ТЕПЛОВОЙ НАСОС Российский патент 2010 года по МПК F25B30/02 

Изобретение относится к области теплотехники, а именно к области теплонасосных устройств.

Известны различные конструкции, из которых наиболее часто используются парокомпрессионные тепловые насосы [1 (глава 2), 2]. Парокомпрессионный тепловой насос содержит компрессор, конденсатор, испаритель, теплообменник, дроссельный клапан в качестве запорно-регулирующей трубопроводной арматуры, а в качестве хладагентов служат галоидоуглеродные соединения, содержащие хлор и фтор - фреоны [1, раздел 3.2]. К недостатку таких тепловых насосов относится использование фреонов, которые из-за теплового загрязнения и разрушения озонового слоя Земли [3] запрещены в соответствии с Киотским протоколом [4].

Известно [1, 2, 5], что тепловой насос работает по тем же термодинамическим циклам, что и холодильная машина. Однако в случае теплового насоса его работа состоит в передаче теплоты от холодного источника тепла с температурой Т₁ (например, от наружного воздуха, от воды озера или реки, от геотермальных, сточных вод и т.д.) к более теплому (например, обогреваемому помещению) с температурой Т₂, т.е. Т₂>Т₁. Пусть от источника тепла с температурой Т₁ отбирается количество теплоты, равное Q₁, а количество теплоты Q₂ передается в обогреваемое помещение с температурой Т₂, причем Т₂>Т₁, и для осуществления этого процесса затрачивается работа А.

Показателем эффективности работы теплового насоса принимается следующее отношение , которое называется коэффициентом преобразования теплового наcoca или отопительным коэффициентом. Так как согласно основным началам термодинамики всегда коэффициент преобразования больше единицы φ>1, то тепловой насос передаст в помещение энергию в виде тепла в φ раз больше, чем затрачено работы А.

Термодинамические расчеты коэффициента преобразования φ для теплового насоса, использующего в качестве теплоносителя, например, этанол и традиционного парокомпрессорного теплового насоса, использующего фреоны, в диапазоне рабочих температур (T_max-Т₂), где Т_mах - максимальная температура паров теплоносителя при адиабатическом сжатии от давления p_u в испарителе до давления р_к в конденсаторе, а Т₂ - рабочая температура в конденсаторе, были проведены по формуле

,

где с_р - удельная изобарная теплоемкость в диапазоне рабочих температур, r_к - теплота конденсации при температуре Т₂ и А - работа при адиабатическом сжатии от давления р_u в испарителе до давления р_k в конденсаторе. Необходимые данные взяты из книги [7]. (Количество теплоты конденсации r_k этанола или фреона примерно на два порядка больше количества теплоты с_р(T_max-Т_к), обусловленной теплоемкостью пара в диапазоне рабочих температур, поэтому при вычислении φ последним членом в формуле можно пренебречь).

Проведенные расчеты показали, что этанол в качестве теплоносителя эффективнее различных фреонов на 3%-19%. В частности, при температуре внешней среды Т₁=261 К(-12°С) на единицу затраченной работы тепловой насос на этаноле выделяет в конденсаторе с температурой Т₂=333 K(+60°С) тепла в φ=4,04 раз больше, чем затраченная работа, а, например, на фреоне R12 только - в φ=3,43. Отметим, что в этих же условиях идеальный тепловой насос, работающий по циклу Карно, теоретически имеет максимально возможное значение, равное φ=4,6.

Задачей данного изобретения является создание теплового насоса, которое позволяет использовать экологически безопасные хладагенты с температурой кипения при атмосферном давлении Т_кип>273 К, такие как этанол, его водные растворы и другие высококипящие вещества.

Задача решается следующим образом: в тепловом насосе, содержащем конденсатор, испаритель, теплообменник, запорно-регулирующую арматуру в виде дроссельного клапана, вместо компрессора предлагается использовать безмасляный вакуумный насос, например, по патенту №2237824 [6]. Это техническое решение дает возможность в качестве хладагентов применять экологически чистые и озонобезопасные вещества с температурой кипения при атмосферном давлении Т_кип>273 К. Дополнительным преимуществом предлагаемого теплового насоса по сравнению с существующими аналогами является увеличение его энергетической эффективности из-за лучших теплофизических свойств высококипящих хладагентов, снижение металлоемкости устройства и упрощение эксплуатации из-за использования системы низкого давления.

Новым признаком является использование вместо компрессора безмасляного вакуумного насоса, содержащего цилиндрический корпус, разделенный поперечными статорными колесами, и ротор с набором роторных колес, которые выполнены в виде радиальных крыльчаток, закрытых с двух сторон дисками. Причем оребрение статорных колес и лопасти крыльчаток роторного колеса выполнены со спиральным изгибом в противоположную от направления вращения сторону.

Такое техническое решение и возможность при его осуществлении использовать вместо фреонов в качестве хладагентов высококипящие вещества неизвестны из уровня техники, что позволяет признать предлагаемое изобретение соответствующим критериям «новизна» и «изобретательский уровень».

На чертеже схематично изображен предлагаемый тепловой насос. Устройство содержит последовательно включенные в замкнутый контур циркуляции хладагента испаритель 1, вакуумный насос 2, конденсатор 3, дроссельный вентиль 4.

Предлагаемый тепловой насос работает следующим образом. Вакуумный насос 2 откачивает пары высококипящего теплоносителя из испарителя 1, понижая в нем давление. При этом теплоноситель вскипает, интенсивно испаряется и отбирает теплоту испарения у стенок испарителя Q₁ (опосредованно - например, из наружного холодного воздуха, водоемов, грунта). Откачка паров теплоносителя из испарителя 1 должна происходить с высокой скоростью, примерно 350 л/с, из-за меньшей плотности паров высококипящих теплоносителей по сравнению с фреонами.

Пары теплоносителя перекачиваются в конденсатор 3 (при этом давление повышается до равновесного при температуре теплоприемника Т₂), где пары конденсируются с выделением теплоты конденсации Q₂, которая отводится в обогреваемый объем. В дальнейшем жидкий конденсат проходит через дроссельный вентиль 4 и возвращается обратно в испаритель 1 и его температура понижается до равновесного значения Т₁ при данном давлении в испарителе.

Например, вакуумный насос 2 понижает давление паров теплоносителя в испарителе до тех значений, при которых точка кипения теплоносителя становится ниже температуры в испарителе 1. Наиболее приемлемый теплоноситель для предлагаемого теплового насоса - этанол при давлении 133Па имеет температуру кипения, равную Т_кип=351 К (-31,3°С). При атмосферном давлении 10⁵ Па этанол имеет температуру кипения Т_кип=351 К (+78,3°С).

При средней по территории, например в центральной области России, температуре отопительного сезона (ноябрь - март) в -5°С и температуре +40°С нагревательных приборов в обогреваемом помещении для нашего теплового насоса величина среднего коэффициента преобразования будет φ=6,0. Если принять к.п.д. привода установки η=0,76 и приведенную выше величину для φ, то средний реальный коэффициент преобразования составит 4,4. По данным, приведенным в коммерческих проспектах фирмы "CORONA", коэффициент преобразования тепловых насосов этой фирмы равен 2,6-3,5, то есть ниже, чем у предлагаемого.

В традиционных парокомпрессионных тепловых насосах в диапазоне рабочих температур от 243 К до 323 К (или от минус 30°С до плюс 50°С) диапазон давлений составляет от 10⁵ до 30·10⁵ Па, а в тепловых насосах на этаноле в том же диапазоне температур необходимый диапазон давлений составит от 133 до 0,53·10⁵ Па.

Давление в конденсаторе предлагаемого теплового насоса значительно ниже, чем у традиционных. Например, для этанола давление в конденсаторе при температуре Т_к=323 К(+50°С) будет равным примерно 3·10⁴ Па, в то время как для фреона R12 при этой же температуре давление будет 1,24·10⁶ Па. Поэтому предлагаемый тепловой насос можно отнести к агрегатам низкого давления, за счет этого он является менее металлоемким и более безопасным в эксплуатации.

А так как теплота испарения (r≈(1÷1,2)·10⁶ Дж/кг) для спиртов намного больше, чем для фреонов (r≈(0,12÷0,17)·10⁶ Дж/кг), то для обеспечения одинакового отопительного коэффициента φ через систему надо прокачать спирта в 6-7 раз меньше по массе, чем фреонов. Использование вакуумного газоротационного насоса по патенту №2237824 является оптимальным, т.к. благодаря выполнению роторных колес в виде радиальных крыльчаток, оребрение и лопасти которых изогнуты по спирали в направлении, противоположном направлению вращения и закрытых с двух сторон дисками, один из которых выполнен с центральным отверстием, диаметр которого равен 0,2-0,3 диаметра роторного колеса, а статорных колес - в виде дисков с односторонним профилированным радиальным оребрением и центральным отверстием, совпадающим по диаметру с отверстием диска ротора, и системы радиальных ребер и центральных отверстий на статорных колесах и роторных дисках создаются каналы для перетока газа на основе центробежного эффекта. Благодаря этому уменьшается обратное перетекание газа, что позволяет увеличить коэффициент компрессии каждой ступени и, как следствие, обеспечить работу насоса при выходном давлении >10⁵ Па без форвакуумного насоса. При этом повышение коэффициента компрессии каждой ступени позволяет сократить количество ступеней, что приводит к снижению габаритов и массы насоса, т.е. снижению его металлоемкости и себестоимости.

Все это делает предлагаемый тепловой насос, как систему низкого давления, по энергозатратам выгоднее традиционных компрессорных систем на 10%-20%. Отопительные системы на тепловых насосах компактны, не требуют запасов топлива (кроме электричества) и специальных коммуникаций - тепловых сетей и прочее, энергетически и экономически выгодны и экологически безопасны. Тепловые насосы могут быть использованы для децентрализованного отопления в домашнем хозяйстве и в общественных зданиях, а также в промышленности (см., например [1]).

ЛИТЕРАТУРА

1. Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы. М.: Энергоиздат, 1982.

2. Янтовский Е.И., Пустовалов Ю.В. Парокомпрессионные теплонасосные установки. М.: Энергоиздат, 1982.

3. Быков А.В., Калнинь И.М., Сапронов В.И. Программа перехода на озонобезопасные хладагенты. Холодильная техника, №10, 1991, с.2.

4. Кокорин А.О. Киотский протокол. Энергосбережение, №3, 2007.

5. Кудинов В.А., Карташов Э.М. Техническая термодинамика. М.: Высшая школа, 2000.

6. Григорьев А.Н., Рыжков В.И., Рыжков И.В., Чеканов Н.А. Вакуумный газоротационный насос. Патент РФ №2237824, F04D 19/04, 10.10.2004.

7. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофиз. св-вам газов и жидкостей. М.: ГИФМЛ, 1963.

Изобретение относится к области теплотехники, а именно к области теплонаносных устройств. Тепловой насос содержит последовательно включенные в замкнутый контур циркуляции хладагента испаритель, конденсатор, дроссельную запорно-регулирующую арматуру и вакуумный насос. Вакуумный насос выполнен с возможностью откачки паров хладагента со скоростью 350 л/с в диапазоне давлений от 133 до 0,53·10⁵ Па. Изобретение дает возможность применять в качестве теплоносителей широкий ряд высококипящих с Т_кип>273 К при атмосферном давлении веществ. Наиболее приемлемым является этанол и его водные растворы. Использование изобретения позволит создать компактные отопительные системы, которые не требуют запасов топлива и специальных коммуникаций, энергетически и экономически выгодны и экологически безопасны. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Тепловой насос, содержащий последовательно включенные в замкнутый контур циркуляции хладагента испаритель, конденсатор, дроссельную запорно-регулирующую арматуру, вакуумный насос, отличающийся тем, что вакуумный насос выполнен с возможностью откачки паров хладагента со скоростью 350 л/с в диапазоне давлений от 133 до 0,53·10⁵ Па.

2. Тепловой насос по п.1, отличающийся тем, что в качестве хладагента используют вещества с температурой кипения при атмосферном давлении не менее 273°К, например этанол или его водные растворы.