ВИХРЕВОЙ ТЕПЛОВОЙ НАСОС Российский патент 2020 года по МПК F25B30/02 F25B9/02 

Заявляемое техническое решение относится к тепловым насосам.

Известен вихревой тепловой насос, содержащий вихревую трубу, соединенную горячей и холодной нитками, содержащими теплообменники, с компрессором, соединенным с вихревой трубой.[1]

Однако, в известном вихревом тепловом насосе теплопередача происходит теплообменом газа. Затраты энергии на сжатие газа компрессором превышают передачу энергии. Экономическая эффективность известного вихревого теплового насоса равна нулю.

Технический результат заявленного решения состоит в том, что горячая и холодная нитки содержат конденсаторы, испарители, насосы и 2-х фазное рабочее тело.

Вихревой тепловой насос схематически изображен на фиг. 1

Результаты расчета примера работы приведены на фиг. 2

Диаграмма термодинамического цикла приведена на фиг. 3

Вихревой тепловой насос содержит вихревую трубу 1, соединенную горячей ниткой 2, содержащей полость конденсации конденсатора 3, полость испарения испарителя 4 и насос 5, и холодной ниткой 6, содержащей полость конденсации конденсатора 7, полость испарения испарителя 8 и насос 9, с смесителем 10, соединенным напорной ниткой 11, содержащей компрессор 12, с вихревой трубой, причем полости нагревания испарителей 4 и 8 соединены ниткой 13, содержащей насос 14, с источником тепла 15, причем полости охлаждения конденсаторов 3 и 7 соединены ниткой 16, содержащей насос 17, с потребителем тепла 18.

При работе, компрессор 12 сжимает, нагревает и подает газовое рабочее тело вихревого теплового насоса, например холодильного агента, в вихревую трубу 1. В вихревой трубе происходит разделение рабочего тела по температуре и давлению. Из вихревой трубы истекают горячий и холодный газовые потоки. Горячий газовый поток по нитке 2 подается в полость конденсации конденсатора 3, где конденсируется и отдает теплоту охлаждения и конденсации потребителю тепла 18. Насос 5 поджимает жидкое рабочее тело для компенсации потерь полного давления в нитке и конденсаторе и подает в полость испарения испарителя 4, где жидкое рабочее тело испаряется и поглощает тепловую энергию источника тепла. Газовое рабочее тело подается в смеситель 10. Холодный газовый поток выходит из вихревой трубы в состоянии насыщения, по нитке 6 подается в полость конденсации конденсатора 7 и отдает теплоту конденсации потребителю тепла 18. Насос 9 поднимает давление жидкого рабочего тела до давления испарения и подает в полость испарения испарителя 8, где холодный поток поглощает теплоту источника тепла и испаряется. Газовое рабочее тело подается в смеситель 10, смешивается с горячим потоком и по нитке 11 подается в компрессор 12. Насос 14 подает рабочее тело источника тепла 15, например воду, по нитке 13 в полости нагревания испарителей 4 и 8, где охлаждается и отдает тепловую энергию источника тепла в вихревой тепловой насос. Насос 17 подает рабочее тело потребителя тепла, например холодильного агента, по нитке 16 в полости охлаждения конденсаторов 3 и 7, где нагревается и передает тепловую энергию из вихревого теплового насоса потребителю тепла 18. Пример работы вихревого теплового насоса приведен на отдельных листах.

Источник информации:

1. Тепловой насос. Авт. св-во №892148 F25B 9/02 1979 г.

1. Пример работы вихревого теплового насоса.

В расчет введены результаты расчета вихревой трубы.

1. Давление торможения на входе в вихревую трубу, P_0KM=3 ата

2. Давление торможения горячего потока, Р_0Г=2,23 ата

3. Давление торможения холодного потока, P_0X=1,49 ата

4. Температура торможения горячего потока, T_0Г=47,4°C

5. Температура торможения холодного потока, T_0X=0,6°C

6. Температура торможения на входе вихревой трубы, T_0BX=24°C

Исходные данные:

1. Количество тепловой энергии, переданной от источника тепла в испаритель И1:

Q_И1=25 квт

2. Рабочее тело вихревого теплового насоса: фреон R-142B1

3. Рабочее тело источника тепла: вода

4. Рабочее тело потребителя тепла: фреон R-142B1

5. Изоэнтропический к.п.д. компрессора: η_SKM=0,75

6. Механический к.п.д.: η_М=0,95

7. К.П.Д. насоса: η_H=0,4

8. Падение полного давления в конденсаторах и испарителях:

ΔP_0KH=ΔP_0ИСП=0,5 ата

9. Падение полного давления в нитках:

ΔР_0X=ΔР_0Г-ΔР_0Н=1 ата

1. Расход горячего потока:

Принимается:

Расход по горячей нитке равен расходу по холодной нитке:

G_Г=G_X=0,1158 кг/сек

2. Суммарное количество энергии, переданное конденсатором K1 потребителю тепла:

3. Количество тепловой энергии, переданной холодным потоком в конденсаторе K2:

Q_K2=G_X*R_0.6°C=0,1158*219,5=25,418 квт

4. Количество тепловой энергии, переданное источником тепла испарителю И2:

7. Количество тепловой энергии, переданной конденсаторами:

Q_KHΣ=Q_KH1+Q_KH2=54,53 квт

8. Количество тепловой энергии, переданной источником тепла в вихревой тепловой насос: Q_ИΣ=Q_И1+Q_И2=50,916 квт

9. Разность: Q_KHΣ-Q_ИΣ=3,614 квт

10. Количество тепловой энергии переданной вихревой трубой тепловому насосу равно разности нагревания горячего потока и охлаждения холодного:

11. Удельная работа изэнтропического сжатия компрессора:

12. Удельная работа сжатия компрессора:

13. Энтальпия торможения сжатого пара:

14. Работа сжатия компрессора:

N_KM=(G_X+G_Г)*L=2*0,1158*15,9=3,682 квт

15. Работа сжатия насоса холодного и горячего потоков:

16. Расход воды:

17. Мощность насоса воды:

18. Расход насоса потребителя тепла:

19. Мощность насоса фреона:

20. Собственные нужды вихревого теплового насоса:

Q_C.H.=N_KM+2N_X+N_W+N_F=3,682+2*0,05+0,5+0,5=4,782 квт

21. К.П.Д. вихревого теплового насоса:

Источник информации:

1. И.И. Перельштейн. Термодинамические и теплофизические свойства рабочих тел холодильных машин и тепловых насосов Москва, Л.П., 1984 г.

2. Диаграмма термодинамического цикла.

Диаграмма термодинамического цикла выполнена в координатах P_CT-J₀, где:

P_CT - статическое давление, ата

J₀ - энтальпия торможения, кДж/кг, соответствующая:

T_CT - статическая температура, °C

1. Точка 1 соответствует входу в компрессор: P_CT=1,86 ата; ; T_CT=7°C

2. Линия 1-2 соответствует сжатию и нагреванию фреона в компрессоре, до:

P_CT=3 ата; J''=640 кдж/кг; T_CT=24°C

3. Точка 2 соответствует входу в вихревую трубу.

4. Линия 2-3 соответствует нагреванию в вихревой трубе горячего потока до ; T_CT=47,4°C и снижения статического давления до P_CT=2,23 ата

5. Линия 2-4 соответствует охлаждению в вихревой трубе холодного потока до J''=620 кдж/кг; T_CT=0,6°C; и снижению статического давления до P_CT=1,49 ата

6. Линия 3-5 соответствует охлаждению горячего потока в конденсаторе 3 до температуры конденсации T_CT=12°C соответствующей статическому давлению конденсации P_CT=2,23 ата.

7. Линия 5-6 соответствует конденсации горячего потока в конденсаторе 3.

8. Линия 6-7 соответствует охлаждению конденсата до ; T_CT=7°C

9. Линия 7-8 соответствует падению полного давления в конденсаторе 3 и нитке 2 и снижения статического давления до статического давления испарения в испарителе 4.

10. Линия 8-1 соответствует испарению горячего потока при P_CT=1,86 ата до

Площадь фигуры 1-3-5-6-7-8-1 соответствует количеству тепловой энергии, переданной горячим потоком.

11. Линия 4-10 соответствует конденсации холодного потока в конденсаторе 7 при P_CT=1,49 ата до

12. Линия 10-9 соответствует сжатию холодного потока насосом 9 до статического давления испарения P_CT=1,86 ата

13. Линия 9-8 соответствует нагреванию холодного потока в испарителе 8 до температуры испарения T_CT=7°C и

14. Линия 8-1 соответствует испарению холодного потока до

Площадь фигуры 4-10-9-8-1-4 соответствует количеству тепловой энергии, переданной холодным потоком.

Площадь фигуры 1-3-5-6-7-8-9-10-4-1 соответствует количеству тепловой энергии, переданной вихревым тепловым насосом.

Изобретение относится к тепловым насосам. Вихревой тепловой насос содержит вихревую трубу, соединенную горячей и холодной нитками, теплообменники, компрессор, соединенный с вихревой трубой. Горячая и холодная нитки содержат конденсаторы, испарители, насосы и 2-фазное рабочее тело. Техническим результатом является повышение эффективности преобразования тепла. 3 ил.

Вихревой тепловой насос, содержащий вихревую трубу, соединенную горячей и холодной нитками, содержащими теплообменники, с компрессором, соединенным с вихревой трубой, отличающийся тем, что горячая и холодная нитки содержат конденсаторы, испарители, насосы и 2-фазное рабочее тело.