[go: up one dir, main page]

RU2226658C2 - Heat pump operating method and heat pump implementing this method - Google Patents

Heat pump operating method and heat pump implementing this method Download PDF

Info

Publication number
RU2226658C2
RU2226658C2 RU2002104910/06A RU2002104910A RU2226658C2 RU 2226658 C2 RU2226658 C2 RU 2226658C2 RU 2002104910/06 A RU2002104910/06 A RU 2002104910/06A RU 2002104910 A RU2002104910 A RU 2002104910A RU 2226658 C2 RU2226658 C2 RU 2226658C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
heat
heat exchanger
working substance
forces
compression
Prior art date
Application number
RU2002104910/06A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2002104910A (en
Inventor
А.Ф. Конов
К.А. Конов
Original Assignee
Конов Алексей Филиппович
Конов Константин Алексеевич
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Конов Алексей Филиппович, Конов Константин Алексеевич filed Critical Конов Алексей Филиппович
Priority to RU2002104910/06A priority Critical patent/RU2226658C2/en
Publication of RU2002104910A publication Critical patent/RU2002104910A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2226658C2 publication Critical patent/RU2226658C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

FIELD: heat pumps and their operation. SUBSTANCE: heat pump operating method includes heating of working medium by supplying heat from surrounding atmosphere followed by compression and heat transfer from working medium to medium to be heated. Working medium compression and cooling is effected simultaneously in revolving heat-transfer apparatus. Centrifugal forces, Coriolis forces, and pressure built up by circulating pump are used as compression forces. Thermal contact between working medium and medium being heated is effected directly through pipeline walls of heat- transfer apparatus. Working medium is distributed in heat-transfer apparatus so that changes in its density due to cooling down does not cause offcenter of masses relative to its axis of revolution. Inlet and outlet holes of revolving heat-transfer apparatus are disposed inside shaft of revolution and each of them is provided with equal number of outlets to side surface of shaft. Pipelines interconnecting these outlets in pairs form figure possessing property of order n symmetry of rotation, where n is number of loop-shaped tubes, n being greater than 1. Center of masses of heat-transfer apparatus is aligned with its axis of revolution. EFFECT: provision for executing thermodynamic cycle both with liquid and gas phase on saturation line. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к технологии преобразования тепловой энергии с одного уровня температур на другой и может быть использовано при разработке холодильников, трансформаторов тепла и тепловых насосов.The invention relates to a technology for converting thermal energy from one temperature level to another and can be used in the development of refrigerators, heat transformers and heat pumps.

Известен тепловой насос /1/, который по способу его работы может служить ближайшим аналогом заявляемого изобретения. В известном тепловом насосе сжатие рабочего вещества с последующим его дросселированием производится центробежной турбиной. Недостатком данного способа является небольшое давление, которое может быть достигнуто центробежной турбиной, кроме того, центробежную турбину невозможно использовать в случае, если термодинамический цикл выполняется на жидкой фазе рабочего вещества.Known heat pump / 1 /, which by the method of its operation can serve as the closest analogue of the claimed invention. In the known heat pump, the compression of the working substance with its subsequent throttling is carried out by a centrifugal turbine. The disadvantage of this method is the small pressure that can be achieved by a centrifugal turbine, in addition, the centrifugal turbine cannot be used if the thermodynamic cycle is performed on the liquid phase of the working substance.

Известна также теплонасосная установка /2/, содержащая основные элементы конструкции заявляемого теплового насоса. Недостатком данной установки является то, что сжатие рабочего вещества также производится с помощью турбокомпрессора, кроме того, в указанной установке часть тепла, отобранного от охлаждаемого источника, безвозвратно теряется при смешивании пара с обрабатываемым веществом, что снижает отопительный коэффициент теплонасосной установки.Also known heat pump installation / 2 / containing the main structural elements of the inventive heat pump. The disadvantage of this installation is that the working substance is also compressed using a turbocompressor, in addition, in the specified installation, part of the heat taken from the cooled source is irretrievably lost when steam is mixed with the processed substance, which reduces the heating coefficient of the heat pump installation.

Техническая задача состояла в разработке способа работы теплового насоса и теплового насоса для его осуществления, позволяющего выполнить термодинамический цикл как на жидкой, так и на газовой фазе рабочего вещества.The technical task was to develop a method for the operation of the heat pump and the heat pump for its implementation, which allows the thermodynamic cycle to be performed both on the liquid and gas phases of the working substance.

Сущность предлагаемого способа работы теплового насоса, включающего нагрев рабочего вещества, путем подвода тепла из охлаждаемой среды, последующее сжатие, отвод тепла от рабочего вещества в нагреваемую среду и дросселирование, причем в качестве сил сжатия используются центробежные силы, отличается тем, что поток рабочего вещества пропускают через вращающийся теплообменник, в котором одновременно производят его сжатие и охлаждение, причем в качестве сил сжатия дополнительно используют силы Кариолиса и давление, создаваемое циркуляционным насосом, а тепловой контакт рабочего вещества с нагреваемой средой осуществляют непосредственно через стенки трубопроводов вращающегося теплообменника, при этом рабочее вещество так распределяют в теплообменнике, что изменение его плотности при охлаждении не приводит к смещению центра масс относительно его оси вращения.The essence of the proposed method of operation of a heat pump, including heating the working substance by supplying heat from the medium to be cooled, subsequent compression, heat removal from the working substance to the heated medium and throttling, and centrifugal forces are used as compression forces, differs in that the flow of the working substance is passed through a rotating heat exchanger, in which it is simultaneously compressed and cooled, and the Cariolis forces and the pressure created by the circulation are additionally used as compression forces pump and the thermal contact of the working substance with the heated medium is carried out directly through the walls of the pipelines of the rotating heat exchanger, while the working substance is so distributed in the heat exchanger that the change in its density during cooling does not shift the center of mass relative to its axis of rotation.

Сущность изобретения, касающегося теплового насоса, осуществляющего способ работы, состоит в том, что тепловой насос, содержащий циркуляционный насос, первый теплообменник, регулирующий вентиль, второй теплообменник и расширительный сосуд подсоединены последовательно в замкнутый циркуляционный контур с рабочим веществом, отличается тем, что входное и выходное отверстия первого теплообменника размещены внутри вала вращения и каждое из них снабжено одинаковым количеством выходов на боковую поверхность, а трубопроводы, соединяющие эти выходы попарно, образуют фигуру, которая обладает свойством поворотной симметрии порядка n, причем n>1, при этом центр масс теплообменника совмещен с его осью вращения.The invention relates to a heat pump that implements the method of operation, consists in the fact that the heat pump comprising a circulation pump, a first heat exchanger, a control valve, a second heat exchanger and an expansion vessel are connected in series in a closed circulation circuit with a working substance, characterized in that the input and the outlet of the first heat exchanger is placed inside the rotation shaft and each of them is equipped with the same number of exits to the side surface, and the pipelines connecting the outputs in pairs form a figure that has the property of rotational symmetry of order n, with n> 1, and the center of mass of the heat exchanger is aligned with its axis of rotation.

На чертеже представлена технологическая схема теплового насоса.The drawing shows a process diagram of a heat pump.

Тепловой насос содержит первый теплообменник 1, регулирующий вентиль 2, второй теплообменник 3, расширительный сосуд 4 и циркуляционный насос 5.The heat pump comprises a first heat exchanger 1, a control valve 2, a second heat exchanger 3, an expansion vessel 4, and a circulation pump 5.

Тепловой насос работает следующим образом. Циркуляционный насос 5 подает рабочее вещество во вращающийся теплообменник 1, где под действием центробежных сил, сил Кариолиса и давления, создаваемого циркуляционным насосом, происходит его сжатие. Одновременно с процессом сжатия производят отвод тепла в нагреваемую среду непосредственно через стенки трубопроводов вращающегося теплообменника 1. После сжатия и охлаждения в первом теплообменнике рабочее вещество поступает через вентиль 2 во второй теплообменник 3, где нагревается до температуры охлаждаемой среды. Из второго теплообменника 3 рабочее вещество поступает в расширительный сосуд 4, в котором производят разделение жидкой и газовой фазы, если температура охлаждаемой среды ниже критической температуры используемого рабочего вещества. Далее в зависимости от того, на какой фазе рабочего вещества выполняется термодинамический цикл, рабочее вещество с соответствующего уровня расширительного сосуда отводится в циркуляционный насос 5.The heat pump operates as follows. The circulation pump 5 supplies the working substance to the rotating heat exchanger 1, where under the action of centrifugal forces, Cariolis forces and pressure created by the circulation pump, it is compressed. Simultaneously with the compression process, heat is removed to the heated medium directly through the walls of the pipelines of the rotating heat exchanger 1. After compression and cooling in the first heat exchanger, the working substance flows through valve 2 into the second heat exchanger 3, where it is heated to the temperature of the cooled medium. From the second heat exchanger 3, the working substance enters the expansion vessel 4, in which the liquid and gas phases are separated if the temperature of the medium to be cooled is below the critical temperature of the working substance used. Further, depending on what phase of the working substance the thermodynamic cycle is carried out, the working substance from the corresponding level of the expansion vessel is discharged into the circulation pump 5.

Все силы, участвующие при сжатии, суммируются, причем каждая из них может быть изменена независимо от других сил, что позволяет получить необходимую величину общего давления в первом теплообменнике.All forces involved in compression are summed up, and each of them can be changed independently of other forces, which allows you to get the required total pressure in the first heat exchanger.

Природа сжимающих сил такова, что каждая из них с одинаковой эффективностью подвергает сжатию и жидкость, и газ. Это обстоятельство позволяет выполнить термодинамический цикл как на жидкой, так и на газовой фазе.The nature of the compressive forces is such that each of them compresses both liquid and gas with equal efficiency. This circumstance allows us to perform a thermodynamic cycle both in the liquid and in the gas phase.

Охлаждаемая среда в данном тепловом насосе не только осуществляет нагрев рабочего тела, передавая ему свое тепло, но и производит работу сжатия, поскольку после истечения через вентиль 2 рабочее тело имеет температуру ниже температуры охлаждаемой среды. Поэтому тепло охлаждаемой среды будет передаваться рабочему телу, увеличивая его температуру. При этом в циркуляционном контуре будет повышаться давление насыщенных паров. В частности, если критическая температура используемого рабочего вещества равна температуре охлаждаемой среды, то давление в контуре достигнет критического значения. Это давление остается постоянным при работе теплового насоса.The cooled medium in this heat pump not only carries out heating of the working fluid, transferring its heat to it, but also performs compression work, since after the expiration through the valve 2, the working fluid has a temperature below the temperature of the cooled medium. Therefore, the heat of the cooled medium will be transferred to the working fluid, increasing its temperature. In this case, the saturated vapor pressure will increase in the circulation circuit. In particular, if the critical temperature of the working medium used is equal to the temperature of the medium to be cooled, then the pressure in the circuit will reach a critical value. This pressure remains constant during operation of the heat pump.

Таким образом, суммарное давление, которое испытывает рабочее вещество в первом теплообменнике, будет равно давлению, вызванному центробежными силами, силами Кариолиса, давлением, созданным циркуляционным насосом, и, кроме того, на элемент объема рабочего вещества действует давление насыщенного пара (Рн.п). Под действием этих сил объем рабочего вещества во вращающемся теплообменнике изменится на величину (ΔV).Thus, the total pressure that the working substance experiences in the first heat exchanger will be equal to the pressure caused by centrifugal forces, Cariolis forces, the pressure created by the circulation pump, and, in addition, the saturated vapor pressure acts on the volume element of the working substance (P n.p ) Under the influence of these forces, the volume of the working substance in the rotating heat exchanger will change by (ΔV).

Отсюда работа, производимая охлаждаемой средой, определится равенством А=ΔVРн.п. Данная работа увеличивает отопительный коэффициент теплового насоса, ее можно оценить численно и отразить на диаграмме термодинамического цикла.Hence, the work performed by the cooled medium is determined by the equality A = ΔVP n.p. This work increases the heating coefficient of the heat pump, it can be estimated numerically and reflected in the diagram of the thermodynamic cycle.

Поскольку в заявляемом тепловом насосе, в отличие от турбокомпрессора, увеличение центробежных сил, кроме прочности материалов, ничем не ограничено, то центробежные силы можно увеличивать до значения, которое необходимо при достижении максимального отопительного коэффициента.Since in the inventive heat pump, in contrast to the turbocharger, the increase in centrifugal forces, in addition to the strength of the materials, is unlimited, the centrifugal forces can be increased to the value that is necessary when the maximum heating coefficient is reached.

Особенности способа заключаются в том, что сжатие охлаждения и проталкивание производятся одновременно во вращающемся теплообменнике, который выполняет одновременно функцию компрессора, вентилятора и теплообменника. С целью совмещения этих функций вращающийся теплообменник выполнен так, что его входное и выходное отверстия размещены внутри вала вращения. Каждое из этих отверстий имеет одинаковое количество выходов на боковую поверхность вала, которые попарно соединяются трубопроводами. Образовавшаяся при этом фигура обладает свойством поворотной симметрии порядка n, где n - число полюсов, в данном случае число петлеобразных трубопроводов. При n=2 теплообменник содержит две идентичных петли, которые расположены так, что при повороте фигуры на угол

Figure 00000001
она переводится в самое себя /3/.The features of the method are that cooling compression and pushing are carried out simultaneously in a rotating heat exchanger, which simultaneously performs the function of a compressor, fan and heat exchanger. In order to combine these functions, the rotating heat exchanger is designed so that its inlet and outlet openings are located inside the rotation shaft. Each of these holes has the same number of exits to the side surface of the shaft, which are connected in pairs by pipelines. The resulting figure has the property of rotational symmetry of order n, where n is the number of poles, in this case, the number of loop-shaped pipelines. With n = 2, the heat exchanger contains two identical loops, which are located so that when the figure is rotated through an angle
Figure 00000001
she translates into herself / 3 /.

Необходимость изготовления теплообменника не менее чем из двух петель обусловлена тем, что при вращении плотность рабочего вещества в трубопроводе изменяется по его длине, и уравновесить этот трубопровод при вращении можно только таким же трубопроводом, смещенным относительно первого на 180°.The need to manufacture a heat exchanger of at least two loops is due to the fact that during rotation, the density of the working substance in the pipeline changes along its length, and this pipe can be balanced during rotation only by the same pipeline, which is 180 ° offset from the first.

Для тепловых насосов большой мощности требуется одновременно большого расхода рабочего вещества и быстрого отвода тепла на небольшом отрезке трубопроводов. Этому требованию удовлетворяет конструкция вращающегося теплообменника с n петлями тонкостенных трубопроводов.For high-power heat pumps, a large consumption of working substance and a rapid removal of heat in a small section of pipelines are required simultaneously. The design of a rotating heat exchanger with n loops of thin-walled pipelines satisfies this requirement.

На чертеже представлен теплообменник с четырьмя петлями. Данная фигура обладает поворотной симметрией порядка n=4. Петли на чертеже имеют простейшую конфигурацию, которую при необходимости можно изменить, например, так, что центробежные силы или силы Кариолиса действовали бы на большем отрезке трубопроводов. Можно также увеличить общую длину трубопроводов настолько, чтобы обеспечить необходимый теплоотвод.The drawing shows a heat exchanger with four loops. This figure has a rotational symmetry of order n = 4. The hinges in the drawing have the simplest configuration, which, if necessary, can be changed, for example, so that centrifugal forces or Cariolis forces act on a larger segment of pipelines. You can also increase the total length of the pipelines so as to provide the necessary heat sink.

На чертеже стрелками показано, что вектор переносной скорости совпадает с вектором скорости течения рабочего вещества в трубопроводе. Сложение этих скоростей увеличивает общую центробежную силу.In the drawing, arrows show that the vector of the transport velocity coincides with the vector of the flow velocity of the working substance in the pipeline. The addition of these speeds increases the overall centrifugal force.

Вращающийся теплообменник может быть снабжен каркасом жесткости (на чертеже не показано), который увеличит его прочность, улучшит его обтекаемость и теплообмен.The rotating heat exchanger can be equipped with a frame of rigidity (not shown in the drawing), which will increase its strength, improve its streamlining and heat transfer.

Используемые источникиSources used

1. Авторское свидетельство РФ №1815549, кл. F 25 B 29/00, 1993.1. Copyright certificate of the Russian Federation No. 1815549, class. F 25 B 29/00, 1993.

2. Авторское свидетельство РФ №1643893, кл. F 25 В 29/00, 1991.2. Copyright certificate of the Russian Federation No. 1643893, cl. F 25 B 29/00, 1991.

3. Герман Вейль. Симметрия. - М.: Наука. 1968. С.79-91.3. Hermann Weil. Symmetry. - M .: Science. 1968. S. 79-91.

Claims (2)

1. Способ работы теплового насоса, включающий нагрев рабочего вещества путем подвода тепла из окружающей среды, последующее сжатие и отвод тепла от рабочего вещества в нагреваемую среду, причем в качестве сил сжатия используют центробежные силы, отличающийся тем, что поток рабочего вещества пропускают через вращающийся теплообменник и регулирующий вентиль, причем во вращающемся теплообменнике одновременно производят его сжатие и охлаждение, при этом в качестве сил сжатия дополнительно используют силы Кориолиса и давление, создаваемое циркуляционным насосом, а тепловой контакт рабочего вещества с нагреваемой средой осуществляют непосредственно через стенки трубопроводов вращающегося теплообменника, при этом рабочее вещество так распределяют в теплообменнике, что изменение его плотности при охлаждении не приводит к смещению центра масс относительно его оси вращения.1. The method of operation of a heat pump, including heating the working substance by supplying heat from the environment, subsequent compression and removal of heat from the working substance into the heated medium, and centrifugal forces are used as compression forces, characterized in that the flow of the working substance is passed through a rotating heat exchanger and a control valve, moreover, in a rotating heat exchanger, it is simultaneously compressed and cooled, while the Coriolis forces and the pressure generated are additionally used as compression forces circulation pump, and the thermal contact of the working substance with the heated medium is carried out directly through the walls of the pipelines of the rotating heat exchanger, while the working substance is so distributed in the heat exchanger that the change in its density during cooling does not shift the center of mass relative to its axis of rotation. 2. Тепловой насос, содержащий теплообменники, циркуляционный насос, регулирующий вентиль и расширительный сосуд, подсоединенные последовательно в замкнутый циркуляционный контур с рабочим веществом, отличающийся тем, что входное и выходное отверстия одного теплообменника размещены внутри вала вращения и каждое из них снабжено одинаковым количеством выходов на боковую поверхность вала, а трубопроводы, соединяющие эти выходы попарно, образуют фигуру, которая обладает свойством поворотной симметрии порядка n, где n – число петлеобразных трубопроводов, причем n > 1, при этом центр масс теплообменника совмещен с его осью вращения.2. A heat pump containing heat exchangers, a circulation pump, a control valve and an expansion vessel, connected in series in a closed circulation circuit with a working substance, characterized in that the inlet and outlet openings of one heat exchanger are placed inside the rotation shaft and each of them is equipped with the same number of outputs the lateral surface of the shaft, and the pipelines connecting these outputs in pairs form a figure that has the property of rotational symmetry of order n, where n is the number of loop-shaped pipelines, with n> 1, while the center of mass of the heat exchanger is aligned with its axis of rotation.
RU2002104910/06A 2002-02-27 2002-02-27 Heat pump operating method and heat pump implementing this method RU2226658C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002104910/06A RU2226658C2 (en) 2002-02-27 2002-02-27 Heat pump operating method and heat pump implementing this method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002104910/06A RU2226658C2 (en) 2002-02-27 2002-02-27 Heat pump operating method and heat pump implementing this method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2002104910A RU2002104910A (en) 2003-08-27
RU2226658C2 true RU2226658C2 (en) 2004-04-10

Family

ID=32464985

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2002104910/06A RU2226658C2 (en) 2002-02-27 2002-02-27 Heat pump operating method and heat pump implementing this method

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2226658C2 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3848424A (en) * 1972-09-22 1974-11-19 L Rhea Refrigeration system and process
US4438636A (en) * 1982-06-21 1984-03-27 Thermo Electron Corporation Heat-actuated air conditioner/heat pump
SU1643893A1 (en) * 1988-02-01 1991-04-23 Запорожский индустриальный институт Heat pump installation

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3848424A (en) * 1972-09-22 1974-11-19 L Rhea Refrigeration system and process
US4438636A (en) * 1982-06-21 1984-03-27 Thermo Electron Corporation Heat-actuated air conditioner/heat pump
SU1643893A1 (en) * 1988-02-01 1991-04-23 Запорожский индустриальный институт Heat pump installation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2385760C (en) Heat pump fluid heating system
US9016083B2 (en) Air refrigerant type freezing and heating apparatus
CN108474271B (en) ORGANIC Rankine cycle for converting waste heat from a heat source into mechanical energy and compressor device utilizing same
Moon et al. Experimental study on the performance of the vapor injection refrigeration system with an economizer for intermediate pressures
JP7216106B2 (en) Gaseous fluid compression with alternating refrigeration and mechanical compression
Balkan Comparison of entropy minimization principles in heat exchange and a short‐cut principle: EoTD
RU2226658C2 (en) Heat pump operating method and heat pump implementing this method
KR20240122447A (en) Thermal vibration system
Chiriac et al. An alternative method for the cooling of power microelectronics using classical refrigeration
US4688397A (en) Multi-stage heat pump of the compressor-type operating with a solution
RU2162161C2 (en) Low-temperature heat energy-to-mechanical work conversion method
Flower Analytical modeling of heat pump units as a design aid and for performance prediction
Tozer et al. Absorption chillers applied to CHP systems
CN205481899U (en) Heat pump system
RU2319912C2 (en) Heat transformation method and heating-and-refrigeration device for method realization
SU1774142A1 (en) Heat-condensation method
JP2025533826A (en) Data center cooling systems including pressure exchangers
Bai et al. Simulation and evaluation of transient performance of ocean thermal energy conversion plant with working fluid of binary mixtures
Bouazzaoui et al. Absorption resorption cycle for heat recovery of diesel engines exhaust and jacket heat
Zhu et al. Modelling and optimization of the direct air cooling power generation unit
Aasen et al. Screening of waste-heat-driven ejector chillers using a state-based ejector model validated against industrial performance data
Ma et al. Experimental Study on Effect of Water Flow Rate on Heating Performance of a Series Bathing Wastewater Source Heat Pump Hot Water Unit
Peng et al. The analysis of exergy efficiency in the low temperature heat exchanger
Kayan Analysis of energy-transport performance of machines via the resistance concept
Bouaziz et al. Experimental analysis, hybridization and exergetic investigation of an absorption refrigeration unit

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20080228