ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2161759

СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРАНСФОРМАЦИИ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

Имя изобретателя: Самхан И.И.; Золотарев Г.В.
Имя патентообладателя: Самхан Игорь Исаакович
Адрес для переписки: 150014, г.Ярославль, ул.Б. Октябрьская 73, кв.87, Самхану И.И.
Дата начала действия патента: 1998.06.04

Рабочая среда пониженного давления испаряется в испарителе при поглощении тепловой энергии низкотемпературного источника. Далее рабочая среда сжимается в компрессоре и подается в струйный аппарат, где смешивается с жидким потоком, поступающим из сепаратора, установленного после конденсатора. В конденсатор направляется поток рабочей среды из струйного аппарата, где он охлаждается при передаче тепла высокотемпературному приемнику. Использование изобретения позволит повысить энергетическую эффективность термотрасформации за счет снижения удельного потребления энергии.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к процессам преобразования тепловой энергии сравнительно низкого температурного уровня в тепловую энергию повышенного температурного уровня, и может быть использовано для тепло- и холодоснабжения.

Широко известны парокомпрессионные способы термотрансформации [1] , включающие испарение рабочей среды при пониженном давлении, сопровождаемое поглощением тепловой энергии низкотемпературного источника, сжатие рабочей среды в парообразном состоянии с помощью компрессора, охлаждение и конденсацию рабочей среды с передачей выделяющейся при этом тепловой энергии более высокотемпературному приемнику и понижение давления рабочей среды (как правило, дросселированием) перед испарением.

Известен пароструйный способ термотрансформации [2], выбранный в качестве аналога, наиболее близкого к предлагаемому изобретению по совокупности признаков (прототип), заключающийся в испарении части рабочей среды пониженного давления за счет поглощения тепловой энергии низкотемпературного источника, сжатие этой части рабочей среды в струйном аппарате смешением ее с другой частью рабочей среды, имеющей более высокое давление, охлаждение и конденсацию рабочей среды после струйного аппарата с передачей выделяющейся при этом тепловой энергии более высокотемпературному приемнику, разделение рабочей среды на части, понижение давления одной из частей рабочей среды (дросселированием или детандированием) и ее испарение при контакте с низкотемпературным источником, повышение давления другой части рабочей среды насосом и ее испарение с помощью высокотемпературного источника энергии. В этом способе в струйный аппарат подают два потока пара с различным давлением.

Известно устройство для трансформации тепловой энергии (холодильник или тепловой насос), включающее циркуляционный контур с установленными в нем последовательно испарителем, струйным аппаратом, охладителем (конденсатором), дросселем или детандером, и дополнительный циркуляционный контур (коммуникации), содержащий насос и испаритель высокого давления и подключенный к основному контуру со стороны насоса между охладителем и дросселем, а со стороны испарителя высокого давления - к струйному аппарату. Струйный аппарат известного устройства является пароструйным эжектором, в котором смешиваются две струи пара разного давления [2].

Известный способ характеризуется рядом преимуществ, таких как простота реализации, надежность эксплуатации и сравнительно небольшая стоимость. Однако его энергетическая эффективность сравнительно мала и уступает эффективности парокомпрессионных способов.

Целью предлагаемого изобретения являетсяповышение энергетической эффективности термотрансформации за счет снижения удельного потребления в процессе механической работы или теплоты высокотемпературного источника.

Указанная цель достигается тем, что в способе трансформации тепловой энергии, включающем испарение части рабочей среды пониженного давления с поглощением тепловой энергии низкотемпературного источника, смешение потоков частей рабочей среды в струйном аппарате, охлаждение потока рабочей среды с передачей тепловой энергии высокотемпературному приемнику, разделение рабочей среды на части и понижение давления одной из частей рабочей среды, в струйном аппарате смешивают потоки жидкой и парообразной частей рабочей среды, причем последнюю подают в струйный аппарат компрессором.

Кроме того, особенностями предлагаемого способа, приводящими к получению технического результата, являются:

• подача в струйный аппарат части жидкой рабочей среды после ее охлаждения;
• подача в струйный аппарат дополнительно части нагретой жидкой рабочей среды;
• снижение давления одной из частей рабочей среды путем дросселирования;
• дополнительное охлаждение одной из частей рабочей среды перед ее дросселированием;
• использование в качестве рабочей среды смесей жидкостей с различными температурами кипения;
• дополнительное сжатие жидкой части рабочей среды перед ее подачей в струйный аппарат.

В устройстве для трансформации тепловой энергии, включающем циркуляционный контур с установленными в нем последовательно испарителем, струйным аппаратом, подключенным с возможностью подачи в него потока пара, охладителем, дросселем или детандером и коммуникациями для подачи в струйный аппарат дополнительных потоков, коммуникации подключают струйный аппарат к циркуляционному контуру на участке между охладителем и дросселем (детандером) с возможностью подачи жидкости, а в циркуляционном контуре на участке между струйным аппаратом и испарителем установлен компрессор.

Другими отличительными особенностями предлагаемого устройства являются:

• дополнительное подключение струйного аппарата к циркуляционному контуру на участке между струйным аппаратом и охладителем;
• включение в коммуникации насоса для перекачки жидкости;
• установка между охладителем и дросселем разделительной емкости;
• установка перед дросселем (детандером) дополнительного охладителя.

Таким образом, в предлагаемом способе в отличие от известного процесс сжатия рабочей среды в пароструйном аппарате заменяется сжатием парообразной части рабочей среды первоначально компрессором, а затем в парожидкостном струйном аппарате.

В струйном аппарате парожидкостная смесь достигает сверхзвуковых скоростей, при которых происходит скачок давления с одновременной конденсацией пара и повышением температуры.

В предлагаемом способе в отличие от известного не требуется высокотемпературный источник энергии для получения пара повышенного давления, а возможные затраты механической энергии для промежуточного сжатия пара в первой ступени или сжатия жидкости, подаваемой в струйный аппарат, намного меньше, чем аналогичные затраты в парокомпрессионном способе при одинаковой степени сжатия. Поэтому энергетическая эффективность (или коэффициент термотрансформации) предлагаемого способа значительно выше не только по сравнению со способом прототипа, но и по сравнению и с парокомпрессионным способом.

Сущность предлагаемого способа поясняется принципиальной схемой установки для его осуществления, представленной на фиг. 1, и условным изображением характерных процессов этого способа в координатах абсолютная температура T - классическая энтропия S на фиг. 2.

Устройство на фиг. 1 включает циркуляционный контур 1, содержащий испаритель 2, компрессор 3, струйный аппарат 4, охладитель 5, разделительную емкость 6, дополнительный охладитель 7 и дроссельный вентиль 8. Для циркуляции жидкой составляющей рабочей среды имеется насос 9 и коммуникации 10, 11. Испаритель 2 подключен к низкотемпературному источнику теплоты 12, а охладитель 5 - к высокотемпературному приемнику теплоты 13. Дополнительный охладитель 7 и имеет внешнее охлаждение (показано стрелками).

На фиг. 2 представлены следующие процессы изменения состояния рабочей среды:

1-2 - испарение части рабочей среды с поглощением тепловой энергии низкотемпературного теплового источника;

2-3 - сжатие пара рабочей среды до промежуточного давления с применением механического компрессора;

3-4-8-7 - смешение парообразной и жидкой частей рабочей среды в струйном аппарате;

4-5 - сжатие рабочей среды в струйном аппарате в результате скачков уплотнения;

5-6 - возврат части нагретой жидкой рабочей среды в струйный аппарат с увеличением ее скорости движения;

5-7 - изобарное охлаждение части жидкой рабочей среды с передачей тепловой энергии внешнему потребителю;

7-8 - истечение части охлажденной жидкой рабочей среды в струйный аппарат;

7-9 - дополнительное охлаждение оставшейся части рабочей среды;

9-1 - дросселирование испаряемой части рабочей среды.

Изображение процессов предлагаемого способа на фиг. 2 является условным и служит для целей иллюстрации, т.к. достаточно точное изображение этих процессов весьма затруднительно из-за их нестационарности и переменной массы рабочей среды.

Энергетический баланс предлагаемого способа, как обычно, отражает тот факт, что количество энергии, полученное в цикле рабочей средой, равно количеству энергии, отдаваемой внешнему приемнику тепловой энергии. В частности, сумма энергии, получаемая рабочей средой при испарении Q_1-2и сжатия Q_2-3 (а возможно, и от других источников), равна сумме тепловой энергии Q_5-7и Q_7-9, передаваемой различными составляющими рабочей среды внешнему потребителю.

Эффективность предлагаемого способа термотрансформации обусловлена применением в качестве одной из ступеней сжатия в тепловом насосе или холодильном устройстве парожидкостного струйного аппарата.

Предлагаемый способ может быть реализован с использованием традиционных для тепловых насосов и бытовых холодильников низкокипящих жидкостей, например R 12, R 22, R 134a и т.д., или их смесей между собой или другими жидкостями (минеральными или синтетическими маслами, водой и т.д.).

Предлагаемый способ позволяет значительно улучшить достигнутые ранее технико-экономические показатели процессов термотрансформации.

ИСПОЛЬЗОВАНЫЕ ИСТОЧНИКИ

1. Соколов Е. Я. , Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. - М.: Энергоиздат, 1981, с. 14-66.

2. Теплофизические основы получения искусственного холода. Справочник. - М.: Пищевая промышленность, 1980, с. 50-51.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ трансформации тепловой энергии, включающий испарение части рабочей среды пониженного давления, сопровождаемое поглощением тепловой энергии низкотемпературного источника, смешение потоков частей рабочей среды в струйном аппарате, охлаждение потока рабочей среды с передачей тепловой энергии высокотемпературному приемнику, разделение рабочей среды на части, понижение давления одной из частей рабочей среды, отличающийся тем, что в струйном аппарате смешивают потоки жидкой и парообразной частей рабочей среды, причем последнюю подают в струйный аппарат компрессором.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в струйный аппарат возвращают часть жидкой рабочей среды после ее охлаждения.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в струйный аппарат подают часть нагретой жидкой рабочей среды.

4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что снижение давления одной из частей рабочей среды проводят дросселированием.

5. Способ по пп. 1 - 4, отличающийся тем, что перед дросселированием одной из частей рабочей среды ее дополнительно охлаждают.

6. Способ по пп.1 - 5, отличающийся тем, что в качестве рабочей среды используют смеси жидкостей с различными температурами кипения.

7. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что жидкую часть рабочей среды перед подачей в струйный аппарат дополнительно сжимают.

8. Устройство для трансформации тепловой энергии, включающее циркуляционный контур с установленными в нем последовательно испарителем, струйным аппаратом, подключенным с возможностью подачи в него потока пара, охладителем, дросселем или детандером, и коммуникации для подачи в струйный аппарат дополнительных потоков, отличающееся тем, что коммуникации подключают струйный аппарат в циркуляционному контуру на участке между охладителем и дросселем (детандером) с возможностью подачи жидкости, а в циркуляционном контуре на участке между струйным аппаратом и испарителем установлен компрессор.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что струйный аппарат имеет дополнительное подключение к циркуляционному контуру на участке между струйным аппаратом и охладителем.

10. Устройство по пп.8 и 9, отличающееся тем, что коммуникации содержат насос для перекачки жидкости.

11. Устройство по пп.8 - 10, отличающееся тем, что между охладителем и дросселем установлена разделительная емкость.

12. Устройство по пп. 8 - 11, отличающееся тем, что перед дросселем (детандером) установлен дополнительный охладитель.

Версия для печати
Дата публикации 30.12.2006гг

 

 

---

---