Способ определения эксергии теплоты среды как возобновляемого источника энергии Российский патент 2019 года по МПК F01K25/00 

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.

Важное значение имеет определение эксергии для теоретизации агротехнологий как растениеводства, так и животноводства.

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).

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.

В известном способе, в отличие от эксергетического анализа всех иных

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.

Недостатком известного способа является то, что в нем принято считать, что теплота среды не содержит эксергии и является анергией, поэтому ее не-

возможно использовать в качестве источника энергии.

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.

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).

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»).

Недостатком известного способа является отсутствие определения эксергии теплоты среды, что создает определенную трудность и практически невозможность определения путей совершенства преобразователя на стадии его проектирования.

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"

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Способ определения эксергии переноса теплоты среды способствует более полной теоретизации сельскохозяйственных технологий в животноводстве и кормопроизводстве для рационального их энергообеспечения.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Компрессор 2, детандер 3 и компрессор 6 с расширителем (турбиной) 7 находятся на общем валу 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.

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 0⁰ С 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

Пример конкретного выполнения способа определения эксергии теплоты среды, как возобновляемого источника энергии.

Выполнение способа для определения эксергии переноса теплоты среды:

берут современный тепловой насос типа Vitokal WW 240, который работает в течение одного часа, при этом его паспортной номинальной тепловой мощности 52 кВт.

За один час работы тепловой насос израсходовал 52 кВт. ч. электроэнергии, в которой 100 % эксергии.

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.

Далее из общей эксергии вычитают эксергию потребленной эксергии за час работы /взятого в примере/ теплового насоса: 291,2 – 52 = 239,2 кВт.ч.

Следовательно, эксергия теплоты среды составила 239,2 кВт.ч.

Результаты реализации способа прототипа нового

1. Представлена общая схема новой монотермичес-

кой установки /стрелками показан обратный цикл Калины/ нет да

2. Использование обратного цикла Калины при

определении эксергии теплоты среды нет да

3. Способ повышения КПД цикла, который

включает в себя операции: сбор данных от нескольких

датчиков, несущих информацию относительно несколь-

ких параметров обратного цикла, от которых зависит

КПД обратного цикла Калины нет да

1. Передача данных в процессор систем управления с

использованием одного или нескольких механизмов

передачи, вычисление одного или нескольких фактических

параметров на основе указанных данных с использова-

нием известного процессора системы управления да да

5. Нахождение нескольких оптимальных параметров,

позволяющих повысить КПД обратного цикла Калины на

стадии проектирования за счет использования эксергии

теплоты природной среды нет да

6. Автоматическая регулировка нескольких фактических

параметров, чтобы получить несколько оптимальных

параметров, при этом в качестве оптимального параметра

используют концентрацию базовой рабочей жидкости да да

7. Автоматическая регулировка рабочей жидкости

обратного цикла Калины за счёт регулировки производи-

тельности насоса нет да

8. Отображение термодинамических диаграмм осущест-

вляют с использованием графических расчётов в системе

автоматизированного проектирования САПР нет да

Определение предельного значения энергии, которое может быть полезным образом использовано в термодинамическом процессе, и оптимальных значений термического и энергетического КПД монотермических установок 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. Из общей эксергии, используемой энергопреобразователем, определенной по термодинамической характеристике рабочего тела и термодинамическому циклу энергопреобразователя за определенный промежуток времени, вычитают эксергию электроэнергии, потребленной преобразователем за этот же промежуток времени. Способ обеспечивает определение эксергии теплоты среды как возобновляемого источника энергии. 4 ил., 1 пр.

Способ определения эксергии теплоты среды, как возобновляемого источника энергии, 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, отличающийся тем, что 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 извне 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.