198328. lajstromszámú szabadalom • Eljárás hibrid (kompressziós-abszorpciós) hőszivattyúk vagy hűtőgépek több fokozatú üzemeltetésére
1 2 szivattyúval a hagyományos hőszivattyúhoz képest elérhető nyereség kisebb. Ezt a jelenséget szemlélteti T-s diagramban a 6. ábra. Ez olyan esetet mutat, amelyben a hőleadó 2. közeg hőmérsékletváltozása (AT2) sokkal kisebb, mint a hőfelvevő 1. közegé (ATj). Ehhez hasonló eset fordulhat elő például akkor, ha a hőforrás alacsony hőfokszintű hulladékhő, pl. 30 °C-os szennyvíz, vagy felmelegedett hűtővíz, amelyet a befagyás veszélyének elhárítása érdekében + 5°C-ig hűthetjük le, azaz a hőmérsékletváltozás 25 °C. A feladat a rendelkezésünkre álló 15 °C-os csapvízből 85 °C-os használati melegvíz előállítása élelmiszeripari célra. Itt a hőmérsékletváltozás 70 °C, tehát a másik érték többszöröse. Az ábrán az 1. és 2. közeg hőmérsékletlefutását folytonos vonal jelöli. Az ábra ideális körfolyamatokat ábrázol (izentrópikus kompresszió és expanzió, végtelen nagy hőcserélő felület). Szaggatott vonallal ábrázoljuk a Carnot-körfolyama tót, pontozott vonallal pedig a hibrid hőszivattyú elméleti körfolyamatát, amelyet a 2. közeghez illesztettünk. Az ábrán jól látható, hogy a változó hőfoklefutású körfolyamat által körülzárt terület és így a szükséges mechanikai munka jóval kisebb, mint a Camot-körfolyamatnál. de az elméletileg szükséges minimális munkánál jelentősen nagyobb. Ezen a helyzeten nem változtat az sem, ha az 1. közeghez illesztjük a körfolyamatot vagy pedig valamilyen közbenső változatot alkalmazunk. Ugyancsak gondot okoz az is, ha a hőleadó és a hőfelvevő közeg hőmérsékletváltozása közel azonos ugyan, azonban lényegesen nagyobb, mint anút a kétkomponensű munkaközeggel ésszerűen követni lehet. Ilyen esetet mutat be T-s diagramban a 7. ábra, ahol a hőleadó és a hőfelvevő közeget folytonos vonal, a körfolyamatot pontozott vonal ábrázolja. Látható, hogy a körfolyamat teljesítményszükséglcte jelentősen nagyobb az elméletileg lehetségesnél, bár természetesen itt is kedvezőbb, mint az ábrán fel nem tüntetett Carnot-körfolyamat. A hőfokváltozást befolyásolni lehet a kocentráció, a nyomás és az elpárologtató végén kialakuló géztartalom változtatásával, azonban ezen tényezők hatása is csak korlátozott körben oldja meg a problémát. Megoldást a találmány szerinti többfokozatú hőszivattyú jelent. A találmány szerinti hőszivattyú kétkomponensű munkaközeggel működik, amely változó hőmérsékleten párolog el és kondenzálódik, azonban az elpárologtató és a kondenzátor közül legalább az egyik egynél több nyomásszinten működik, ezáltal a munkaközeg hőmérsékletváltozása szükség szerint módosítható. A találmány példájaként egy ilyen elméleti körfolyamat kapcsolását a 8. ábra mutatja. A 3 jelű kompresszorból három nyomásszinten (p3. p4, ps) lép ki a munkaközeg, az 1 jelű hőfelvevő közeget így három különböző nyomású kondenzátor (4a, 4b, 4c) melegíti. Ezután a munkaközeg a három különböző nyomásszinten a 8 jelű expanziós turbinába lép be, ebből két nyomásszinten (p,, p2) lép ki a két elpárologtatóba (6a és 6b), amelyeket a 2. jelű hőleadó közeg fűt. Az elpárologtatókból a 3 kompresszora megfelelő nyomásszinteken (pj és p2 ) szívja el a közeget. A 9. ábra T-s diagramban mutatja a körfolyamatot idealizált feltételek (végtelen nagy hőcserélők, tovább br izentrópikus kompresszió és expanzió) esetén. Az ábra baloldala a munkaközeg állapotváltozásait szemlélteti (jelölések a 8. ábra szerint). Az 1. és 2. közeg hőmérséklet változását az ábra jobb oldalán külön mutatjuk be. a kondenzátor három és az elpárologtató két fokozata csak példaként szerepel a 8. és 9. ábrán, számuk szükség szerint határozható meg. A hőszivattyú valóságos kapcsolása bonyolultabb, ál alában belső hőcserélőket is tartalmaz, az expanziós turbina csak igen nagy gépeknél lehet gazdaságos, ezért általában más nyomáscsökkentőket (pl. fojtószelepeket) alkalmaznak helyette. Ilyen változatot mutat be a 10. ábra. Ebben az előző példához hasonlóan a kondenzátornak három, az elpárologtatónak két fokozata van, de természetesen ezek a számok másként is alakulhatnak. A 3. kompresszorból három különböző nyomásszinten (p3. p4, p5) lép ki a munkaközeg a 4a, 4b, 4c kondenzátorba, ahol az 1 jelű hőfelvevő közeget fetmelegíti. A kondenzátorok után a 7a, 7b, 7c belső hőcserélők következnek, itt a nagynyomású m inkaközeg tovább hül és hőt ad át a kisnyomású m mkaközegnek. Az 5a, 5b, 5c, 5d expanziós szelepek a munkaközeg nyomását a szükséges szintre csökkentik, majd a munkaközeg belép két nyomásszinten a na, 6b elpárologtatókba. Az elpárologtatókat a 2. jelű hőleadó közeg fűti. Az itt felmelegedett és részben elpárolgott munkaközeg tovább melegszik a 7a 7b, 7c belső hőcserélőkben, majd belép a megfelel 5 nyomásszinteken (ps és p2) a 3 kompresszorba. Bizonyos esetekben célszerű lehet a 10. ábrán feltüntetett 3 kompresszor helyett több sorbakapcsolt kompresszort alkalmazni, például a 11a ábra szerint. Itt öt kompresszor szerepel (3a, 3b, 3c, 3d, 3e) célszerűen közös tengelyen, bár ez nem feltétlen követelmény. A nyomásokat a 10. ábra szerint jelöltük. Kivételesen előfordulhat, hogy a p2 szívónyomís valamivel nagyobb, mint a p3 nyomóoldali nyomís. Ez a 11a. ábra esetében csak annyi változást jelent, hogy a 3b kompresszor bocsátja íd a munkáké'eget a p3 nyomáson és a 3c kompresszorba lép be a p2 nyomású közeg. Ha fennáll ez a kivételes eset, akkor az expanziós szelepek csoportját át kell alakitar i a 11b ábra szerint, melynek jelölései azonosak a 10. ábra jelöléseivel. Ha a 8. ábrán szereplő 8 expanziós turbina szerkezete nem alkalmas arra, hogy több nyomáson legyen be- és kilépő csonkja, vagy nem célszerű ilyet beépíteni, akkor ugyanazt a megoldást alkalmazhatjuk , amit a kompresszornál alia, ábra mutat be. A belső hőcserélők (7a, 7b, 7c) kapcsolása a 10. ábrán olyan, hogy a p2 nyomású elpárologtatóból kilépő közeget a ps nyomású folyadék melegíti a pi nyomású közeget viszont a p3 és p4 nyomású folyadék. Az ábrán feltüntetett kapcsolás a közegáramok és a nyomások bizonyos értékei mellett optimális, előfordulhatnak azonban olyan esetek (az egyes kondenzátorok és elpárologtatók között másképpen oszlanik meg a közegáramok, a nyomásszintek és ezzel a hőmérsékletek alakulása más), amelyben az ábrán láthatótól eltérő kapcsolás nagyobb termodinamikai előnnyel jár. Példaként alle, ábrán egy olyan esetet mutatunk be, amelyben a 6a jelű elpárologtatóból kil< pő pt nyomású közeget a 7a jelű belső hőcserélőben a p3 nyomású folyadék melegíti, a 6b elpárolog' tátikból kilépő p2 nyomású közeget viszont a 7b és 198.328 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 5
