Трансформатор теплоты Российский патент 2024 года по МПК F25B30/04 F25B15/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике, к области теплонасосных установок, предназначенное для выработки тепловой энергии и для холодоснабжения.

Известны устройства способные концентрировать тепловую энергию, к их числу можно отнести общеизвестные парокомпрессионные и абсорбционные тепловые насосы, описанные в книге Техническая термодинамика: учебник для вузов /Под ред. В.И. Крутова. - 2-е изд., перераб. и доп., Москва, «Высшая школа», 1981. - 439 с. (стр. 347-351). В парокомпрессионном тепловом насосе основными элементами являются конденсатор, дроссельный вентиль, испаритель и компрессор. Абсорбционный тепловой насос состоит из тех же элементов, что и парокомпрессионный тепловой насос, за исключением компрессора, который в абсорбционном тепловом насосе выступает как группа элементов, таких как абсорбер, циркуляционный насос, генератор пара, дроссельный вентиль. В качестве концентратора теплоты может служить вихревая трубка, описанная в книге Пиралишвили, Ш.А. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения/Ш.А. Пиралишвили, В.М. Поляев, М.Н. Сергеев; под ред. А.И. Леонтьева. - М.: Энергомаш, 2000. - 412 с. (стр. 38-49), в которой входящий поток воздуха разделяется на два результирующих потока, один из которых имеет температуру ниже исходного, а другой, соответственно, выше. Концентраторы теплоты можно совмещать и использовать последовательно или параллельно при этом получать различные температуры на выходе и применять их под различные задачи. Один из способов совмещения концентраторов теплоты описан в книге Морозюк Т.В. Теория холодильных машин и тепловых насосов. - Одесса: Студия «Негоциант», 2006. - 712 с. (609-612 с.), где применяется абсорбционно-компрессионный цикл и компрессор расположен в первом случае перед абсорбером, а во втором после генератора пара. Так же гибридные циклы описаны в американском патенте Patent USA «Hybrid vapor compression-absorption cycle» Shiflett M.В. /M.B. Shiflett//, no. 8707720, 2014. Так же запатентованы установки использующие последовательное включение концентраторов теплоты парокомпрессионного теплового насоса и вихревой трубки Патент RU Тепловой насос /О.Ю. Андреев, В.В. Бирюк, В.Н. Белозерцев, А.И. Довгялло, В.В. Кривопалов, Б.Г. Никитченко//№RU 2152567, 1999., а также абсорбционного теплового насоса и вихревой трубки Патент RU Яблоков В.Д. Абсорбционная холодильная установка /Д.В. Яблоков// №2031327, 1975». Во всех вышеописанных источниках используется два последовательно включенных концентратора теплоты. Авторами данного патента представлены две схемы, использующие три концентратора теплоты, для первого случая применено последовательное включение концентраторов, для второго смешанное включение.

Известен абсорбционный тепловой насос, описанный в книге Техническая термодинамика: Учебник для вузов /Под ред. В.И. Крутова. - 2-е изд., перераб. и доп., Москва, «Высшая школа», 1981. - 439 с. (стр. 350-351).

Абсорбционный тепловой насос содержит соединенные последовательно абсорбер, насос, генератор пара, конденсатор, дроссельный вентиль, испаритель, причем абсорбер соединен с генератором пара в двух направлениях, в первом соединен последовательно насосом; во втором соединен в противоположном направлении дроссельным вентилем.

К недостаткам такой установки можно отнести:

- низкий коэффициент преобразования;

- низкий диапазон регулировки температуры;

- отсутствие возможности одновременного отпуска тепловой энергии с разной температурой.

Известна гибридная абсорбционно-компрессорная машина, взятая за прототип, описанная в книге «Теория холодильных машин и тепловых насосов». Морозюк Т.В. - Одесса: Студия «Негоциант», 2006. - 712 с.

Гибридная абсорбционно-компрессорная машина имеет соединенные последовательно абсорбер, насос, генератор пара, конденсатор, терморегулирующий вентиль, испаритель, компрессор причем абсорбер соединен с генератором пара в двух направлениях, в первом соединен последовательно насосом; во втором соединен в противоположном направлении терморегулирующим вентилем.

Недостатками данной гибридной абсорбционно-компрессорной машины являются:

- низкий диапазон регулировки температуры;

- отсутствие возможности одновременного отпуска тепловой энергии с разной температурой;

- низкий коэффициент преобразования тепловой энергии.

Задачей изобретения является повышение эффективности работы трансформатора теплоты.

Технический результат заключается в обеспечении высокого коэффициента преобразования тепловой энергии при условии работы трансформатора теплоты в различных схемах его включения (различных режимах), использовании низкопотенциальных источников энергии и отпуске потребителю теплоты с широким диапазоном температур.

Технический результат осуществляется за счет того, что трансформатор теплоты, содержит соединенные последовательно испаритель, компрессор, абсорбер, насос, генератор пара, конденсаторы, терморегулирующий вентиль, причем между абсорбером и генератором пара установлен терморегулирующий вентиль, между испарителем и компрессором, между компрессором и абсорбером, также между испарителем и абсорбером установлены запорные краны, компрессор соединен последовательно с запорным краном, вихревой трубкой ипервым конденсатором, генератор пара соединен последовательно с запорным краном, вторым конденсатором и терморегулирующим вентилем, ко второму конденсатору присоединен предвключенный теплообменник, также генератор пара соединен с запорным краном и вихревой трубой.

Трансформатор теплоты максимально эффективно использует преимущества парокомпрессионного, абсорбционного циклов трансформации теплоты и вихревой трубки за счет их последовательного, параллельного и смешанного включения, что значительно увеличивает коэффициент преобразования тепловой энергии, а также позволяет отпускать потребителю теплоту с широким диапазоном температур, используя при этом используя различные низкопотенциальные источники энергии, например грунтовые воды, теплоту атмосферного воздуха и т.д.

На чертеже представлена схема трансформатора теплоты.

Трансформатор теплоты содержит испаритель 1 соединенный последовательно с запорным краном 3, компрессором 4, запорным краном 5, абсорбером 7, насосом 8, генератором пара 9, краном 15, вихревой трубкой 13, первым конденсатором 16, терморегулирующим вентилем 19, причем компрессор дополнительно соединен последовательно с запорным краном 6, запорным краном 11, вихревой трубкой 13, первым конденсатором 16, абсорбер 7 и генератор пара 9 соединены трубопроводом (на схеме не указан) с терморегулирующим вентилем 10, также генератор пара 9 соединен дополнительно с вихревой трубкой 13 запорным краном 15 и с запорным краном 14, который соединен с вторым конденсатором 17, испаритель 1 соединен с запорным краном 2 и абсорбером 7, запорный кран 6 соединен с запорным краном 12 и первым конденсатором 16, первый конденсатор 16 и второй конденсатор 17 соединены параллельно, также второй конденсатор 17 соединен предвключенным теплообменником 18.

Все части устройства соединены трубопроводами (на схеме позиции не обозначены).

Рассмотрим работу трансформатора теплоты при последовательной схеме включения.

Для данного режима работы перекрывают запорные краны 2, 6, 11, 12, 14.

В испаритель 1 подводят низкопотенциальный источник энергии, например, воду с температурой окружающей среды, и хладагент. Хладагент испаряется в испарителе 1 при низком давлении за счет подвода теплоты от низкопотенциального источника. После чего хладагент поступает в компрессор 4 через открытый запорный кран 3. В компрессоре 4 происходит сжатие хладагента за счет чего повышается его температура и давление. Из компрессора 4 теплоноситель выталкивается в абсорбер 7, проходя открытый запорный кран 5. В абсорбере 7 хладагент поглощается абсорбентом. Полученная смесь хладагент-абсорбент поступает в насос 8, в котором повышает свое давление и далее насосом 8 перекачивается в генератор пара 9. В генераторе пара 9 за счет подвода высокопотенциальной теплоты смесь хладагент-абсорбент разделяется на абсорбент и хладагент. Абсорбент самотеком проходит через терморегулирующий вентиль 10, где понижает свое давление и попадает в абсорбер 7, а пары хладагента попадают в вихревую трубку 13 через открытый запорный кран 15. В вихревой трубке 13 происходит разделение потока паров хладагента на два потока, один из которых имеет температуру ниже исходного потока, а другой поток, соответственно, выше. Холодный поток паров хладагента возвращается и попадает на линию между испарителем 1 и запорным краном 3. Горячий поток паров хладагента попадает в первый конденсатор 16. Также в первый конденсатор 16 поступает холодный теплоноситель от потребителя, протекающий по трубкам первого конденсатора. Горячий поток паров хладагента проходит в межтрубном пространстве первогоконденсатора 16. При этом теплоноситель от потребителя имеет температуру, при которой с учетом недогрева конденсируется горячий поток паров хладагента, отдавая теплоту через трубки первого конденсатора теплоносителю от потребителя. После чего хладагент в жидком виде проходит терморегулирующий вентиль 19, в котором понижает свое давление и попадает в испаритель 1, а теплоноситель, повысив свою температуру, возвращается к потребителю.

При использовании последовательной схемы возможны температурные соотношения, которые были бы невозможны при использовании отдельно абсорбционного и парокомпрессионного теплового насоса или даже параллельной схемы.

Рассмотрим работу трансформатора теплоты при параллельной схеме включения.

Для выполнения работы данной схемы перекрываются запорные краны 5, 11, 15, причем остальные краны должны быть открыты.

В испаритель 1 подводят низкопотенциальный источник энергии, например, воду с температурой окружающей среды, и хладагент. Хладагент испаряется в испарителе 1 при низком давлении за счет подвода теплоты от низкопотенциального источника и на выходе разделяется на два потока. Первый поток хладагента попадает в компрессор 4 через открытый запорный кран 3. В компрессоре происходит сжатие хладагента за счет чего повышается его температура давление. Из компрессора 4 теплоноситель выталкивается в первый конденсатор 16 через открытые запорные краны 6 и 12, где конденсируется и далее хладагент в жидком виде проходит терморегулирующий вентиль 19, в котором понижает свое давление и далее попадает в испаритель 1. Второй поток хладагента попадает в абсорбер 7 через открытый запорный кран 2, в абсорбере 7 хладагент поглощается абсорбентом, и полученная смесь поступает в насос 8, в котором повышается давление смеси хладагент-абсорбент. После насоса 8смесь хладагент-абсорбент поступает в генератор пара 9 где, за счет подвода высокопотенциальной теплоты разделяется на абсорбент и хладагент. Абсорбент самотеком проходит через терморегулирующий вентиль 10, где понижает свое давление и попадает в абсорбер 7, а пары первого потока хладагента попадают во второй конденсатор 17 через открытый запорный кран 14. Также во второй конденсатор 17 поступает холодный теплоноситель от потребителя, протекающий по трубкам второго конденсатора. Горячий поток паров хладагента проходит через второй конденсатор 17 и конденсируется. Причем холодный теплоноситель от потребителя подогревается в предвключенном теплообменнике 18, теплотой, отводимой от абсорбера 7. Во втором конденсаторе 17 пары хладагента конденсируются за счет передачи тепловой энергии холодному теплоносителю. Хладагент в жидком виде проходит терморегулирующий вентиль 19, в котором понижает свое давление и далее попадает в испаритель 1, а уже горячий теплоноситель поступает к потребителю.

Таким образом, при параллельной схеме достигается высокий коэффициент эффективности за счет получения энергии от низкопотенциального источника в испарителе 1 и абсорбере 7 по раздельности. В процессе работы трансформатора теплоты эти энергии складываются.

Рассмотрим работу трансформатора теплоты при смешанной схеме включения.

Для выполнения работы данной схемы перекрываются запорные краны 5, 12, 15, причем остальные краны должны быть открыты.

В испаритель 1 подводят низкопотенциальный источник энергии, например, воду с температурой окружающей среды, и хладагент. Хладагент испаряется в испарителе 1 при низком давлении за счет подвода теплоты от низкопотенциального источника и на выходе разделяется на два потока. Первый поток хладагента попадает вкомпрессор 4 через открытый запорный кран 3. В компрессоре 4 происходит сжатие хладагента за счет чего повышается его температура и давление. Из компрессора 4 теплоноситель выталкивается в вихревую трубку 13 через открытый запорный краны 6 и 11. В вихревой трубке 19 происходит разделение потока на два результирующих, один из которых имеет температуру ниже исходного, а другой, соответственно, выше. Холодный поток паров хладагента возвращается и попадает на линию между испарителем 1 и запорным краном 3. Горячий поток паров хладагентов попадает в первый конденсатор 16 в котором конденсируется и далее хладагент в жидком виде проходит терморегулирующий вентиль 19, в котором понижает свое давление и далее попадает в испаритель 1. Второй поток хладагента попадает в абсорбер 7 через открытый запорный кран 2 в абсорбере 7 хладагент поглощается абсорбентом, и полученная смесь поступает в насос 8, в котором повышается давление смеси хладагент-абсорбент. После насоса 8 смесь хладагент-абсорбент поступает в генератор пара 9 где, за счет подвода высокопотенциальной теплоты разделяется на абсорбент и хладагент. Абсорбент самотеком проходит через терморегулирующий вентиль 10, где понижает свое давление и попадает в абсорбер 7, а пары первого потока хладагента попадают во второй конденсатор 17 через открытый запорный кран 14. Также во второй конденсатор 17 поступает холодный теплоноситель от потребителя, протекающий по трубкам конденсатора. Горячий поток паров хладагента проходит через второй конденсатор 17 и конденсируется. Причем холодный теплоноситель от потребителя подогревается в предвключенном теплообменнике 18, теплотой, отводимой от абсорбера 7. Во втором конденсаторе 17 пары хладагента конденсируются за счет передачи тепловой энергии холодному теплоносителю. Хладагент в жидком виде проходит терморегулирующий вентиль 19, в котором понижает свое давление и далее попадает в испаритель 1, а уже горячий теплоноситель поступает к потребителю.

Смешанная схема работает при параметрах низкопотенциального и высокопотенциального теплоносителя ниже, чем у последовательной схемы, но выше, чем у парольной, за счет этого ее СОР находится между СОР параллельной и последовательной схемы.

Изобретение относится к теплоэнергетике, к области теплонасосных установок и предназначено для выработки тепловой энергии и для холодоснабжения. Трансформатор теплоты содержит соединенные последовательно испаритель, компрессор, абсорбер, насос, генератор пара, конденсатор, терморегулирующий вентиль. Между абсорбером и генератором пара установлен терморегулирующий вентиль. Между испарителем и компрессором установлен запорный кран, между компрессором и абсорбером установлен запорный кран, а также между испарителем и абсорбером установлен запорный кран. Компрессор соединен последовательно с запорным краном, вихревой трубкой и конденсатором. Генератор пара соединен последовательно с запорным краном, конденсатором и терморегулирующим вентилем. К конденсатору присоединен предвключенный теплообменник. Генератор пара также соединен с запорным краном и вихревой трубой. Компрессор соединен последовательно с запорным краном и конденсатором. Технический результат заключается в обеспечении высокого коэффициента преобразования тепловой энергии при условии работы трансформатора теплоты в различных схемах его включения, использовании низкопотенциальных источников энергии и отпуске потребителю теплоты с широким диапазоном температур. 1 ил.

Трансформатор теплоты, содержащий соединенные последовательно испаритель, компрессор, абсорбер, насос, генератор пара, конденсаторы, терморегулирующий вентиль, причем между абсорбером и генератором пара установлен терморегулирующий вентиль, отличающийся тем, что между испарителем и компрессором, компрессором и абсорбером, также между испарителем и абсорбером установлены запорные краны, компрессор соединен последовательно с запорным краном, вихревой трубкой и первым конденсатором, генератор пара соединен последовательно с запорным краном, вторым конденсатором и терморегулирующим вентилем, к второму конденсатору присоединен предвключенный теплообменник, также генератор пара соединен с запорным краном и вихревой трубой.