ТЕПЛОВОЙ НАСОС Российский патент 2000 года по МПК F25B29/00 F25B30/00 F25B9/04 

Изобретение относится к области нагревательных устройств, а именно к воздушным системам отопления с использованием тепловой энергии внешнего низкопотенциального источника тепла.

Известны различные системы воздушного отопления помещений и аналогичные им системы подогрева воздуха для технологических операций, например сушки.

Воздушные системы, несмотря на такие достоинства, как отсутствие инерционности и возможность совмещения отопления с вентиляцией, получили ограниченное распространение.

Одной из главных причин этого является низкая теплоемкость воздуха в пределах принимаемых в воздушном отоплении температур [1,005 кДж/(кг•К)].

Указанное обстоятельство обусловило появление систем, в которых воздушное отопление дополнено устройством, работающим на других, промежуточных теплоносителях (хладагентах).

Так известны системы, паро- или водовоздушного отопления, в которых нагрев воздуха осуществляется посредством калориферов.

Вместе с этим в современных условиях роста цен на энергию и усиления требований к экологичности систем отопления все большее распространение получают системы, реализующие наиболее эффективные термодинамические циклы, позволяющие использовать низкопотенциальные источники энергии, такие как сточную и оборотную воду, удаляемый вентиляцией воздух, природные ресурсы тепла в виде его гелио и геоисточников, воду и воздух окружающей среды.

К категории таких устройств относятся тепловые насосы, которые за счет подводимой извне работы передают тепло от теплового источника с низшей температурой к обогреваемому объекту, например, помещению, имеющему более высокую температуру.

Наибольшее распространение в системах теплоснабжения получили парокомпрессионные теплонасосные установки, работающие на низкокипящих теплоносителях-фреонах, и абсорбционные машины (см. Аверьянов и др. "Эффективные гелиосистемы теплоснабжения" //ВСТ N 12, 1989 г.; Пат. РФ N 2033584, МПК F 25 В 27/00, опуб. 20.04.95, Бюл. N 14; Быстров В.П. "Сокращение расхода энергии и металла" // ВСТ N 10, 1990 г).

Однако, будучи наиболее освоенными и эффективными, такие системы имеют и значительные недостатки: высокие требования к герметичности контура циркуляции теплоносителя, в качестве которого применяются экологически вредные, а иногда и ядовитые (например, аммиак) вещества и, как следствие, большая сложность и высокая цена; ограничения по температуре первичного источника низкопотенциального тепла (при его температуре ниже минус 10^oC нет выгоды) указанных недостатков лишены системы отопления с тепловыми насосами, работающими непосредственно на воздухе, т.е. системы, реализующие воздушно-холодильные циклы.

Например, известен воздушно-контактный тепловой насос, который при работе на нагрев использует дроссельный эффект, и состоит из источника высокого давления, например компрессора с приводом, расширительной машины-детандера и теплообменника. После сжатия в компрессоре этого устройства атмосферный воздух подвергается расширению, в результате которого его температура дополнительно снижается. Охлажденный воздух в теплообменном аппарате нагревается более теплым атмосферным воздухом, затем воздух сжимают до атмосферного давления, в результате чего его температура возрастает. Нагретый таким образом воздух используют для отопления (сушки).

Описанный процесс аналогичным образом реализуется в "турбонагревательно-холодильном агрегате с электроприводом" согласно заявке РФ N 94041525, МПК F 25 В 9/00; 29/00, опубл. 27.11.96, Бюл. N 33.

Недостатком этого устройства является его невысокая эффективность, особенно при низких температурах атмосферного воздуха, так как в этом случае необходима большая степень повышения давления в компрессоре (выше 1,5) и соответствующее снижение КПД, характерное для машин, работающих на газах малой плотности (при давлении 1,5•10⁵ Па), а также увеличения массы и сложности устройства ввиду необходимости обеспечения прочности и герметичности при повышенных перепадах давления в каналах, прежде всего теплообменного аппарата.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому устройству является вихревой тепловой насос (Пиралишвили Ш.А. "Вихревой эффект и его применение в технике" // Материалы V Всесоюзной конференции" Куйбышев, КуАИ, 1988, стр. 248), содержащий компрессор, выход которого соединен с вихревым энергоразделителем, выход охлажденного потока которого через теплообменный аппарат подвода низкопотенциального тепла, а выход подогретого потока - через теплообменный аппарат отвода тепла в обогреваемое помещение, подключены к смесителю, соединенному с входом в компрессор.

Недостатками такого вихревого теплового насоса является его конструктивная сложность, недостаточная эффективность и большие габариты, обусловленные наличием теплообменных аппаратов рекуперативного типа, а также ограниченные функциональные возможности в части совместимости устройства с вентиляционной системой.

Технической задачей, решаемой изобретением, является устранение отмеченных недостатков, а именно: упрощение и удешевление теплового насоса при сохранении его тепловой эффективности, а также расширение функциональных возможностей путем адаптации к различным требованиям и условиям эксплуатации и совмещения с вентиляцией уменьшение габаритов агрегатов устройства.

Эта техническая задача решается тем, что в известном тепловом насосе, содержащем компрессор, выход которого соединен с вихревым энергоразделителем, выходы нагретого и охлажденного потоков которого снабжены теплообменными аппаратами соответственно отвода тепла в обогреваемое помещение и подвода низкопотенциального тепла и через смеситель соединены с входом в компрессор, теплообменные аппараты выполнены в виде тепломассобменных аппаратов, включающих устройства выхлопа нагретого потока в обогреваемое помещение, а охлажденного потока - в атмосферу. Смеситель снабжен устройствами забора воздуха из атмосферы и из обогреваемого помещения. При этом устройства забора или каналы, соединяющие их со смесителем, снабжены запорно-регулирующей арматурой, вихревой энергоразделитель может быть снабжен устройством регулирующим соотношение расходов (и, следовательно, температур) нагретого и охлажденного потоков, а компрессор - регулятором степени повышения давления и (или) расхода воздуха.

Сущность настоящего изобретения поясняется графическими материалами: фиг.1 - пневматическая схема примера конкретного исполнения вихревого теплового насоса. Тепловой насос включает компрессор 1, выход 2 которого соединен с вихревым энергоразделителем 3, имеющим выход нагретого потока воздуха 4 и выход охлажденного потока воздуха 5, устройство выхлопа нагретого потока 6 в помещение 7, устройство выхлопа охлажденного потока 8 в атмосферу. Смеситель 9, соединенный с устройством забора атмосферного воздуха 10 и устройством забора воздуха 11 из обогреваемого помещения 7, которые оснащены элементами запорно-регулирующей арматуры 12 и 13, и соединен с входом в компрессор 1.

Тепловой насос может содержать регулятор соотношения расходов (и температур) нагретого и охлажденного потоков, выполненный, например, в виде проходного вентиля или шибера 14, установленного на выходе нагретого потока 4.

Работа предложенного устройства осуществляется следующим образом. Атмосферный воздух и воздух обогреваемого помещения 7 засасывается через приемные устройства 10 и 11 и, пройдя через элементы запорно- регулирующей арматуры 12 и 13, посредством которых установлено желаемое соотношение их расходов, поступает в смеситель 9, а затем на вход в компрессор 1. Воздух, сжатый в компрессоре 1, по каналу 2 поступает на вход вихревого энергоразделителя 3, в котором происходит его разделение на охлажденный и нагретый потоки (реализуется эффект Ранка или Вихревой эффект). Охлажденный поток через канал 5 и устройство выхлопа 8 удаляют в атмосферу, а нагретый поток через выход 4 поступает в обогреваемое помещение 7 через устройство выхлопа 6. Для достижения принятых для воздушного отопления температур и скоростей подаваемого воздуха устройство выхлопа 6 может быть выполнено в виде одного или нескольких воздухо-воздушных эжекторов, пассивной средой которых является воздух обогреваемого помещения 7. Работа предложенного устройства осуществляется следующим образом.

Воздух через заборные устройства 10 и 11 всасывается из атмосферы и обогреваемого помещения 7 и, пройдя через элементы запорно-регулирующей арматуры 12 и 13, смеситель 9, поступает в компрессор 1, в котором осуществляется его сжатие. Сжатый воздух по каналу 2, который может быть оснащен регулятор расхода 15, поступает в вихревой энергоразделитель 3, в котором реализуется Вихревой эффект или эффект Ранка, в результате чего происходит разделение воздуха на нагретый и охлажденный потоки. Выход нагретого потока 4 воздуха через устройство выхлопа 6, обеспечивающего приемлемые параметры (температуру, скорость) посредством, например, эжектирования, подается в обогреваемое помещение 7, а охлажденный поток воздуха через канал 5 и устройство выхлопа 8 выбрасывается в атмосферу.

Следует отметить, что температура воздуха на входе в компрессор 1 может быть различна. Она зависит от того, какую долю составляет воздух, поступающий из атмосферы. Так, если в атмосферу выбрасывается μ [кг] воздуха (охлажденный поток), (где μ - массовая доля охлажденного воздуха), то такое же количество воздуха должно поступить из атмосферы. Доля нагретого воздуха, составляющая (1-μ) циркулирует в общей массе воздуха обогреваемого помещения 7.

При изменении соотношения расходов воздуха запорно-регулирующей арматурой 12 и 13 изменяется температура воздуха на входе в компрессор, а также характер и степень вентиляции обогреваемого помещения 7.

Так при дросселировании элементом 13 канала забора воздуха из обогреваемого помещения 7 при неизменном общем расходе воздуха через компрессор 1 возрастает доля атмосферного воздуха, которая при полном перекрытии элемента 13 превышает расход удаляемого охлажденного воздуха в 1/μ раз. При этом обогрев сопровождается преобладанием притока атмосферного воздуха. Этот вариант возможен при нахождении источника давления вне обогреваемого помещения. Так, например, при неполной загрузке промышленного предприятия несбалансированы и зачастую не поддаются глубокому регулированию централизованные компрессорные станции, в результате чего избыточный сжатый воздух нередко дренажируется, в то время как реализация предложенного теплового насоса позволяет в значительной степени компенсировать эти потери, используя часть затраченной на сжатие энергии для обогрева части помещений. Наоборот, при дросселировании элемента запорно-регулирующей арматуры 12 возрастает доля воздуха, поступающего на вход в компрессор 1 из обогреваемого помещения 7. Поскольку расход воздуха через компрессор 1 остается неизменным, приток атмосферного воздуха через канал 10 меньше 1 - или отсутствует, тепловой насос, обогревая помещение 7, работает в режиме вытяжной вентиляции, интенсивность которой определяется долей потока охлажденного воздуха. При этом дефицит воздуха в помещении 7 компенсируется за счет инфильтрации атмосферного воздуха.

Таким образом предложенный тепловой насос позволяет совместить эффективный обогрев помещения, при котором количество подводимого тепла больше затраченной работы, с вентиляцией с возможностью ее регулирования в широком диапазоне от вытяжной до приточной. При этом, поскольку степень расширения воздуха в вихревом энергоразделителе практически соответствует степени повышения давления в компрессоре, давления нагретого и охлажденного потоков воздуха равны атмосферному и, следовательно, гидравлические потери минимальны. Устройство не содержит в своем составе таких дорогостоящих и крупногабаритных элементов как рекуперативные теплообменные аппараты, роль которых выполняют с большей, практически идеальной эффективностью (без гидравлических и тепловых потерь) тепломассообменники, каковыми в предложенном устройстве являются обогреваемое помещение 7 с находящимся в нем воздухом и окружающая атмосфера.

Кроме того, расходы воздуха, необходимые для обогрева помещения с характерными теплопотерями коррелируют с нормами СНИПа вентиляции.

Таким образом, предложенный тепловой насос превосходит известные устройства по совокупности эксплуатационных показателей, включающей энергетическую эффективность, экологичность, простоту конструкции, возможность совмещения обогрева и вентиляции с глубоким регулированием последней. Элементы, содержащиеся в предложенном устройстве доступны и общеизвестны и не представляют какой бы то ни было сложности в изготовлении. Элементы запорно-регулирующей арматуры могут быть как с ручным так и с автоматическим приводом, причем последний в настоящей заявке не рассмотрен, так как является предметом "ноу-хау" заявителя.

Тепловой насос включает компрессор с приводом, вход в который сообщен с атмосферой внешней среды и с обогреваемым помещением с возможностью регулирования соотношения расходов забираемого воздуха, а выход соединен с вихревым энергоразделителем потока, выходы которого соединены следующим образом: охлажденного потока с окружающей атмосферой, а подогретого потока - с обогреваемым помещением. Один из выходов (подогретого потока) снабжен регулятором расхода, с помощью которого можно менять параметры выходящего из вихревого энергоразделителя воздуха. Достоинствами теплового насоса являются экологичность, высокая эффективность и совмещение обогрева помещения с его вентиляцией, при этом на осуществление вентиляции дополнительная энергия не расходуется. 1 ил.

1. Тепловой насос для обогрева помещений, включающий компрессор, выход которого соединен с вихревым энергоразделителем, выходы нагретого и охлажденного потоков воздуха которого снабжены теплообменными аппаратами соответственно отвода тепла в обогреваемое помещение и подвода низкопотенциального тепла и через смеситель соединены с входом в компрессор, отличающийся тем, что теплообменные аппараты выполнены в виде тепломассообменных аппаратов, включающих устройства выхлопа нагретого потока в обогреваемое помещение, а охлажденного потока в атмосферу, а смеситель снабжен устройствами забора воздуха из атмосферы и из обогреваемого помещения, причем устройства забора воздуха или каналы, соединяющие их со смесителем, или смеситель снабжены запорно-регулирующей арматурой с возможностью изменения соотношения расходов потоков воздуха, всасываемых из атмосферы и из обогреваемого помещения. 2. Тепловой насос для обогрева помещений по п.1, отличающийся тем, что выход нагретого потока воздуха вихревого энергоразделителя снабжен запорно-регулирующим органом. 3. Тепловой насос для обогрева помещений по п.1, отличающийся тем, что компрессор выполнен с возможностью регулирования степени сжатия в нем воздуха.