ТЕПЛОВОЙ НАСОС Российский патент 2004 года по МПК F25B30/02 

Изобретение относится к тепловым насосам, то есть к устройствам, использующим тепло низкотемпературных источников 5 естесственного или искусственного происхождения для получения воды с температурой, пригодной для отопления и горячего водоснабжения с температурой 50-70°С.

Низкотемпературными источниками энергии могут являться: грунтовые, термальные и артезианские воды, воды рек, озер, морей, систем водо- и теплоснабжения, производственные и технологические низкотемпературные отходы. Отбор тепла от низкотемпературных источников энергии осуществляется через вещество, имеющее температуру кипения ниже температуры источника тепловой энергии и переходящее в парообразное состояние в устройстве, называемом испарителем.

Парообразное вещество (обычно фреоны) компрессором сжимается до давления, обеспечивающего получение температуры, достаточной для нагрева воды до температуры 50-70°С.

При этом тепловая энергия значительно превышает энергию, потребляемую компрессором.

В изобретении SU 1170230 A описана схема теплового насоса, использующего тепловую энергию почвенных вод. Такая система теплоснабжения включает тепловой насос, теплосъемные трубопроводы которого помещены в почвогрунтовом слое. Теплосъемные трубопроводы оборудованы накопителями влаги, каждый из которых выполнен в виде коробчатого экрана из водонепроницаемого материала с мульчирующим слоем на поверхности, снабженным воздуховыпускными отверстиями.

В изобретении SU 1562611 A1 описана схема теплового насоса, использующего тепло отходящих дымовых газов. Такая система теплоснабжения содержит контур теплового насоса и контур теплоснабжения с включенным в него теплоизолированным водогрейным котлом с топочной зоной, при этом контур нагрева конденсатора теплового насоса включен в контур водоснабжения, а линия охлаждения - в контур теплового насоса. Конденсатор теплового насоса выполнен в виде теплообменника труба в трубе и расположен в топочной зоне котла, при этом внутренняя труба служит линией охлаждения, а внешняя - линией нагрева.

Основным недостатком описанного выше изобретения является низкая надежность теплового насоса, большие массогабариты, громоздкость, что особенно важно при его эксплуатации, низкий коэффициент теплопередачи.

Основной задачей изобретения является усовершенствование известной конструкции насоса за счет конструктивных особенностей теплообменника, за счет нового относительного расположения конденсатора и испарителя, за счет расположения компрессора внутри испарителя, что позволяет создать компактную и надежную конструкцию теплового насоса.

Поставленная задача достигается тем, что в тепловом насосе, состоящем из конденсатора и испарителя, каждый из которых выполнен в виде теплообменника типа труба в трубе, компрессора и дросселирующего устройства, внешний и внутренний трубопроводы теплообменника выполнены в виде спиралей, имеющих форму винтовой линии с одинаковым средним диаметром и шагом витков спирали, причем патрубок ввода нагреваемой жидкости расположен со стороны выхода теплоносителя, а патрубок вывода нагреваемой жидкости расположен со стороны входа теплоносителя. При этом конденсатор и испаритель могут быть размещены следующим образом: конденсатор над испарителем, а компрессор внутри испарителя.

Спиральные теплообменники за счет высокого коэффициента теплопередачи обладают малыми весогабаритными характеристиками, практически не имеют ограничений при использовании их в условиях высоких давлений и обладают, по сравнению со всеми существующими в мире теплообменниками, самой высокой надежностью (надежность теплообменника определяется надежностью трубы, а она практически близка к единице).

В предлагаемом изобретении используются два спиральных теплообменника типа труба в трубе в качестве конденсатора и испарителя, причем хладагент и вода в конденсаторе и испарителе направлены противотоком, как показано на чертеж, где приведена схема теплового насоса.

Тепловой насос состоит из конденсатора 1 и испарителя 2, каждый из которых выполнен в виде теплообменника типа труба в трубе, компрессора 3 и дросселирующего устройства 4. Внешний и внутренний трубопроводы теплообменника выполнены в виде спиралей, имеющих форму винтовой линии с одинаковым средним диаметром и шагом витков спирали, причем патрубок ввода нагреваемой жидкости расположен со стороны выхода теплоносителя, а патрубок вывода нагреваемой жидкости расположен со стороны входа теплоносителя. При этом конденсатор 1 расположен над испарителем 2, а компрессор 3 размещен внутри испарителя 2.

Схема теплового насоса работает следующим образом.

Жидкий хладагент, находящийся во внутреннем трубопроводе испарителя 2, за счет тепловой энергии от низкотемпературного источника тепла с температурой Т, циркулирующего в межтрубном пространстве испарителя, переходит в парообразное состояние.

Парообразный хладагент сжимается компрессором 3 и подается во внутренний трубопровод конденсатора 1, конденсируется, нагревая воду в межтрубном пространстве испарителя с температуры t₁ до температуры t₂.

Сконденсированный хладагент через дросселирующее устройство 4 поступает обратно во внутренний трубопровод испарителя.

Принцип работы теплового насоса не изменится, если циркуляцию хладагента и нагреваемой воды поменять местами.

В приведенной схеме за счет выполнения конденсатора и испарителя в виде теплообменников получают высокий коэффициент теплопередачи, что дает возможность получить малые весогабаритные характеристики теплового насоса.

Одной из особенностей теплообменной аппаратуры в тепловых насосах является ее работа при повышенных давлениях. Так, для получения температуры порядка 60°С требуется давление хладагента до 30 атмосфер. Это требует от теплообменной аппаратуры достаточно высокой надежности при работе в таких условиях.

Используемая конструкция теплообменников, как и прототип, обеспечивает работу хладагента под относительно высоким давлением, необходимым для работы теплового насоса.

Учитывая, что система хладагента, по существу, состоит из замкнутой трубы, тепловой насос обладает высокой надежностью, что особенно важно при его эксплуатации.

Расположение конденсатора над испарителем обеспечивают естественную циркуляцию хладагента.

Использование внутреннего пространства испарителя для установки в нем компрессора создает последнему более благоприятные (более низкую температуру) условия эксплуатации и обеспечивает компактность теплового насоса.

При наличии вышеперечисленных преимуществ нужно еще учесть и то, что стоимость спиральных теплообменников более чем в 5 раз ниже стоимости пластинчатых.

Изобретение относится к тепловым насосам, то есть к устройствам, использующим тепло низкотемпературных источников естественного или искусственного происхождения для получения воды, пригодной для отопления и горячего водоснабжения с температурой 50-70°С. Предлагаемый тепловой насос состоит из компрессора, дросселирующего устройства, а также конденсатора и испарителя, каждый из которых выполнен в виде теплообменника типа труба в трубе. Внешний и внутренний трубопроводы теплообменника выполнены в виде спиралей, имеющих форму винтовой линии с одинаковым средним диаметром и шагом витков спирали. Патрубок ввода нагреваемой жидкости расположен со стороны выхода теплоносителя, а патрубок вывода нагреваемой жидкости расположен со стороны входа теплоносителя. Конденсатор может быть расположен над испарителем. Компрессор может быть размещен внутри испарителя. Использование изобретения позволит создать компактную и надежную конструкцию теплового насоса. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Тепловой насос, состоящий из конденсатора и испарителя, каждый из которых выполнен в виде теплообменника типа “труба в трубе”, компрессора и дросселирующего устройства, отличающийся тем, что внешний и внутренний трубопроводы теплообменника выполнены в виде спиралей, имеющих форму винтовой линии с одинаковым средним диаметром и шагом витков спирали, причем во внутренних спиралях теплообменников конденсатора и испарителя циркулирует хладагент, при этом патрубок ввода нагреваемой жидкости расположен со стороны выхода хладагента, а патрубок вывода нагреваемой жидкости расположен со стороны входа хладагента, причем внутренняя спираль конденсатора через дросселирующее устройство соединена с внутренней спиралью испарителя, а внутренняя спираль испарителя через компрессор соединена с внутренней спиралью конденсатора.2. Тепловой насос по п.1, отличающийся тем, что конденсатор расположен над испарителем.3. Тепловой насос по п.1, отличающийся тем, что компрессор расположен внутри испарителя.