УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ВОЗДУШНОГО ОТОПЛЕНИЯ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ И ВЕНТИЛЯЦИИ ПОМЕЩЕНИЙ Российский патент 2013 года по МПК F24F5/00 F25B29/00 F24F3/147 

Изобретение «Устройство и способ воздушного отопления воздушного охлаждения и вентиляции помещений» относится к области энергетики и может использоваться в жилищно-коммунальном хозяйстве.

Для отопления и охлаждения: жилых помещений, железнодорожных вокзалов, станций метро, вагонов пассажирских поездов, квартир жителей города и села.

Известны электрические приборы для подогрева воздуха помещений, известны кондиционеры для охлаждения воздуха помещений. Основной их недостаток состоит в том, что они используют тепло, которое вырабатывает электрический ток, поэтому их КПД не может быть больше единицы.

В изобретении «Устройство и способ воздушного отопления воздушного охлаждения и вентиляции помещений» используется энергия электрического тока не непосредственно для выработки тепла, а используется для привода аммиачного теплового насоса (АТН), который отнимает тепло от воздуха, добавляет к этому теплу тепло от сжатия паров аммиака и передает это суммарное тепло помещению.

При этом в режиме воздушного отопления и вентиляции помещений аммиачный компрессор отнимает тепло от атмосферного наружного воздуха, а в режиме охлаждения и вентиляции помещений, аммиачный компрессор отнимает тепло от воздуха самих помещений.

В первом случае тепло подается в помещения, во втором случае тепло выводится из помещений.

Экономия электроэнергии в «Устройстве и способе воздушного отопления воздушного охлаждения и вентиляции помещений» определяется коэффициентом теплопроизводительности аммиачного теплового насоса «β» и коэффициентом эффективности производства электроэнергии «η_э» который составляет в лучшем случае не более η_э=0,4.

Таким образом коэффициент эффективности «Устройства и способа воздушного отопления воздушного охлаждения и вентиляции помещений» рассчитывается по формуле η_от=βη_э, и при β≥2,5 η_от≥1,0.

На фиг.1 изображена кинематическая схема «Устройства и способа воздушного отопления воздушного охлаждения и вентиляции помещений», где:

1 - помещение

2 - заборник атмосферного воздуха при воздушном отоплении и вентиляции помещений

3 - центробежный нагнетатель подачи воздуха в воздушно-аммиачный радиатор (4)

4 - воздушно-аммиачный радиатор

5 - выходное сопло нагретого воздуха помещений

6 - заборник воздуха помещений воздушного отопления

7 - центробежный нагнетатель подачи воздуха в воздушно-аммиачный радиатор (16)

8 - аммиачно-воздушный теплообменник охлаждения воздуха

9 - выходное сопло воздушного отопления, установленное на выходе из помещений

10 - аммиачный компрессор АТН

11 - аммиачно-воздушный теплообменник

12 - ресивер (сборник) жидкого аммиака

13 - управляемый редукционный клапан

14 - реверсивный электродвигатель управления редукционным клапаном (13)

15 - термореле атмосферного воздуха в системе воздушного отопления помещений

16 - воздушно-аммиачный радиатор

17 - электродвигатель

18 - реверсивное термореле включения и отключения электродвигателя (17)

19 - заборник атмосферного воздуха при воздушном охлаждении и вентиляции помещений

20 - запорный вентиль, отключения и включения воздушного охлаждения помещений, на входе в центробежный нагнетатель (7)

21 - запорный вентиль, отключения и включения воздушного отопления помещений, на входе в центробежный нагнетатель (7)

22 - запорный вентиль, включения и отключения воздушного отопления помещений, на выходе из аммиачно-воздушного теплообменника (8)

23 - запорный вентиль, включения и отключения воздушного охлаждения помещений, на выходе из воздушно-аммиачного теплообменника (16)

24 - выходное сопло воздушного охлаждения и вентиляции помещений, установленное в помещении

25 - заборник воздуха помещений при воздушном охлаждении и вентиляции помещений

26 - запорный вентиль, включения и отключения воздушного охлаждения и вентиляции помещений, на входе в центробежный нагнетатель (3)

27 - запорный вентиль, включения и отключения воздушного отопления и вентиляции помещений, на входе в центробежный нагнетатель (3)

28 - запорный вентиль, включения и отключения воздушного отопления и вентиляции помещений, на выходе из воздушно-аммиачного радиатора (4)

29 - запорный вентиль, включения и отключения воздушного охлаждения и вентиляции помещений, на выходе из воздушно-аммиачного радиатора (4)

30 - выходное сопло воздушного охлаждения и вентиляции помещений установленное на выходе из помещений

31 - реостат управления оборотами электродвигателя (17)

32 - реверсивный электродвигатель управления реостатом (31)

33 - термореле воздушного охлаждения помещений установленное в атмосферном воздухе.

34 - реле давления установленное в аммиачно-воздушном теплообменнике (11)

35 - реле давления установленное в аммиачно-воздушном теплообменнике (8).

На фиг.2 изображен термодинамический цикл аммиачного теплового насоса в координатах абсолютная температура (Т К) в функции энтропии ( $$S\frac{кк}{к{г}^o}$$ ).

Где: линия а-к - начало кипения аммиака. Точка «к» точка критическая параметров аммиака.

линия к-б - линия конца кипения аммиака.

линия 1-2 - адиабата сжатия паров NH₃

линия 2-3 - изотерма (изобара) конденсации паров NH₃

линия 3-2 - адиабата расширения аммиака

линия 4-1 - изотерма (изобара) кипения NH₃

S₂ - энтропия точки «2»

S₃ - энтропия точки «3»

Работа «Устройства и способа воздушного отопления воздушного охлаждения и вентиляции помещений» в режиме отопления и вентиляции помещений

(см. кинематическую схему «режим отопления» фиг.1(а), 2(а).

В этом случае запорные вентили (20) (23) (26) и (29) закрываются, а запорные вентили (21) (22) (27) и (28) открываются.

Кинематическая схема «Устройства и способа воздушного отопления, воздушного охлаждения и вентиляция помещения»

(см. Фиг.1)

Заборник атмосферного воздуха (2) связан с входом в центробежный нагнетатель (3), выход из которого связан с входом в воздушно-аммиачный радиатор (4) выход из которого связан с выходным соплом нагретого воздуха помещений (5); далее: заборник воздуха помещений (6) связан центробежным нагнетателем (7) выход из которого связан с входом в воздушно-аммиачный радиатор (16) выход из которого связан с выходным соплом (9); далее выход аммиачного компрессора (10) связан с входом в аммиачно-воздушный теплообменник (11), выход из которого связан с входом в управляемый редукционный клапан (13) выход из которого связан с входом в аммиачно-воздушный теплообменник (8) выход из которого связан с входом в аммиачный компрессор (10); далее: в режиме воздушного охлаждения и вентиляции помещений заборник атмосферного воздуха (19) связан с центробежным нагнетателем (7) выход из которого связан с воздушно-аммиачным радиатором (16) выход из которого связан с входом в выходное сопло воздушного охлаждения и вентиляции помещений (24); далее: заборник воздуха помещений (25) связан с входом в центробежный нагнетатель (3) выход из которого связан с входом в воздушно-аммиачный радиатор (4) выход из которого связан с выходным соплом воздушного охлаждения и вентиляции помещений (30); далее: выход аммиачного компрессора (10) связан с входом в аммиачно-воздушный теплообменник (11) выход из которого связан с входом в управляемый редукционный клапан (13) выход из которого связан с входом в аммиачно-воздушный теплообменник (8) выход из которого связан с входом в аммиачный компрессор (10); далее: центробежный нагнетатель (7), аммиачный компрессор (10), электродвигатель (17), центробежный нагнетатель (3) - все установлены на одном валу.

Термореле (18) включения и выключения электродвигателя (17) отрегулировано на включение электродвигателя при T_min=293 К (+20°С) минимальная температура воздуха в помещении и на выключение электродвигателя (17) при T_max=298 К (+25°С) максимальная температура воздуха в помещении.

Термореле (15) отрегулировано на обеспечение температуры АТН, T₁=T_н'-10°С

Реле давления 35 отключается, реле давления 34 включается.

Аммиачный тепловой насос отбирает тепло от воздуха помещений и с добавкой тепла полученного от сжатия паров NH₃ в аммиачном компрессоре (10) АТН передает суммарное тепло, при конденсации паров NH₃ аммиачно-воздушном теплообменнике (11), атмосферному воздуху движущемуся в воздушно-аммиачном радиаторе (4). Температура Т₂ - const и равна T₂=T_max+10°С. Температура атмосферного воздуха поступающего в воздушно-аммиачный радиатор (4) равна T_н'

Термореле (33) отключено.

Реостат (31) установлен на постоянные обороты электродвигателя (17). Реле давления (34) обеспечивает постоянство давления NH₃(P₂=P₃) при изменении давления (Р₁=Р₄).

Температура (T₁) кипения NH₃ является функцией давления P₁, т.е. T₁=F(P₁) и обеспечивается редукционным клапаном (13), реверсивным электродвигателем (14) и термореле (15).

Работа «Устройства и способа воздушного отопления воздушного охлаждения и вентиляции помещений» в режиме охлаждения и вентиляции помещений

(см. кинематическую схему «режим охлаждения фиг.1(б), 2(б))

В этом случае запорные вентили (21) (22) (27) и (28) закрываются, а запорные вентили (20) (23) (26) и (29) открываются.

Термореле (15) отключается. Реле давления (34) отключается, реле давления (35) включается.

Электродвигатель (17) совместно с реостатом (31), реверсивным электродвигателем (32) и термореле (33) обеспечивает температуру T₂=T_max+10°С;

Температура (T₂) конденсации NH₃ является функцией давления (Р₂), т.e. T₂=Ф(Р₂) и обеспечивается термореле (33), реостатом (31) и электродвигателем (17).

Реверсивное термореле (18) включает электродвигатель (17) при (T_max=298°K) и выключает электродвигатель при (T_min=293°K). Реле давления (35) обеспечивает постоянство давления (P₁=Р₄). При изменении давления (P₂=P₃).

T_max - максимально допустимая температура помещений.

T_min - минимально допустимая температура помещений.

Изготовление «Устройства и способа воздушного отопления воздушного охлаждения и вентиляции помещений» возможно, так как указанные на кинематической схеме (см. фиг.1) узлы и агрегаты широко используются в технике (электродвигатели, тепловые насосы, теплообменники, радиаторы, запорные вентили).

Изготовление «Устройства и способа воздушного отопления воздушного охлаждения и вентиляции помещений» подтверждается элементарным термодинамическим расчетом.

Расчет производим в удельных параметрах по теплосодержаниям и абсолютным температурам с учетом изменения теплосодержания атмосферного воздуха при постоянном давлении ( $$Cp\frac{кк}{к{г}^{о}}$$ ) с изменением температуры Т К.

Расчет аммиачного теплового насоса при работе «Устройства и способа воздушного отопления воздушного охлаждения и вентиляции помещений» в режиме воздушного отопления и вентиляции помещений

(см. кинематическую схему «Устройства и способа воздушного отопления воздушного охлаждения и вентиляции помещений» работающего в режиме отопления).

Принимаем: T_max=298 К (+25°С) - максимальная температура помещений

T_min=293 K (+20°C) - минимальная температура помещений

Т_н'=263 К (-10°С)

При этих условиях параметры АТН

T₁=T₄=(T_н'-10°С)=263-10=253°К (-20°С)

T₂=T₃=(T_max+10°С)=298+10=308°K (+35°С)

Соответственно давление аммиака в контуре АТН в зоне кипения аммиака (аммиачно-воздушного теплообменника (8)) при T₁=T₄=253°К рассчитываем, используя термодинамические экспериментальные данные изложенные в справочнике тепло-физических свойств аммиака.

$$P_1=P_4=\mathrm{1,9644}\frac{кг}{с{м}^2}-f\left(T_{н}^{\text{'}}K\right)$$

$$P_2=P_3=\mathrm{13,7999}\frac{кг}{с{м}^2}-const$$

Q₃₀₈ ⁰ - тепло конденсации аммиака при Т₂=Т₃=308 K и Р₂=Р₃=13,7999 $$\frac{кг}{с{м}^2}$$

$$Q_{308}{}^0=\mathrm{276,75}-\frac{\mathrm{276,75}-\mathrm{266,384}}{10}\times 8=\mathrm{268,4572}кк$$

$$S_2=\mathrm{9,993}-\frac{\mathrm{9,993}-\mathrm{9,88}}{10}\times 8=\mathrm{9,9817}\frac{кДж}{к{г}^0}$$

$$S_3=\mathrm{6,128}+\frac{\mathrm{6,286}-\mathrm{6,128}}{10}\times 8=\mathrm{6,2544}\frac{кДж}{к{г}^0}$$

Q₂₅₃ ⁰ - тепло кипения аммиака при T₁=Т₄=253 К; P₁=P₄=1,9644 $$\frac{кг}{с{м}^2}$$ .

$$Q_{253}{}^0=253\frac{S_2-S_3}{\mathrm{4,1868}}=253\frac{\mathrm{9,9817}-\mathrm{6,2544}}{\mathrm{4,1868}}=\mathrm{225,2333}кк$$

Q_ак - тепло эквивалентное мощности потребной, для привода аммиачного компрессора (10) Q_ак=Q₃₀₈ ⁰-Q₂₅₃ ⁰=268,4572-225,2333=43,2239 кк

Эффективный КПД при производстве электроэнергии η_э=0,4.

Экономия электроэнергии при воздушном отоплении помещений, в нашем случае, составляет η_от=βη_э.

$$\beta =\frac{Q_{308}{}^0}{Q_{ак}}=\frac{\mathrm{268,4572}}{}\mathrm{43,2239}=\mathrm{6,2}$$

$${\eta }_{от}=\mathrm{6,2}\times \mathrm{0,4}=\mathrm{2,48}$$

η_от=2,48 экономия электроэнергии 148%

Расчет аммиачного теплового насоса при работе «Устройства и способа воздушного отопления воздушного охлаждения и вентиляции помещений» в режиме воздушного охлаждения и вентиляции помещений

(см. кинематическую схему «Устройства и способа воздушного отопления воздушного охлаждения и вентиляции помещений» режим охлаждения).

Принимаем: T_max=298 K (+25°С) - максимальная температура помещений

T_min=293 K (+20°С)- минимальная температура помещений

T_н'=313 K (+40°С)

При этих условиях параметры АТН

T₁=T_min-10°C; T₂=T_н'+10°C

Принимаем: T_max=298 K (+25°С)- максимальная температура помещений

T_min=293 K (+20°С) - минимальная температура помещений.

T_н'=313 K (+40°С)

При этих условиях параметры АТН

T₂=313+10=323 K (+50°С)

Т₁=293-10=283 K (+10°С)

Соответственно давление аммиака в контуре АТН в зоне кипения аммиака (аммиачно-воздушный радиатор (16)) при T₁=Т₄=283°K рассчитываем, используя термодинамические экспериментальные данные изложенные в справочники теплофизических свойств аммиака

$$P_1=P_4=\mathrm{5,6306}+\frac{\mathrm{7,9112}-\mathrm{5,6306}}{10}\times 3=\mathrm{6,3147}\frac{кг}{с{м}^2}$$

$$P_2=P_3=\mathrm{19,0408}+\frac{\mathrm{24,7142}-\mathrm{19,0408}}{10}\times 3=\mathrm{20,7428}$$

Q₃₂₃ - тепло конденсации аммиака при

$$T_2=T_3={323}^{o}K=\mathrm{255,5400}-\frac{\mathrm{255,54}-\mathrm{243,455}}{10}\times 3=\mathrm{251,9145}кк$$

$$S_2=\mathrm{9,7760}-\frac{\mathrm{9,776}-\mathrm{9,68}}{10}\times 3=\mathrm{9,7472}\frac{кДж}{к{г}^{о}}$$

$$S_3=\mathrm{6,4400}+\frac{\mathrm{6,593}-\mathrm{6,44}}{10}\times 3=\mathrm{6,4859}\frac{кДж}{к{г}^{о}}$$

$$Q_{283}{}^0=283\frac{S_2-S_3}{\mathrm{4,1868}}=283\frac{\mathrm{9,7472}-\mathrm{6,4859}}{\mathrm{4,1868}}=\mathrm{220,4423}кк$$

$$Q_{ак}=Q_{323}-Q_{283}{}^0=\mathrm{251,9145}-\mathrm{220,4423}=\mathrm{31,4722}кк$$

$$\beta =\frac{Q_{308}}{Q_{ак}}=\frac{\mathrm{251,9145}}{\mathrm{31,4722}}=\mathrm{8,0043}$$

η_от=βη_э=8,0043×0,4=3,2 экономия электроэнергии 220%.

Устройство и способ воздушного отопления воздушного охлаждения и вентиляции помещений при помощи электроэнергии центробежных воздушных насосов, аммиачного теплового насоса управляемого электродвигателя, теплообменников, радиаторов, управляемого редукционного клапана, реверсивных электродвигателей, терморегуляторов, реле давлений. В режиме воздушного отопления и вентиляции помещений аммиачный тепловой насос (АТН) при кипении NH₃ отнимает тепло от воздуха помещений и выбрасывает воздух помещений в атмосферу с температурой, равной температуре атмосферы. В режиме воздушного охлаждения и вентиляции помещений АТН при кипении NH₃ отнимает тепло от атмосферного воздуха и охлажденный воздух выбрасывает в помещения. Обеспечивает свежий воздух и постоянный климат помещений с колебанием температуры воздуха помещений от +20 до +25°С при воздушном отоплении и колебания температуры воздуха помещений от +25 до +20°С при воздушном охлаждении помещений. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство воздушного отопления воздушного охлаждения и вентиляции помещений, состоящее из: электродвигателей, аммиачного теплового насоса, центробежных нагнетателей воздуха, теплообменников, радиаторов, запорных вентилей, термореле, реле давлений, отличающееся тем, что в режиме воздушного отопления и вентиляции помещений заборник атмосферного воздуха (2) связан с входом в центробежный нагнетатель (3), выход из которого связан с входом в воздушно-аммиачный радиатор (4), выход из которого связан с выходным соплом нагретого воздуха помещений (5); далее заборник воздуха помещений (6) связан центробежным нагнетателем (7), выход из которого связан с входом в воздушно-аммиачный радиатор (16), выход из которого связан с выходным соплом (9); далее выход аммиачного компрессора (10) связан с входом в аммиачно-воздушный теплообменник (11), выход из которого связан с входом в управляемый редукционный клапан (13), выход из которого связан с входом в аммиачно-воздушный теплообменник (8), выход из которого связан с входом в аммиачный компрессор (10); далее в режиме воздушного охлаждения и вентиляции помещений заборник атмосферного воздуха (19) связан с центробежным нагнетателем (7), выход из которого связан с воздушно-аммиачным радиатором (16), выход из которого связан с входом в выходное сопло воздушного охлаждения и вентиляции помещений (24); далее заборник воздуха помещений (25) связан с входом в центробежный нагнетатель (3), выход из которого связан с входом в воздушно-аммиачный радиатор (4), выход из которого связан с выходным соплом воздушного охлаждения и вентиляции помещений (30); далее выход аммиачного компрессора (10) связан с входом в аммиачно-воздушный теплообменник (11), выход из которого связан с входом в управляемый редукционный клапан (13), выход из которого связан с входом в аммиачно-воздушный теплообменник (8), выход из которого связан с входом в аммиачный компрессор (10); далее центробежный нагнетатель (7), аммиачный компрессор (10), электродвигатель (17), центробежный нагнетатель (3) - все установлены на одном валу.

2. Способ воздушного отопления воздушного охлаждения и вентиляции помещений состоит в том, что для целей воздушного отопления, воздушного охлаждения и вентиляции помещений используется аммиачный тепловой насос, который в режиме отопления и вентиляции помещений и в режиме охлаждения и вентиляции помещений обеспечивает постоянный климат помещений с колебанием температуры воздуха помещений от +20 до +25 при воздушном отоплении и колебания температуры воздуха помещений от +25 до +20 при воздушном охлаждении помещений.

3. Способ по п.2 обеспечивается при воздушном отоплении и вентиляции помещений при помощи аммиачного теплового насоса с параметрами (см. фиг.1, фиг.2 режим отопления) Т₁=Т₄=Т_н'-10°С Р₁=Р₄=f(Т_н) и термореле атмосферного воздуха (15), реверсивным электродвигателем (14), управляемым редукционным клапаном (13), и реле давления (35), которое обеспечивает Р₂=Р₃-conCt и Т₂-Т₃-conCt.

4. Способ по п.2 обеспечивается при воздушном охлаждении и вентиляции помещений при помощи аммиачного теплового насоса с параметрами (см. фиг.1, фиг.2 режим охлаждения) Т₂=Т₃=Т_н'+10°С; P₂=P₃=F (Т_н') и термореле (33), реверсивным электродвигателем (32), реостатом управления (31) и электродвигателем (17) и реле давления (35), которое обеспечивает Р₁=Р₄-conCt и Т₁=Т₂-conCt.