Холодильно-нагревательная установка

СОЮЗ СОВЕ ГСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУВЛИК БО,155 1. 25 В 1708 ОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНЕДОМСТВО СССРОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Ю 21) 4847082/06(71) Московский авиационный технологический институт им, К.Э, Циолковского (72) Б.А,Астахов и А,П,Иньков(56) Авторское свидетельство СССР М 1019188, кл. Р 25 В 17/08, 1983,Патент Великобритании М 1558845, кл. Р 25 В 17/00, 1980.(57) Использование: в системах кондиционирования. Сущность изобретения: установка содержит источники тепла, две пары металлогидридных реакторов, каждая из которых включает высокотемпературный и ниэкотемпературный реакторы 1, 2, 3, 4, оснащенные теплообменными поверхностями 8, 9, контур охлаждения высокотемпературных реакторов, жидкостные высокотемпературный и низкотемпературный контуры с насосами 16 и 17, теплообменниками и клапанами, Контур охлаждения высокотемпературных реакторов сообщен с высокотемпературным контуром, э теплообменная поверхность по крайней мере одного из высокотемпературных реакторов одной пары реакторов установлена с наклоном и сообщена с теплообменной поверхностью низкотемпературного реактора другой пары реакторов. Высокотемпературный и низкотемпературный контуры соединены посредством обратного клапана, а реакторы в соответствующих парах соединены посредством противоточных теплообменников 7. 6 з.п.ф-лы, 7 ил,Изобретение относится к теплотехнике и холодильной технике и может быть использовано для нагрева и охлаждения помещений в камере.Цель изобретения - повышение экономичности,На фиг,1 изображена схема установки для нагрева и охлаждения по п.4 формулы; на фиг,2 - схема установки по п.5 формулы; на фиг.З - схема установки по п.6 формулы, на фиг,4 - схема установки по п.7 формулы; фиг.5 - 7 илл юстри руют, соответственно, циклы работы установок по схемам фиг.1 (или 2), фиг,З, фиг.4.Установка содержит (см.фиг.1) два высокотемпературных реактора 1, 3 и соответствующих им два низкотемпературных 10 15 реактора 3 и 4, соединенных трубопроводами 5, 6 выполненными в виде противоточного теплообменника 7. Реакторы 1; 2.20 содержат теплообменные поверхности 8, 9, входы в которые включают клапаны 10, 11, а выходы, соответственно, обратные клапаны 12, 13, Низкотемпературныереакторы 25 снабжены теплообменными йоверхностями 14, 15. Установка также содержит насосы 16 и 17 высокотемпературного и низкотемпературного контуров, теплообменники 18 и.19 этих же контуров, причем теплообменник 19 снабжен аккумулятором 20 холода,30 например, выполненным в виде емкости с водоспиртовым раствором, Схема включает клапаны 21, 22, 23, 24 обратные клапаны 25, 26 и трубопроводы.27, 28, 29, 30, 31, 32. ."Высокотемпературные реакторы заполне ны металлогидридом и снабжены электронагревателями 33, 34. Низкотемпературные реакторы заполнены гидридообразующим сплавом на основе титана.Установка содержит также расшири тельный бачок 35, Вентилятор 36 является принадлежностью. теплообменника 18 высокотемпературного контура. В качестве охладителя;. циркулирующего по трубопроводам, используется антифриз с 45 температурой кипения 1000-115 ОС и температурой замерзания -60 С.Термодинамический цикл процессов выделения и поглощения водорода поясняется графиком на фиг,5. Характеристики АВ 50 и СД отражают величину равновесного давления водорода в металлогидридах в реак- .торах 1, 2 и в реакторах 3, 4. При нагревании реактора 1 (2) до точки В с 200 С, Р 45.10 Па (водород выделяется и перетекает 55 в реактор 3 (4), где поглощается;(точка С, 150 С, Р 43 10 Па),После завершения процесса зарядки реактора 3 (4) осуществляется обратный процесс, возникающий при охлаждении реактора 1 (2) в точке А на графике фиг.5 (с " 60 С, Р " 0,8,10 Па). Этот процесс сопровождается охлаждением реактора 3 (4) до предельной точки О и дальнейшей выработки полезного холода при параметрах: 1 - -50 С, Р - 0,9 10 Па (вследствие перетекания водорода из реактора 3 (4) в реактор 1 (2), где выделяется тепло). Теплота, поглощаемая при выделении водорода в реакторе 3 4) карвктериау-т ется величиной 15 10 Дж на 1 кг водорода. Теплота, выделяемая в точке А, равна 19 10 Дж на 1 кг водорода. Опи 6санный цикл обеспечивает схема, приведенная на.фиг.1.Установка работает следующим образом.При нагреве с помощью электронагревателя 34 металлогидрида в реакторе 1 и одновременной прокачке охладителя через теплообменную поверхность 15 водород, выделяясь в реакторе 1 при давлении (50 - 100)х 10 Па и температуре 170 - 300 С поглощается в реакторе 3 прй температуре 60 ОС., При этом в процессе прогрева теплообменной поверхности 8 охладитель вскипает и пар благодаря вертикальному расположению этого) участка контура выталкивает жидкость через обратный клапан 12 в остальную часть гидросистемы, а изменение объема компенсируется перемещением уровня жидкости в бачке 35. Клапаны 10, 22 закрыты, а насос 16 прокачивает жидкость через открытый клапан 21 по трубопроводу 31, теплообменную поверхность 9 и далее на вход теплообменника 18 и насоса 4, но одновременно проток жидкости осуществляется и через теплообменную поверхность реактора 2, который в начале работы всей установки еще не задействован.Далее по окончании стадии зарядки реактора 3 электронагреватель 34 выключается, осуществляется разрядка реактора 3 с выделением из металлогидрида в нем водорода и охлаждением реактора 3 до температуры ниже окружающей среды, Для этого клапаны 21, 11 закрываются, а клапаны 22, 10 открываются и охладитель с промежуточной остановкой насоса или без нее поступает в теплообменную поверхность 14. затем по трубопроводу 27 через клапан 10 в теплообменную поверхность 8 реактора 1. С охлаждением последнего начинается процесс десорбции водорода из реактора 3 с образованием в нем холода, Одновременно с этим включается электронагреватель 33 реактора 2 и водород, выделяясь из металлогидрида в нем при тех же условиях, которые описаны выше, поступает в реактор 4,.где благодаря потоку жидкости через теплообменную поверхность 14 и, следовательно, ванный вариант установки (см.фиг,2), Го. охлаждению реактора 4, поглощается ме- гласно этому варианту вместо одного труталлогидридом,а 3-20 С ипоступает втеп- бопровода 29 низкотемпературного лообменную поверхность 8, где контура выполнены два 37, 38. которые петемпература охладителя еще повышается 5 реходятв трубопроводы 39,40 с клапанами на 3 - 20 С, Параллельно с фазой зарядки 41, 42, Параллельно теплообменнику 19 к реактора 4 или с небольшим сдвигом по насосу 17 подключены обводные каналы с времени( 10 оь от продолжительности фа- клапанами 43, 44, Благодаря такой констзы), температура реактора 3 достигает за- рукции после прекращения фазы нагрева данной величины и для передачи холода 10 охлаждения) одного иэ реакторов (4 или 3) через теплообменник 19 в камеру или окру- осуществляется промежуточная фаза, при жающую среду смотря, что требуется) кла- этом клапаны 41,42 закрыты,клапаны 43,44 пан 24 открывается, а насос 17 подает открыты и подачажидкости насосом 17 сражидкость по ниэкотемпературному контуру зу в оба реактора 3 и 4 приводит к выравни"обратный клапан 16 - теплообменная по ваниютемпературы в них. Благодарятакому верхность 15 - трубопровод 29 - теплооб- . выравниванию обеспечивается важное менник 19", Тем самым обеспечивается свойство, Пусть, например, температура рехолодопроизводительность установки, на- актора 3 повышается, а температура 4 понирядус одновременным обогревом окружаю- жается с тенденцией установления средней щей среды или камеры смотря, что 20 температуры 0 С. При понижениитемператребуется)черезтеплообменник 18 повысо- туры реактора 4 с+60 СдоО Сравновесное котемпературному контуру "клапан 22 теп- давление поглощения водорода металлолообменная поверхность 14 - трубопровод гидридом в нем снижается и остаточное ко - теплообменная поверхность 8 - трубоп- личество водорода перетекает в реактор 4 ровод 30", 25 из реактора 2, но посколькуэлектронагреваПосле завершения стадии зарядки ре- тель 33 отключен фаза нагрева, как указыактора 4 - разрядка реактора 3 все клапаны валось, закончилась), температура реактора переключаются в противоположные пози снижается даже в большей степени, чем ции с промежуточной остановкой насосов она снижается в реакторе 4. Это происходит или без них и далее цикл повторяется, Уда вследствие расходования аккумулирован- ление жидкости из теплообменных поверх- ного в реакторе тепла на диссоциацию воностей 8, 9 при включении дорода из металлогидрида.электронагревателей происходит под дей- Таким образом, температура реактора . ствием пара, образующегося при вскипании 2, предварительно нагретого спиральным части жидкости, которая уходит вниз за об электронагревателем 33, снижается с 200 до ратные клапаны. 120 С. В этом и заключается одна иэ целейПри перетекании водорода по трубоп- введения выравнивания температур реактороводам 5,6 научасткепротивоточноготеп- ров 3 и 4 между фазами, т.к. дальнейшая,лообмен ника 7 температура водорода, подача жидкости (антифриза или спирто-вопоступающего в сторону низкотемператур. дяного раствора) на теплообменную.поверного реактора будет близка к температуре хность 9, нагретую лишь до 120 С не водорода, истекающего из охлаждающего создает технических проблем, описанных реактора, т,к. теплообменник 7 спроектиро- выше. Для осуществления рассмотренного ван с небольшой степенью недорекупера- процесса требуется лишь наличие некотороции. 45 го остаточного количества водорода в реакНедостатком описанной схемы торе 2 (1) после фазы их нагревания.(см.фиг,1) является отсутствие возможности С целью использования тепла поглощеосуществления частичной регенерации ния водорода в реакторе 2 для выделения холода в реакторах 3, 4, а также то обстоя- водорода из реактора 1 аналогично принци- тельство, что после фазы нагрева высоко. пу использования тепла в установке-прото- температурных реакторов до температуры типе, но в соответствии с новой схемой, 200 С в их теплообменные поверхности по- может быть рассмотрена установка, термодается жидкость, имеющая температуру надинамический процесс которой иллюстриуровне комнатной, Это может нежелатель- руется на фиг.5. Одна пара реакторов (2, 4) но сказаться на конструкционных материа - работает по циклу А 1, 81, С 1, 01 с параметлах. Колебания же давления при рамивточкахА 1 -125 ОС Р1 10 П парообразовании,охладителя могут ска- В 1 275 ОС, 45 10 Па, С 1 50 С, 43 10 заться на стабильности работы насоса 16, . Па, 01 -40 С, 10" Па. Другая пара реактоДля устранения указанных недостатков ров работает благодаря потреблению теппредлагается несколько усовершенстволэ, выделяемого в точке А 1, Ее цикл описывается контуром А 2, В 2, С 2, 02 с параметрами в точках А 2"40 С, 3 10 Па, В 2 -100 С, 17 10 Па С 2 щ -30 С, 16 10 Па, Ог 60 С,5 10 Па.При этом для согласования потоков тепла масса водорода., хранящегося в паре реакторов 1,3 (а значит и масса металлогидрида в них) меньше на 30 - 50 о , чем масса водорода в паре реакторов 2,4 т,к, только часть холодильной мощности реактора 4 используется для захолаживания реактора 3 (значительна и собственная теплоемкость реактора 4), С другой стороны, масса реак- тора 1 не должна бытьменьше массы реактора 2, т.к. последний охлаждается только за счет потребления тепла в реакторе 1, Следовательно, реактор 1 должен иметь " большую массу корпуса, т.е. металлогидри. да в нем меньше, чем в реакторе 2.В установке предусматривается последовательное соединение насоса 17 низкбтемпературного контура и теплообменных поверхностей 14, 15 низкотемпературных реакторов 3, 4, Здесь вместо двух трубопрб- водов 27, 28 имеет место только один 45, в котором установлен клапан 46. В" трубопроводе низкотемпературного контура между теплообменными поверхностями 14 и 15 ус.тановлен обратный клапан 47, Клапан 48 предусмотрен аналогично клапану 41 (или 42), э клапан 49 установлен для того, чтобы устранить вероятность перетекания теплой" жидкости высокотемпературного контура, поступающей по трубопроводу 32 в течение фазы поглощения водорода в реакторе 4, в низкотемпературный контур на вход в насос 17.Установка, показанная на фиг.3 работает с тем отличием, что при поглощении водорода в реакторе 3 его температура поддерживается не + 60, а -30 С зэ счет одновременного охлаждения реактора 4 на уровне ( - 35) - ( - 40) С. Т.е, реактор 4 как бы входит в каскад предварительного охлаждения низкотемпературного контура. В данном случае передача холода в теплообменник 19 по контуру 17-15 - 29-48 осуществляется лишь в течение 30 - 50времени работы установки, но температурный уровень при этом ниже, чем в рассмотренных выше вариантах и составляет (-50)-(-60)С. Стационарный, а не периодический режим работы теплообменника 19 обеспечивается при этом за счет аккумулятора холода 20,Данный вариант установки также позволяет осуществить промежуточную фазу с охлаждением реактора 2 ниже 150 С. Преимущество этого варианта - в его простотеи наименьшем количестве клапанов как объектов управления,Другой вариант установки показан нэ5 фиг,4. Здесь реакторы 1, 2 имеют каждый поэлектронагревателю(33,34), а низкотемпературныйконтур аналогичносхеме по фиг.З содержитпоследовательно установленные насос 17 итеплообменные поверхности 14; 15 для осу 10 ществления предварительного охлажденияреактора 3 при поступлении в него водорода. С целью исключения обратных клапанов,12, 13, а также снижения потерь тепла нэвскипание жидкости в теплообменных повер 15 хностях 9, 8 при переходе к фазе нагревавысокотемпературных реакторов, предусмотрено следующее усовершенствование,Высокотемпературный контур (а опос редованно и низкотемпературный ) снабжен20 расширительно-сливным бачком 50, размещенным ниже, чем теплообменные поверхности 8, 9 донное пространство подключенок теплообменнику 18, а в верхнюю частьвведены патрубки трубопроводов 51, 52 со 25 бдиненные с теплообменными поверхностями 8, 9, а кроме параллельно последнимпредусмотрены обводные трубопроводы 53,54 минимальный диаметр которых меньшедиаметра патрубков 51, 52 в 5 - 10 раз с тем,30 чтобы при прокачке жидкости основной поток шел бы втеплообменные поверхности 8,9, а всего 0.5 - 2 в обводные трубопроводы.При этом различие в уровнях выходных отверстий патрубков 51, 52 и трубопроводов35 53, 54 обеспечивает самопроизвольныйслив из каналов 8, 53 или 9, 54 при закрытии. клапанов, соответственно 10 11. Тем самымдостигается самоудаление жидкости из теплообменных поверхностей в начале фазы40 нагрева высокотемпературных реакторов.Цикл работы установки представлен нафиг,7. Контур предварительного охлажде ния (пара реакторов 2 - 4) описывается четырехугольником Аз, Вз, Сз.Озс параметрами45 в точках; Аз - + 60 С, 0,6 10 Па, Вз+145 ОС,12 10 Па, Сз + 50 С.11 10 Па,Оз- 17 ОС, 0,8 10 Па. Работа другой пары реакторов (1 - 3) описывается четырехугольником АзВзС 404 со следующими50 параметрами в точках С 4:04 соответственно:. +5 С, 10 10 Па, -50 С, 0,9 10 Па.Преимуществом этого варианта схемы являются низкие давления водорода (до 12 10Па).55 Формула изобретения1, Холодильно-нагревательная установка, содержащая источники тепла, две парыметаллогидридных реакторов, каждая иЯ которых включает высокотемпературный инизкотемпературный реакторы, оснащенные теплообменными поверхностями, контур охлаждения высокотемпературных реакторов, жидкостные высокотемпературный и низкотемпературный контуры с нэсо сами, теплообменниками и клапанами, о т л ич а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения экономичности, контур охлаждения высокотемпературных реакторов сообщен с высокотемпературным контуром, а 10 теплообменная поверхность по крайней мере одного из высокотемпературных реакторов одной пары реакторов установлена с наклоном и сообщена с теплообменной поверхностью низкотемпературного реактора 15 другой пары реакторов,2. Установка по п.1, о т л и ч а ю щ а яс я тем, что высокотемпературный и низко- температурный контуры соединены посред ством обратного клапана. 203, Установка по пн.1 и 2, о т л и ч а ющ а я с я тем, что реакторы в соответствующих парах соединены посредством противоточных теплообменников.25 4, Установка по пп.1 и 2, о т л и ч а ю. щ а я с я тем, что теплообменник низкотемпературного контура снабжен аккумулятором холода.5. Установка по пп.1 - 4, о т л и ч э ю щ а яс я тем, что одна из теплообменных поверхностей низкотемпературного реактора и теплообменник подключены к насосу жидкостного низкотемпературного контура параллельно, причем на входе теплообменника установлен клапан,6. Установка по пп.1 - 5, отл и ч э юща яс я тем, что насос низкотемпературного жидкостного контура и теплообменные поверхности низкотемпературных реакторов соединены последовательно.7, Установка по пп.1 - 6,отл ича ю ща яс я тем, что жидкостные контуры снабжены расширительно-сливным бачком, каждая часть которого подключена к теплообменнику высокотемпературного жидкостного контура, а его верхняя часть соединена с входами и выходами теплообменных поверхностей высокотемпературных реакторов,1809261 Кравцова Реда рректо ИПИ Гос ям при ГКНТ СССР Заказ ВСоставитель А.Феда Тех ред М,Моргента Тираж . Подписн твенного комитета по изобретениям и откр 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5