198328. lajstromszámú szabadalom • Eljárás hibrid (kompressziós-abszorpciós) hőszivattyúk vagy hűtőgépek több fokozatú üzemeltetésére
1 2 amelynek során a munkaközeget hőelvonás kíséretében folyamatosan csökkenő hőmérsékleten részben vagy egészben cseppfolyósítjuk (kondenzáció), ezután a nyomást csökkentjük (expanzió), majd hőbevezetés közben folyamatosan növekvő hőmérsékleten részben vagy egészben elpárologtatjuk (elpárolgás) a munkaközeget, végül sűrítési folyamatban a nyomást újból növeljük (kompresszió), és hogy adott esetben az elpárolgási folyamatból kivezetett munkaközeg és a cseppfolyósítási folyamatból kivezetett munkaközeg közötti belső hőcserével javítjuk a teljesítménytényezőt, azzal jellemezve, hogy a kompresszió során a sűrítési folyamatba a munkaközeget több egymástól eltérő nyomásszinten vezetjük, és/vagy a sűrítési folyamatból a munkaközeget eltérő nyomásszinteken vezetjük ki. Megvalósításának példáit rajz segítségével ismertetjük részletesebben, ahol az 1. ábra a Camot- és a Lorenz-körfolyamatokat szemlélteti diagrammok alapján, a 2. ábra a Lorenz-kórfolyamat közelítésének módja többfokozatú Camot-körfolyamattal, a 3. ábra ismert hibrid hőszivattyú kapcsolási rajzát szemlélteti, a 4. ábra ismert hibrid hőszivattyúk T-s diagramja, az 5. ábra egy ismert hibrid hőszivattyú idealizált T-s diagrammja, a 6. ábra ismert ideális több körfolyamatok egymástól erősen eltérő hőfoklefutásait szemlélteti külső hőforrások esetén, a 7. ábra ismert ideális hibrid hőszivattyú körfolyamat illesztése tág hőfokhatárok között változó külső közegekhez, a 8. ábra a találmány szerinti többfokozatú hibrid hőszivattyú elvi kapcsolása három-fokozatú kondenzátorral és kétfokozatú elpárologtatóval, valamint expanziós nyomáscsökkentő turbinával felszerelve, a 9. ábra a 8. ábra hőmérsékletlefutás T-s diagrammban ábrázolva,a 10. ábra a találmány szerinti többfokozatú hibrid hőszivattyú elvi kapcsolását szemlélteti háromfokozatú kondenzátor, kétfokozatú elpárologtató és három belső hőcserélővel kialakított kivitel esetében, ahol minden két szomszédos nyomásfokozat között expanziós szelep van fölszerelve, a lla. ábra a 10. ábrán ábrázolt kompresszornak egy további kiviteli alakját szemlélteti, ahol a nyomásfokozatok között külön kompresszorok vannak elhelyezve, a llb. ábra a 10. ábra szerinti hőszivattyú expanziós szelepeinek módosított elhelyezését szemlélteti, a llc. ábra a 10. ábra szerinti hőszivattyú belső hőcserélőinek módosított kapcsolását mutatja be, a 11 d- ábra a 10. ábra szerinti hőszivattyú belső hőcserélőinek egy további módosított kapcsolását mutatja be, a 12. ábra a találmány szerinti többfokozatú hibrid hőszivattyú kapcsolásának további kiviteli alakját mutatja be, ahol háromnyomásfokozatú kondenzátorral, egyfokozatú elpárologtatóval, nyomásfokozatonként egy belső hőcserélővel és nyomásfokozatonként egy expanziós szeleppel van a berendezés fölszerelve, a 13. ábra a találmány szerinti többfokozatú hibrid hőszivattyú további kiviteli alakját szemlélteti egyfokozatú kondenzátorral, háromfokozatú elpárologtatóval, nyomásfokozatonként egy belső hőcserélővel és egy expanziós szeleppel ellátva. Az 1. ábra a technika állása kapcsán említettek magyarázatára szolgál, amely a folyamatokat T-s (hőmérséklet-entrópia) diagrammban tünteti fel. . Legyen a hőforrás a 2. jelű közeg, amelyet T'j hőmérsékletről T"4 hőmérsékletre hűthetünk le' A hőszivattyú feladata az, hogy az 1. jelű közeget l'i hőmérsékletről T"i hőmérsékletre melegítsük fel, A két közeg állapotváltozását folytonos vonal ábrázolja. Ha ezt a hőszivattyúzási feladatot egyetlen Camot-körfolyamat segítségével akarjuk megoldani, akkor a legkedvezőbb teljesítménytényező (amely csak végtelen nagy hőátadó felületek esetén jöhetne létre) az ABCD körfolyamatból adódik (szaggatott vonal). Az AB szakaszon izotermikus hőfelvétel (elpárolgás) van, a BC szakasz izentrópikus kompresszió, a CD szakasz izentrópikus kompresszió, a CD szakasz izotermikus hőleadás (kondenzáció), a DA szakasz jedig izentrópikus expanzió. A termodinamikából ismert, hogy a körfolyamat által a hőforrásból felvett Q2 hőáramra az AB szakasz alatti terület jellemző, a hőfogyasztónak leadott Qi 1 őre a CD szakasz alatti terület, a befektetett mecha1 raikai munkára (P) pedig a kettő különbsége, azaz a körfolyamat által körülzárt terület. (P = Qi -Q2). Ekkor a hőszivattyú teljesítménytényezője (e)' amely a hasznos hő és a befektetett mechanikai munka hányadosa, a következő módon fejezhető ki: A teljesítménytényező növelhető, ha csökkenteni tudjuk a szükséges mechanikai munkát, vagyis a körfolyamat által körülzárt területet. Ez egyetlen Camot-körfolyamat esetén nem lehetséges, mivel a ?.. közegből kinyerhető hőt még véletlen nagy hőátadó felület esetén is annak legalacsonyabb hőmérsékletéről (T"2) kell a hőfelvevő közeg (1.) legmagasabb (T"i) hőmérsékletére szállítani. Véges hőcserélő felületek esetén az elpárolgás hőmérséklete kisebb, mint T”2 és a kondenzáció hőmérséklete nagyobb, mint T"i, tehát még nagyobb hőfoklépcsőt kell átlüdalni, azaz nagyobb lesz a szükséges mechanikai munka. Fejtegetéseink egyszerűsége érdekében azonban az ideális (tehát izentrópikus) kompresszió és expanzió mellett egyelőre feltételezzük a végtelen nagy hőcserélőket. Az elméletileg legkedvezőbb hőszivattyúzási körfolyamat az 1. ábrán pontozott vonallal ábrázolt Loíenz-körfolyamat lenne, amely teljesen rásimul a hőleadó és a hőfelvevő közeg hőmérsékletlefutási görbéjére. Ebben az AECF körfolyamatban az AE szakaszon változó hőmérsékletű hőfelvétel, az EC szakaszon izentrópikus kompresszió, a CF szakaszon változó hőmérsékletű hőleadás, az FA szakaszon pétiig izentrópikus expanzió van. A körfolyamat AE szakaszán a munkaközeg akkor tud hőt felvenni a 2. közegből, ha hőmérséklete alacsonyabb annál, vagyis az AE görbe a 2. közeg görbéje alatt fut. Ha azonban a két közeg hőkapad'ása azonos és a hőcserélő felület végtelen nagy, akkor a hőátvitelhez szükséges hőfokkülönbség végtelen 198.328 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 3
