Тепловой насос - низкотемпературный двигатель и способ получения холода в нем

 

Использование: в теплоэнергетике, в холодильной технике. Сущность изобретения: компрессор выполнен изохорно-политропного типа, цилиндры снабжены системой подогрева-охлаждения рабочего тела внешним воздушным потоком, привод выполнен с возможностью обеспечения после такта всасывания неподвижности поршня на время осуществления изохорного процесса сжатия путем подогрева рабочего тела и затем последующего перемещения поршня для осуществления процессов политропного сжатия, нагнетания и очередного всасывания. Устройство обеспечивает изохорный подогрев хладагента за счет тепла, отбираемого от окружающей среды, уменьшение затрат работы на дожатие газа до максимального давления в цикле. Процесс подогрева рабочего тела при V_хол = const, где V_хол - удельный объем криоагента после расширения или после емкости хранения, делает возможным использование теплового насоса в качестве низкотемпературного теплового двигателя. 2 с. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к теплонергетике при применении альтернативных источников тепла для производства механической энергии в экологически чистых агрегатах.

Область применения - холодильная техника.

Цель - повышение экономичности обратного цикла на рабочем теле- криоагента типа воздух, азот, аргон и т. д.

Тепловой насос содержит пусковую емкость 1, многоцилиндровый компрессор 2 изохорно-политропного типа, всасывающий коллектор 3, выхлопной коллектор 4, систему обогрева-охлаждения цилиндров 8, механизм 12 принудительного перемещения поршней от нижней мертвой точки к верхней. Высоконапорный охладитель 5 размещен между коллектором 4 и турбиной 6, присоединенной к генератору 7. Вентилятор 9 примыкает к входному патрубку системы 8, а ее выходной патрубок 10 трубопроводами включен в секции 11 охлаждаемых емкостей для хранения продуктов.

Способ работы теплового насоса - низкотемпературного двигателя характеризует обратный цикл 0-1-2-3-0. Из пусковой емкости 1 или турбины 6 отбирают криоагент с параметрами Т_онизш ≥ Т_кр; Р_онизш ≥ 0,1 МПа; S_o ≥ S_кр; V_oмакс ≥ V_кр; I_oмин = const и осуществляют изохорный подогрев криоагента (процесс 0-1) до Т₁ ≅ 300 К, при отборе тепла от материала цилиндра, поршня и внешнего потока обогревающего воздуха. После достижения температуры Т₁ и давления Р₁ поршень перемещают от нижней мертвой точки к верхней, а газ выталкивают из цилиндра при Р_макс = const; Т_макс = const; I_макс = const в охладитель 5 (политропный процесс 1-2).

В охладителе 5 ведут отбор тепла от рабочего тепла и его передачу в естественный холодный источник при реализации изобарного (Р_макс = const) процесса 2-3.

В турбине 6 осуществляют изоэнтропное - (политропное) (процесс 3-0) расширение газа от Р_макс = const до Р_мин = const при Т_макс = 300 К с производством внешней работы и воспроизводят криоагент с параметрами Т_{низш о} ≥ Т_крит; Р_{низш о} ≥ 0,1 МПа; S_o ≥ S_крит; V_{охол макс} = const; I_oмин = const для возбуждения цикла 0-1-2-3-0 на рабочем режиме работы установки.

Изобретение относится к теплоэнергетике с применением нетрадиционных источников тепла для производства внешней работы, полезного холода и высокотемпературного тепла. Оно может быть реализовано в сельском хозяйстве, химической промышленности и других отраслях техники.

Известна воздушная холодильная машина (Литвин А. М. Техническая термодинамика. М. -Л. , Госэнергоиздат, 1963, с. 260-261). Она располагает компрессором, охладителем воздуха высокого давления, расширителем сжатого газа с производством внешней работы и подогревателем отработавшего газа при Р_мин = const, который включен во всасывающий патрубок компрессора.

Недостаток известной холодильной машины состоит в том, что она осуществляет подогрев хладагента при Р_низш = const и сжатие газа от Р_мин= const до Р_макс = const только за счет расхода внешней работы (электронергии).

Цель изобретения - повышение экономичности при реализации обратного цикла на рабочем теле - криоагенте типа воздух, азот и т. д. ; восстановление части общего давления, расходуемого в цикле на производство внешней работы, осуществление в ходе реализации самопроизвольного, естественного процесса при V_{хол макс} = const за счет нетрадиционных источников тепла при Т_атм - Т_хол ≥ 0; воспроизводство криоагента при Т_низш ≥ Т_крит; Р_{низш о} ≥ 0,1 МПа; S_{хол низш о} ≥ S_кр; V_{хол макс} ≥ V_крит, I_{хор мин о} = const осуществлять только за счет работы, получаемой в результате изоэнтропного (политропного) расширения газа от Р_макс = const до Р_мин = сonst при Т_макс = 300 К.

Цель достигается тем, что объект изобретения располагает изохорно-политропным многоцилиндровым компрессором с системой обогрева-охлаждения цилиндров снаружи, механизмом выталкивания газа при Р_макс = const из компрессора, высоконапорным внешним охладителем газа при Р_макс = const, расширителем газа от Р_макс = = const до Р_мин = const, с генератором для производства электроэнергии, расходуемой на привод элементов компрессора и свободную энергию, при реализации замкнутого термодинамического обратного цикла.

На фиг. 1 дана схема теплового насоса - низкотемпературного двигателя.

Он состоит из емкости 1 для хранения и распределения криоагента, присоединенной к компрессору 2 при помощи всасывающего коллектора 3, который может быть включен и непосредственно в выхлопной патрубок турбины 6.

Компрессор 2 изохорно-политропного типа - многоцилиндровый, выхлопной коллектор 4 присоединен к высоконапорному внешнему охладителю 5, включенному во входной патрубок турбины 6, к валу которой примыкает электрогенератор 7. Компрессор 2 располагает системой внешнего обогрева-охлаждения цилиндров 8 проходящим потоком воздуха, поступающим от вентилятора 9 и отводимым от патрубка 10 в охлаждаемые секции 11 для хранения различных продуктов. Механизм 12 перемещения поршней внутри цилиндров от нижней мертвой точки к верхней, может быть индивидуальным, групповым с механическим, гидравлическим, электрическим либо тепловым приводом.

Способ работы теплового насоса-низкотемпературного двигателя на фиг. 2 и 3 представлен в виде обратного цикла 0-1-2-3-0 в координатах РV и TS.

Из емкости 1, либо непосредственно от турбины 6 в цилиндр компрессора 2 при помощи коллектора 3 подают криоагент с параметрами Т_о≥ Т_крит; Р_о ≥ 0,1 МПа; S_o ≥ S_крит; V_{о макc} ≥ V_кр; I_мин = const и осуществляют изохорный, V_{хол макс} = const подогрев криоагента до Т₁ ≅ 300 К с повышением давления газа в цилиндре до уровня Р₁ МПа за счет тепла омывающего цилиндр потока воздуха, тепла цилиндра и поршня (процесс 0-1).

После подогрева криоагента до Т₁ дожимают газ от Р₁ ≥ 0,1 МПа до Р_макс = const политропно (процесс 1-2), выталкивают рабочее тело из цилиндра в охладитель 5 при Р_макс = const, где охлаждают от T₂ = const до Т₃ = 300 К = const - (процесс 2-3).

В турбине 6 изоэнтропно - (политропно) расширяют газ от Р_3макс = const до Р_{мин о}= const и понижают его температуру от Т₃= 300 К до Т_{низш о}≥ Т_крит за счет производства внешней работы. При этом воспроизводят криоагент с параметрами Т_о ≥ Т _кр; Р_о ≥ 0,1 МПа; S_o S_кр; V_{o макс хол} V_крит; I_{о мин} = const; для возобновления цикла 0-1-2-3-0 в той же последовательности на рабочем режиме.

Тепловой баланс цикла 0-1-2-3-0 Q₁ + L_сжат - Q₂ - L_расш = 0; Q₁, кДж/кмоль - внешнее тепло, потребляемое криоагентом в процессе 0-1; Q₂, кДж/кмоль - высокотемпературное тепло, передаваемое в атмосферу; L_расш = пл. 0'-3'-3-0-0' - внешняя работа, производимая в расширителе (фиг. 2) (процесс 3-0).

L_сжат = пл. 1-2-3-3'-1'-1 - внешняя работа, потребляемая компрессором в процессе 1-2 (фиг. 2).

Требования второго закона термодинамики В периодически действующей машине внешняя тепловая энергия самопроизвольно переходит от горячего источника к холодному и может быть преобразована в высокотемпературное тепло и внешнюю механическую энергию.

ΔT= T₂- T_атм > 0; - изохорный процесс V_{хол макс} = const; P₁ = ; Δ Тʹ_тепл = Т_атм - Т₁ ≥ 0; - самопроизвольный, без расхода внешней работы, при росте давления. Р₁ > Р_о; Δ Т_гор = Т₂ - Т_атм > 0; - изобарный процесс охлаждения газа Δ Т'_гор = Т₃ - Т_атм ≥ 0; самопроизвольный. Он обеспечивает уменьшение энтропии при Р_макс = const. S₃ < S₁; Холодильный коэффициент
K = = 0
ΣL_общ = L_сжат - L_расш 0; (56) 1. Отказная заявка СССР на открытие 32-ОТ-6290 от 7.02.1967 г. , автора Мирошниченко О. И.

2. Литвин А. М. Техническая термодинамика, М, -Л. , 1963, с. 258-263.

3. Патент ФРГ N 3010389, кл. F 01 K 25/10, опубл. 1981.

4. Патент ФРГ N 2823447, кл. F 03 G 7/00, опубл. 1981.

5. Патент США N 3668882, кл. 62-77, опубл. 1972.

6. Патент Франции N 2278947, кл. F 03 G 7/00, опубл. 1976.

7. Патент ФРГ N 3425472, кл. F 03 G 7/00, опубл. 1982.

8. Мартыновский В. М. Циклы, схемы характеристики термотрансформаторов. М. : Энергия, 1979.

Формула изобретения

1. Тепловой насос-низкотемпературный двигатель, содержащий компрессор, расширительное устройство с механизмами обслуживания, систему использования охлажденного воздуха и высокотемпературного тепла и соединительные трубопроводы, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности при реализации обратного цикла на рабочем телекриоагенте, дополнительно содержит емкость хранения пускового криоагента, компрессор выполнен многоцилиндровым изохорно-политропного типа, цилиндры снабжены системой теплообмена рабочего тела с окружающей средой, причем каждый цилиндр через выхлопной коллектор подсоединен к входу расширительного устройства высокого давления, а выходной патрубок последнего через емкость подключен непосредственно к цилиндрам компрессора.

2. Способ получения холода в тепловом насосе-низкотемпературном двигателе путем сжатия криоагента в поршневом компрессоре и его расширения, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности при получении полезного холода, внешней работы и высокотемпературного тепла, криоагент после расширения в расширительном устройстве или из емкости хранения подают в цилиндры компрессора изохорно-политропного типа при Т_низш. T_кр. P_хол. ≥0,1 МПа, S_низш. S_крит., V_хол. V_крит. в процессе перемещения поршня к нижней мертвой точке, ведут изохорный подогрев криоагента внешним потоком атмосферного воздуха при расположении поршня в нижней мертвой точке, а после подогрева криоагента от Т_низш. до T ≅К при V_хол = const перемещают поршень к верхней мертвой точке повышения давления хладагента до P_max и удаляют из цилиндра при P _max = const и отборе тепла от криогента к внешнему потоку атмосферного воздуха, обтекающему наружную поверхность цилиндра, причем после расширения криоагент возвращают в цилиндры компрессора при Т_низш T_кр, P_низш. ≥0,1 МПа, S_низш. V_хол V_кр,
где T_низш и T_крит - низшая и критическая температуры криоагента;
P_хол - давление криоагента после расширения или после емкости хранения;
S_низш и S_крит - низшее и критическое значения энтропии криоагента;
V_хол и V_крит - удельный объем криоагента после расширения или после емкости хранения и в критической точке.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3