ТЕПЛОНАСОСНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1997 года по МПК F25B15/04 

Изобретение относится к теплонасосным установкам, базирующимся на абсорбционных агрегатах, в частности к установкам для отопления и охлаждения помещений с постоянно действующей вентиляцией.

В основу работы всех тепловых насосов заложены термодинамическое состояние и параметры, определяющие это состояние: температура, давление, удельный объем, энтальпия и энтропия.

Работа всех тепловых насосов заключается в том, что тепло изотермически подводится при низкой температуре и изометрически отводится при высокой температуре. Сжатие и расширение производится при постоянной энтропии, а работа производится от внешнего двигателя.

Тепловой насос можно охарактеризовать как умножитель тепла, использующий низкопотенциальное тепло различных тепловыделяющих сред, таких как окружающий воздух, грунт, грунтовые и сточные воды и т.п.

В настоящее время известно множество различных тепловых насосов с различными рабочими телами. Такое разнообразие вызвано существующими ограничениями использования того или иного вида теплового насоса, которые накладываются не только техническими проблемами, но также законами природы.

Наиболее распространенными являются насосы с механической компрессией пара, затем насосы с абсорбционным циклом и двойным циклом Ренкина.

Насосы с механической компрессией не находят широкого использования в виду необходимости наличия сухого пара, что вызвано особенностями механики большинства компрессоров. Попадание жидкости вместе с паром на вход компрессора может повредить его клапаны, а поступление большого количества жидкости в компрессор может вообще вывести его из строя.

Наиболее широко используются насосы абсорбционного типа. Процесс работы абсорбционных установок основан на последовательном осуществлении термохимических реакций поглощения рабочего агента абсорбентом, а затем освобождения (десорбции) абсорбента от рабочего агента.

Как правило, рабочим агентом в абсорбционных установках служит вода либо иные растворы, способные поглощаться абсорбентом, в качестве абсорбентов могут быть использованы соединения и растворы, легко поглощающие рабочее тело: аммиак (NH₃), серный ангидрит (SO₂), двуокись углерода (CO₂), едкий натр (NaOH), едкий калий (KOH), хлористый кальций (CACl₂) и т.д.

Известна, например, теплонасосная установка (авт. св. СССР N 1270499, кл. F 25 B 15/02, 29/00, 1986), содержащая абсорбционный холодильный агрегат с контуром хладагента, конденсатор, переохлодитель, испаритель, дефлегматор и регенеративный теплообменник, а также контур отопительной воды, проходящей через конденсатор, линию вентиляционного воздуха, проходящую последовательно через абсорбер и переохладитель, контур отопительной воды выполнен замкнутым и в него дополнительно включен дефлегматор. Установка дополнительно содержит двухполостной теплообменник -переохладитель, который одной полостью включен в контур хладагента между переохладителем и испарителем, а другой- в линию вентиляционного воздуха перед абсорбером.

Описанная установка громоздка и металлоемка, так как имеет узлы и системы, работающие при повышенном давлении. Кроме того, достижения высоких энергетических показателей в известной установке используют в качестве теплоносителя аммиак и его водные растворы, которые являются ядовитыми и коррозионно агрессивными.

Наиболее эффективны теплонасосные установки абсорбционно-инжекторного типа.

Известна тепловая установка (авт. св. СССР N 87623, кл. F 25 B 15/04, 1949), включающая генератор аммиачного пара (испаритель), заполненного высококонцентрированным водоаммиачным раствором, с расположенным внутри него змеевиком из стальных труб, в который подается пар низкого давления, служащий для испарения аммиака, абсорберы высокого давления (инжекторы), насосы, трубчатую систему тепла, генератор высокого пара, подогреватель конденсата пара низкого давления, охладитель, служащий одновременно подогревателем.

Описанная установка позволяет повысить давление пара при высоком значении термического коэффициента полезного действия за счет того, что абсорбер установки имеет инжекторы, служащие для повышения давления, полученного в генераторе аммиачного пара, с помощью подаваемого насосом из генератора обедненного раствора.

Однако в описанной установке используют агрессивные среды, что требует использования специальных материалов высокой коррозионной стойкости. Это значительно удорожает установку.

Целью изобретения является создание упрощенной, экологически безвредной, экономичной установки, имеющей высокие энергетические характеристики.

Эта задача решается тем, что теплонасосная установка, содержащая теплообменник, испаритель, инжектор-абсорбер, жидкостной насос, напорно-разделительный бачок, испаритель и инжектор-абсорбер, которые согласно изобретению, соединены между собой по меньшей мере одним капилляром, а испаритель выполнен трехполостным, одна полость которого соединена с теплообменником линией вентиляционного воздуха, другая заполнена теплоносителем, разделенные полостью вакуума, подключенной к инжектору-абсорберу, причем испаритель содержит пористое тело, размещенное одновременно во всех указанных полостях.

Исполнение в установке связи между испарителем и инжектором-абсорбером в виде термодинамически прерывной системы, соединенной по меньшей мере одним капилляром, позволяет вести процесс получения тепла в области, далекой от термодинамического равновесия, что значительно интенсифицирует тепломассообмен в рассматриваемой системе.

Можно соединить испаритель и инжектор-абсорбер несколькими капиллярами.

Это усилит эффект тепломассообмена в рассматриваемой системе.

Исполнение испарителя с тремя независимыми, разделенными полостями и с пористым телом, размещенным одновременно во всех трех полостях, позволяет образовывать развитую поверхность массообмена между теплоносителем и воздухом (примерно 100-10000 см² в 1 см³), за счет чего внутри пористого тела происходит интенсивное испарение теплоносителя и насыщение им воздуха, сопровождающееся большим поглощением тепла, поступающего из тепловыделяющей среды.

Целесообразно, чтобы капилляр имел диаметр, равный длине свободного пробега молекул теплоносителя в паровой фазе при остаточном давлении, создаваемым инжектором-абсорбером, и температуре, равной температуре жидкого теплоносителя, и длину, равную 10-10⁵ диаметров капилляра.

Это обеспечивает интенсивный массоперенос теплоносителя в направлении только от испарителя к инжектору-абсорберу.

Пористое тело целесообразно выполнить из пор двух видов, поверхность одних из которых смачивается, а других не смачивается теплоносителем.

В этом случае пористое тело проницаемо одновременно для жидкости и воздуха и позволит образовывать более развитую поверхность массообмена между теплоносителем и воздухом внутри пористого тела. Это значительно интенсифицирует процесс испарения. Скорость испарения в испарителе описанной выше конструкции с пористым телом достигает величины, приближенной к скорости испарения в абсолютном вакууме.

Целесообразно к испарителю подвести по меньшей мере одну тепловую трубу, один конец которой разместить в пористом теле, а другой в тепловыделяющей среде, например в грунте.

Это позволит интенсифицировать теплообмен между испарителем и тепловыделяющей средой.

Патрубок отвода газо-паровой смеси напорно-разделительного бачка можно соединить с теплообменником, который является одновременно в описанной установке и конденсатором.

Это обеспечит подогрев, а следовательно, и понижение влажности вентиляционного воздуха, засасываемого в испаритель из окружающей среды, тем самым интенсифицируя процесс испарения теплоносителя в испарителе.

Напорно-разделительный бачок целесообразно соединить с теплообменником, который является одновременно в описанной установке и конденсатором.

Это обеспечит подогрев, а следовательно, и понижение влажности вентиляционного воздуха, засасываемого в испаритель из окружающей среды, тем самым интенсифицируя процесс испарителя теплоносителя в испарителе.

Полость испарителя, заполненную теплоносителем, можно соединить с теплообменником линией конденсата теплоносителя.

Это позволит избежать потерь теплоносителя с парогазовой смесью, отделенной в напорно-разделительном бачке, и обеспечит постоянное восполнение теплоносителя в испарителе.

На фиг.1 изображена схема предлагаемой теплонососной установки; на фиг.2 испаритель с размещенным в нем пористым телом и тепловой трубой.

Заявляемая теплонасосная установка содержит теплообменник 1 (фиг.1) с патрубками 2, 3 соответственно подачи вентиляционного воздуха и воздушно-паровой смеси, испаритель 4, соединенный с теплообменником 1 газожидкостной линией 5, представляющей собой две раздельные трубы, и с инжектором-абсорбером с капилляром 7, подключенным к всасывающей линии инжектора-абсорбера. Капилляр должен иметь диаметр, равный длине свободного пробега молекул теплоносителя в паровой фазе при остаточном давлении, созданном в инжекторе-абсорбере 6, и температуре, равной температуре жидкого теплоносителя. Длина капиллярной линии должна иметь 10-10⁵ диаметра капилляра. Инжектор-абсорбер 6 установлен на напорной линии жидкостного насоса 8 и соединен с напорно-разделительным бачком 9, заполненным на 2/3 его объема жидким теплоносителем. Напорно-разделительный бачок соединен линией 10 с теплообменником 1 через патрубок 3 и линией 2, предназначенной для отвода жидкого теплоносителя, с нагревательными приборами 12, которые подключены к всасывающей линии жидкостного насоса 7.

Испаритель 4 выполнен из трех независимых полостей 13, 14 и 15 (фиг.2). Полость 13 соединена с трубой подачи воздуха из теплообменника. Полость 15 заполнена жидким теплоносителем и соединена с трубой подачи конденсата теплоносителя из теплообменника 1, являющегося и конденсатором пара теплоносителя. Это позволяет избежать потерь теплоносителя с газо-паровой смесью, которая отделяется от жидкого теплоносителя в напорно-разделительном бачке 9. Полость 14 соединена посредством капиллярной линии 7 с всасывающей линией инжектора-абсорбера 6, внутри испарителя 4 размещено пористое тело 16, выполненное в виде толстостенного цилиндра, содержащего два вида пор - поверхность одного вида пор хорошо смачивается теплоносителем, поверхность другого вида пор не смачивается теплоносителем, но является проницаемой для воздуха. Материал для пористого тела подбирают в зависимости от теплоносителя, которым может быть любая неагрессивная жидкость с температурой кипения при давлении 1 атм не выше 150^oC, например вода, спирты, эфиры, углеводороды и их смеси, состоящие из двух, трех и более компонентов, взаимно растворимых. Теплоноситель выбирают в зависимости от того, какое помещение требуется обогревать установкой, от климатических условий и других факторов.

Пористое тело 16 размещено внутри испарителя таким образом, что его поверхности соприкасаются со всеми тремя указанными полостями.

К испарителю 4 подведена тепловая труба 17, один конец которой размещен в пористом теле 16, а другой в тепловыделяющей среде, например грунте. Тепловых труб может быть несколько, что усилит подвод тепла из теплосодержащей среды к испарителю и усилит тем самым процесс испарения теплоносителя.

Теплонасосная установка работает следующим образом.

Воздух из атмосферы через патрубок 3 подачи воздуха за счет разрежения, созданного инжектором-абсорбером в испарителе 4, засасывает в теплообменник 1 и посредством газожидкостной линии 5 по трубе воздуха поступает в камеру 13 испарителя 4. Внутри пористого тела 16 происходит интенсивное испарение теплоносителя и насыщение его парами воздуха. При этом поглощается тепло тепловыделяющей среды, например грунта, которое подводится в испаритель посредством тепловых труб 17. Скорость испарения теплоносителя внутри пористого тела достигает величины, сравнимой со скоростью испарения в абсолютном вакууме 0,3 г/см³•c, что соответствует тепловому потоку 0,75 Вт/см² пористого тела.

Воздух, насыщенный парами теплоносителя, по капилляру 7 засасывается в инжектор-абсорбер 6, сюда же жидкостным насосом 8 из нагревательных приборов 12 под напором подается теплоноситель и смешивается с паро-воздушной смесью, образуя эмульсию, представляющую собой пузырьки воздуха и теплоносителя. При этом происходит поглощение парообразной влаги жидкостью с выделением тепла, эквивалентного поглощенному в испарителе теплу. Выделенное тепло расходуется на нагрев теплоносителя.

Образованная в инжекторе-абсорбере 6 эмульсия поступает в напорно-разделительный бачок 9, где происходит разделение ее на воздухо-паровую смесь и жидкий теплоноситель. Из напорно-разделительного бачка 9 нагретый теплоноситель поступает самотеком в нагревательные приборы 12 и вновь на всасывающую линию жидкостного насоса 8, завершая таким образом цикл жидкого теплоносителя.

Воздухо-паровая смесь из напорно-разделительного бачка 9 по линии 10 за счет небольшого избыточного давления, созданного в напорно-разделительном бачке 9, поступает в теплообменник 1 через патрубок 3. В теплообменнике 1 происходит нагрев засасываемого атмосферного воздуха и конденсация паров теплоносителя, которые раздельно поступают в испаритель 4.

Таким образом, заявляемая теплонасосная установка отличается высокими энергетическими характеристиками, без использования агрессивных, экологически вредных теплоносителей, что делает ее безопасной в эксплуатации.

В качестве теплоносителя может использоваться вода. Для обогрева помещений, зданий в суровых климатических условиях испаритель можно заполнять легкокипящим теплоносителем для более интенсивного испарения, а по отопительной системе можно пропускать воду. Для обогрева, например, гаражей, когда не требуется даже в зимнее время постоянного его обогрева, целесообразно использовать в качестве теплоносителя спирты или растворы, имеющие низкую температуру замерзания, что предотвратит размерзание системы во время отключения установки.

Использование неагрессивных нагревательных теплоносителей исключает необходимость применения специальных материалов и сплавов при изготовлении установки. Часть узлов установки, такие как напорно-разделительный бачок, соединительные трубопроводы можно выполнять из пластмасс, резины и других неметаллических материалов, что позволит значительно снизить металлоемкость.

Установка технически проста в исполнении и эксплуатации, не требует больших энергозатрат.

Тепловыделяющий узел компактен и может быть размещен на небольшой площади и может быть использована как для отопления больших помещений, зданий, так и небольших построек, а также гаражей, а при работе в холодильном цикле для охлаждения подвалов в летнее время.

Возможность широкого выбора вида теплоносителя позволяет использование установки в любых климатических условиях.

Все это определяет дешевизну установки, безопасность ее эксплуатации и доступность для большого числа потребителей.

Использование: в установках для отопления и охлаждения помещений с постоянно действующей вентиляцией. Сущность изобретения теплонасосная установка содержит теплообменник 1, испаритель 4, инжектор-абсорбер 6, напорно-разделительный бачок 9 и жидкостной насос 7. Испаритель 4 и инжектор-абсорбер 6 соединены по меньшей мере одним капилляром 5. Испаритель 4 выполнен из трех полостей и заполнен пористым телом 16. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Теплонасосная установка, содержащая теплообменник, испаритель, инжектор-абсорбер, жидкостной насос, напорно-разделительный бачок, отличающаяся тем, что установка снабжена линией вентиляционного воздуха, по меньшей мере одним капилляром и пористым телом, а испаритель выполнен трехполостным, одна полость которого соединена с теплообменником линией вентиляционного воздуха, другая заполнена теплоносителем и третья вакуумированная полость подключена к инжектору -абсорберу, при этом пористое тело размещено во всех трех полостях, а испаритель и инжектор-абсорбер соединены между собой по меньшей мере одним капилляром. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что капилляр имеет диаметр, равный длине свободного пробега молекул теплоносителя в паровой фазе при остаточном давлении, созданном в инжекторе-абсорбере, и температуре, равной температуре окружающей среды, а длина капилляра равна 10 10⁵ его диаметра. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что пористое тело образовано порами двух видов, поверхность одних из которых смачивается, а других не смачивается теплоносителем. 4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что к испарителю подведена по меньшей мере одна тепловая труба, один конец которой размещен в пористом теле, а другой в тепловыделяющей среде. 5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что напорно-разделительный бачок соединен с теплообменником. 6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что снабжена линией конденсата теплоносителя, с помощью которой полость испарителя, заполненная теплоносителем, связана с теплообменником.