ТЕПЛОВОЙ НАСОС, РАБОТАЮЩИЙ ПО ОБРАТНОМУ ЦИКЛУ СТИРЛИНГА Российский патент 2000 года по МПК F25B30/02 F25B9/14 

Изобретение относится к области 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 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).

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).

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.).

Недостатком данной машины являются нестационарный тепломассообмен, увеличение габаритных размеров за счет выноса остальных теплообменных аппаратов за пределы цилиндра.

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).

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.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении эффективности термодинамического цикла, снижении массогабаритных характеристик газовой регенеративной машины.

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.

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.

На чертеже изображен тепловой насос, работающий по обратному циклу Стирлинга.

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.

Тепловой насос работает следующим образом.

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.

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.

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.

2. Г.Ридер, Ч.Хупер. Двигатели Стирлинга. М., Изд. "Мир", 1986, стр. 28.

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

4. Патент России 2079069, F 26 B 9/14, Бюл. N 13, 1997 - прототип.

При работе направляющие вытеснителя периодически перекрывают отверстия, расположенные на боковой поверхности холодильника, разобщая процессы сжатия и расширения Для избежания теплопритоков извене полость расширения, образованная колпаком, внешней поверхностью вытеснителя и гофрированной стенкой, ваккумируется, что позволяет обеспечить наилучшую теплоизоляцию полости расширения. Использование изобретения позволит повысить эффективность термодинамического цикла, снизить массогабаритные характеристики теплового насоса. 1 ил.

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.