СПОСОБ ДОСТИЖЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОГО ОТОПИТЕЛЬНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

СПОСОБ ДОСТИЖЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОГО ОТОПИТЕЛЬНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ


RU (11) 2083932 (13) C1

(51) 6 F25B30/00 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 07.12.2007 - может прекратить свое действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 94004301/06 
(22) Дата подачи заявки: 1994.02.08 
(45) Опубликовано: 1997.07.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы. - М.: Энергоиздат, 1982, с. 16 - 17, 34 - 36. 
(71) Заявитель(и): Конов Алексей Филиппович 
(72) Автор(ы): Конов Алексей Филиппович 
(73) Патентообладатель(и): Конов Алексей Филиппович 

(54) СПОСОБ ДОСТИЖЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОГО ОТОПИТЕЛЬНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 

Использование: в разработке тепловых насосов, холодильных машин и трансформаторов тепла. Сущность изобретения: хладагент выбирают так, чтобы его критическая температура была близка или равна температуре охлаждаемой среды. Затем выбранный хладагент перед сжатием приводят в критическое состояние, а сжатие производят до состояния, соответствующего точке Бойля. Показывается, что в этом случае отопительный коэффициент достигает максимального значения. 2 с.п. ф-лы, 2 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к технологии преобразования тепловой энергии и может быть использовано в тепловых насосах, холодильных машинах, трансформаторах тепла.

Согласно законам термодинамики, если тепловой насос работает по обратному циклу Карно, то его отопительный коэффициент определяется соотношением



где

Т1 температура отопляемого помещения;

Т2 температура окружающей среды.

Из выражения (1) следует, что природа хладагента не влияет на величину отопительного коэффициента, а его значение зависит только от температуры окружающей среды и температуры отопляемого помещения, причем, если значения этих температур становятся равными, то величина отопительного коэффициента стремится к бесконечности.

Мировой опыт эксплуатации тепловых насосов показывает, что отопительный коэффициент практически не превышает значения пяти, а изменение этого коэффициента от 3 до 5 обусловлено именно природой хладагента. Отсюда следует, что в настоящее время не существует физического обоснования причин, определяющих максимальное значение отопительного коэффициента, а значит и механизма влияния природы хладагента на его величину.

Известно техническое решение [1] близкое к заявленному. Однако недостатком этого решения является то, что оно не позволяет использовать для повышения отопительного коэффициента давление хладагента, возникающее при температуре окружающей среды.

Цель изобретения заключается в достижении максимального отопительного коэффициента в тепловых насосах.

Способ достижения максимального отопительного коэффициента тепловых насосов, включающий нагрев хладагента путем подвода тепла из окружающей среды, его всасывание и последующее сжатие в компрессоре с повышением температуры, отвод высокопотенциального тепла в отапливаемое помещение и расширение хладагента с понижением температуры, отличается тем, что для осуществления цикла теплового насоса выбирают хладагент с критической температурой, близкой или равной температуре окружающей среды, всасывание хладоагента в компрессор производят при параметрах его критического состояния, а также сжатие ведут до параметров, при которых коэффициент сжимаемости равен единице, при этом отопительный коэффициент определяют из соотношения



где

R газовая постоянная;

Tz=1 температура хладагента при достижении коэффициента сжатия равного единице;

Tп температура отопляемого помещения;

lсж работа в процессе адиабатного сжатия.

Установка для достижения максимального отопительного коэффициента тепловых насосов, содержащая включенные в замкнутый циркуляционный контур компрессор, теплообменники и детандер, отличается тем, что установка снабжена сосудом, включенным в циркуляционный контур, и редукционным клапаном, установленным перед детандером, компрессор выполнен поршневым с впускным и выпускным клапанами, при этом цилиндр компрессора размещен в сосуде, а дно поршня снабжено дополнительным впускным клапаном.

На фиг. 1 представлена схематически установка, реализующая предлагаемый способ; на фиг. 2 индикаторная диаграмма работы адиабатного сжатия реального и идеального газов.

Установка содержит емкость с хладагентом 1, в которую помещен цилиндр компрессора 2, соединенный последовательно с теплообменником отопляемого помещения 3, редукционным клапаном 4, детандером 5 и теплообменником окружающей среды.

Тепловой насос работает следующим образом. Хладагент поступает в теплообменник 6, где нагревается до температуры окружающей среды и поступает в сосуд 1, в котором компрессором 2 сжимается до состояния, при котором коэффициент сжимаемости равен единице и нагнетается в теплообменник 3, затем, после охлаждения, через редукционный клапан 4 поступает в детандер 5 и совершив работу возвращается в теплообменник окружающей среды 6. Затем цикл повторяется.

Пример реализации предлагаемого способа. Если температура окружающей среды Tс 31oC, то в качестве хладагента можно использовать двухокись углерода, поскольку критическая температура CO2 равна Tкр 31oC. В сосуде 1 двуокись углерода приводят в критическое состояние, при этом его параметры будут равны Pк 73 атм. Tк 304К и Vк 97 см3/моль. При сжатии CO2 до состояния, при котором коэффициент сжимаемости z 1. Это состояние известно также как точка Бойля. В точке Бойля параметры хладагента примут значения PБ 306 атм, TБ 912К, V 70 см3/моль.

Если температура отопляемого помещения равна температуре окружающей среды, то отопительный коэффициент согласно формуле (2) будет равен



Известно, что температура в точке Бойля в три раза выше критической температуры, т.е. Tб 3Tк. А поскольку температура отопляемого помещения равна температуре среды и в то же время эта температура равна критической температуре двуокиси углерода, то Tп Tср Tк. В этом случае отопительный коэффициент равен



В точке Бойля реальный газ приобретает свойство идеального газа. Потенциальная энергия реального газа равна нулю, а коэффициент сжимаемости равен



а в критической точке



Коэффициент сжимаемости в критической точке уменьшается вследствие взаимодействия атомов газа. Потенциальная энергия в критической точке равна 2/3 общей энергии газа. При адиабатном сжатии газа от критической точки до точки Бойля, потенциальная энергия полностью превращается в тепловую энергию. Полная энергия газа в точке Бойля EБ 3R3Tк, а количество тепловой энергии, которое может отдать сжатый хладагент в отопляемое помещение равно E 3R2Tк.

Для вычисления отопительного коэффициента необходимо вычислить работу адиабатического сжатия lсж. Эта работа может быть определена из выражения



В выражении (3) Vб и Vк координаты точки Бойля и критической точки на плоскости PV. Для интегрирования выражения (3) необходимо вместо P подставить уравнение реального газа. Это уравнение должно предсказывать координаты критической точки и точки Бойля, поскольку кривая, отражающая это уравнение должна проходить через обе точки. Без определения координат этих точек невозможно определить границы интегрирования. Уравнение должно также предсказывать превращение потенциальной энергии в кинетическую энергию молекул при адиабатном сжатии, причем это превращение должно быть таким, чтобы общая энергия была постоянной в любой точке процесса. Например, для интегрирования (3) невозможно использовать уравнение Ван-дер-Ваальса, поскольку это уравнение не предсказывает точки Бойля, а предсказываемая координата критической точки не совпадает с экспериментально установленной. Уравнение Ван-дер-Ваальса не предсказывает также превращения потенциальной энергии в кинетическую при сжатии от критического объема до точки Бойля.

Указанным требованиям соответствует уравнение состояния реального газа, которое в безразмерных переменных имеет вид



где P, V, T приведенные значения давления, объема и температуры.

Уравнение (4) предсказывает координаты критической точки и точки Бойля, оно дает также обоснование изменению коэффициенту сжимаемости в этих точках. Можно также убедиться в том, что уравнение (4) предсказывает превращение потенциальной энергии в кинетическую в процессе сжатия, причем на любой стадии этого процесса общая энергия реального газа остается постоянной.

Определив границы интегрирования в выражении (3) и подставив вместо P его значение из (4) находим, что работа сжатия lсж равна площади под кривой ВК (фиг.2). Эта площадь уменьшена на величину площади Уменьшение площади обусловлено конструкцией компрессора. Поскольку при сжатии поршень испытывает давление хладагента находящегося в сосуде 1. Величина этого давления равна критическому давлению данного хладагента. Работа, выполняемая этим давлением, равна площади K1 1/2DK

Таким образом, работа, производимая компрессором при сжатии, равна площади BKDB. Численно эта работа равна lсж 0,3T R91K. Поскольку известна энергия, которая может быть передана в отопляемое помещение E 3R2Tк, то, поделив ее на энергию сжатия, получим величину отопительного коэффициента



Для двуокиси углерода при использовании ее в качестве хладагента при докритическом состоянии отопительный коэффициент равен 2.56 ([1] табл.3), что в 7,7 раза меньше максимального значения отопительного коэффициента.

Если в качестве хладагента используется идеальный газ, то работа сжатия определяется площадью (фиг.2). Из этой площади следует вычесть работу, равную площади DC3 1/2D Тогда затраченная работа компрессором на сжатие идеального газа равна lсж 2T. Переходя к размерным переменным и подставляя в формулу (2) это значение, получим отопительный коэффициент с идеальным газом, который равен =3

Таким образом, при равенстве температур отопляемого помещения и окружающей среды отопительный коэффициент теплового насоса, с подобранным соответственным образом хладагентом, достигает максимального, но строго определенного значения и его величина, при данных условиях, не стремится к бесконечности. Отопительный коэффициент уменьшается, если в качестве хладагента используется идеальный газ. Уменьшение отопительного коэффициента будет наблюдаться и при использовании реального газа ниже критического состояния.

На фиг. 2 точка K соответствует критическому состоянию хладагента. Точка B является точкой Бойля. Кривая BCR представляет собой изотерму идеального газа. Кривая BKF описывает критическую изотерму реального газа (4). Внутренние энергии реального и идеального газа равны между собой. В точке Бойля пересекаются кривые, описывающие состояние реального и идеального газов. В этой точке оба газа являются идеальными газами и член под знаком модуля в уравнении (4) обращается в нуль.

Формула (2) описывает случай с максимальным отопительным коэффициентом. Однако, используя уравнение (4) и формулу (2), можно определить значение отопительного коэффициента при любой температуре среды и отопляемого помещения и при любом хладагенте. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. Способ достижения максимального отопительного коэффициента тепловых насосов, включающий нагрев хладагента путем подвода тепла из окружающей среды, его всасывание и последующее сжатие в компрессоре с повышением температуры, отвод высокопотенциального тепла в отапливаемое помещение и расширение хладагента с понижением температуры, отличающийся тем, что для осуществления цикла теплового насоса выбирают хладагент с критической температурой, близкой или равной температуре окружающей среды, всасывание хладагента в компрессор производят при параметрах его критического состояния, а также сжатие ведут до параметров, при которых коэффициент сжимаемости равен единице, при этом отопительный коэффициент определяют из соотношения



где R газовая постоянная;

Tz=1 температура хладагента по достижении коэффициента сжатия, равного единице;

Tп температура отопляемого помещения;

lсж работа в процессе адиабатного сжатия.

2. Установка для достижения максимального отопительного коэффициента тепловых насосов, содержащая включенные в замкнутый циркуляционный контур компрессор, теплообменники и детандер, отличающаяся тем, что установка снабжена сосудом, включенным в циркуляционный контур, и редукционным клапаном, установленным перед детандером, компрессор выполнен поршневым с впускным и выпускным клапанами, при этом цилиндр компрессора размещен в сосуде, а дно поршня снабжено дополнительным впускным клапаном.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал
Насосы и компрессорное оборудование






СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+центробежный -насос".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "насос" будут найдены слова "насосы", "насосом" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("насос!").



Рейтинг@Mail.ru