ТЕПЛОВОЙ НАСОС СТИРЛИНГА Российский патент 1999 года по МПК F25B30/02 F25B9/14 

Изобретение относится к области холодильных газовых регенеративных машин, работающих по обратному циклу Стирлинга и используемых в качестве тепловых насосов для систем децентрализованного теплоснабжения.

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 воду или воздух. Однако применяемые тепловые насосы на основе парокомпрессионных 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.

Известно устройство кожухотрубного теплообменника, обеспечивающего поперечное обтекание охлаждаемых трубок охлаждающей средой и состоящего из кожуха, трубного пучка и неперекрывающих поперечных перегородок кольцевого типа в корпусе теплообменника (В.А. Андреев. Теплообменные аппараты для вязких жидкостей. Ленинград, "Энергия", 1971, стр. 109).

Недостатком данного устройства является то, что предлагаемое расположение поперечных перегородок вызывает большое количество поворотов охлаждающей жидкости, приводящих к увеличению гидравлического сопротивления при обтекании пучка внутренних трубок теплообменника.

Известно устройство холодильника концентрического типа для двигателей Стирлинга, состоящего из пучка труб малого диаметра, трубных досок для их крепления, внешней и внутренней стенок корпуса теплообменника (В.Н. Даниличев, С.И. Ефимов, В.А. Звонов, М.Г. Круглов, А.Г. Шувалов. Двигатели Стирлинга. М., "Машиностроение", 1977, с. 113).

Недостатками данного устройства являются, то что высокая теплообменная поверхность достигается путем значительного уменьшения диаметра трубок, приводящего к усложнению технологии изготовления и стоимости теплообменника.

Известно устройство холодильной машины Стирлинга, состоящей из теплообменника нагрузки, холодильника, регенератора, рабочего поршня, вытеснителя, привода, полостей сжатия и расширения (Архаров А.М., Марфенина И.В., Микулин Е. И. Теория и расчет криогенных систем. М., "Машиностроение", 1978, стр. 296).

Недостатком данного устройства является то, что интенсификация теплообмена в холодильнике и увеличение эффективности работы холодильной машины достигается в том числе и путем уменьшения диаметра трубок и увеличения их количества в данном теплообменнике, что приводит к возрастанию гидравлического сопротивления при прохождении рабочего газа машины через холодильник.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении термодинамической эффективности теплового насоса на основе холодильной машины Стирлинга.

Для достижения этого технического результата, тепловой насос, включающий в себя теплообменник нагрузки, регенератор, рабочий поршень, вытеснитель, привод, полости сжатия, расширения и холодильник с патрубками для подачи и отвода теплоносителя децентрализованной системы теплоснабжения, состоящий из пучка труб, трубных досок для их крепления, внешней и внутренней стенок корпуса, снабжен поперечными пластинами с отверстиями малого диаметра, первые из которых через одну соединены с противоположными сторонами внешней стенки корпуса, образуя секции холодильника с противоположным движением теплоносителя децентрализованной системы теплоснабжения (охлаждающей среды), другие, расположенные между первыми, внешней стенки корпуса не касаются, при этом трубки холодильника проходят через данные пластины.

Введение в состав теплового насоса Стирлинга холодильника с поперечными пластинами, в которых имеются отверстия малого диаметра, позволяет получить новое свойство, заключающееся в интенсификации теплообмена в холодильнике за счет повышения внутренней теплообменной поверхности холодильника и турбуленизации движения теплоносителя.

На чертеже изображен холодильник теплового насоса Стирлинга.

Корпус холодильник состоит из внутренней и внешней концентрических стенок, соответственно 1 и 2, нижней и верхней трубных досок, соответственно 3 и 4, имеющих отверстия для установки трубок 5 холодильника. Внутри корпуса, между внешней 2 и внутренней 1 стенками, расположены поперечные пластины двух типов с отверстиями малого диаметра 6. Пластины первого типа 7 крепятся к противоположным сторонам внешней стенки 2 в шахматном порядке, через одну. Пластины второго типа 8 стенки 2 не касаются. Пластины типа 7 и 8 крепятся к внутренней стенке 1, через них также проходят и крепятся трубки 5. Пластины типа 7 разбивают корпус холодильника на секции с противоположным движением теплоносителя системы теплоснабжения, например секции 9 и 10. Для подачи и отвода охлаждающей среды предусмотрены, соответственно, патрубки 11, 12. Межтрубное пространство холодильника ограничено снизу и сверху трубными досками 3, 4, а с боков стенками 1 и 2.

Холодильник работает следующим образом.

Горячий рабочий газ, после процесса сжатия, перемещается через холодильник, проходя по трубкам 5, передает тепло теплоносителю системы теплоснабжения, находящимся в межтрубном пространстве, через стенки трубок 5. Теплоноситель подается в межтрубное пространство холодильника через патрубок 11 и попадает в секцию 9, ограниченную нижней трубной доской 3 и нижней из пластин типа 7, омывает внутренную стенку 1 и доходит до противоположной стороны внешней стенки 2. Пластина типа 8 оказывается внутри этого потока, а поскольку она связана со стенками трубок 5, как и пластина типа 7, то тем самым они увеличивают поверхность теплообмена от рабочего газа, передающего тепло стенкам трубок 5 и пластинам 7, 8, к теплоносителю. Затем теплоноситель попадает в секцию 10, меняя свое направление на противоположное, где в его потоке вновь оказывается пластина типа 8, и т.д. Такое змееобразное движение теплоносителя осуществляется до тех пор, пока он не удаляется из корпуса холодильника через патрубок 12. Теплоноситель, проходя по секциям 9, 10 и т. д. , также проходит и через отверстия малого диаметра 6 пластин 7 и 8, под углом в 90 градусов по отношению к основному потоку, что обеспечивает процесс его турбуленизации.

Источники информации
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.

2. Андреев В.А. Теплообменные аппараты для вязких жидкостей. -Л.: Энергия, 1971, стр. 109.

3. Даниличев В.Н., Ефимов С.И., Звонов В.А., Круглов М.Г., Шувалов А.Г. Двигатели Стирлинга. - М.: Машиностроение, 1977, с. 113.

4. Архаров А.М., Марфенина И.В., Микулин Е.И. Теория и расчет криогенных систем. - М.: Машиностроение, 1978, стр. 296 - прототип.

Сжатый горячий рабочий газ проходит по трубкам через холодильник, передавая тепло теплоносителю децентрализованной системы теплоснабжения. В холодильнике установлены поперечные пластины с отверстиями малого диаметра. Трубки холодильника проходят через пластины, одни из которых через одну соединены с противоположными сторонами внешней стенки корпуса, образуя секции холодильника с противоположным движением теплоносителя. Другие пластины расположены между первыми и внешней стенки корпуса не касаются. Использование изобретения позволит повысить термодинамическую эффективность теплового насоса. 1 ил.

Тепловой насос Стирлинга, включающий теплообменник нагрузки, регенератор, рабочий поршень, вытеснитель, привод, полости сжатия, расширения и холодильник с патрубками для подачи и отвода теплоносителя децентрализованной системы теплоснабжения, состоящий из пучка труб, трубных досок для их крепления, внешней и внутренней стенок корпуса, отличающийся тем, что холодильник снабжен поперечными пластинами с отверстиями малого диаметра, первые из которых через одну соединены с противоположными сторонами внешней стенки корпуса, образуя секции холодильника с противоположным движением теплоносителя децентрализованной системы теплоснабжения, а другие, расположенные между первыми, внешней стенки корпуса не касаются, при этом трубки холодильника проходят через данные пластины.