RU2148220C1 - Thermal pump working by reverse stirling cycle - Google Patents

Abstract

FIELD: thermodynamic cycles. SUBSTANCE: during operation, guides of expulsor regularly close holes in side surface of cooler separating the compressing and expansion processes. To avoid of heat, expansion cavity formed by cap, external surface of expulsor and corrugated wall is evacuated to ensure reliable heat insulation. EFFECT: enhanced efficiency of thermodynamic cycle; reduced mass and overall dimensions of thermal pump. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области газовых регенеративных машин, работающих по обратному циклу Стирлинга и используемых в качестве тепловых насосов для систем децентрализованного теплоснабжения. The invention relates to the field of gas regenerative machines operating on the reverse Stirling cycle and used as heat pumps for decentralized heat supply systems.

Известно использование холодильных машин в качестве тепловых насосов для децентрализованного теплоснабжения. В качестве источника низкотемпературной теплоты используются различные газообразные и жидкие отходы производства с повышенной температурой или естественные источники, например грунтовая вода или воздух. Однако применяемые тепловые насосы на основе парокомпрессионных и других холодильных машин имеют недостаточно высокую эффективность (Танклевский В.И., Грузман Р.М, Кириллов Н.Г, Сударь Ю.М. Децентрализованные системы теплоснабжения с тепловыми насосами, работающими по обратному циклу Стирлинга. //Теплоэнергоэффективные технологии. Информационный бюллетень, N 1, С.Пб., 1997, стр. 38-40). It is known to use refrigeration machines as heat pumps for decentralized heat supply. As a source of low-temperature heat, various gaseous and liquid waste products with increased temperature or natural sources, such as ground water or air, are used. However, the heat pumps used on the basis of steam compression and other refrigerators are not sufficiently efficient (Tanklevsky V.I., Gruzman R.M., Kirillov N.G., Sudar Yu.M. Decentralized heat supply systems with heat pumps operating according to the reverse Stirling cycle. // Heat-energy-efficient technologies. Information Bulletin, N 1, S.Pb., 1997, p. 38-40).

Известно, что для обеспечения высокоэффективного идеального цикла Стирлинга необходимо прерывистое движение поршней, в принципе можно создать механизм, близкий к идеальному, однако при его создании необходимо учитывать требования простоты и компактности (Г.Ридер, Ч.Хупер. Двигатели Стирлинга. М., Изд. "Мир", 1986, стр. 28). It is known that to ensure a highly efficient ideal Stirling cycle, intermittent movement of pistons is necessary, in principle, a mechanism close to ideal can be created, however, when creating it, it is necessary to take into account the requirements of simplicity and compactness (G. Reeder, C. Hooper. Stirling engines. M., Ed. . "World", 1986, p. 28).

Известна криогенная холодильная машина, работающая по циклу Стирлинга и содержащая встроенный в цилиндр машины холодильник (заявка Великобритании 1483356, кл. F 4 H, заявлена 1974 г.). Known cryogenic refrigeration machine operating according to the Stirling cycle and containing a refrigerator built into the cylinder of the machine (UK application 1483356, class F 4 H, declared 1974).

Недостатком данной машины являются нестационарный тепломассообмен, увеличение габаритных размеров за счет выноса остальных теплообменных аппаратов за пределы цилиндра. The disadvantage of this machine is unsteady heat and mass transfer, an increase in overall dimensions due to the removal of the remaining heat exchangers outside the cylinder.

Известна газовая регенеративная холодильная машина, обеспечивающая прерывистое движение рабочего газа и состоящая из цилиндра, рабочего поршня, вытеснителя с направляющими, встроенных внутрь цилиндра регенератора, теплообменника нагрузки и холодильника с отверстиями в боковой поверхности нижнего края (Патент России 2079069, F 26 B 9/14, Бюл. N 13, 1997). Known gas regenerative refrigeration machine, providing intermittent movement of the working gas and consisting of a cylinder, a working piston, a displacer with guides embedded inside the regenerator cylinder, a load heat exchanger and a refrigerator with holes in the side surface of the lower edge (Russian Patent 2079069, F 26 B 9/14 , Bull. N 13, 1997).

Недостатком данного технического решения является то, что над вытеснителем образуется "мертвое пространство", увеличивающее массогабаритные характеристики машины и снижающее эффективность работы машины из-за пульсации давления в нем. The disadvantage of this technical solution is that a “dead space” is formed above the displacer, which increases the weight and size characteristics of the machine and reduces the efficiency of the machine due to pressure pulsation in it.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении эффективности термодинамического цикла, снижении массогабаритных характеристик газовой регенеративной машины. The technical result that can be obtained by carrying out the invention is to increase the efficiency of the thermodynamic cycle, to reduce the overall dimensions of the gas regenerative machine.

Для достижения этого технического результата тепловой насос, работающий по обратному циклу Стирлинга, включающий цилиндр, рабочий поршень, вытеснитель с направляющими, встроенные внутрь цилиндра холодильник с отверстиями в нижней части боковой поверхности, регенератор и теплообменник нагрузки, снабжен в верхней части цилиндра колпаком, внутри которого совершает возвратно-поступательное движение вытеснитель, связанный с верхней частью цилиндра гофрированной стенкой из эластичного материала, при этом внутренние поверхности вытеснителя и гофрированной стенки образуют полость расширения, а полость между их внешними поверхностями и колпаком вакуумируется. To achieve this technical result, a heat pump operating in the reverse Stirling cycle, including a cylinder, a working piston, a displacer with guides, a refrigerator with holes in the lower part of the side surface built into the cylinder, a regenerator and a heat exchanger, is equipped with a cap in the upper part of the cylinder, inside of which displaces the displacer associated with the upper part of the cylinder by a corrugated wall of elastic material, while the internal surfaces will displace To form a corrugated wall and expanding the cavity, and the cavity between their outer surfaces and the cover is evacuated.

Введение в состав теплового насоса колпака, вытеснителя, связанного с цилиндром гофрированной стенкой из эластичного материала и ваккумированной полости между ними, позволяет получить новое свойство, заключающееся в эффективной теплоизоляции полости расширения за счет вакуумирования окружающего его пространства, а также снижение сил трения при возвратно-поступательном движении вытеснителя ввиду отсутствия контакта со стенками цилиндра. The introduction of a cap, a displacer connected to the cylinder with a corrugated wall of elastic material and a vacuum cavity between them, makes it possible to obtain a new property consisting in effective thermal insulation of the expansion cavity due to evacuation of the surrounding space, as well as reduction of friction forces during reciprocating displacer movement due to lack of contact with the cylinder walls.

На чертеже изображен тепловой насос, работающий по обратному циклу Стирлинга. The drawing shows a heat pump operating in the reverse Stirling cycle.

Тепловой насос имеет цилиндр 1, внутри которого расположен рабочий поршень 2, холодильник 3 с отверстиями для прохода рабочего газа 4, регенератор 5, теплообменник нагрузки 6. В верхней части к цилиндру крепится колпак 7, внутри которого расположен вытеснитель 8. К нижнему торцу вытеснителя 8 крепятся направляющие 9, совершающие возвратно-поступательное движение в проходном канале блока теплообменных аппаратов. Вытеснитель 8 соединен с цилиндром 1 с помощью гофрированной стенки 10 из эластичного и теплостойкого материала, который вместе с вытеснителем 8 и верхней частью теплообменника нагрузки 6 образует полость расширения 11 теплового насоса. Колпак 7 образует вместе с внешней стороной вытеснителя 8 и гофрированной стенкой 10 теплоизоляционную полость 12, которая для этих целей вакуумируется. Вытеснитель 8 приводится в движение через шток 13, проходящий через рабочий поршень 2 и теплообменные аппараты 3, 5, 6. Тепловой насос имеет полость сжатия 14, ограниченную верхней поверхностью рабочего поршня 2 и нижней частью холодильника 3. Холодильник 3 и теплообменник нагрузки 6 выполнены в виде трубчатых теплообменников и имеют патрубки для входа 17, 18 и выхода 15, 16 рабочих сред. The heat pump has a cylinder 1, inside which there is a working piston 2, a refrigerator 3 with openings for the passage of the working gas 4, a regenerator 5, a load heat exchanger 6. In the upper part, a cap 7 is attached to the cylinder, inside of which a displacer 8. To the lower end of the displacer 8 guides 9 are mounted, making reciprocating motion in the passage channel of the heat exchanger unit. The displacer 8 is connected to the cylinder 1 by means of a corrugated wall 10 of elastic and heat-resistant material, which together with the displacer 8 and the upper part of the load exchanger 6 forms an expansion cavity 11 of the heat pump. The cap 7 forms, together with the outer side of the displacer 8 and the corrugated wall 10, a heat-insulating cavity 12, which is evacuated for these purposes. The displacer 8 is driven through a rod 13 passing through the working piston 2 and heat exchangers 3, 5, 6. The heat pump has a compression cavity 14 defined by the upper surface of the working piston 2 and the lower part of the refrigerator 3. The refrigerator 3 and the load heat exchanger 6 are made in the form of tubular heat exchangers and have nozzles for input 17, 18 and output 15, 16 of the working environment.

Тепловой насос работает следующим образом. The heat pump operates as follows.

Поршень-вытеснитель 8 находится в нижней мертвой точке (НМТ), направляющие 9 перекрывают отверстия 4 и выходят за нижний край холодильника 3. Рабочий поршень 2, двигаясь вверх, сжимает рабочий газ, газ сжимается в полости 14, пока начавшие движение вверх направляющие 9 не откроют отверстия 4. В процессе сжатия температура рабочего газа возрастает. При открытии отверстий 4 начинается перемещение сжатого рабочего газа из полости сжатия 14 в полость расширения 11, образованную нижней частью вытеснителя и гофрированной стенкой 10, газ проходит через отверстия 4, холодильник 3, регенератор 5, теплообменник нагрузки 6 и поступает в полость 11. В холодильнике 3 сжатое горячее рабочее тело передает теплоту теплоносителю системы децентрализованного теплоснабжения, поступающего в холодильник 3 через патрубок 18 и удаляемого через патрубок 16. При достижении рабочим поршнем 2 верхней мертвой точки (ВМТ) заканчивается перемещение рабочего газа и при продолжении движения вытеснителя 8 вверх начинается процесс расширения. Сложенные гофры стенки 10 растягиваются, увеличивая объем полости расширения 11. В процессе расширения температура рабочего тела внутри полости 11 понижается. Для избежания теплопритоков из вне полость 12, образованная колпаком 7, внешней поверхностью вытеснителя 8 и гофрированной стенкой 10, вакуумируется, что позволяет обеспечить наилучшую теплоизоляцию полости расширения 11. При достижении вытеснителем 8 ВМТ процесс расширения закачивается. Оба поршня 2, 8, двигаясь вниз, перемещают холодный расширенный рабочий газ из полости расширения 11 в полость сжатия 14 в обратном порядке, через теплообменник нагрузки 6, регенератор 5, холодильник 3 и отверстия 4. The displacer piston 8 is located at the bottom dead center (BDC), the guides 9 overlap the openings 4 and extend beyond the lower edge of the refrigerator 3. The working piston 2, moving upward, compresses the working gas, the gas is compressed in the cavity 14, until the guides 9 that started to move upward open the holes 4. During compression, the temperature of the working gas increases. When the openings 4 are opened, the compressed working gas moves from the compression cavity 14 to the expansion cavity 11 formed by the lower part of the displacer and the corrugated wall 10, the gas passes through the holes 4, the refrigerator 3, the regenerator 5, the heat exchanger 6 and enters the cavity 11. In the refrigerator 3, a compressed hot working fluid transfers heat to the coolant of the decentralized heat supply system, which enters the refrigerator 3 through the pipe 18 and is removed through the pipe 16. When the working piston 2 reaches the top dead center (B MT) the movement of the working gas ends and with the continued movement of the displacer 8 upwards, the expansion process begins. The folded corrugations of the wall 10 are stretched, increasing the volume of the expansion cavity 11. In the process of expansion, the temperature of the working fluid inside the cavity 11 decreases. To avoid heat influx from the outside, the cavity 12, formed by the cap 7, the outer surface of the displacer 8 and the corrugated wall 10, is evacuated, which ensures the best thermal insulation of the expansion cavity 11. When the displacer reaches 8 TDC, the expansion process is pumped. Both pistons 2, 8, moving downward, move the cold expanded working gas from the expansion cavity 11 to the compression cavity 14 in the reverse order, through the load heat exchanger 6, regenerator 5, refrigerator 3 and openings 4.

В теплообменник нагрузки 6 по патрубку 17 подается источник с наиболее высокой бросовой теплотой, например обработанные горячие газы, грунтовая вода, теплый воздух, сточные канализационные воды. Данная сбросовая теплота передается рабочему телу теплового насоса, поступающему из полости расширения 11. Рабочее тело после расширения в полости 11 имеет низкую температуру, что обеспечивает эффективный теплообмен с источником бросовой теплоты. Охлажденный источник бросовой теплоты удаляется из теплообменника нагрузки 6 через патрубок 15. При достижении направляющими 9 отверстий 4 происходит разделение полостей сжатия 14 и расширения 11, обеспечивая прерывистое движение рабочего газа для следующего цикла. Затем цикл повторяется. A source with the highest waste heat, for example, treated hot gases, ground water, warm air, sewage water, is supplied to the load heat exchanger 6 through the pipe 17. This waste heat is transferred to the working fluid of the heat pump coming from the expansion cavity 11. After the expansion in the cavity 11, the working fluid has a low temperature, which ensures efficient heat exchange with the source of waste heat. The cooled source of waste heat is removed from the heat exchanger of the load 6 through the pipe 15. When the guides 9 reach the openings 4, the compression cavities 14 and the expansion 11 are separated, providing intermittent movement of the working gas for the next cycle. Then the cycle repeats.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки
1. Танклевский В.И., Грузман Р.М., Кириллов Н.Г., Сударь Ю.М. Децентрализованные системы теплоснабжения с тепловыми насосами, работающими по обратному циклу Стирлинга. //Теплоэнергоэффективные технологии. Информационный бюллетень, N 1, С.Пб., 1997, стр. 38-40.Sources of information taken into account when preparing the application
1. Tanklevsky V.I., Gruzman R.M., Kirillov N.G., Sudar Yu.M. Decentralized heat supply systems with heat pumps operating in the reverse Stirling cycle. // Heat energy efficient technologies. Newsletter, N 1, S. St. Petersburg, 1997, pp. 38-40.

2. Г.Ридер, Ч.Хупер. Двигатели Стирлинга. М., Изд. "Мир", 1986, стр. 28. 2. G. Reeder, C. Hooper. Stirling engines. M., ed. The World, 1986, p. 28.

3. Заявка Великобритании 1483356, кл. F 4 H, заяв. 1974 г. 3. UK application 1483356, CL F 4 H, application. 1974

4. Патент России 2079069, F 26 B 9/14, Бюл. N 13, 1997 - прототип. 4. Patent of Russia 2079069, F 26 B 9/14, Bull. N 13, 1997 - prototype.

Claims (1)

Тепловой насос, работающий по обратному циклу Стирлинга, включающий цилиндр, рабочий поршень, вытеснитель с направляющими, встроенные внутрь цилиндра холодильник с отверстиями в нижней части боковой поверхности, регенератор и теплообменник нагрузки, отличающийся тем, что снабжен в верхней части цилиндра колпаком, внутри которого совершает возвратно-поступательное движение вытеснитель, связанный с верхней частью цилиндра гофрированной стенкой из эластичного материала, при этом внутренние поверхности вытеснителя и гофрированной стенки образуют полость расширения, а полость между их внешними поверхностями и колпаком вакуумируется. A heat pump operating according to the reverse Stirling cycle, including a cylinder, a working piston, a displacer with rails, a refrigerator with holes in the bottom of the side surface built into the cylinder, a regenerator and a heat exchanger, characterized in that it is equipped with a cap inside the cylinder, inside of which reciprocating movement of the displacer associated with the upper part of the cylinder by a corrugated wall of elastic material, while the inner surfaces of the displacer and corrugated walls and forming a cavity extension, and a cavity between their outer surfaces and the cover is evacuated.