способ получения холода и тепла в экологически чистой газовой холодильной установке и увеличения холодильного и отопительного коэффициентов

Формула изобретения

1. Способ получения холода и тепла в экологически чистой газовой холодильной установке путем многоступенчатых расширения, нагрева, сжатия и охлаждения хладагента первого обратного теплового цикла (ОТЦ), работающего по замкнутой схеме и получения дополнительного холода с помощью второго ОТЦ, работающего по замкнутой или разомкнутой схеме, отличающийся тем, что используется суммарный ОТЦ, состоящий из основного ОТЦ, работающего по замкнутой схеме и вспомогательного ОТЦ, работающего по замкнутой или разомкнутой схеме, получение дополнительного холода с помощью вспомогательного ОТЦ, необходимую в основном цикле работы обеспечивают работой турбины-детандера вспомогательного ОТЦ, ступенчатый нагрев хладагента основного ОТЦ между ступенями расширения производят отводом тепла от холодного источника, а ступенчатое охлаждение хладагента между ступенями сжатия основного ОТЦ производят частичным отводом тепла к горячему источнику и частично, при температурах ниже температуры горячего источника, отводом тепла от хладагента основного ОТЦ к хладагенту вспомогательного ОТЦ за счет полученного дополнительного холода во вспомогательном цикле.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве хладагента основного и вспомогательного ОТЦ используют один и тот же хладагент.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при заданных температурах горячего и холодного источников и при заданных степенях сжатия и расширения для повышения или понижения расхода хладагента в основном и вспомогательном ОТЦ соответственно повышают или понижают давление хладагента.

Описание изобретения к патенту

Изобретение предназначено для использования в области энергетики, транспорта, авиации и космонавтики, где необходимы холод и тепло.

Известен способ получения холода с помощью холодильных установок, работающих по обратному тепловому циклу. В обратном цикле работа сжатия L_k превышает работу расширения L_т и за счет подведенной работы L_ц из холодного источника отбирается тепло Q₂, а горячему источнику отдается тепло Q_l (соответственно на 1 кг рабочего тела l_k,l_т,1_ц,q₂,q₁). Работа L_ц подводится от какого-либо внешнего двигателя. Для характеристики эффективности холодильной установки применяется так называемый холодильный коэффициент , определяемый следующим образом:

= q₂/l_ц,

а отопительный коэффициент _отоп= +1 (см. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А. Е. Техническая термодинамика. - М.: Энергия, 1974, с. 370-371, 392).

- Общими недостатками холодильных установок являются:

-низкие значения холодильных, отопительных коэффициентов;

- токсичность хладагентов;

- нарушение экологии среды и др.

Известен способ получения холода и тепла с помощью газовой (воздушной) холодильной установки. Цикл этой холодильной установки в Т, s=диаграмме представлен на фиг.4. Хладагент - газ (воздух) - расширяется в детандере от давления p₁ до давления р₂, совершая работу, отдаваемую детандером внешнему потребителю (например, производя электроэнергию с помощью соединенного с детандером электрогенератора). Воздух, охлаждаемый в результате процесса адиабатного расширения в детандере от температуры T_l до температуры Т₂, поступает в охлаждаемый объем, из которого он отбирает тепло. Процесс передачи тепла от охлаждаемого объема к воздуху происходит при постоянном давлении воздуха (р₂=const). Отвод тепла из охлаждаемого объема возможен только в том случае, если температура воздуха в течение всего изобарного процесса отбора тепла будет меньше, чем температура охлаждаемого объема. В принципе температура воздуха на выходе из охлаждаемого объема Т₃ может сравняться с температурой охлаждаемых тел, но на практике она всегда ниже этой температуры.

Из охлаждаемого объема воздух направляется в компрессор (турбокомпрессор), где его давление повышается от р₂ до p₁ (при этом температура воздуха возрастает от Т₃ до Т₄). Сжатый компрессором воздух поступает в охладитель-теплообменник. Процесс в охладителе происходит при постоянном давлении воздуха (p₁=const).

Недостатком газовой (воздушной) холодильной установки является весьма значительное отличие холодильного коэффициента от обратного цикла Карно. Это определяется тем, что процессы отбора тепла из охлаждаемого объема и отдачи воздухом тепла в охладителе осуществляются не по изотерме, а по изобаре. Холодильный цикл становится теоретически более эффективным в случае меньшего переохлаждения воздуха, выходящего из детандера, по сравнению с охлаждаемым объемом.

Переохлаждение воздуха, выходящего из детандера, зависит от степени понижения давления в турбине-детандере, и чем меньше степень понижения давления, тем теоретически выше эффективность холодильного цикла. Но в этом случае уменьшается хладопроизводительность и для обеспечения ее на прежнем уровне необходимо увеличивать расход воздуха в контуре установки. Кроме этого на "узкий" цикл оказывает значительно большее влияние необратимость реальных процессов аднабатного сжатия и расширения в реальной установке (см. Кириллин В. А. , Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. - М.: Энергия, 1974, с. 373-374).

Известен способ работы турбохолодильной машины (см. SU 524051, кл. F 25 В 11/00, 11.11.1977 г.) путем сжатия в компрессоре воздуха, который затем охлаждают в двух последовательно установленных теплообменниках и расширяют в двух ступенях турбины (детандера).

Недостатком данного способа работы турбохолодильной машины является недостаточно высокая эффективность.

Из известных способов получения холода наиболее близким является способ получения холода и тепла в экологически чистой газовой холодильной установке путем многоступенчатых расширения, нагрева, сжатия, и охлаждения хладагента первого обратного теплового цикла (ОТЦ), работающего по замкнутой схеме, и получения дополнительного холода с помощью второго ОТЦ, работающего по замкнутой или разомкнутой схеме (см. US 4777805 А, кл. F 25 В 7/00,18.10.1988).

Недостатком этого способа является недостаточная эффективность при достаточно больших температурных зонах охлаждения и нагрева вследствие сильного возрастания необратимых тепловых потерь и снижения из-за этого термодинамической эффективности рабочего цикла установки.

Техническим результатом, на который направлено настоящее изобретение, является получение дополнительного холода и тепла и увеличение холодильного и отопительного коэффициентов в экологически чистых газовых холодильных установках, которые могут работать с любым газообразным рабочим телом. Кроме того, решается задача уменьшения переохлаждения воздуха и соответствующего увеличения расхода воздуха.

При двухступенчатом расширении и сжатии холодильный коэффициент в первом приближении увеличивается с _исх= q_{2 исх}/l_{ц исх} до и соответственно увеличивается отопительный коэффициент при трехступенчатом расширении и сжатии холодильный коэффициент увеличивается с _исх= q_{2 исх}/l_{ц исх} до и соответственно увеличивается отопительный коэффициент и эти коэффициенты увеличиваются с ростом величины n, а для многоступенчатого охлаждения используется дополнительный холод, полученный во вспомогательном цикле.

Технический результат достигается тем, что в способе получения холода и тепла в экологически чистой газовой холодильной установке путем многоступенчатых расширения, нагрева, сжатия и охлаждения хладагента используется суммарный ОТЦ, состоящий из основного ОТЦ, работающего по замкнутой схеме, и вспомогательного ОТЦ, работающего по замкнутой или разомкнутой схеме, получения дополнительного холода с помощью вспомогательного ОТЦ, необходимую в основном цикле работу обеспечивают работой турбины-детандера вспомогательного ОТЦ, ступенчатый нагрев хладагента основного ОТЦ между ступенями расширения производят отводом тепла от холодного источника, а ступенчатое охлаждение хладагента между ступенями сжатия основного ОТЦ производят частичным отводом тепла к горячему источнику и частично при температурах ниже температуры горячего источника отводом тепла от хладагента основного ОТЦ к хладагенту вспомогательного ОТЦ за счет полученного дополнительного холода во вспомогательном цикле.

Технический результат достигается также тем, что в качестве хладагента основного и вспомогательного ОТЦ используют один и тот же хладагент.

Технический результат достигается также тем, что при заданных температурах горячего и холодного источников и при заданных степенях сжатия и расширения для повышения или понижения расхода хладагента в основном и вспомогательном ОТЦ соответственно повышают или понижают давление хладагента.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема установки для осуществления предлагаемого способа.

На фиг.2 приведена TS диаграмма двухступенчатого цикла получения тепла и холода по предлагаемому способу.

На фиг.3 приведена TS диаграмма трехступенчатого цикла получения тепла и холода по предлагаемому способу.

На фиг.4 приведена TS диаграмма известного цикла получения холода.

Установка для получения холода содержит последовательно соединенные первую ступень компрессора 1, теплообменник 2, вторую ступень компрессора 3, теплообменник 4, первую ступень турбины 5, теплообменник 6, вторую ступень турбины 7 и теплообменник 8 основного ОТЦ. Валы ступеней компрессора и турбины объединены и соединены с валом турбины-детандера 9 вспомогательного ОТЦ, включающего также компрессор 10 и два теплообменника 11 и 12. Возможно применение также и разомкнутого вспомогательного цикла. Теплообменники 6 и 8 расположены в охлаждаемом объеме 13, а теплообменники 2 и 4 расположены в нагреваемом объеме 14.

Способ получения холода осуществляется следующим образом.

При двухступенчатом процессе сжатия, охлаждения (см. фиг.2) хладагент основного ОТЦ расширяется (адиабата a₁-3) в первом детандере (в первой турбине) 5 от давления P_al(P_al=4) до давления Р₃(Р₃=2), совершая работу, отдаваемую детандером на вал компрессоров основного ОТЦ.

Хладагент основного ОТЦ, охлажденный в результате адиабатного расширения в детандере 5 (адиабата a_l-3), поступает в теплообменник 6 охлаждаемого объема 13, из которого он отбирает тепло (изобара 3-е).

Хладагент основного ОТЦ расширяется (адиабата е-r) во втором детандере (во второй турбине) 7 от давления Р_e(Р_e=2) до давления Рr (Рr=1), совершая работу, отдаваемую детандером на вал компрессоров основного ОТЦ.

Хладагент основного ОТЦ, охлажденный в результате адиабатного расширения в детандере 7 (адиабата е-r), поступает в теплообменник 8 охлаждаемого объема 13, из которого он отбирает тепло (изобара r-а₃).

Хладагент основного ОТЦ с температурой, соответствующей точке а₃, сжимается (адиабата а3-д) в первом компрессоре 1 от давления Р_а3 (P_а3=1) до давления Р_д (Р_д=2). Работу компрессор получает от детандеров 5 и 7.

Хладагент основного ОТЦ, нагретый в результате адиабатного сжатия в компрессоре 1 (адиабата а₃-д), поступает в теплообменники 2 и 12 и охлаждается (изобара д-е), отдавая тепло частично горячему источнику (теплообменник 2) и частично хладагенту, охлажденному в результате адиабатного расширения, вспомогательного ОТЦ (теплообменник 12).

Хладагент основного ОТЦ с температурой, соответствующей точке е, сжимается (адиабата е-ж) во втором компрессоре 3 от давления Р_е (P_е=2) до давления Р_ж(Р_ж=4). Работу компрессор получает от детандеров 5 и 7, а недостающую работу получает от детандера 9 вспомогательного ОТЦ.

Хладагент основного ОТЦ, нагретый в результате адиабатного сжатия в компрессоре 3 (адиабата е-ж), поступает в теплообменник 4 и охлаждается (изобара ж-а_l), отдавая тепло горячему источнику.

Диаграмма цикла при трехступенчатых процессах сжатия, охлаждения, расширения и нагрева изображена на фиг.3. Порядок операций при трехступенчатом процессе аналогичен.

Диаграмма цикла вспомогательного ОТЦ изображена на фиг.4.

Электромотор (тепловой двигатель) 15 приводит в действие компрессор 10, используемый во вспомогательном ОТЦ.

Хладагент вспомогательного ОТЦ сжимается от давления Р₃(Р₃=1) до давления Р₄(P₄= 2) для создания _{к всп}= P₄/P₃= _{т всп}, необходимого для получения работы 1_{т всп}=1_{ц осн}.

Хладагент вспомогательного ОТЦ, нагретый в результате адиабатного сжатия в компрессоре 10 (адиабата 3-4), поступает в теплообменник 11 и охлаждается, отдавая тепло горячему источнику вспомогательного ОТЦ (изобара 4-1).

Хладагент вспомогательного ОТЦ, охлажденный в теплообменнике 11 до температуры T_l, расширяется в детандере (турбине) 9 от давления P_l (P_l=2) до давления P₂(P₂= 1) (адиабата 1-2) и охлаждается до температуры Т₂, совершая работу, равную 1_{ц осн}(l_{т всп}=1_{ц осн}), и отдавая ее на вал компрессора основного ОТЦ.

Хладагент вспомогательного ОТЦ, охлажденный в результате адиабатного расширения в детандере 9 (адиабата 1-2), поступает в теплообменник 12 и отбирает тепло (изобара 2-3) у хладагента основного ОТЦ (изобара д-е).

В результате осуществления способа получения холода и тепла в экологически чистой газовой холодильной установке при двухступенчатом расширении и сжатии холодильный коэффициент в первом приближении увеличивается с _исх= q_{2 исх}/l_{ц исх} до и соответственно увеличивается отопительный коэффициент при трехступенчатом расширении и сжатии холодильный коэффициент увеличивается с _исх= q_{2 исх}/l_{ц исх} до и соответственно увеличивается отопительный коэффициент Указанные коэффициенты увеличиваются с ростом величины n.

Способ может использоваться и в паровых холодильных установках.