденсатора (Сухих А.А., Генералов К.С., Акимов И.А. Испытания теплового насоса для теплоснабжения индивидуального дома // Труды МГУИЭ: Техника низких температур на службе экологии. М.: МГУИЭ, 2000 г., с. 49 -53).

Недостатком данного способа является то, что при подборе компонентов зеотропной смеси и величины молярной концентрации ее низкокипящего компонента не устанавливается условие обеспечения минимальной величины разности средних температур конденсации и кипения и, как следствие, не достигается максимальная энергетическая эффективность теплового насоса.

Технической проблемой настоящего изобретения является большая разность температур между рабочим агентом из зеотропной смеси в испарителе и конденсаторе теплового насоса.

Технический результат заключается в уменьшении разности температур между рабочим агентом из зеотропной смеси в испарителе и конденсаторе теплового насоса до минимального значения, которому соответствует его максимальная энергетическая эффективность.

Поставленная проблема решается тем, что в способе получения рабочего агента в компрессионном тепловом насосе, рабочий агент составляют из зеотропной смеси двух близких по физическим свойствам компонентов с возможностью увеличения температуры ее кипения в противоточном трубном испарителе от начального значения на входе, более низкого, чем температура источника теплоты с ограниченной теплоемкостью на выходе из межтрубного пространства противоточного испарителя, до конечного значения на выходе из противоточного трубного испарителя, более низкого, чем температура источника теплоты с ограниченной теплоемкостью на входе в межтрубное пространство испарителя, и уменьшения температуры ее конденсации в противоточном трубном конденсаторе от начального значения на входе, большего, чем температура источника теплоты с ограниченной теплоемкостью на выходе из межтрубного пространства конденсатора, до конечного значения на выходе из противоточного трубного конденсатора, большего, чем температура источника теплоты с ограниченной теплоемкостью на входе в межтрубное пространство конденсатора. При этом зеотропная смесь в трубном испарителе течет в противоположном направлении, чем зеотропная смесь в трубном конденсаторе.

Новым в предложенном изобретении является то, что подбор каждого из двух близких по физическим свойствам компонентов зеотропной смеси и величины молярной концентрации ее низкокипящего компонента ψ_i осуществляют исходя из обеспечения минимальной величины разности средних температур конденсации и кипения, согласно выражению:

где ψ_i - i-е значение молярной концентрации низкокипящего компонента в зеотропной смеси из двух близких по физическим свойствам компонентов при ψ_i=ψ_н, … ψ_x, … ψ_y, … ψ_к, мол. %;

- средняя температура конденсации зеотропной смеси в противоточном конденсаторе, °C, определяемая как:

- средняя температура кипения зеотропной смеси в противоточном испарителе, °C, определяемая как:

Значения текущих температур конденсации t в конденсаторе в интервале и текущих температур кипения t в испарителе в зависимости от относительного количества X выкипевшей или сконденсировавшейся зеотропной смеси с заданной величиной молярной концентрации низкокипящего компонента ψ_i определяют согласно первому закону Коновалова по формуле [стр. 37. Рулев А.В. Системные исследования по повышению интенсивности теплообмена регазификаторов сжиженного углеводородного газа / А.В. Рулев, А.П. Усачев, А.Л. Шурайц и др. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2010, 244 с.]:

где Р - абсолютное давление зеотропной смеси в испарителе или конденсаторе теплового насоса, Па⋅10⁵; А₁, В₁, C₁ - коэффициенты, характерные для компонента с более низкой температурой кипения и конденсации при давление смеси Р в определенных пределах температуры t; А₂, В₂, С₂ - коэффициенты, характерные для компонента с более высокой температурой кипения и конденсации при давлении смеси Р в определенных пределах температуры t

Значения коэффициентов А₁, B₁, C₁ и А₂, В₂, С₂, используемые в формуле (4), даны в работе [Тиличев М.Д. Физико-химические свойства индивидуальных углеводородов. - М.-Л.: Гостопиздат, 1951. - Вып. 2-4. - 251 с.].

Температуру начала кипения зеотропной смеси в испарителе определяют в градусах Цельсия по формуле (4), когда текущая температура t приравнивается , то есть, при значении относительного количества выкипевшей зеотропной смеси X=0, а конца кипения при значении X=1. Температуру начала конденсации зеотропной смеси в конденсаторе определяют в градусах Цельсия по формуле (4) при значении относительного количества выкипевшей зеотропной смеси X=1, а конца конденсации при значении X=0. Нахождение t при заданных X осуществляют по формуле (4) методом подбора.

Изобретение поясняется чертежами: фиг. 1 - фиг. 2.

На фиг. 1 представлена схема способа использования источника теплоты с ограниченной теплоемкостью, на фиг.2 изменение температур зеотропной смеси и источника теплоты с ограниченной теплоемкостью в испарителе и конденсаторе теплового насоса.

Позиции на чертеже (фиг. 1) обозначают: 1 - противоточный трубный испаритель; 2 - межтрубное пространство испарителя 1; 3 - трубопровод паровой фазы зеотропной смеси для соединения с выходной частью испарителя 1; 4 - компрессор; 5 - трубопровод паровой фазы зеотропной смеси для соединения с выходной частью компрессора 4; 6 - противоточный трубный конденсатор; 7 - межтрубное пространство конденсатора 6; 8 - трубопровод жидкой фазы зеотропной смеси для соединения с выходной частью противоточного трубного конденсатора 6; 9 - регулятор для снижения температуры насыщенной жидкой фазы зеотропной смеси; 10 - трубопровод жидкой фазы зеотропной смеси для соединения регулятора 9 с входной частью трубного испарителя 1. Значения температур ,, используемые в формулах (1)-(4), в целях компактности изображения приведены на фиг. 1 и на фиг. 2, как:,,.

Способ реализуют следующим образом.

В противоточном трубном испарителе 1 (фиг. 1), в котором рабочий агент, составляемый из зеотропной смеси двух близких по физическим свойствам компонентов, (например, изобутана и пентана R600a/R601, пропана и бутана R290/R600, пропана и изопентана R290/R601a), переходит из жидкого в парообразное состояние при переменной температуре от начального , на входе до конечного значения на выходе испарителя 1, за счет подвода теплоты от источника теплоты с ограниченной теплоемкостью из межтрубного пространства 2. Изменение температуры двухкомпонентной зеотропной смеси в противоточном трубном испарителе 1 показано на диаграмме «температура - площадь теплообменника» (фиг. 2). В результате охлаждения источника теплоты с ограниченной теплоемкостью, он снижает свою температуру с начального , на входе до конечного значения на выходе из межтрубного пространства 2 испарителя (фиг. 2). При этом двухкомпонентная зеотропная смесь в противоточном трубном испарителе 1 и источник теплоты с ограниченной теплоемкостью в межтрубном пространстве 2 движутся в противоположных направлениях при средней разности температур между зеотропной смесью и источником теплоты с ограниченной теплоемкостью, равной Δt^и, постоянной по величине в любой точке испарителя (цикл a-b-c-d-a, фиг. 2).

Образовавшуюся в противоточном трубном испарителе 1 насыщенную паровую фазу из зеотропной смеси через трубопровод 3 направляют в компрессор 4, где сжимают до давления, соответствующего температуре начала конденсации, необходимой для нагрева источника теплоты с ограниченной теплоемкостью. Из компрессора 4 насыщенную паровую фазу из зеотропной смеси через трубопровод 5 направляют в противоточный трубный конденсатор 6. В противоточном трубном конденсаторе 6 зеотропная смесь переходит из парообразного в жидкое состояние при переменной температуре от начального на входе до конечного значения, на его выходе (фиг. 2), за счет передачи теплоты конденсации зеотропной смеси через стенки проточного трубного конденсатора 6 к нагреваемому источнику теплоты с ограниченной теплоемкостью, текущему в межтрубном пространстве 7. В результате источник теплоты с ограниченной теплоемкостью нагревается и повышает свою температуру с начального на входе до конечного значения на выходе из межтрубного пространства 7 конденсатора (фиг. 2). При этом конденсирующаяся зеотропная смесь, в противоточном трубном конденсаторе 6 и нагреваемый источник теплоты с ограниченной теплоемкостью, текущий в межтрубном пространстве 7, движутся в противоположных направлениях, при средней разности температур между зеотропной смесью и источником теплоты с ограниченной теплоемкостью, равной Δt^кд, постоянной по величине в любой точке конденсатора 6 (цикл a-b-c-d-a, фиг. 2).

Образовавшуюся в противоточном трубном конденсаторе 6 насыщенную жидкую фазу из зеотропной смеси через трубопровод 8 направляют в регулятор 9, где ее давление снижают до значения, соответствующего температуре начала кипения , необходимой для охлаждения источника теплоты с ограниченной теплоемкостью. Затем насыщенную жидкую фазу из зеотропной смеси с температурой начала кипения , через трубопровод 10 направляют в противоточный трубный испаритель 1. В противоточном трубном испарителе 1 насыщенную жидкую фазу из зеотропной смеси вновь испаряют и цикл повторяют в последовательности, аналогичной описанной выше.

Подбор каждого из двух близких по физическим свойствам компонентов зеотропной смеси и величины молярной концентрации ее низкокипящего компонента ψ_i осуществляют исходя из обеспечения минимальной величины разности средних температур конденсации и кипения, согласно выражению:

где ψ_i - i-е значение молярной концентрации низкокипящего компонента в зеотропной смеси из двух близких по физическим свойствам компонентов при ψ_i=ψ_н, … ψ_х, … ψ_y, … ψ_к, мол. %;

- средняя температура конденсации зеотропной смеси в противоточном конденсаторе, °C, определяемая как:

- средняя температура кипения зеотропной смеси в противоточном испарителе, °C, определяемая как:

Значения текущих температур конденсации t в конденсаторе в интервале и текущих температур кипения в испарителе в зависимости от относительного количества X выкипевшей или сконденсировавшейся зеотропной смеси с заданной величиной молярной концентрации низкокипящего компонента ψ_i определяют согласно первому закону Коновалова по формуле [стр. 37. Рулев А.В. Системные исследования по повышению интенсивности теплообмена регазификаторов сжиженного углеводородного газа / А.В. Рулев, А.П. Усачев, А.Л. Шурайц и др. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2010, 244 с.]:

где Р - абсолютное давление смеси в испарителе или конденсаторе теплового насоса, Па⋅10⁵; t - температура кипения (конденсации) смеси, °C; А₁, В₁, C₁ - коэффициенты, характерные для компонента с более низкой температурой кипения и конденсации при давление смеси Р в определенных пределах температуры t; А₂, В₂, С₂ - коэффициенты, характерные для компонента с более высокой температурой кипения и конденсации при давление смеси Р в определенных пределах температуры t.

На основании наиболее точных экспериментальных данных по давлению в работе [Тиличев М.Д. Физико-химические свойства индивидуальных углеводородов. - М.-Л.: Гостопиздат, 1951. - Вып. 2-4. - 251 с.] подбирают коэффициенты А₁, B₁, С₁ и А₂, В₂, С₂, приведенные в формуле (2).

Температуру начала кипения зеотропной смеси в испарителе определяют в градусах Цельсия по формуле (2) при значении относительного количества выкипевшей зеотропной смеси X=0, а конца кипения при значении X=1. Температуру начала конденсации зеотропной смеси в конденсаторе определяют в градусах Цельсия по формуле (2) при значении относительного количества выкипевшей зеотропной смеси X=1, а конца конденсации при значении X=0. Нахождение t при заданных X осуществляют по формуле (2) методом подбора.

Подбор каждого из двух компонентов зеотропной смеси и концентрации ее низкокипящего компонента осуществляют согласно формулам (1)-(4) исходя из обеспечения минимальной величины разности средних температур конденсации и кипения в следующей последовательности.

1. Подбирают зеотропную смесь из двух компонентов, имеющую начальные температуры конденсации и кипения , отличающиеся от источника теплоты с ограниченной теплоемкостью на значение температурного напора, принимаемое ориентировочно, равное Δt^кд=Δt^и=5,0÷7,0К.

2. По формуле (4) определяют методом подбора абсолютные давления Р^кд и конечные температуры конденсации в конденсаторе , а также абсолютные давления P^и и конечные температуры кипения в испарителе, при различных значениях молярной концентрации ψ_i=ψ_н, … ψ_x, … ψ_у, … ψ_к, мол. %.

3. Проводят расчеты по определению разности по формуле (1) для ряда значений молярной концентрации ψ_i=ψ_н, … ψ_х, … ψ_y, … ψ_к и затем выбирают из них минимальное значение.

Таким образом, согласно предложенному способу подбирают такие компоненты зеотропной смеси и концентрацию ее низкокипящего компонента, которые будут обеспечивать минимальное значение разности температур и, следовательно, максимальную энергетическую эффективность теплового насоса.

Пример. Произвели подбор каждого из двух близких по физическим свойствам компонентов зеотропной смеси и величины молярной концентрации ее низкокипящего компонента ψ_i применительно к тепловому насосу, предназначенному для воздушной сушки строительной и сельскохозяйственной продукции.

Исходные данные

1. Температура сушильного воздуха на выходе из конденсатора по условиям низкотемпературной сушки принимается равной:

2. Температура сушильного воздуха на выходе из испарителя по условиям низкотемпературной сушки принимается равной:

Решение

1. Подбор провели на примере двух зеотропных смесей, каждая из которых состоит двух близких по физическим свойствам компонентов:

- зеотропная смесь «R600a (изобутан) - R601 (н-пентан)», с концентрацией низкокипящего компонента R600a (изобутана), принимаемой в интервале ψ_i=0,0÷100,0 мол. % с шагом 2,0 мол. %.

- зеотропная смесь «R290 (пропан) - R600 (н-бутан)» с концентрацией низкокипящего компонента R290 (пропана), принимаемой в интервале ψ_i=0,0÷100,0 мол. % с шагом 2,0 мол. %.

2. Приняли температурный напор между теплообменивающими потоками в противоточном конденсаторе в размере Δt^кд=7°C.

3. Начальное значение температуры зеотропной смеси на входе в конденсатор определили по температуре сушильного воздуха на выходе и конденсатора (см. исходные данные, которое составит (см. диаграмму «температура (t) - площадь (F)» на фиг. 2).

4.1. По формуле (4) при значении X=1 (начало конденсации насыщенной паровой фазы), при , методом подбора определили ряд значений абсолютного давления Р^кд для зеотропной смеси «R600a (изобутан) - R601 (н-пентан)» при концентрациях низкокипящего компонента R600a соответственно, принимаемой в интервале ψ_i=0,0÷100,0 мол. % с шагом 2,0 мол. %.

Коэффициенты А₁, В₁, С₁, А₂, В₂, С₂ в формуле (4) для зеотропной смеси «R600a (изобутан) - R601 (н-пентан)», характерные:

- для изобутана как компонента с более низкой температурой кипения и конденсации в пределах температуры t=12,57÷121,11°С: А₁=4,3; B₁=1119,7; C₁=271,75 [Гиличев М.Д. Физико-химические свойства индивидуальных углеводородов. - М. - Л.: Гостопиздат, 1951. - Вып. 2-4. - 251 с.];

- для н-пентана как компонента с более высокой температурой кипения и конденсации в пределах температуры t=30,0÷120,0°C: А₂=4,19; В₁=1202,8; С₂=297,1.

Отдельные характерные значения абсолютного давления Р^кд для зеотропной смеси «R600a (изобутан) - R601 (н-пентан)» при концентрациях низкокипящего компонента R600a соответственно, принимаемых равными ψ_i=0; 20; 40; 45; 50; 55; 60; 80; 100 мол. % приведены в таблице 1.

4.2. По формуле (4) при значении X=1 (начало конденсации насыщенной паровой фазы), при методом подбора определили ряд значений абсолютного давления Р^кд для зеотропной смеси «R290 (пропан) - R600 (н-бутан)» при концентрациях низкокипящего компонента R290 соответственно, принимаемых в интервале ψ_i=0,0÷100,0 мол. % с шагом 2,0 мол. %.

Коэффициенты в формуле (4), характерные:

- для пропана R290 как компонента с более низкой температурой кипения и конденсации в пределах температуры t=-28,77÷96,81°С: A₁=5,07; B₁=1578,21; C₁=360,65;

- для н-бутана как компонента с более высокой температурой кипения и конденсации в пределах температуры t=0,0÷75,0°C: А₂=4,11; В₂=1030,34; С₂=251,04.

Отдельные характерные значения абсолютного давления Р^кд для зеотропной смеси «R290 (пропан) - R600 (н-бутан)» при концентрациях низкокипящего компонента R290 соответственно, принимаемых равными ψ_i=0; 20; 40; 45; 50; 55; 60; 80; 100 мол. % приведены в таблице 2.

5.1. По формуле (4) при значении X=0 (конец конденсации насыщенной паровой фазы), методом подбора определили ряд значений конечных температур для зеотропной смеси «R600a (изобутан) - R601 (н-пентан)» при концентрациях низкокипящего компонента R600a соответственно, принимаемой в интервале ψ_i=0,0÷100,0 мол. % с шагом 2,0 мол. %. при давлениях смеси Р^кд, полученных в пункте 4.1. Отдельные характерные значения конечных температур для зеотропной смеси «R600a (изобутан)-R601 (н-пентан)» при концентрациях низкокипящего компонента R600a соответственно, принимаемых равными ψ_i=0; 20; 40; 45; 50; 55; 60; 80; 100 мол. % приведены в таблице 1.

5.2. По формуле (4) при значении X=0 (конец конденсации насыщенной паровой фазы), методом подбора определили ряд значений конечных температур для зеотропной смеси «R290 (пропан) - R600 (н-бунтан)» при концентрациях низкокипящего компонента R290 соответственно, принимаемой в интервале ψ_i=0,0÷100,0 мол. % с шагом 2,0 мол. %. при давлениях смеси, полученных в пункте 4.2. Отдельные характерные значения конечных температур для зеотропной смеси «R290 (пропан) - R600 (н-бутан)» при концентрациях низкокипящего компонента R290 соответственно, принимаемых равными ψ_i=0; 20; 40; 45; 50; 55; 60; 80; 100 мол. % приведены в таблице 2.

6. Определили по формуле (2) средние значения температур конденсации для обоих типов зеотропной смеси в противоточном конденсаторе при концентрациях низкокипящего компонента ψ_i=0,0÷100,0 мол. %, а полученные результаты занесли в таблицу 1 и таблицу 2.

7. Приняли температурный напор между теплообменивающими потоками в противоточном испарителе в размере Δt^и=7°C.

8. Начальное значение температуры зеотропной смеси на входе в испаритель определили по температуре сушильного воздуха на выходе из испарителя (см. исходные данные), которое составляет (см. диаграмму «температура (t) - площадь (F)» на фиг. 2).

9.1. По формуле (4) при значении X=0 (начало испарения насыщенной паровой фазы), при методом подбора определяем ряд значений абсолютного давления Р^и для зеотропной смеси «R600a (изобутан) - R601 (н-пентан)» при концентрациях низкокипящего компонента R600a соответственно, принимаемой в интервале ψ_i=0,0÷100,0 мол. % с шагом 2,0 мол. %. Отдельные характерные значения абсолютного давления Р^и для зеотропной смеси «R600a (изобутан) - R601 (н-пентан)» при концентрациях низкокипящего компонента R600a соответственно, принимаемых равными ψ_i=0; 20; 40; 45; 50; 55; 60; 80; 100 мол. % приведены в таблице 1.

9.2. По формуле (4) при значении X=0 (начало испарения насыщенной паровой фазы), при методом подбора определяем ряд значений абсолютного давления Р^и для зеотропной смеси «R290 (пропан) - R600 (н-бутан) при концентрациях низкокипящего компонента R290 соответственно, принимаемой в интервале ψ_i=0,0÷100,0 мол. % с шагом 2,0 мол. %.

Отдельные характерные значения абсолютного давления Р^и для зеотропной смеси «R290 (пропан) - R600 (н-бутан) при концентрациях низкокипящего компонента R290 соответственно, принимаемых равными ψ_i=0; 20; 40; 45; 50; 55; 60; 80; 100 мол. % приведены в таблице 2.

10.1. По формуле (4) при значении X=1 (конец испарения насыщенной жидкой фазы), методом подбора определили ряд значений конечных температур для зеотропной смеси «R600a (изобутан) - R601 (н-пентан)» при концентрациях низкокипящего компонента R600a соответственно, принимаемой в интервале ψ_i=0,0÷100,0 мол. % с шагом 2,0 мол. % и при соответствующих им абсолютных давлениях Р^и. Отдельные характерные значения конечных температур для зеотропной смеси «R600a (изобутан) - R601 (н-пентан)» при концентрациях низкокипящего компонента R600a соответственно, принимаемых равными ψ_i=0; 20; 40; 45; 50; 55; 60; 80; 100 мол. % приведены в таблице 1.

10.2. По формуле (4) при значении X=1 (конец испарения насыщенной жидкой фазы), методом подбора определили ряд значений конечных температур для зеотропной смеси «R290 (пропан) - R600 (н-бутан)» при концентрациях низкокипящего компонента R290 соответственно, принимаемой в интервале ψ_i=0,0÷100,0 мол. % с шагом 2,0 мол. % и при соответствующих им абсолютных давлениях Р^и. Отдельные характерные значения конечных температур для зеотропной смеси «R290 (пропан) - R600 (н-бутан) при концентрациях низкокипящего компонента R290 соответственно, принимаемых равными ψ_i=0; 20; 40; 45; 50; 55; 60; 80; 100 мол. % приведены в таблице 2.

11. Определили по формуле (3) средние значения температур кипения для обоих типов зеотропной смеси в противоточном испарителе, а полученные результаты занесли в таблицу 1 и таблицу 2 при концентрациях низкокипящего компонента ψ_i=0; 20; 40; 45; 50; 55; 60; 80; 100 мол. %.

12. Определили по формуле (1) значения разности средних температур конденсации в конденсаторе и кипения в испарителе для обоих типов зеотропной смеси, а полученные результаты занесли в таблицу 1 и таблицу 2 при концентрациях низкокипящего компонента ψ_i=0; 20; 40; 45; 50; 55; 60; 80; 100 мол. %.

Из результатов сравнения полученных значений в таблице 1 и таблице 2 видно, что минимальная величина разности средних температур конденсации и кипения согласно выражению (1), достигается для зеотропной смеси «R600a (изобутан) - R601 (н-пентан)» при величине молярной концентрации низкокипящего компонента R600a (изобутан) в смеси, равной ψ_i=45 мол. %.

Из таблицы 1 и таблицы 2 также видно, что при достижении значений молярной концентрации низкокипящего компонента, равных ψ_i=0,0 мол. % и ψ_i=100 мол. %, смесь превращается в чистое вещество с постоянными температурами конденсации паровой фазы в конденсаторе и с постоянными температурами испарения жидкой фазы , в испарителе. При этом величина разности средних температур конденсации в конденсаторе и кипения в испарителе согласно выражению (1) увеличивается до максимальных значений, равных а энергетическая эффективность теплового насоса наоборот уменьшается до минимальных величин. Цикл теплового насоса при ψ_i=0,0 мол. % и ψ_i=100 мол. %, (фиг. 2) изображается как a'-b'-c'-d'-a'.

Таким образом, способ получения рабочего агента из зеотропной смеси в компрессионном тепловом насосе может найти применение в системах вентиляции жилых помещений, плавательных бассейнов, воздушной низкотемпературной сушке сельскохозяйственной продукции, строительных материалов, когда подбор каждого из двух близких по физическим свойствам компонентов зеотропной смеси и величины молярной концентрации ее низкокипящего компонента ψ_i осуществляются исходя из условия обеспечения минимальной величины разности средних температур конденсации и кипения . Применение предложенного способа обеспечивает уменьшение средней разности температур между воздухом и зеотропной смесью в испарителе и конденсаторе и, как следствие, увеличение энергетической эффективности теплового насоса.

Предлагаемый способ относится к получению рабочего агента в компрессионном тепловом насосе, согласно которому рабочий агент составляют из зеотропной смеси двух близких по физическим свойствам углеводородов с возможностью увеличения температуры ее кипения в противоточном трубном испарителе от начального значения на входе, более низкого, чем температура источника теплоты с ограниченной теплоемкостью на выходе из межтрубного пространства противоточного испарителя, до конечного значения на выходе из противоточного трубного испарителя, более низкого, чем температура источника теплоты с ограниченной теплоемкостью на входе в межтрубное пространство испарителя, и уменьшения температуры ее конденсации в противоточном трубном конденсаторе от начального значения на входе, большего, чем температура источника теплоты с ограниченной теплоемкостью на выходе из межтрубного пространства конденсатора, до конечного значения на выходе из противоточного трубного конденсатора, большего, чем температура источника теплоты с ограниченной теплоемкостью на входе в межтрубное пространство конденсатора. Подбор каждого из двух близких по физическим свойствам компонентов зеотропной смеси и величины молярной концентрации ее низкокипящего компонента осуществляют исходя из условия обеспечения минимальной величины разности средних температур конденсации и кипения, определяемого по указанному выражению. Технический результат заключается в уменьшении разности температур между рабочим агентом из зеотропной смеси в испарителе и конденсаторе теплового насоса до минимального значения, которому соответствует его максимальная энергетическая эффективность. 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

1. Способ получения рабочего агента в компрессионном тепловом насосе, в котором рабочий агент составляют из зеотропной смеси двух близких по физическим свойствам компонентов с возможностью увеличения температуры ее кипения в противоточном трубном испарителе от начального значения на входе, более низкого, чем температура источника теплоты с ограниченной теплоемкостью на выходе из межтрубного пространства противоточного испарителя, до конечного значения на выходе из противоточного трубного испарителя, более низкого, чем температура источника теплоты с ограниченной теплоемкостью на входе в межтрубное пространство испарителя, и уменьшения температуры ее конденсации в противоточном трубном конденсаторе от начального значения на входе, большего, чем температура источника теплоты с ограниченной теплоемкостью на выходе из межтрубного пространства конденсатора, до конечного значения на выходе из противоточного трубного конденсатора, большего, чем температура источника теплоты с ограниченной теплоемкостью на входе в межтрубное пространство конденсатора, отличающийся тем, что подбор величины молярной концентрации низкокипящего компонента ψ_i зеотропной смеси из двух близких по физическим свойствам компонентов осуществляют исходя из обеспечения минимальной величины разности средних температур конденсации и кипения согласно выражению: , где - i-е значение молярной концентрации низкокипящего компонента в зеотропной смеси из двух близких по физическим свойствам компонентов при ψ_i=ψ_н, … ψ_х, … ψ_у, … ψ_к, мол. %; - средняя температура конденсации зеотропной смеси в противоточном конденсаторе, °С, - средняя температура кипения зеотропной смеси в противоточном испарителе, °С.

2. Способ получения рабочего агента в компрессионном тепловом насосе по п. 1, отличающийся тем, что параметр ψ_i принимают равным начальному ψ_н=0 мол. %, ряду промежуточных ψ_x, ψ_у и конечному ψ_к=100 мол. % значениям концентрации, то есть ψ_i=ψ_н, … ψ_х, … ψ_у, … ψ_к, мол. %.

3. Способ получения рабочего агента в компрессионном тепловом насосе по п. 1, отличающийся тем, что среднюю температуру конденсации зеотропной смеси в противоточном конденсаторе определяют как .

4. Способ получения рабочего агента в компрессионном тепловом насосе по п. 1, отличающийся тем, что среднюю температуру кипения зеотропной смеси в противоточном испарителе определяют как .