способ в.ф.погорелова трансформации тепла при опреснении и концентрировании растворов вымораживанием и комбинированный тепловой насос для его осуществления
Классы МПК: | F25B29/00 Комбинированные нагревательные и охладительные системы, например работающие одновременно или попеременно |
Патентообладатель(и): | Погорелов Валентин Федорович[UA] |
Приоритеты: |
подача заявки:
1990-09-13 публикация патента:
20.04.1995 |
Использование: в способах и комбинированных тепловых насосах для трансформации тепла с одновременным опреснением и концентрированием растворов вымораживанием. Цель - повышение эффективности работы и упрощение конструкции. Сущность изобретения: способ включает сжатие, охлаждение и конденсацию, дросселирование и испарение, а также разделение потока хладагента на заданное число составляющих потоков, вымораживание из раствора и плавление льда, вывод сконцентрированного раствора и нагретого теплоносителя потребителю. Новым в способе является двукратное разделение потока хладагента перед дросселированием, что позволяет ускорить процесс плавления льда. Комбинированный тепловой насос содержит циркуляционные контуры хладагента, раствора и теплоносителя, в которые параллельно включено заданное число теплообменников. Новым в устройстве является сообщение выходов теплообменников с выходом форконденсата и снабжение каждого теплообменника своим дросселем. Конструкция упрощена за счет исключения конденсатора при сохранении двухстадийности процесса охлаждения и конденсации хладагента, а также за счет увеличения числа теплообменников с процессом вымораживания льда, приходящихся на один теплообменник с процессом плавления льда, что, несмотря на уменьшение общего числа теплообменников, увеличивает производительность по льду и повышает эффективность работы. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4
Формула изобретения
1. Способ трансформации тепла при опреснении и концентрировании растворов вымораживанием, включающий сжатие хладагента, двухэтапные охлаждение и конденсацию, дросселирование и испарение сжатого хладагента, нагрев теплоносителя, разделение потоков хладагента, раствора и отделенной части теплоносителя на заданные количества составляющих потоков и последующее объединение их в единые потоки, подачу и охлаждение исходного раствора, вымораживание из него льда и плавление льда составляющими потоками соответственно хладагента и теплоносителя, при этом количества составляющих потоков хладагента и теплоносителя определены из отношения длительностей процессов вымораживания и плавления льда, представленном в виде простой дроби, а процессы вымораживания и плавления льда проводят с временным сдвигом, равным частному от деления времени одного полного цикла на сумму числителя и знаменателя указанной простой дроби, вывод сконцентрированного раствора и нагретого теплоносителя потребителю, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности путем использования составляющих потоков хладагента для ускорения плавления льда, осуществляют двукратное разделение потоков хладагента перед его дросселированием на заданные количества составляющих потоков, причем первое разделение проводят после первого охлаждения и конденсации хладагента, второе разделение после его второго охлаждения и конденсации, одновременно с которыми хладагентом осуществляют дополнительное плавление льда, а после второго разделения проводят дросселирование и испарение полученных вторичных составляющих потоков хладагента, при этом количества составляющих потоков хладагента при втором и первом разделениях заданы соответственно числителем и знаменателем указанной простой дроби. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения качества вымораживаемого льда, проводят подогрев раствора перед его вымораживанием. 3. Комбинированный тепловой насос для трансформации тепла при опреснении и концентрировании растворов вымораживанием, содержащий циркуляционный контур хладагента, включающий в себя последовательно соединенные компрессор, форконденсатор и заданное число взаимно параллельно включенных теплообменников, выходы которых по хладагенту сообщены с входом компрессора, во входах по хладагенту установлены основные переключатели потоков, сообщенные между собой трубопроводами, дроссель, сообщенный выходом по хладагенту с одним из основных переключателей потоков, циркуляционный контур раствора, включающий насос раствора, и циркуляционный контур теплоносителя, включающий насос теплоносителя и первый теплообменник-охладитель, причем в контуры раствора и теплоносителя теплообменники включены параллельно своими входами и выходами посредством переключателей потоков соответственно по раствору и по теплоносителю, а также линию охлаждения исходного раствора с последовательно установленными в ней первым и вторым теплообменниками-охладителями, линии вывода сконцентрированного раствора и теплоносителя потребителю, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции и повышения производительности, выходы теплообменников по хладагенту через дополнительные переключатели потоков соединены с выходом форконденсатора, основной дроссель автономно подсоединен к одному из основных переключателей потока, а к остальным основным переключателям потоков подсоединено по одному дополнительному дросселю, причем входы всех дросселей напрямую сообщены между собой, а также с другими дополнительными переключателями потоков, установленными в трубопроводах, которыми сообщены соседние основные переключатели потоков, при этом форконденсатор включен по теплоносителю в циркуляционный контур теплоносителя. 4. Насос по п.3, отличающийся тем, что основные и другие дополнительные переключатели потоков совместно с дополнительным стыковочным переключателем потока соединены трубопроводами с образованием замкнутого контура, а входы дополнительных переключателей потоков теплообменников, а также другие входы этих же переключателей, а также входы и выходы всех переключателей потоков теплообменников по раствору и по теплоносителю соединены соответственно друг с другом посредством соответствующих замкнутых проточных контуров. 5. Насос по п.4, отличающийся тем, что все замкнутые проточные контуры по хладагенту, раствору и теплоносителю выполнены в виде соответствующих соединительных узлов. 6. Насос по пп.3 5, отличающийся тем, что второй теплообменник-охладитель включен в циркуляционный контур раствора.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к способам и устройствам для трансформации тепла с одновременным опреснением и концентрированием жидких растворов вымораживанием. Известен способ трансформации тепла при опреснении и концентрировании растворов вымораживанием, по которому осуществляют подачу и двухэтапное охлаждение исходного раствора, двухэтапный нагрев потока теплоносителя, сжатие, дросселирование и испарение хладагента, полуцикл вымораживания льда из раствора и полуцикл плавления этого льда, вывод сконцентрированного раствора и нагретого теплоносителя потребителю. Недостатком известного способа является прерывистость во времени более короткого из двух полуциклов при их неодинаковой длительности, что снижает эффективность способа. Известен способ трансформации тепла при опреснении и концентрировании растворов вымораживанием, включающий подачу, первое и второе охлаждение исходного раствора, первый и второй нагревы теплоносителя, сжатие хладагента, первое и второе охлаждение и конденсацию сжатого хладагента, разделение потоков хладагента, раствора и отделенной части потока теплоносителя на заданные количества составляющих потоков, дросселирование и испарение хладагента, охлаждение раствора и вымораживание из него льда при испарении составляющих потоков хладагента, плавление льда составляющими потоками теплоносителя, объединение составляющих потоков хладагента, раствора и теплоносителя соответственно в единые потоки, вывод сконцентрированного раствора и нагретого теплоносителя потребителю. При этом отношением длительностей процессов вымораживания и плавления льда, представленным в виде простой дроби, определено количество составляющих потоков соответственно хладагента после дросселирования, равное числителю дроби, и теплоносителя, равное знаменателю дроби, а процессы вымораживания и плавления льда производят со сдвигом во времени относительно друг друга, определяемым как обратная величина суммы числителя и знаменателя указанной простой дроби от времени полного цикла. При этом обеспечиваются непрерывность во времени обоих полуциклов со льдом (вымораживание и плавление) независимо от соотношения их длительностей и соответственно непрерывность получения целевых продуктов в виде сконцентрированного раствора и нагретого теплоносителя. Кроме того, снижаются расходы внешней подпитывающей воды. Недостатком известного способа является невозможность плавления льда иначе, как с помощью теплоносителя, что не позволяет сократить длительность процесса плавления и тем самым повысить эффективность способа. Известен тепловой насос, содержащий циркуляционные контуры хладагента, раствора и теплоносителя, причем все три контура связаны параллельно между собой через два параллельно включенных теплообменника (ТО) контура хладагента, а также линии охлаждения исходного раствора, выводов сконцентрированного раствора и нагретого теплоносителя потребителю. Недостатком насоса является снижение эффективности трансформации тепла в случае различных длительностей полуциклов вымораживания и плавления льда из-за вызванных этим обстоятельством простоев ТО по окончании более кратковременного полуцикла. Известен комбинированный тепловой насос для осуществления известного способа, содержащий циркуляционный контур хладагента, включающий последовательно соединенные компрессор, форконденсатор и заданное число параллельно включенных друг другу ТО, выходы которых по хладагенту сообщены с входом компрессора, а во входах которых по хладагенту установлены переключатели потоков, последовательно сообщенные между собой трубопроводами, дроссель, сообщенный выходом с одним из переключателей потоков, циркуляционные контуры раствора, включающие насосы раствора и теплоносителя и первый ТО-охладитель, в которые вышеуказанные ТО включены параллельно своими входами и выходами посредством переключателей потоков соответственно по раствору и по теплоносителю, а также линию охлаждения исходного раствора с последовательно установленными в ней упомянутым первым, а также вторым ТО-охладителями, линии вывода сконцентрированного раствора и теплоносителя потребителю, соединительные трубопроводы. В насосе исключены простои ТО при различном соотношении длительностей полуциклов вымораживания и плавления льда. Недостатками насоса-прототипа являются сложность конструкции из-за установки второго конденсатора, а также пониженная эффективность из-за малого числа ТО, в которых идет процесс вымораживания льда, приходящихся на один ТО, в котором идет процесс плавления льда. Цель изобретения повышение эффективности путем использования составляющих потоков хладагента для ускорения плавления льда, а также упрощение конструкции путем исключения конденсатора и повышение компактности. Для достижения цели по способу разделение потока хладагента на составляющие потоки осуществляют перед его дросселированием и дважды, при этом первое разделение производят между первым и вторым охлаждением и конденсацией хладагента, во время второго охлаждения и конденсации хладагента последним дополнительно осуществляют плавление льда, а после второго охлаждения и конденсации хладагента и перед его дросселированием проводят второе разделение хладагента на составляющие потоки, после чего проводят подогрев раствора перед вымораживанием, дросселирование и испарение указанных вторичных составляющих потоков хладагента, причем числителем и знаменателем вышеупомянутой простой дробы определены количества составляющих потоков хладагента соответственно при втором и первом разделении. Для достижения цели в комбинированном тепловом насосе выходы ТО по хладагенту через дополнительные переключатели потоков соединены с выходом форконденсатора, каждый ТО снабжен своим дросселем, выход которого сообщен со своим основным переключателем потока, при этом входы дросселей напрямую сообщены трубопроводами между собой, а также с другими дополнительными переключателями потоков, установленными в трубопроводах, которыми сообщены соседние основные переключатели потоков, причем форконденсатор включен в циркуляционный контур теплоносителя, а второй ТО-охладитель включен в циркуляционный контур раствора. Кроме того, для достижения цели в комбинированном тепловом насосе основные и другие дополнительные переключатели потоков по хладагенту посредством дополнительного стыковочного переключателя потока соединены трубопроводами друг с другом с образованием замкнутого контура, а дополнительные переключатели потоков ТО по хладагенту и вход компрессора, а также эти же дополнительные переключатели потоков ТО по хладагенту и выход форконденсатора, а также все дроссели совместно с указанными дополнительным стыковочным и другими дополнительными переключателями потоков по хладагенту, а также все переключатели потоков ТО по входу и выходу раствора и теплоносителя соединены соответственно друг с другом при помощи соответствующих замкнутых проточных контуров. Для упрощения конструкции и повышения компактности все замкнутые проточные контуры по хладагенту, раствору и теплоносителю выполнены в виде соответствующих соединительных узлов. Перечисленные признаки отличают заявленное техническое решение от прототипа и обуславливают соответствие его критерию "новизна". Рассмотрим соответствие заявленного решения критерию "существенные отличия". Для этого определим, в каких известных технических решениях имеются признаки, сходные с признаками, отличающими заявленное решение от прототипа, и сравним свойства заявленного и известного решений, обусловленные наличием в них указанных признаков. Известен тепловой насос, в котором второй ТО-охладитель линии охлаждения исходного раствора включен в циркуляционный контур раствора. Других известных способов и устройств со сходными признаками не обнаружено. На основании проведенного анализа патентной и научно-технической литературы можно сделать вывод, что заявленное техническое решение обладает существенными отличиями. Приведем доказательства возможности достижения положительного эффекта при осуществлении изобретения. В прототипе способе и комбинированном тепловом насосе поток хладагента разделяют после дросселирования, а плавление льда осуществляют с помощью только теплоносителя. При этом после сжатия в компрессоре охлаждение и конденсация горячих паров хладагента производятся в два этапа, для чего в устройстве имеются форконденсатор и конденсатор. Заявленные способ и комбинированный тепловой насос для осуществления способа отличаются от прототипа тем, что после того, как горячий поток хладагента частично отдает тепло теплоносителю в форконденсаторе (первый этап охлаждения), поток хладагента первый раз разделяют на составляющие потоки и направляют в заданное число ТО, где они через стенку ТО отдают тепло намороженному на ней льду (второй этап охлаждения и конденсации), ускоряя плавление льда снизу. Таким образом, ТО в этот момент является плавителем льда. Затем производят второе разделение хладагента на составляющие потоки, каждый из которых дросселируется и направляется в соответствующий ТО, в котором происходит испарение хладагента и вымораживание льда. При этом вход и выход каждого ТО дополнительно приобретает противоположную функцию: вход на какое-то время становится выходом, а выход входом. Соответственно этому ТО становится то испарителем-заморозителем, то плавителем с выполнением функции конденсатора, т. е. приобретает новые свойства. Тем самым, хотя конструкция упрощена и конденсатор прототипа исключен из холодильного контура, функции конденсатора периодически выполняет каждый ТО дополнительно к своей основной функции, и практически насос работает с двумя конденсаторами, т.е. сохраняется двухэтапное охлаждение и конденсация паров хладагента. Таким образом очевидно, что в результате исключения конденсатора конструкция заявленного решения упрощается. Однако несмотря на это, как и в прототипе, сохраняется двухэтапность охлаждения и конденсации горячих паров хладагента. Достигается это благодаря тому, что попеременно являются то испарителями-заморозителями, то конденсаторами-плавителями, т. е. вместо ликвидированного конденсатора в его качестве выступают сами ТО с намороженным на их поверхностях в предыдущих фазах цикла льдом. Это повышает эффективность охлаждения горячих паров хладагента, так как охлаждение их происходит при температуре поверхности с намороженным на ней льдом, т.е. при более низкой температуре, чем при температуре охлаждающего теплоносителя в конденсаторе прототипа. С другой стороны, намороженный лед получает дополнительное тепло снизу от горячего хладагента через стенку ТО, в результате чего ускоряется плавление льда, так как лед плавится снизу хладагентом, а сверху теплоносителем. Это приводит к сокращению по сравнению с прототипом времени плавления льда, а отсюда общего числа необходимых ТО, а также одновременному увеличению числа ТО-испарителей, в которых идет процесс вымораживания, приходящихся на один ТО-плавитель, в котором идет процесс плавления льда. Действительно пусть в заявленном решении время плавления сокращается, например, на одну треть. Тогда для случая трех ТО, как и в прототипе, где соотношение времен полуциклов вымораживания и плавления льда равно 2:1, имеют новое соотношение времен для заявленного решения: 2:1![способ в.ф.погорелова трансформации тепла при опреснении и концентрировании растворов вымораживанием и комбинированный тепловой насос для его осуществления, патент № 2033585](/images/patents/440/2033016/729.gif)
![способ в.ф.погорелова трансформации тепла при опреснении и концентрировании растворов вымораживанием и комбинированный тепловой насос для его осуществления, патент № 2033585](/images/patents/440/2033016/729.gif)
Класс F25B29/00 Комбинированные нагревательные и охладительные системы, например работающие одновременно или попеременно