ТЕПЛОВОЙ НАСОС Российский патент 1998 года по МПК F25B30/02 

Изобретение относится к теплотехнике, а точнее к тепловым насосам, применяемым для утилизации тепловой энергии низкопотенциальных источников и передачи этой энергии при более высокой температуре внешнему источнику, например, в системах отопления и горячего водоснабжения жилых и производственных зданий и помещений за счет охлаждения природной или технологической воды.

Известны тепловые насосы компрессионного типа (Холодильные машины. Справочник., М., 1982, стр. 22-25), использующие в качестве вторичных теплоносителей легкокипящие хладагенты (фреоны, аммиак). Известные насосы включают компрессор, конденсатор, испаритель и дроссельный вентиль. Эффективность таких насосов зависит от перепада температур испарения и конденсации вторичного теплоносителя: коэффициент преобразования (отношение полученной теплоты к затраченной работе) не превышает 4 ед.

Недостатком известных тепловых насосов является низкая эффективность при достаточно сложной схеме и опасность загрязнения окружающей среды фреонами, аммиаком и др.

Известен также тепловой насос ТН-3000, изготавливаемый АО "Энергия" (Рекламно-информационный проспект "Тепловые насосы АО "Энергия", 1984, 4 стр.), являющийся прототипом заявляемого технического решения. Тепловой насос-прототип в качестве вторичного теплоносителя-хладагента использует фреон 11 и фреон 22 и состоит из испарителя, компрессора, конденсатора, переохладителя и дроссельного вентиля, последовательно включенных в циркуляционный контур хладагента. Испаритель представляет собой кожухотрубный теплообменник.

В испаритель подается вода низкопотенциального источника, где она охлаждается, отдавая свою тепловую энергию испаряющемуся хладагенту (фреону). Хладагент из испарителя засасывается компрессором, где сжимается с повышением температуры и подается в конденсатор, где пары хладагента конденсируются, отдавая тепловую энергию воде высокопотенциального контура, затем хладагент в виде жидкости проходит переохладитель, где дополнительно охлаждается, отдавая тепловую энергию все той же воде высокопотенциального контура, дросселируется через дроссельный вентиль в испаритель, где вновь испаряется, замыкая циркуляционный контур хладагента. Коэффициент преобразования такого теплового насоса, характеризующий его эффективность, составляет 2-3 ед. при перепаде температур конденсатора и испарителя более 60^oC.

Однако тепловой насос-прототип имеет довольно низкую эффективность и при большой мощности (3 МВт) содержит большую массу легкокипящего фреона, что небезопасно для обслуживающего персонала и экологии Земли в целом.

Задача заявляемого технического решения заключается в разработке экологически безопасного теплового насоса, обладающего высокой эффективностью путем использования в качестве вторичного теплоносителя-хладагента экологически безопасного вещества, например водяного пара, имеющего по сравнению с другими хладагентами наибольшую скрытую теплоту испарения.

Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что в тепловом насосе, включающем испаритель, компрессор с приводом от электродвигателя и конденсатор, соединенные последовательно по ходу движения хладагента во вторичном контуре, испаритель выполнен в виде замкнутой емкости с размещенными в ней устройством для мелкодисперсного распыления воды низкопотенциального контура и паросборником, а в качестве хладагента использован водяной пар, причем вторичный контур хладагента разомкнут, а конденсатор снабжен патрубком для слива конденсата.

Кроме того, устройство для мелкодисперсного распыления воды низкопотенциального контура выполнено в виде центрального раздающего трубопровода для подачи низкопотенциальной воды и сообщенных с ним кольцевых трубопроводов с распыливающими форсунками, причем кольцевые трубопроводы установлены с шагом по высоте центрального трубопровода, а форсунки каждого кольцевого трубопровода выполнены различными по длине. При этом используются форсунки центробежного типа.

Заявляемый тепловой насос отличается от известного тем, что испаритель выполнен в виде замкнутой емкости с размещенными в ней устройством для мелкодисперсного распыления воды низкопотенциального контура и паросборником, а в качестве хладагента использован водяной пар, причем вторичный контур хладагента разомкнут, а конденсатор снабжен патрубком для слива конденсата.

Кроме того, заявляемый тепловой насос отличается также тем, что устройство для мелкодисперсного распыления воды низкопотенциального контура выполнено в виде центрального раздающего трубопровода для подачи низкопотенциальной воды и сообщенных с ним кольцевых трубопроводов с распыливающими форсунками, причем кольцевые трубопроводы установлены с шагом по высоте центрального трубопровода, а форсунки каждого кольцевого трубопровода выполнены различными по длине. При этом используются форсунки центробежного типа.

В заявляемом тепловом насосе часть воды низкопотенциального контура испаряется (превращается в пар) за счет охлаждения основной части воды, водяной пар засасывается компрессором, сжимается с повышением температуры и подается в конденсатор, где конденсируется с передачей тепловой энергии воде высокопотенциального контура, а конденсат сливается через патрубок и может использоваться как чистая дистиллированная вода.

Мелкодисперсное распыление позволяет создать большую поверхность испарения, а разрежение, создаваемое компрессором в пределах 0,3-0,4 кг/см², позволяет поддерживать перепад парциального давления в капле воды и водяном паре над поверхностью капли, что в свою очередь позволяет резко увеличить количество получаемого пара, причем энергия для парообразования забирается от охлаждаемой воды, разбрызгиваемой в испарителе, количество которой более чем в сотни раз превышает количество испарившейся воды.

Выполнение теплового насоса согласно заявляемому техническому решению позволяет исключить опасность загрязнения окружающей среды за счет использования в качестве хладагента водяного пара, а не фреона, аммиака и других вредных для окружающей среды веществ, при этом эффективность, выражающаяся в виде коэффициента преобразования, превышает эффективность аналогов в 3-4 раза за счет высокой теплоты парообразования воды по сравнению с аналогичной характеристикой других используемых хладагентов.

Кроме того, при использовании воды, достаточно загрязненной (например, морской), заявляемый тепловой насос может быть использован для получения не только тепловой энергии высокого потенциала, а и определенного количества чистой дистиллированной воды, что невозможно при использовании известных тепловых насосов.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема заявляемого теплового насоса; на фиг. 2 - схематически вариант выполнения конструкции испарителя.

Тепловой насос содержит последовательно соединенные испаритель 1, компрессор 2 и конденсатор 3. Компрессор имеет привод от электродвигателя 4, а конденсатор 3 снабжен патрубком 5 для слива конденсата. Испаритель 1 состоит из замкнутой емкости 6 с размещенными в ней устройством для мелкодисперсного распыления 7 воды низкопотенциального контура и паросборника 8. Испаритель 1 через рециркуляционный насос 9 включен в низкопотенциальный контур. Конденсатор 3 через рециркуляционный насос 10 включен в высокопотенциальный контур. Устройство для мелкодисперсного распыления 7 состоит из центрального раздающего трубопровода 11 для подачи воды низкопотенциального контура и сообщенных с ним кольцевых трубопроводов 12 с распыливающими форсунками 13. Кольцевые трубопроводы 12 установлены с шагом на центральном трубопроводе 11, а форсунки 13 каждого кольцевого трубопровода 12 имеют различную длину.

Тепловой насос работает следующим образом.

Вода низкопотенциального контура (например, охлаждающая вода технологического оборудования) подается рециркуляционным насосом 9 в испаритель 1 на устройство мелкодисперсного распыления 7 и распыляется в объеме замкнутой емкости 6. При работе компрессора 2 в емкости 6 поддерживается разрежение порядка 0,3-0,4 кг/см², что активизирует процесс испарения воды с поверхности водяных капель. Хладагент - водяной пар, образующийся в результате испарения, отсасывается в кольцевой паросборник 8 и поступает на вход компрессора 2, где подвергается сжатию с повышением температуры и подается в конденсатор 3 кожухотрубного типа, где конденсируется, отдавая тепловую энергию воде высокопотенциального контура, которая прокачивается через конденсатор 3 рециркуляционным насосом 10. Конденсат (дистиллированная вода) удаляется через патрубок 5 для слива конденсата и может использоваться как чистая вода с температурой 80 - 100^oC.

В конкретном варианте выполнения теплового насоса, рассчитанного на мощность 6,2 МВт, состоящего из испарителя 1, компрессора 2 и конденсатора 3, испаритель 3 выполнен в виде трех цилиндрических емкостей 6 диаметром 3 м и высотой 3 м каждая, с размещенным внутри каждой емкости 6 устройством для мелкодисперсного распыления 7, конкретное выполнение которого схематически изображено на фиг. 2. Устройство для мелкодисперсного распыления 7 состоит из центрального раздающего трубопровода 11 для подачи воды низкопотенциального контура и сообщенных с ним кольцевых трубопроводов 12 с распыливающими форсунками 13 (86 шт. в каждой емкости) и кольцевого паросборника 8. Кольцевые трубопроводы 12 установлены с шагом на центральном трубопроводе 11, а форсунки 13 каждого кольцевого трубопровода 12 имеют различную длину, что позволяет распределять распыливаемые струи воды равномерно по высоте испарителя без их наложения друг на друга, обеспечивая таким образом максимально возможную поверхность испарения. В качестве компрессора использован авиадвигатель ВК-1 с приводом от электродвигателя 4АЗМ 800/10000УХЛ4 мощностью 800 кВт через мультипликатор, конденсатор выполнен в виде стандартного кожухотрубного теплообменника на снимаемую мощность до 8 МВт.

Сущность: в тепловом насосе последовательно соединены испаритель 1, компрессор 2 и конденсатор 3. Компрессор имеет привод от электродвигателя 4, а конденсатор 3 снабжен патрубком 5 для слива конденсата. Испаритель 1 состоит из замкнутой емкости 6 с размещенными в ней устройством для мелкодисперсного распыления 7 воды низкопотенциального контура и паросборником 8. Испаритель 1 через рециркуляционный насос 9 включен в низкопотенциальный контур. Конденсатор 3 через рециркуляционный насос 10 включен в высокопотенциальный контур. Устройство для мелкодисперсного распыления 7 состоит из центрального раздающего трубопровода 11 для подачи воды низкопотенциального контура и сообщенных с ним кольцевых трубопроводов с распыливающими форсунками. Кольцевые трубопроводы установлены с шагом на центральном трубопроводе 11, а форсунки каждого кольцевого трубопровода имеют различную длину. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Тепловой насос, включающий испаритель, компрессор с приводом от электродвигателя и конденсатор, соединенные последовательно по ходу движения хладагента во вторичном контуре, отличающийся тем, что испаритель выполнен виде замкнутой емкости с размещенными в ней устройством мелкодисперсного распыления воды низкопотенциального контура и паросборником, а в качестве хладагента использован водяной пар, причем вторичный контур хладагента разомкнут, а конденсатор снабжен патрубком для слива конденсата. 2. Насос по п.1, отличающийся тем, что устройство для мелкодисперсного распыления выполнено в виде центрального раздающего трубопровода для подачи низкопотенциальной воды и сообщенных с ним кольцевых трубопроводов с форсунками, причем кольцевые трубопроводы установлены с шагом по высоте центрального трубопровода, а форсунки каждого кольцевого трубопровода выполнены различными по длине. 3. Насос по п.2, отличающийся тем, что на кольцевых трубопроводах установлены форсунки центробежного типа.