Способ организации работы многокомпонентного цикла холодильников и тепловых насосов при помощи селективных мембран

Изобретение относится к области энергетического машиностроения. Для отъема тепла от холодной среды и передачи его горячей среде используют теплоту растворения и выделения из раствора двух или более веществ или двух или более групп растворимых или абсорбируемых веществ с различными термодинамическими свойствами на линиях их насыщения и за пределами этих линий. Для этого в холодной части цикла через селективную мембрану или мембраны перемещают растворитель от одного раствора к другому так, что одно из веществ или одна из групп веществ выделяется из раствора либо абсорбируется с выделением тепла или поглощением тепла, или нулевым тепловым эффектом, а второе вещество или группа веществ растворяется либо выделяется абсорбером с поглощением большего по количеству тепла. В результате в холодной части цикла отнимают тепло от охлаждаемой среды, далее полученный раствор и выделенное вещество или вещества передают в горячую часть цикла, подогревая их встречным теплообменом, в горячей части цикла производят обратное по направлению перемещение растворителя через селективную мембрану или мембраны, в результате чего получают обратный тепловой эффект и передают тепло горячей среде. Полученный раствор и выделенное вещество возвращают в холодную часть цикла, охлаждая их встречным теплообменом. Использование изобретения позволит повысить КПД работы холодильной машины или теплового насоса. 9 ил.

 

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, а именно к способам организации работы термодинамических циклов холодильников и тепловых насосов.

Наиболее близкими к изобретению аналогами являются способы организации работы термодинамических циклов компрессионных и абсорбционных холодильников. В.Я.Френкель, Б.Е.Явелов «ЭЙНШТЕЙН: ИЗОБРЕТЕНИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТ» 2-е издание, переработанное и дополненное. М.: Наука, 1990 г. Гл.6. Рис.10. Схемы компрессионного (а) и абсорбционного (б) холодильников.

Общим недостатком этих способов является наличие газообразного рабочего тела.

Задачей, на решение которой направленно изобретение, является отказ от газообразного рабочего тела в контурах холодильных машин и тепловых насосов и увеличение КПД их работы.

Указанная задача решается путем использования селективных мембран для перемещения растворителя между двумя или более замкнутыми контурами с веществами или группами веществ, растворяющихся с различным тепловым эффектом, либо одним веществом на разных по температуре участках растворимости.

Сущность изобретения состоит в том, что для отъема тепла от холодного тела и передачи его горячему телу используют теплоту растворения и выделения и, или абсорбции и десорбции из раствора двух или более веществ или двух или более групп веществ, растворяющихся или абсорбирующихся с различным тепловым эффектом, либо одного вещества на разных участках линии растворимости. Для чего в холодной части цикла через селективную мембрану перемещают растворитель от одного раствора к другому так, что одно из веществ или одна из групп веществ выделяется из раствора с выделением тепла или с поглощением тепла, либо абсорбируется с такими же эффектами, а второе вещество или группа веществ растворяется с поглощением большего по количеству тепла, либо выделяется абсорбером. В результате в холодной части цикла отнимают тепло от охлаждаемой среды. После чего полученный раствор и выделенное вещество или вещества передают в горячую часть цикла через теплообменник, где их подогревают. В горячей части цикла производят обратное по направлению перемещения растворителя через селективную мембрану, в результате чего получают обратный тепловой эффект и передают тепло горячему телу. Полученный раствор и выделенное вещество подают в холодную часть цикла через теплообменник, где их охлаждают, замыкая цикл движения рабочих веществ и растворителя. Поскольку осмотическое давление растворов по обе стороны от мембраны может мало отличаться по величине как на холодной, так и на горячей стороне цикла или даже способствовать перемещению растворителя через мембраны, рассматриваемый способ позволяет повысить КПД работы холодильной машины или теплового насоса.

В дальнейшем для ясности изложения будем рассматривать только двухконтурные схемы реализации способа и для краткости будем использовать для обозначения растворимого вещества или группы растворимых веществ, просто «вещество А», «вещество В» и «раствор (А)», «раствор (В)».

На фиг.1 представлены поясняющие графики изменения величины осмотического давления для двух растворов: веществ (А) и (Б). На верхнем графике представлен случай, когда растворы имеют малую разницу осмотического давления. На нижнем графике представлен произвольный случай. Причем разница осмотических давлений может как способствовать работе цикла по данному способу, так и препятствовать ей.

На фиг.2 схематично показан один из возможных вариантов реализации данного способа. Тут будем считать, что вещество (А) растворяется с поглощением большего количества тепла, чем это требуется при растворении вещества (В), данная схема остается работоспособной и при применении вещества (В), растворяющегося с выделением тепла или нулевым тепловым эффектом.

В полость (2) мембранного блока (1)-(2) поступает раствор вещества (А) при высокой температуре. Через селективную мембрану, блока (1)-(2), как это показано стрелкой, происходит перемещение растворителя в полость (1). В результате нарушения равновесия раствора (А) в полости (2) происходит выделение из раствора вещества (А), при этом тепло выделяется. Из полости (1) по каналу (3) растворитель поступает в полость (5) мембранного блока (5)-(6). В случае, если осмотическое давление раствора (А) полости (2) превышает давление раствора (В) в полости (6), то для повышения давления растворителя применяют насос (4). Из полости (5) растворитель через мембрану подается в полость (6), как это показано стрелкой. В полости (6) происходит растворение вещества (В). Поскольку количество тепла, поглощенного при растворении вещества (В) меньше, чем количество тепла выделившегося при отделении из раствора вещества (А), образуется избыток тепла, который передают нагреваемому внешнему телу. Вещество (А) из полости (2) при помощи насоса (18), через теплообменник (16), где оно охлаждается, подается в полость (14) мембранного блока (13)-(14). В полости (14) происходит растворение вещества (А) с поглощением большого количества тепла, причем растворение всей массы вещества (А) не обязательно, после чего раствор (А) подается по магистрали (15), через теплообменник (16), где он нагревается и возможно продолжается его растворение, в полость (2) мембранного блока (1)-(2). Таким образом, замыкается циркуляция вещества (А). Полученный в полости (6) раствор вещества (В) по магистрали (7) через теплообменник (16), где он охлаждается и возможно частичное выделение вещества (В), подается в полость (8) мембранного блока (8)-(9). Через мембрану блока (8)-(9), как это показано стрелкой, происходит перемещение растворителя в полость (9). В результате нарушения равновесия раствора (В) в полости (8) происходит выделение из раствора вещества (В), при этом тепло выделяется. Поскольку количество тепла, поглощенного при растворении вещества (А), больше, чем количество тепла, выделившееся при выделении из раствора вещества (В), образуется недостаток тепла, который восполняют, отбирая тепло у охлаждаемого тела. Растворитель из полости (9) мембранного блока (8)-(9) по каналу (11) подают в полость (13) мембранного блока (13)-(14), где растворитель через мембрану перемещается в полость (14), как это показано стрелкой. В случае если осмотическое давление раствора (В) в полости (8) превышает осмотическое давление раствора (А) в полости (14), давление растворителя повышают при помощи насоса (12). Выделившееся в полости (8) вещество (В) при помощи насоса (10) по каналу (17) через теплообменник (16), где оно нагревается, подается в полость (6) мембранного блока (5)-(6). Таким образом, замыкается циркуляция вещества (В). Растворитель циркулирует последовательно через элементы (1), (3), (4), (5), (6), (7), (8), (9), (11), (12), (13), (14), (15), (2). Насосы (4)-(12), приведенные в данной схеме, могут отсутствовать.

На (Фиг.3) схематично показан еще один из возможных вариантов реализации данного способа с совмещенной мембраной. В полость (1) мембранного блока (1)-(6) при высокой температуре подается раствор вещества (А). Из полости (1) через мембрану, как показано стрелкой, растворитель переводят в полость (6), где происходит растворение вещества (В). Из-за нарушения равновесия раствора (А) в полости (1) происходит выделение вещества (А) из раствора, причем выделяется количество тепла большее, чем поглощается растворяющимся веществом (В) в полости (6). Излишнее тепло передают нагреваемой среде при высокой температуре. В случае, если осмотическое давление раствора (А) в полости (1) превышает осмотическое давление раствора (В) в полости (6), необходимый перепад создают насосами (10), (18) либо размещая насосы на магистралях (7), (15), на схеме они не приведены. Выделенное из раствора (А) в полости (1) вещество (А) по каналу, через теплообменник (16), где оно охлаждается, подают в полость (14) мембранного блока (14)-(8), причем, при необходимости, используется насос (18). В полости (14) мембранного блока (14)-(8) вещество (А) растворяется при низкой температуре с поглощением тепла, причем полное растворение всей массы вещества (А) не обязательно, необходимый для этого растворитель подают через мембрану блока (14)-(8), как показано стрелкой, из полости (8), в которой происходит выделение из раствора вещества (В). Поскольку тепло растворения вещества (А) превышает тепло выделения из раствора вещества (В), недостаток тепла возмещают, отнимая тепло у охлаждаемой среды. Полученный в полости (14) холодный раствор (А) по магистрали (15) через теплообменник (16), где он подогревается и возможно продолжение растворения вещества (А), подают в полость (1) мембранного блока (1)-(6). Таким образом, замыкают циркуляцию вещества (А). Горячий раствор (В) из полости (6) мембранного блока (1)-(6) по магистрали (7), через теплообменник (16), где он охлаждается и возможно частичное выделение вещества (В), подается в полость (8). В полости (8) по причине откачки растворителя через мембрану происходит нарушение равновесия раствора (В) и выделение вещества (В) из раствора. Выделившееся вещество (В) по магистрали (17), через теплообменник (16), где оно нагревается, подается в полость (6) для растворения, причем может быть использован насос (10). Таким образом, замыкают цикл вещества (В).

В случае, если растворимое вещество выпадает в кристаллический осадок и, или склонно к образованию относительно устойчивых переохлажденных растворов, то в схемы целесообразно ввести дополнительные турбулизирующие устройства, обеспечивающие выделение растворимого вещества из раствора.

Схемы, представленные на (Фиг.2) и (Фиг.3), в какой-то степени аналогичны холодильникам, работающим при помощи механических приводов. Однако рассматриваемый способ реализуем и для случаев, аналогичных холодильникам, работающим за счет подвода высокопотенциального тепла, например водоаммиачным. На схеме Фиг.4 представлены графики осмотического давления веществ (А) и (В), причем вещество (А) растворяется при повышенной температуре tmax, тем самым, может быть увеличена его концентрация и, или осмотическое давление, что и обеспечивает работу цикла холодильной машины или теплового насоса по предлагаемому способу.

На Фиг.5 схематично показан один из таких вариантов реализации данного способа. Тут будем полагать, что количество поглощенного тепла при растворении вещества (А) меньше, чем количество тепла необходимого для растворения вещества (В), причем схема остается работоспособной и при нулевом тепловом эффекте при растворении вещества (А), а так же и в случае, если тепло будет выделяться.

В полость (2) мембранного блока (1)-(2) подают вещество (А) при температуре tmax. Растворяясь, вещество (А) создает максимальное в пределах данной схемы осмотическое давление. В результате из полости (1) в полость (2) через мембрану поступает растворитель, как это показано стрелкой. Полученный в полости (2) раствор вещества (А) по магистрали (15) прогоняют через теплообменник (19), где его температура падает от tmax до t2, после чего его прогоняют через теплообменник (16), где его температура падает от t2 до t1. При этом некоторая часть вещества (А) может выделиться из раствора, образовав механический раствор. Затем раствор вещества (А) подают в полость (14) мембранного блока (14)-(13). Растворитель из полости (14) через мембрану блока (14)-(13) переходит в полость (13). В результате нарушения равновесия раствора (А) в полости (14) происходит выделение вещества (А) из раствора. Тепловой эффект выделения из раствора вещества (А) может быть как положительным, так и отрицательным. Выделившееся в полости (14) вещество (А) при помощи насоса (18) по магистрали, через теплообменники (16) и (19), где его температура доводится до tmax, подается в полость (2) мембранного блока (1)-(2). Таким образом, замыкают движение вещества (А).

Из полости (13) мембранного блока (14)-(13), растворитель подают в полость (9) мембранного блока (9)-(8). В полости (8) при низкой температуре t1 происходит растворение вещества (В) растворителем, прошедшим мембрану, как это показано стрелкой. Причем полное растворение всего вещества (В) не обязательно. Вещество (В) растворяется с поглощением тепла большего, чем было выделено при выделении из раствора вещества (А). В результате суммирования тепловых эффектов выделения вещества (А) и растворения вещества (В) происходит отъем тепла от охлаждаемого объекта при температуре t1. Полученный в полости (8) раствор вещества (В) при помощи насоса (20) по магистрали (7), через теплообменник (16), где его температуру повышают до t2, подают в полость (6) мембранного блока (6)-(5), причем в процессе нагрева раствора в теплообменнике (16) возможно дальнейшее растворение вещества (В). Через мембрану блока (6)-(5), как это показано стрелкой, растворитель переходит в полость (5). В результате нарушения равновесия раствора в полости (6) происходит выделение из раствора вещества (В) при температуре t2. Выделившееся при этом тепло передают нагреваемому внешнему телу. Полученное в полости (6) вещество (В) по каналу (17), через теплообменник (16), где его охлаждают до температуры t1, подают в полость (8) мембранного блока (9)-(8). Таким образом, замыкают циркуляцию вещества (В).

Полученный в полости (5) растворитель, по каналу (3), через теплообменник (19), где его температуру повышают до tmax, подают в полость (1) мембранного блока (1)-(2).

Под действием высокого осмотического давления растворитель через мембрану попадает в полость (1), как это показано стрелкой, где происходит растворение вещества (А). Таким образом, растворитель последовательно проходит через все теплообменники и мембранные блоки.

На фиг.6 схематично показан схожий вариант реализации данного способа, отличающийся только тем, что мембранные блоки (14)-(13) и (9)-(8) заменены одним мембранным блоком (14)-(8), а растворитель проходит через одну мембрану. Данное отличие не является существенным. Все прочие элементы соответствуют элементам на схеме фиг.5.

Заявленный способ остается применимым и для случаев, указанных на фиг.7. Случай, представленный верхним графиком на Фиг.7, описывает поведение линий растворимости для двух веществ (А) и (В). Растворимость вещества (А) очень быстро растет с ростом температуры, что ведет к быстрому росту осмотического давления, а теплота растворения остается малой. Растворимость вещества (В) растет относительно медленно, осмотическое давление возрастает относительно медленно, а теплота растворения относительно велика. В этом случае может быть применена схема, показанная на фиг.8. Все элементы этой схемы функционируют аналогично элементам схемы фиг.6. Однако температуру, tmax тут имеет мембранный блок (6)-(5), а температуру t2 мембранный блок (1)-(2).

Случай, представленный нижним графиком на фиг.7, описывает поведение линий растворимости для двух веществ (А) и (В). Причем растворимость вещества (А) очень быстро растет с ростом температуры, что ведет к быстрому росту осмотического давления, а теплота растворения остается малой, при этом нижняя температурная граница использования вещества (А) может быть повышена до tn, которая выше температуры t2, при которой будет растворяться вещество (В). Растворимость вещества (В) растет относительно медленно, осмотическое давление возрастает относительно медленно, а теплота растворения относительно велика. В этом случае может быть применена схема, показанная на фиг.9. Все элементы этой схемы функционируют аналогично элементам, схемы фиг.5. В схему добавлен теплообменник (21), с помощью которого происходит охлаждение растворителя до температуры t1, поступающего по магистрали из полости (13) мембранного блока (14)-(13) в полость 9 мембранного блока (9)-(8).

Таким образом, для реализации способа применяют как минимум два вещества или две группы веществ, одно из которых обеспечивает перекачку растворителя между растворами, его можно назвать ведущим, другое обеспечивает необходимые тепловые эффекты, его можно назвать ведомым. Ведущее вещество или группу веществ следует подбирать таким образом, чтобы теплота его растворимости была минимальна, а осмотическое давление его раствора относительно высоким. Ведомое вещество следует подбирать таким образом, чтобы теплота, необходимая для его растворения, была максимальной, а осмотическое давление его раствора относительно мало. Причем для веществ не обязательна одинаковая температура на холодной и горячей стороне цикла.

Поскольку существуют реальные предпосылки того, что отопительный коэффициент теплового насоса, созданного по заявленному способу, будет существенно превышать 10, на температурном интервале свыше 100 град., то очевидным улучшением стало бы использование на этом интервале стандартного цикла Ренкина для получения энергии, приводящей тепловой насос в действие, и использования ее для иных целей.

Способ работы термодинамического цикла тепловых насосов и холодильников, функционирующих за счет изменения термодинамического состояния рабочего тела, отличающийся тем, что для отъема тепла от холодной среды и передачи его горячей среде используют теплоту растворения и выделения из раствора двух или более веществ или двух или более групп растворимых или абсорбируемых веществ с различными термодинамическими свойствами на линиях их насыщения и за пределами этих линий, для чего в холодной части цикла через селективную мембрану или мембраны перемещают растворитель от одного раствора к другому так, что одно из веществ или одна из групп веществ выделяется из раствора либо абсорбируется с выделением тепла или поглощением тепла, или нулевым тепловым эффектом, а второе вещество или группа веществ растворяется либо выделяется абсорбером с поглощением большего по количеству тепла, в результате в холодной части цикла отнимают тепло от охлаждаемой среды, после чего полученный раствор и выделенное вещество или вещества передают в горячую часть цикла, подогревая их встречным теплообменом, в горячей части цикла производят обратное по направлению перемещение растворителя через селективную мембрану или мембраны, в результате чего получают обратный тепловой эффект и передают тепло горячей среде, полученный раствор и выделенное вещество возвращают в холодную часть цикла, охлаждая их встречным теплообменом, замыкая цикл движения рабочих веществ и растворителя.