УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАГРЕВА И ОХЛАЖДЕНИЯ ВОЗДУХА Российский патент 1997 года по МПК F25B9/02 

Изобретение относится к разделу механики, в частности к классам отопительной и холодильной техники, представляет собой тепловой насос с автономным тепловым приводом, и может найти применение при создании кондиционеров и агрегатов для воздушного обогрева и охлаждения жилых и производственных помещений.

В настоящее время известны устройства для получения тепла и холода [1] которое в режиме обогрева работает как тепловой насос путем сжатия в компрессоре рабочего тела (РТ) за счет электроэнергии и поглощения тепла из окружающей среды, а в режиме охлаждения за счет рекомбинации РТ на трехфазной границе раздела в полости высокого давления.

Недостатком такого устройства является сложность устройства, которое кроме электротехнического компрессора и теплообменников содержит двухфазное РТ, пористые углероды, электролитную мембрану, металлический сетчатый материал, тоководы и т. д. что снижает надежность и эффективность работы устройства.

Наиболее близким к изобретению является установка для получения тепла и холода [2] содержащая линию, подводящую сжатый воздух, детандер, волновой криогенератор и теплообменники, связывающие их в одну систему.

Установка достаточно проста, но решающим ее недостатком является "открытость" цикла, требующего постоянного подвода извне сжатого воздуха, что делает КПД установки низким в случае применения для нужд отопления.

Задача изобретения создание автономности теплового насоса, способного работать в режиме обогрева и охлаждения от любого источника энергии газа, жидкого топлива, термальных и других источников тепловой энергии.

Задача решается тем, что тепловой насос и его привод (двигатель) выполнены в виде сильфонных устройств.

Тепловой насос содержит расположенные на общем штоке сильфоны, образующие рабочие компрессорную и детандерную полости, а также дополнительные сильфоны, размещенные на штоке и образующие компрессорную и детандерную полости, причем приемная компрессорная полость сообщена с рабочей компрессорной полостью сжатия, рабочая компрессорная полость сжатия с приемной детандерной полостью, а приемная детандерная полость сообщена с рабочей детандерной полостью расширения, рабочая детандерная полость расширения с приемной компрессорной полостью. Все сильфоны расположены в герметичном вакуумированном теплозащитном кожухе.

Сильфонный двигатель содержит теплопередающие кожухи и размещенные в них меньшие по диаметру, "холодные" сильфоны, снабженные плоскими крышками и большие по диаметру, "горячие" сильфоны, которые сообщены друг с другом посредством регенераторов и газораспределительного устройства, выполненного в виде клапанного гнезда, установленного в центре диафрагмы, разделяющей "горячие" сильфоны, и двухстороннего клапана, взаимодействующего с ним и расположенного на штоке двигателя. Теплообменные кожухи выполнены герметичными и заполнены промежуточным теплоносителем, а оппозитные теплоотводящие кожухи сообщены друг с другом посредством трубчатого рециркуляционного холодильника.

Тепловой насос и двигатель объединены в один агрегат путем жесткого сочленения штока двигателя со штоком теплового насоса.

При этом двигатель и тепловой насос сообщены воздушной магистралью друг с другом таким образом, что вся неиспользованная в двигателе теплота утилизируется тепловым насосом, что позволяет повысить его термодинамический КПД устройства, а использование теплоты наружного воздуха при работе в системе воздушного отопления помещений позволит выдавать тепло в 3-3,5 раза больше, чем содержит его затрачиваемое топливо.

Все сильфонные (рабочие) полости устройства и центральная герметичная полость 7 корпуса двигателя заполнены под избыточным давлением газообразным рабочим телом, например гелием, а внутренняя полость кожуха 2 вакуумирована для снижения тепловых и гидродинамических потерь.

На чертеже схематически изображено предлагаемое устройство, разрез, в положении сильфонных цилиндров, при котором штоки находятся в крайней верхней позиции.

Устройство содержит привод, выполненный в виде двигателя с внешним подводом теплоты, заключенного в корпусе 1, и тепловой насос, заключенные в герметичный кожух 2. Шток 3 двигателя снабжен двухсторонним клапаном и жестко соединен со штоком 8 теплового насоса, который снабжен рычажным балансиром 6.

Корпус двигателя содержит три полости. В центральной герметичной полости 7, снабженной нагревательной камерой 8, размещены горячие сильфоны 9 и 10, выполненные с возможностью сообщения друг с другом через клапанное отверстие 11 в жесткой диафрагме 12, соединяющей горячие сильфоны, постоянно сообщенные посредством регенераторов 13 и 14, соответственно с холодными сильфонами 15 и 16, расположенными в полостях охлаждения 17 и 18, снабженных всасывающими 19 и 20 и выхлопными 21 и 22 патрубками. Последние через воздушную магистраль 23 постоянно сообщены (не показано) с приемным патрубком 38 корпуса 37 высокотемпературного теплообменника 36, заключенного в корпус и снабженного выходным воздушным патрубком 39. Низкотемпературный теплообменник 25 расположен в кожухе 24, снабженном приемным 26 и выходным 27 воздушными патрубками. Через магистраль теплообменника 25 и обратный клапан 28 полость приемного сильфона 29 компрессора сообщена с полостью расширительного сильфона 30 детандера, которые соответственно через обратный клапан 31 и управляемый клапан 32, также могут быть сообщены с полостью компрессионного сильфона 33 и полостью приемного сильфона 34 детандера, сообщенные друг с другом через управляемый клапан 35 и магистраль.

Предлагаемое устройство для нагрева и охлаждения работает следующим образом.

В положении, изображенном на чертеже, все рабочие полости "горячих" и "холодных" сильфонов двигателя сообщены друг с другом, т.е. имеют одинаковое давление, а также через нагревательную камеру 8 постоянно подводится теплота, то в рабочей полости "горячего" сильфона 10 находится меньшее весовое количество РТ, чем в холодной полости сильфона 15, поэтому когда (под действием упругих сил сильфонов) шток пойдет вниз, перекрыв клапанное отверстие 11 клапаном 4, то в рабочих полостях верхних сильфонов 9 и 15 давление начнет расти, а в нижних 10 и 16 падать. Вследствие этого газовые составляющие силы приведут шток и сильфоны в крайнее нижнее положение, клапан 4 откроет отверстие 11 и произойдет выхлоп части РТ из верхних сильфонов в нижние, после чего цикл возобновится в обратном направлении и т.д.

Поскольку со штоком 3 двигателя жестко связан шток 5 теплового насоса, то и сильфонно-штоковая группа теплового насоса будет совершать такое же возвратно-поступательное движение.

В положении, изображенном на чертеже, РТ в полости компрессионного сильфона 29 находится в сжатом и, следовательно, нагретом состоянии, а в полости расширительного сильфона 30 расширенном, следовательно, охлажденном состоянии.

Для движения сильфонно-штоковой группы вниз открывают клапан 35 и горячее РТ, из полости компрессионного сильфона 33 будет вытесняться в полость сильфона 34 детандера, отдавая теплоту в теплообменнике 35 и, следовательно, понижать свое давление.

Одновременно холодное РТ из полости расширительного сильфона 30 детандера будет вытесняться через обратный клапан 28 и приемный сильфон 9 компрессора, поглощая в теплообменнике 25 теплоту подводимого наружного воздуха, поступающего через патрубок 26.

При движении сильфонно-штоковой группы вверх подогретое РТ из полости приемного сильфона 29 будет вытесняться через обратный клапан 31 в меньшую полость компрессионного сильфона 33, его давление и, следовательно, температура будет повышаться. Одновременно РТ из полости приемного сильфона 34 детандера (отдавшее теплоту в теплообменник 36) будет поступать (с расширением) через открытый клапан 32 в полость расширительного сильфона 30 детандера, понижая свою температуру до минимальной.

Далее цикл повторяется.

При изменении объемов полостей охлаждения двигателя 17 и 18 происходит всасывание окружающего воздуха через всасывающие патрубки 19 и 20 и нагнетание его через выхлопные патрубки 21 и 22 и магистраль 23 (постоянно сообщенную с приемом патрубком 38) в корпус 37 и выходной (горячий) патрубок 39 к потребителю.

Из вышеизложенного следует, что в предлагаемом устройстве для нагрева и охлаждения воздуха одновременно происходит его охлаждение в низкотемпературном теплообменнике и подогрев в высокотемпературном теплообменнике. При этом утилизируется теплота, неперешедшая в механическую работу теплового насоса, и теплота от потока наружного воздуха, проходящего через кожух низкотемпературного теплообменника. Кроме того, в высокотемпературном теплообменнике утилизируется неиспользованная для механической работы двигателя теплота топлива.

Таким образом, работая по замкнутому циклу в устройстве, в идеале тепловой насос реализует всю тепловую энергию топлива, потребляемого двигателем, и теплоту наружного воздуха, которая реализуется в результате значительного перепада его температуры и температуры холодного РТ после детандера. В общем тепловом балансе количество выдаваемой теплоты в 3-3,5 раза больше теплоты подводимой к двигателю.

Использование: в холодильной технике, при создании кондиционеров и агрегатов для воздушного обогрева и охлаждения жилых и производственных помещений. Сущность изобретения: тепловой насос и его привод выполнены в виде сильфонных устройств, которые объединены в один агрегат путем жесткого сочленения штока двигателя со штоком теплового насоса. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для нагрева и охлаждения воздуха, содержащее сильфонные цилиндры теплового насоса, образующие рабочие компрессорную и детандерные полости и магистраль для подвода наружного и отбора горячего воздуха, а также автономный привод, отличающееся тем, что автономный привод выполнен в виде сильфонного двигателя с внешним подводом теплоты. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что полость корпуса, содержащая высокотемпературный теплообменник теплового насоса, постоянно сообщена при помощи воздуховода с полостями охлаждения сильфонного двигателя. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что шток теплового насоса жестко сопряжен со штоком сильфонного двигателя.