Холодильно-нагревательная установка

 

Использование: в системах кондиционирования . Сущность изобретения: установка содержит источники тепла, две пары металлогидридных реакторов, каждая из которых включает высокотемпературный и низкотемпературный реакторы 1, 2, 3,4, оснащенные теплообменными поверхностями 8, 9, контур охлаждения высокотемпературных реакторов, жидкостные высокотемпературный и низкотемпературный контуры с насосами 16 и 17, теплообменниками и клапанами . Контур охлаждения высокотемпературных реакторов сообщен с высокотемпературным контуром, а теплообменная поверхность по крайней мере одного из высокотемпературных реакторов одной пары реакторов установлена с наклоном и сообщена с теплообменной поверхностью низкотемпературного реактора другой пары реакторов. Высокотемпературный и низкотемпературный контуры соединены посредством обратного ютапана, а реакторы в соответствующих парах соединены посредством противоточных теплообменников 7. 6 з.п.ф-лы, 7 ил. ел с

СОЮЗ СОВЕ ГСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕ(,ПУВЛИК

rs>>s F 2 > В 1 1 08

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ ЬСТВУ (21) 4847082/06 (22) 12.06.90 (46) 15.04.93. Бюл,¹ 14 (71) Московский авиационный технологический институт им.К.Э, Циолковского (72) Б.А.Астахов и А.П,Иньков (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1019188, кл. F 25 В 17/08, 1983, Патент Великобритании N 1558845, кл.

F 25 В 17/00, 1980. (54) ХОЛОДИЛ Ь НО-НАГР Е ВАТЕ Л Ь НАЯ УСТАНОВКА (57) Использование: в системах кондиционирования. Сущность изобретения: установка содержит источники тепла, две пары металлогидридных реакторов, каждая из которых включает высокотемпературный и ниэкотемпературный реакторы 1, 2, 3, 4, оснащенные теплообменными поверхностями

»5Ц 1809261 А1

8, 9, контур охлаждения высокотемпературных реакторов, жидкостные высокотемпературный и низкотемпературный контуры с насосами 16 и 17, теплообменниками и клапанами. Контур охлаждения высокотемпературных реакторов сообщен с высокотемпературным контуром, а теплообменная поверхность по крайней мере одного из высокотемпературных реакторов одной пары реакторов установлена с наклоном и сообщена с теплообменной поверхностью низкотемпературного реактора другой пары реакторов. Высокотемпературный и низкотемпературный контуры соединены посредством обратного клапана, а реакторы в соответствующих парах соединены посредством противоточных теплообменников 7. 6 з.п.ф-лы, 7 ил, 1809261

Изобретение относится к теплотехнике и холодильной технике и может быть использовано для нагрева и охлаждения помещений в камере.

Цель изобретения — повышение экономичности.

На фиг,1 изображена схема установки для нагрева и охлаждения по п.4 формулы; на фиг,2 — схема установки по п.5 формулы; на фиг.3 — схема установки по п.6 формулы, на фиг.4 — схема установки по п.7 формулы; фиг.5 — 7 илл юстри руют, соответственно, циклы работы установок по схемам фиг.1 (или 2), фиг,3, фиг.4.

Установка содержит (см.фиг.1) два высокотемпературных реактора 1, 3 и соответствующих им два низкотемпературных

15 реактора 3 и 4, соединенных трубопроводами 5, 6 выполненными в виде противоточного теплообменника 7. Реакторы 1, 2 20 содержат теплообменные поверхности 8, 9, входы в которые включают клапаны 10, 11, а выходы, соответственно, обратные клапаны 12, 13, Низкотемпературные реакторы

25 снабжены теплообменными йоверхностями

14, 15. Установка также содержит насосы 16 и 17 высокотемпературного и низкотемпературного контуров, теплообменники 18 и

19 этих же контуров, причем теплообменник 19 снабжен аккумулятором 20 холода, 30 например, выполненным в виде емкости с водоспиртовым раствором, Схема включает клапаны 21, 22, 23, 24 обратные клапаны 25, 26 и трубопроводы.27, 28, 29, 30, 31, 32. ."Высокотемпературные реакторы заполне- 3 -> ны металлогидридом и снабжены электронагревателями 33, 34. Низкотемпературные реакторы заполнены гидридообразующим сплавом на основе титана.

Установка содержит также расшири- 40 тельный бачок 35. Вентилятор 36 является принадлежностью. теплообменника 18 высокотемпературного контура. В качестве охладителя;. циркулирующего по трубопроводам, используется антифриз с 45 температурой кипения 1000-115 С и температурой замерзания -60 С.

Термодинамический цикл процессов выделения и поглощения водорода поясняется графиком на фиг.5. Характеристики АВ 50 и СД отражают величину равновесного давления водорода в металлогидридах в реак- . торах 1, 2 и в реакторах 3, 4. При нагревании реактора 1 (2) до точки В t 200 С, P

45.10 Па (водород выделяется и перетекает 55 в реактор 3 (4), где поглощается: (очка С, t

50 С, Р 43 ° 10 Па), После завершения процесса зарядки реактора 3 (4) осуществляется обратный процесс, возникающий при охлаждении реактора 1 (2) в точке А на графике фиг.5 (с 60 С, P 0,8.10 Па).

Этот процесс сопровождается охлаждением реактора 3 (4) до предельной точки D u дальнейшей выработки полезного холода при параметрах: t - -50 С, P - 0,9 . 10 Па (вследствие перетекания водорода из реактора 3 (4) в реактор 1 (2), где выделяется тепло). Теплота, поглощаемая при выделении водорода в реакторе 3 (4) карактериауется величиной 15 10 Дж на 1 кг водорода. Теплота, выделяемая в точке А, равна 19 10 Дж на 1 кг водорода. Опи6 санный цикл обеспечивает схема, приведенная на.фиг.1.

Установка работает следующим образом.

При нагреве с помощью электронагревателя 34 металлогидрида в реакторе 1 и одновременной прокачке охладителя через теплообменную поверхность 15 водород, выделяясь в реакторе 1 при давлении (50-.

100)х10 Па и температуре 170 — 300 С поглощается в реакторе 3 прй температуре 60ОС., При этом в процессе прогрева теплообменной поверхности 8 охладитель вскипает и пар благодаря вертикальному расположению этого) участка контура выталкивает жидкость через обратный клапан 12 в остальную часть гидросистемы, а изменение объема компенсируется перемещением уровня жидкости в бачке 35. Клапаны 10, 22 закрыты, а насос 16 прокачивает жидкость через открытый клапан 21 по трубопроводу

31, теплообменную поверхность 9 и далее на вход теплообменника 18 и насоса 4, но одновременно проток жидкости осуществляется и через теплообменную поверхность реактора 2, который в начале работы всей установки еще не задействован.

Далее по окончании стадии зарядки реактора 3 электронагреватель 34 выключается, осуществляется разрядка реактора 3 с выделением из металлогидрида в нем водорода и охлаждением реактора 3 до температуры ниже окружающей среды. Для этого клапаны 21, 11 закрываются, а клапаны 22, 10 открываются и охладитель с промежуточной остановкой насоса или без нее поступает в теплообменную поверхность 14. затем по трубопроводу 27 через клапан 10 в теплообменную поверхность 8 реактора 1. С охлаждением последнего начинается процесс десорбции водорода из реактора 3 с образованием в нем холода. Одновременно с этим включается электронагреватель 33 реактора 2 и водород, выделяясь из металлогидрида в нем при тех же условиях, которые описаны выше, поступает в реактор 4, где благодаря потоку жидкости через тепло1809261 обменную поверхность 14 и, следовательно, ванный вариант установки (c м.фиг.2). Гоохлаждению реактора 4, поглощается ме- гласно этому варианту вместо одного труталлогидридом,а3-20 С и поступает втеп- бопровода 29 низкотемпературного лообменную поверхность 8, где контура выполнены два 37, 38. которые петемпература охладителя еще повышается 5 реходятв трубопроводы 39, 40 с клапанами на 3 — 20 С, Параллельно с фазой зарядки 41, 42, Параллельно теплообменнику 19 к реактора 4 или с небольшим сдвигом по насосу 17 подключены обводные каналы с времени (- 10 от продолжительности фа- клапанами 43, 44. Благодаря такой констзы), температура реактора 3 достигает за- рукции после прекращения фазы нагрева данной величины и для передачи холода 10 (охлаждения) одного иэ реакторов (4 или 3) через теплообменник 19 в камеру или окру- осуществляется промежуточная фаза, при жающую среду (смотря, что требуется) кла- этом клапаны 41,42 закрыты, клапаны 43,44 пан 24 открывается, а насос 17 подает открыты и подача жидкости насосом 17 сражидкость по ниэкотемпературному контуру зу в оба реактора 3 и 4 приводит к выравни"обратный клапан 16 — теплообменная по- 15 ваниютемпературы в них. Благодарятакому верхность 15 — трубопровод 29 — теплооб- . выравниванию обеспечивается важное менник 19". Тем самым обеспечивается свойство. Пусть, например,температурарехолодопроизводительность установки, на- актора 3 повышается, а температура 4 понирядус одновременным обогревом окружаю- жается с тенденцией установления средней щей среды или камеры (смотря, что 20 температуры 0 С. При понижении температребуется) через теплообменник 18 по высо- туры реактора 4 c+60 С до 0 С равновесное котемпературному контуру "клапан 22 теп- давление поглощения водорода металлолообменная поверхность 14 — трубопровод гидридом в нем снижается и остаточное ко27 — теплообменная поверхность8 — трубоп- личество водорода перетекает в реактор 4 ровод 30", 25 из реактора 2, но поскольку электронагреваПосле завершения стадии зарядки ре- тель 33 отключен (фаза нагрева, как указыактора 4 — разрядка реактора 3 все клапаны валось, закончилась), температура реактора переключаются в противоположные пози- 2 снижается даже в большей степени, чем ции с промежуточной остановкой насосов - она снижается в реакторе 4. Это происходит или без них и далее цикл повторяется, Уда- 30 вследствие расходования аккумулированление жидкости из теплообменных поверх- ного в реакторе тепла на диссоциацию воностей 8, 9 при включении дорода из металлогидрида. электронагревателей происходит под дей- Таким образом, температура реактора . ствием пара, образующегося при вскипании 2, предварительно нагретого спиральным части жидкости, которая уходит вниз за об- 35 электронагревателем 33, снижается с 200 до ратные клапаны. 120 С. В этом и заключается одна иэ целей

При перетекании водорода по трубоп- введения выравнивания температур реактороводам5,6научасткепротивоточноготеп- ров 3 и 4 между фазами, т.к. дальнейшая. лообменника 7 температура водорода, подача жидкости (антифриза или спирто-вопоступающего в сторону ниэкотемператур- 40. дяного раствора) на теплообменную.поверного реактора будет близка к температуре хность 9, нагретую лишь до 120 С не водорода, истекающего из охлаждающего создает технических проблем, описанных реактора, т,к. теплообменник 7 спроектиро- выше. Для осуществления рассмотренного ван с небольшой степенью недорекупера- процесса требуется лишь наличие некотороции. 45 го остаточного количества водорода в реакНедостатком описанной схемы торе 2 (1) после фазы их нагревания. (см.фиг,1) является отсутствие возможности С целью использования тепла поглощеосуществления частичной регенерации ния водорода в реакторе 2 для выделения холода в реакторах 3, 4, а также то обстоя- водорода из реактора 1 аналогично принцительство, 4Т0 после фазы нагрева высоко- 50 пу использования тепла в установке-прототемпературных реакторов до температуры типе, но в соответствии с новой схемой, 200 С в их теплообменные поверхности по- может быть рассмотрена установка, термодается жидкость, имеющая температуру на динамический процесс которой иллюстриуровне комнатной. Это может нежелатель- руется на фиг.5. Одна пара реакторов (2, 4) но сказаться на конструкционных материа- 55 — работает по циклу А1, В >, C>, 01 с параметлах. Колебания же давления при рамивточкахА1 — t 125 С Р 1 . 10 П парообразовании .охладителя могут ска- В1 275 С, 45 10 Па, С1 50 С, 43 10 заться на стабильности работы насоса 16, . Па, 01 -40 С, 10" Па. Другая пара реактоДля устранения указанных недостатков ров работает благодаря потреблению теппредлагается несколько усовершенство1809261 лэ, выделяемого в точке А1, Ее цикл описывается контуром Az, В2, Cz, 02 с параметрами в точках А "40 С, 3 10 Па, В

-100 С, 17 10 Па С -30 С, 1 6 10

Па, 0г -60 С,5 10 Па.

При этом для согласования потоков тепла масса водорода., хранящегося в паре реакторов 1,3 (а значит и масса металлогидрида в них) меньше на 30 — 50, чем масса водорода в паре реакторов 2,4 т.к, только часть холодильной мощности реактора 4 используется для захолаживания реактора 3 (значительна и собственная теплоемкость реактора 4). С другой стороны, масса реак- тора 1 не должна быть меньше массы реактора 2, т.к. последний охлаждается только за счет потребления тепла в реакторе 1, Следовательно, реактор 1 должен иметь

"-большую массу корпуса, т.е. металлогидри. да в нем меньше, чем в реакторе 2.

В установке предусматривается последовательное соединение насоса 17 низкбтемпературного контура и теплообменных поверхностей 14, 15 низкотемпературных реакторов 3, 4, Здесь вместо двух трубопрб- водов 27, 28 имеет место только один 45, в котором установлен клапан 46. В" трубопроводе низкотемпературного контура между теплообменными поверхностями 14 и 15 установлен обратный клапан 47, Клапан 48 предусмотрен аналогично клапану 41 (или

42), э клапан 49 установлен для того, чтобы устранить вероятность перетекания теплойжидкости высокотемпературного контура, поступающей по трубопроводу 32 в течение фазы поглощения водорода в реакторе 4, в низкотемпературный контур на вход в насос

17.

Установка, показанная на фиг.3 работает с тем отличием, что при поглощении водорода в реакторе 3 его температура поддерживается не + 60, а -30 С зэ счет одновременного охлаждения реактора 4 на уровне (— 35) — (— 40) С. Т.е, реактор 4 как бы входит в каскад предварительного охлаждения низкотемпературного контура. В данном случае передача холода в теплообменник 19 по контуру 17-15 — 29-48 осуществляется лишь в течение 30 — 50 времени работы установки, но температурный уровень при этом ниже, чем в рассмотренных выше вариантах и составляет (-50)-(-60) С. Стационарный, а не периодический режим работы теплообменника 19 обеспечивается при этом за счет аккумулятора холода 20, Данный вариант установки также позволяет осуществить промежуточную фазу с охлаждением реактора 2 ниже 150ОС. Преимущество этого варианта — в его простоте и наименьшем количестве клапанов как объектов управления, Другой вариант установки показан нэ

5 фиг.4. Здесь реакторы 1, 2 имеют каждый по электронагревателю(33,34), а низкотемпературный контур аналогично схеме по фиг.З содержит последовательно установленные насос 17 и теплообменные поверхности 14; 15 для осу10 ществления предварительного охлаждения реактора 3 при поступлении в него водорода. С целью исключения обратных клапанов, 12, 13, а также снижения потерь тепла нэ вскипание жидкости в теплообменных повер15 хностях 9, 8 при переходе к фазе нагрева высокотемпературных реакторов, и редусмотрено следующее усовершенствование.

Высокотемпературный контур (а опос- редованно и низкотемпературный ) снабжен

20 расширительно-сливным бачком 50, размещенным ниже, чем теплообменные поверхности 8, 9 донное пространство подключено к теплообменнику 18, а в верхнюю часть введены патрубки трубопроводов 51, 52 со25 бдиненные с теплообменными поверхностями 8, 9, а кроме параллельно последним предусмотрены обводные трубопроводы 53, 54 минимальный диаметр которых меньше диаметра патрубков 51, 52 в 5 — 10 раз с тем, 30 чтобы при прокачке жидкости основной поток шел бы втеплообменные поверхности 8, 9, а всего 0.5 — 2 в обводные трубопроводы.

При этом различие в уровнях выходных отверстий патрубков 51, 52 и трубопроводов

35 53, 54 обеспечивает самопроизвольный слив из каналов 8, 53 или 9, 54 при закрытии, клапанов, соответственно 10 11. Тем самым достигается самоудаление жидкости из теплообменных поверхностей в начале фазы

40 нагрева высокотемпературных реакторов.

Цикл работы установки представлен на фиг,7. Контур предварительного охлажде ния (пара реакторов 2 — 4) описывается четырехугольником Аз, Вз, Сз . 0з с параметрами

45 в точках: Аз — + 60 С, 0,6 10 Па, Вз

+145ОС,12 10 Па, Сз + 50 С.11 10 Па, 03 — 17 С, 0,8 10 Па. Работа другой пары реакторов (1 — 3) описывается четырехугольником АзВзС404 со следующими

50 параметрами в точках С4. 04 соответственно:. +5 С, 10 10 Па, -50 С, 0,9 - 10 Па.

Преимуществом этого варианта схемы являются низкие давления водорода (до 12 10

Па).

55 Формула изобретения

1, Холодильно-нагревательная установка, содержащая источники тепла, две пары металлогидридных реакторов, каждая и3 которых включает высокотемпературный и

1809261

I низкотемпературный реакторы, оснащенные теплообменными поверхностями, контур охлаждения высокотемпературных реакторов, жидкостные высокотемпературный и низкотемпературный контуры с наса- 5 сами, теплообменниками и клапанами, о т л ич а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения экономичности, контур охлаждения высокотемпературных реакторов сообщен с высокотемпературным контуром, а 10 теплообменная поверхность по крайней мере одного из высокотемпературных реакторов одной пары реакторов установлена с наклоном и сообщена с теплообменной поверхностью низкотемпературного реактора 15 другой пары реакторов, 2. Установка по и 1, о т л и ч а ю щ а яс я тем, что высокотемпературный и низкотемпературный контуры соединены посредством обратного клапана. 20

3. Установка по пп.1 и 2, о т л и ч а ющ а я с я тем, что реакторы в соответствующих парах соединены посредством противоточных теплообменников.

4. Установка по пп.1 и 2, о т л и ч а ющ а я с я тем, что теплообменник низкотемпературного контура снабжен аккумулятором холода.

5. Установка по пп.1 — 4, о т л и ч а ю щ а яс я тем, что одна из теплообменных поверхностей низкотемпературного реактора и теплообменник подключены к насосу жидкостного низкотемпературного контура параллельно, причем на входе теплообменника установлен клапан, 6. Установка по пп.1 — 5, отл и ч э юща яс я тем, что насос низкотемпературного жидкостного контура и теплообменные поверхности низкотемпературных реакторов соединены последовательно.

7, Установка по пп.1 — 6, о т л и ч а ю щ а яс я тем, что жидкостные контуры снабжены расширительно-сливным бачком, каждая часть которого подключена к теплообменнику высокотемпературного жидкостного контура, а его верхняя часть соединена с входами и выходами теплообменных поверхностей высокотемпературных реакторов, 1809261

1809261

1809261 юоо/т А 1

Составитель А.Федотов

Тех ред М.Моргентал Корректор О Кравцова

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагаоина, 10;

Заказ 1277 Тираж . Подписное !

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ CC(;P

113035, Москва. Ж-35, Раушская наб., 4/5