198328. lajstromszámú szabadalom • Eljárás hibrid (kompressziós-abszorpciós) hőszivattyúk vagy hűtőgépek több fokozatú üzemeltetésére
1 2 kicsire zsugorodik, azaz az AE görbe rásimul a 2. közeg görbéjére. Hasonló módon látható be, hogy az említett elméleti feltételek között a körfolyamat CF szakasza felülről simul rá az 1. közeg görbéjére. Minthogy a körfolyamatban a munkaközeg hőleadó szakasza nem kerülhet az 1. közeg görbéje alá, hiszen akkor nem adhatna át neki hőt, továbbá a hőfelvevő szakasz sem kerülhet a 2. közeg görbéje fölé, mert akkor nem vehetne át tőle hőt, belátható, hogy az elméletileg elképzelhető legkedvezőbb hőszivattyúzási körfolyamat az adott esetben a pontozott vonallal jelölt AECF körfolyamat. Könnyen belátható az 1. ábra alapján, hogy azonos hőmérsékleteket feltételezve a változó hőfoklefutású AECF körfolyamatban nagyobb az elvont hő (Q2) mennyisége, mint az ABCD körfolyamatban, azaz az AE görbe alatti terület nagyobb, mint az AB szakasz alatti terület, továbbá kisebb a körfolyamat által körülzárt terület, azaz a szükséges mechanikai munka (P). Ebből következik a képlet alapján, hogy az AECF körfolyamat teljesítménytényezője nagyobb, mint az ABCD körfolyamaté. Ez logikus következmény, hiszen már beláttuk, hogy AECF az elméletileg lehetséges legkedvezőbb folyamat. A jelenlegi műszaki gyakorlatban a hagyományos (kompresszoros vagy abszorpciós) hőszivattyúk hőátvitelt szolgáló elemeiben (elpárologtató, kondenzátor) mindig egykomponensű közeg, ún. hűtőközeg van jelen, amiből adódóan az elpárolgás és a kondenzáció állandó hőmérsékleten zajlik le, tehát a valóságos körfolyamatok az 1. ábrán szaggatott vonallal jelölt elméleti körfolyamatot közelítik meg bizonyos mértékben. Természetesen ilyen egykomponensű munkaközeggel működő hőszivattyúk esetén is lehetőség van a teljesítménytényező javítására, ehhez azonban több fokozatra van szükség. A 2. ábrán mutatjuk be egy háromfokozatú hőszivattyú elméleti munkafolyamatát a T-s diagramban, az 1. ábra koordináta jelöléseivel azonosan. A 2. közeg lehűlését és az 1. közeg felmelegedését itt is folytonos vonal jelöli. Jól látszik az ábrából, hogy a szaggatott vonallal ábrázolt három fokozat munkaterülete (az AX’Y'Z', a W’X’Y’Z” és a W’”X’”CZ" körfolyamat együttes területe) kisebb, mint az egyfokozatú ABCD körfolyamaté, és annál lényegesen jobban megközelíti az elméletileg lehetséges legkedvezőbb AECF körfolyamatot. Elméletileg végtelen sok fokozatú Camot-körfolyamat tökéletesen megközelítheti az AECF körfolyamatot, de már néhány fokozat is igen jó eredményt ad. Ez tehát a teljesítménytényező javításának egy alkalmas eszköze. Hátránya viszont a több fokozatnak, hogy igen bonyolulttá teszi a gép kapcsolását, nagyon megnő az elemek száma, ami egyrészt drágítja a berendezést, másrészt növeli a hibalehetőséget, azaz csökkenti az üzembiztonságot. Ennek következtében sok kutató más utat választott. Olyan hőszivattyúkat próbáltak kidolgozni, amelyeknél a hőcserélőkben kialakult a változó hőmérsékletfutás. Ezt azzal érik el, hogy különböző forráspontú egymásban kölcsönösen jól oldódó közegeket (pl. ammónia és víz keverékét) alkalmaznak hőizivattyús körfolyamat munkaközegeként. A változó hőfoklefutású hőátvitelt biztosító körfolyamatot a jelenleg ismert eljárások körül az ún. hibrid hőszivattyú (0.021.205. sz. európai szabadalom) valósítja meg a legkedvezőbben. A hibrid hőszivattyú kapcsolása (3. ábra) emlékeztet a hagyományos kompresszoros hőszivattyúra, azonban ettől abban különbözik, hogy a körfolyamat egészében két egymásban jól oldódó komponensből álló munkaközeg áramlik. A 2 hőforrás által fűtött kisnyomású 6 elpárologtatóban a közeg-pár nem teljesen párolog el. Az elpárologtatóból így a kisebb forráspontú közegben gazdag gőz és a kisebb forráspontú közegben szegény folyadék keveréke lép ki és lép be a 3 kompresszorba. A kompresszor a kétfázisú és kétkomponensű munkaközeget ún. nedves kompreszszió formájában magasabb nyomásszintre emeli. Innen kerül a gőz és folyadékfázis az 1 hőfelhasználó által hűtött 4 kondenzátorba, ahol a kisebb forráspontú közegben gazdag gőz lekondenzálódik és a vele együtt áramló folyadékfázisba folyamatosan beoldódik. A közeg egy 5 fojtószelepen át jut vissza a 6 elpárologtatóba. Egy belső 7 hőcserélő segítségével a körfolyamat hatékonysági tényezője javítható. Ez a hőcserélő a kondenzátorból kilépő közeg és az elpárologtatóból kilépő közeg közt végez hőcserét. A munkaközeg állapotát a következő betűkkel jelöltük: az elpárologtató előtt „a", az elpárologtató után „b”, a kompresszor előtt „c”, a kompresszor után ,,d”, a kondenzátor után . e”, a fojtószelep előtt „f”. A \alóságos körfolyamatot T-s diagramban a 4. ábra mutatja be. Az egyes állapotokat jelző betűk megegyeznek a 3. ábra jelöléseivel. Vizsgáljunk egy ideális körfolyamatot, amelynél az egyszerűség kedvéért eltekintünk a belső hőcserélőtől és izentrópikus expanziót, ill. kompressziót tételezünk fel. Ekkor az 5. íbra mutatja egy adott koncentrációjú munkaközeg esetén T-s diagramban a hibrid hőszivattyú elméleti körfolyamatát, amely egy változó hőmérsékletű h ifelvételből (elpárolgás és kigázosodás állandó p2 nyomáson az AB szakaszon), egy izentrópikus kompresszióból (BC szakasz), egy változó hőmérsékletű hőleadásból (kondenzáció és oldódás állandó pt nyomáson a CD szakaszon) és egy izentrópikus expanzióból (DA szakasz) áll. A nunkaközeg hőmérsékletváltozása az elpárologtatóban (AB szakasz) AT2, a kondenzátorban (CD szakasz) pedig AT,. Ez a két érték közel egyenlő. Ezt a kettős közegek azon sajátossága magyarázza, hogy egy adott koncentrációjú közeg T-s diagramjában (5. ábra) az állandó nyomású vonalak közel párhuzamosak. Ismeretes, hogy még végtelen nagy hőcserélő felületek esetén is csak akkor simulhat a hőszivattyúi körfolyamat a hőleadó közeg hőmérsékletlefutási görbéjéhez, ha a munkaközeg és a hőleadó közeg hőkapacitása azonos, vagyis adott mennyiségű hő átvitele esetén a hőmérsékletük azonos mértékben változik meg. Ugyanez igaz a hőfelvevő közegre is. Ha teliát a hőleadó és hőfelvevő közeg hőmérsékletváltozása lényegesen eltér egymástól, akkor a hibrid hőszivattyú hőcserélőiben a munkaközeg hőménél letfutása nem tud egyidejűleg mindkét közeghez igazodni. Ebből következik, hogy a hibrid hőszivattyú akkor működik igazán kedvező teljesítménytényezővel, ha a hőleadó és a hőfelvevő közeg, hőmére éllet változása közel egyenlő és ehhez igazodik a munkaközeg hőménékletváltozása az elpárologtatóban és a kondenzátorban. Ha ez a feltétel nem áll fenn, akkor a hibrid hő198.328 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 4
