198328. lajstromszámú szabadalom • Eljárás hibrid (kompressziós-abszorpciós) hőszivattyúk vagy hűtőgépek több fokozatú üzemeltetésére
1 2 A találmány tárgya eljárás hibrid, azaz kompreszsziós-abszorpciós hőszivattyúk vagy hűtőgépek többfokozatú üzemeltetésére, amelynek során munkaközegként különböző forráspontű, egymásban jól oldódó közegek keverékét alkalmazzuk. Világszerte törekvés van abban, hogy a hőszivatytyúk alkalmazásának lehetőségét kiterjesszék, és hogy a hőszivattyúk teljesítménytényezőjét javítsák. Ismeretes, hogy a korszerű hőszivattyúk kialakítása olyan, hogy azok legtöbb típusa a Camot-körfolyamatot próbálják megközelíteni, amely izotermikus hőelvonást és hőleadást kapcsol össze izentrópikus alapállapotváltozással. Ismeretes, hogy állandó hőmérsékletű hőtartályok között a Carnot-körfolyamat az elméletileg lehetséges legkedvezőbb hőszivatlyúzási körfolyamat. A műszaki gyakorlatban azonban a hőforrásra csak ritkán (nagy folyó vagy tó, levegő), a hőfelhasználóra pedig egyáltalában nem teljesül az a feltétel, hogy végtelen nagy (azaz izotermikusnak tekinthető) hőtartály lenne. Az energetikailag kedvezőbb esetek (hulladékhő, termálvíz stb.) gyakorlatilag kizárják a hőforrásnál is ezt a lehetőséget. Ha a gazdaságos hőszivattyúzás feltételeit keressük, akkor számolni kell azzal, hogy a hőt egy jelentős mértékben lehűlő közegből vesszük át, 4 , . és ugyancsak jelentősen felmelegedő közeget fűtünk vele. Ilyen esetben célszerű változó hőfokhatárok között kedvezőbb teljesítménytényezőt eredményez mint a Carnot-körfolyamat. Ennek oka abban kereshető, hogy a hőforráshoz és a hőfelhasználóhoz illeszkedő változó hőfoklefutású körfolyamatnál szükséges külső energia-befektetés kisebb, mint az izotermikus hőelvonással jellemzett körfolyamatnál. Ismeretes, hogy az elméletileg legtökéletesebb hőszivattyúzási körfolyamat a lorenz-körfolyamat. Ez olyan reverzibilis munkafolyamat, amely a külső közegekkel végbemenő hőcserét végtelenül kis hőfokkülönbséggel viszi végbe, Másszóval ez az a körfolyamat, amely az elméletileg lehetséges legnagyobb teljesítménytényezőt éri el. Izotermikusnak tekintett hőtartályok esetében a Lorenz-körfolyamat megegyezik a Camot-körfolyamattal. Ha azonban a hőforrás és/vagy a hőfelhasználó hőmérséklete a hőcsere folyamán jelentős mértékben változik, úgy a Carnot-körfolyamat lényegesen kedvezőtlenebb teljesítménytényezőt eredményez, mint a Lorenz körfolyamat. A technika állása szerint a hagyományos hőszivattyúk egykomponensű munkaközeget alkalmaznak, ezért az elpárolgás és a kondenzáció mindig állandó hőfokon zajlik le, azaz ezek a gépek a Camot-körfolyamatot közelítik meg. Változó hőmérsékletű külső környezet esetén a hagyományos. hőszivattyúkkal is lehetséges a Lorenz-körfolyamat jobb megközelítése, amennyiben több fokozatot alkalmaznak. (Lépcsőzetes közelítés). Még jobb közelítést nyújt az ún. hibrid hőszivattyú, amelynek munkaközege két vagy több egymásban jól oldódó, de eltérő illékonyságú alkotó nem azeotrópos elegye. Ezen munkaközeg változó hőfokon párolog, és kondenzálódik, ezért a hagyományos hőszivattyúk munkaközegénél sokkal jobban illeszkedik a külső közegek hőmérsékletlefutásához. A változó hőfoklefutású hőátvitelt biztosító ismert körfolyamatok közül a 0021205. számú európai szabadalom tárgyát képező hibrid hőszivattyú valósítja meg a legkedvezőbben, ezért ezt az ismert megoldást tekintjük a leghaladottabbnak, és találmányunk tárgyához legközelebb álló megoldásnak. Hangsúlyozzuk, hogy ismereteink szerint ezen szabadalmi leírásban ismertetett megoldás alkalmas a Lorenz-körfolyamat legjobb megközelítésére. A technika állásához tartozó ismert hőszivattyúzási módszereket részletesebben rajzok alapján, a rajzok ismertetése során fogjuk tárgyalni. Leírásunk jelen bevezető részében ezen ismert módszereket tekint/e csupán rövid áttekintést adunk: a hagyományos egyfokozatú hőszivattyúk (pl. hűtőgépek) munkaközege állandó hőfokon párolog és állandó hőfokon kondenzálódik. Ezzel a megoldással változó hőfoklefutás esetén a Lorenz-körfolyamat igen rosszul közelíthető meg. A többfokozatú hagyományos hőszivattyúk ugyancsak egyetlen munkaközeggel működnek. A többfokozatú hőszivattyúzás módszerével már azonban jobban közelíthető meg a Lorenz-körfolyamat. Ennek a megoldásnak hátránya abban van, hogy a több fokozat jelentősen nagyobb költségráfordítást, energiaráfordítást igényel. A? egyfokozatú hibrid hőszivattyúk munkaközege nem azeotrópos közeg (pl. víz és ammónia keveréke) a munkaközeg változó hőfokon párolog és kondenzálódik. Ennek a módszernek előnye, hogy jól közel ti meg a Lorenz-körfolyamatot. Bizonyos esetekben azonban a megközelítés mégis hátrányosan alakúi’ a) amennyiben a hőfelhasználás és a hőforrás hőmérsékletének változása egymástól nagymértékben eltér, b) amikor a hőmérsékletváltozások nagyok abszolút értékben. A.: a) esetben ugyanis a munkaközeget vagy a hőforráshoz, vagy a hőfelhasználóhoz kell illeszteni, dt mindkettőhöz nem lehet. a b) esetben pedig a munkaközeggel nem lehet a kivárt nagyságú hőfokváltozást az elpárolgás és a kondenzáció során megvalósítani, azaz a Lorenz-körfolyamatot ideálisan megközelíteni. Célkitűzésünk az ismert hőszivattyúzási módszerek különösen azonban az egyfokozatú hibrid hőszivattyúzási módszemek olyan továbbfejlesztése, amely lehetővé teszi, hogy az elpárologtató és a kondenzátor hőmérsékletlefutását igen tág határok között egymástól függetlenül a hőleadó közeg és a hőfelvevő közeg hőmérsékletlefutásához igazíthassuk, és hogy ily módon a maximális mértékben közelíthessük meg az elméletileg lehetséges legnagyobb teljesítménytényezőt biztosító Lorenz-körfolyamatot. A találmány szerinti hibrid hőszivattyúzási módszer két komponensű munkaközeggel működik, amely változó hőmérsékleten párolog el és kondenzálódik, azonban az elpárologtató és a kondenzátor köziil legalább az egyiknél több nyomásszintet alkalmazunk miáltal a munkaközeg hőmérsékletváltozása szükség szerint módosítható. A találmány tárgya eljárás hibrid, azaz kompreszszióf -abszorpciós hőszivattyúk vagy hűtőgépek többfokozatú üzemeltetésére különböző illékonyságú, egymásban jól oldódó alkotók nem azeotrópos eleg/ének munkaközegként való alkalmazásával. 198.328 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 2
