PL247174B1 - Sposób podwyższenia wskaźników efektywności energetycznych COP i EER sprężarkowego obiegu termodynamicznego - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób podwyższenia wskaźników efektywności energetycznych COP i EER sprężarkowego obiegu termodynamicznego, polega na tym, że standardowy obieg Lindego jest dodatkowo wyposażony w regeneracyjny wymiennik ciepła (5), w którym następuje przegrzanie do temperatury skraplania czynnika, którym napełniona jest sprężarka (1) i w element dławiący (6), za pośrednictwem którego do przestrzeni roboczej sprężarki (1), posiadającej terminal wtrysku cieczy, wtryskiwana jest taka część ciekłego czynnika opuszczającego skraplacz (2), by temperatura końca sprężania była równa temperaturze skraplania.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób podwyższenia wskaźników efektywności energetycznych COP i EER sprężarkowego obiegu termodynamicznego do stosowania w urządzeniach chłodniczych, grzewczych i klimatyzacyjnych.

Standardowym sprężarkowym obiegiem termodynamicznym stosowanym w tych urządzeniach jest obieg zwany, od nazwiska jego twórcy, obiegiem Lindego. Składa się on z szeregowo połączonych w obiegu zamkniętym: sprężarki, skraplacza, zaworu rozprężającego i parowacza. Jest on podstawowym obiegiem porównawczym dla obiegów stosowanych w urządzeniach, których działanie oparte jest na sprężarkowym obiegu termodynamicznym, niezależnie od jego konfiguracji. Zakres zastosowań standardowego obiegu Lindego ograniczony jest temperaturą końca sprężania do 120°C, głównie ze względu na stabilność termiczną olejów stosowanych do smarowania sprężarek.

Najprostszą metodą umożliwiającą pracę obiegu Lindego w obszarach podwyższonego sprężu, bez przekraczania dopuszczalnej temperatury końca sprężania, jest chłodzenie wewnętrzne sprężarki przez wtrysk do jej przestrzeni roboczej, za pośrednictwem elementu dławiącego, takiej części ciekłego czynnika opuszczającego skraplacz, by temperatura końca sprężania nie przekraczała 120°C. Stosowana jest w niskotemperaturowych urządzeniach chłodniczych i wysokotemperaturowych urządzeniach grzewczych typu powietrze/woda bez wpływu na ich jednostkowe wydajności. Dzięki nieznacznemu obniżeniu poboru energii napędowej przez sprężarkę nieznacznie podwyższone zostają ich wskaźniki efektywności energetycznych COP i EER.

Znana jest również metoda ograniczania temperatury końca sprężania pod skrótową nazwą EVI (od Enhanced Vapour Injection), w której zastosowano wymiennik ciepła nazywany ekonomizerem. Z jednej strony ekonomizera dochłodzony zostaje strumień ciekłego czynnika kierowanego za pośrednictwem zaworu rozprężającego do parowacza, podwyższając jednostkową wydajność chłodniczą obiegu. Z drugiej strony ekonomizera, z części ciekłego czynnika opuszczającego skraplacz, wytworzona zostaje para czynnika która, wtryskiwana do przestrzeni roboczej sprężarki, ogranicza temperaturę końca sprężania do około 115°C, podwyższając jednocześnie jednostkową wydajność grzewczą obiegu. Podwyższenie wskaźników efektywności energetycznych COP i EER nie są jednak proporcjonalne do podwyższeń jednostkowych wydajności obiegu, ponieważ wtrysk pary powoduje wzrost poboru energii napędowej przez sprężarkę.

Znana jest również, z tłumaczenia patentu europejskiego PL/EP 2009369, metoda ograniczania temperatury końca sprężania w której zastosowano sprężarkę dwustopniową. Przestrzeń międzystopniowa takiej sprężarki, przez wtrysk do niej za pośrednictwem elementu dławiącego części czynnika opuszczającego skraplacz, staje się chłodnicą międzystopniową. Jeśli wtryskiwany czynnik jest parą wytworzoną w ekonomizerze (Fig. 1 w tłumaczeniu) to efekt jest taki jak w technologii EVI z sprężarką jednostopniową. Jeśli wtryskiwany czynnik jest cieczą (Fig. 3 w tłumaczeniu) to efekt jest taki jak dla standardowego obiegu Lindego z wtryskiem cieczy.

Celem wynalazku jest podwyższenie wskaźników efektywności energetycznych COP i EER sprężarkowego obiegu termodynamicznego do poziomów nieosiągalnych dla obiegów dotychczas stosowanych w urządzeniach chłodniczych, grzewczych i klimatyzacyjnych oraz eliminacja ograniczenia zakresu jego stosowania ze względu na temperaturę końca sprężania.

Istotą wynalazku jest sposób podwyższenia wskaźników efektywności energetycznych COP i EER sprężarkowego obiegu termodynamicznego, polegający na tym, że standardowy obieg Lindego jest dodatkowo wyposażony w regeneracyjny wymiennik ciepła, w którym następuje przegrzanie do temperatury skraplania czynnika którym napełniana jest sprężarka i w element dławiący za pośrednictwem którego do przestrzeni roboczej sprężarki, posiadającej terminal wtrysku cieczy, wtryskiwana jest taka część ciekłego czynnika opuszczającego skraplacz by temperatura końca sprężania była równa temperaturze skraplania.

Zalety rozwiązania według wynalazku:

- najwyższe wskaźniki efektywności energetycznych COP i EER urządzeń, których działanie oparte jest na sprężarkowym obiegu termodynamicznym nieosiągalne dla obiegów dotychczas stosowanych,

- brak ograniczenia zakresu stosowania obiegu ze względu na temperaturę końca sprężania,

- podwyższenie jednostkowej wydajności chłodniczej i grzewczej pozwalające na stosowanie mniejszych sprężarek,

PL 247174 Β1

- wskaźniki efektywności energetycznych COP i EER obiegów napełnionych różnymi czynnikami różnią się od siebie tylko nieznacznie, co pozwala na stosowanie wyłącznie czynników naturalnych obojętnych dla środowiska,

- najniższy ślad węglowy podczas eksploatacji urządzeń, w których zastosowano technologię ELI według wynalazku.

Schemat obiegu termodynamicznego ujawniający istotę wynalazku przedstawia Fig. 1, a termodynamiczne efekty jego działania w układzie współrzędnych p-h Fig. 2. W przykładzie realizacji standardowy obieg Lindego, w którym zastosowana jest sprężarka (1.) posiadająca terminal wtrysku cieczy, wyposażony jest dodatkowo w regeneracyjny wymiennik ciepła (5) w którym następuje przegrzanie do temperatury skraplania czynnika którym napełniana jest sprężarka (1.) i w element dławiący (6) realizujący podwyższający wtrysk cieczy ELI (od Enhanced Liquid Injection), przez terminal wtrysku cieczy do przestrzeni roboczej sprężarki (1J. Strumień masy cieczy wtryskiwanej do przestrzeni roboczej sprężarki (D, ustalający temperaturę końca sprężania równą temperaturze skraplania, jest częścią strumienia masy cieczy nasyconej opuszczającej skraplacz (2) określoną zależnością ft^sm(Si-S2)/(S2-S3·) gdzie:

rfl - strumień masy czynnika przepływającego przez parowacz (4), si - entropia właściwa pary przegrzanej którą napełniana jest sprężarka (D,

S2 - entropia właściwa czynnika o temperaturze końca sprężania,

S3 - entropia właściwa cieczy nasyconej opuszczającej skraplacz (2).

Po stronie pierwotnej regeneracyjnego wymiennika ciepła (5) następuje największe możliwe dochłodzenie ciekłego czynnika kierowanego za pośrednictwem zaworu rozprężającego (3) do parowacza (4). Skutkiem tego dochłodzenia jest największe możliwe podwyższenie jednostkowej wydajności chłodniczej obiegu, większe od podwyższenia uzyskiwanego w ekonomizerze technologii EVI. Po stronie wtórnej regeneracyjnego wymiennika ciepła (5) następuje przegrzanie do temperatury skraplania pary czynnika którą napełniana jest sprężarka (1J. Skutkiem tego przegrzania jest największe możliwe podwyższenie jednostkowej wydajności grzewczej, większe od podwyższenia uzyskiwanego w technologii EVI przez wtrysk pary wytworzonej w ekonomizerze. Wtryskiwany do przestrzeni roboczej sprężarki (1) za pośrednictwem zaworu dławiącego (6) ciekły czynnik, przejmując ciepło od sprężanej pary przegrzanej, którą została napełniona sprężarka (1), ulega odparowaniu. Ponieważ odparowanie następuje w zmniejszającej się przestrzeni zamkniętej, część przejmowanego ciepła zostaje zamieniona na pracę wewnętrzną dzięki której, w przeciwieństwie do technologii EVI, zmniejszony zostaje pobór energii napędowej przez sprężarkę (1).

Przykłady podwyższeń jednostkowych wydajności grzewczych Aq i wskaźników efektywności grzewczych ACOP przy zastosowaniu obiegu termodynamicznego według wynalazku przedstawionego na Fig. 1 i napełnionego czynnikiem naturalnym R290, na podstawie analizy porównawczej z obiegiem Lindego bez tarcia.

Przykład 1

Wysokotemperaturowa pompa ciepła typu powietrze/woda o temperaturze skraplania 60°C i temperaturze parowania - 40°C:

q[kJ/kg] Aq[%] COP ACOP[%]

Obieg Lindego 301,07 -2,007

Obieg według wynalazku 497,18 65 3,27363, dla średniej temperatury powietrza zewnętrznego w sezonie grzewczym 0°C przy średniej temperaturze parowania -10°C:

q[kJ/kg] Aq[%] COP ASCOP[%]

Obieg Lindego 279,83 -3,209

Obieg według wynalazku 422,40 51 5,10659

Przykład 2

Niskotemperaturowa pompa ciepła typu powietrze/woda o temperaturze skraplania 35°C i temperaturze parowania - 40°C:

q[kJ/kg] Aq[%] COP ΔΟΟΡ[%]

Obieg Lindego 344,65 - 2,890

Obieg według wynalazku 482,33 40 4,105 42, dla średniej temperatury powietrza zewnętrznego w sezonie grzewczym 0°C przy średniej temperaturze parowania -10°C:

q[kJ/kg] Aq[%]

Obieg Lindego 325,74 Obieg według wynalazku 412,47 27

COP 5,432 7,430 ,-\SCOP[%]

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Sposób podwyższenia wskaźników efektywności energetycznych COP i EER sprężarkowego obiegu termodynamicznego, znamienny tym, że standardowy obieg Lindego jest dodatkowo wyposażony w regeneracyjny wymiennik ciepła (5) w którym następuje przegrzanie do temperatury skraplania czynnika, którym napełniana jest sprężarka (1) i w element dławiący (6) za pośrednictwem którego do przestrzeni roboczej sprężarki (1), posiadającej terminal wtrysku cieczy, wtryskiwana jest taka część ciekłego czynnika opuszczającego skraplacz (2) by temperatura końca sprężania była równa temperaturze skraplania.