Тепловий насос

Винахід стосується теплових насосів, тобто пристроїв, що дозволяють одержати теплову енергію з температурою, достатньою для опалення і гарячого водопостачання жилих та виробничих об'єктів, шляхом її утилізації з низькотемпературних джерел природного чи штучного походження, що відносяться до категорії так званих вторинних ресурсів. До них можна віднести: тепло ґрунтових, артезіанських й термальних вод, вод рік, озер, морів, обертового водоохолодження, очищені промислові та побутові стоки, вода відкачки з кар'єрів та шахт, вода виробничих технологічних циклів, а також вентиляційні викиди і димові гази та взагалі будь-яке так зване "викидне" тепло, яке має позитивну температуру. Теплові насоси в розвинених країнах отримали масове розповсюдження і у теперішній час в експлуатації знаходяться понад 15млн., а ринок щорічних продажів становить біля 1 млн. установок. За прогнозами Світового Енергетичного Комітету (МИРЭК) до 2010 року в передових країнах (з часткою 80% світового побутового водопостачання) частка опалення та гарячого водопостачання, що організується із залученням вторинних енергоресурсів за допомогою теплових насосів, становитиме 75%. Принцип роботи теплових насосів здійснюється із застосуванням холодильних машин, що працюють у зворотному циклі Карно. Пароподібний холодоагент (звичайно, фреони) компресором стискується до тиску, що забезпечує одержання температури, достатньої для використання у побутових та промислових цілях. При цьому теплова енергія значно перевищує енергію, споживану компресором. Відношення отриманої теплової енергії до витраченої (η) залежить від температури первинного джерела тепла та за температури теплоносія, що виходить з теплового насосу, 60°С описується рівнянням: η = 0,2t + 1,15 де η - коефіцієнт перетворення або коефіцієнт ; трансформації; t - температура води, що надходить до випарника. Всі теплові насоси складаються з трьох основних елементів: випарника, в якому холодоагент з рідкого стану переводиться у пароподібний; компресора, що стискає пароподібний холодоагент до тиску, який забезпечує отримання температури, необхідної для потреб опалення та гарячого водопостачання (звичайно, вище 20атм) та конденсатора, в якому пароподібний холодоагент конденсується, віддаючи приховану теплоту пароутворення воді, яка використовується, зазвичай, для комунальних потреб. Випарник та конденсатор теплообмінника різноманітної конструкції. Такий тепловий насос, має великі масо-габаритні характеристики та недостаню надійність для такого типу обладнання. У винаході SU1170230A описана схема теплового насоса, що використовує теплову енергію ґрунтових вод. Випарник (теплообмінник) виконано у вигляді теплозйомних тр убопроводів, поміщених в ґр унтовому шарі. Теплозйомні трубопроводи обладнані накопичувачами вологи, кожний з який виконаний у вигляді коробчастого екрана з водонепроникного матеріалу з мульчируючим шаром на поверхні, обладнаним повітровипускними отворами. У винаході SU1562611A1 описана схема теплового насоса, що використовує тепло відходячих димових газів. Така система теплопостачання містить контур теплового насоса і контур теплопостачання з включеним у нього теплоізольованим водогрійним котлом із топковою зоною, при цьому контур нагрівання конденсатора теплового насоса включений у контур водопостачання, а лінія охолодження - у контур теплового насоса. Конденсатор теплового насоса виконаний у вигляді теплообмінника типу "труба в трубі" прямолінійного типу і розташований у топковій зоні котла, при цьому внутрішня труба служить для охолодження, а зовнішня - для нагрівання. Якщо врахувати, що компресора у всі х теплових насосах використовуються практично ті ж самі, та якщо врахувати, що вони мають достатньо високу надійність (що ми бачимо на прикладі експлуатації домашніх холодильників), то стає очевидним, що різні техніко-економічні показники існуючих теплових насосів визначаються, в основному, типом теплообмінників, що використовуються, та їх компоновкою у тепловому насосі. Враховуючи специфічні умови роботи теплообмінників у теплових насосах ясно, що з усіх існуючи х в світі типів теплообмінників повністю цим умовам ні один з них не задовольняє. Які ж недоліки має тепловий насос в умовах роботи? 1. Випарник не повно відбирає теплову енергію від первинного джерела енергії та має великі вагогабаритні характеристики, тобто має низький коефіцієнт теплопередачі і високу вихідн у температуру первинного теплоносія (первинного джерела тепла). 2. має великі масо-габаритні характеристики та недостаню надійність для такого типу обладнання. Конденсатор, окрім вимог, названих у першому пункті, має низьку міцність та надійність в умовах підвищеного тиску холодоагенту (звичайно, більше 20атм). 3. Циркуляція холодоагенту в рідкому та пароподібному стані не відповідає фізичним законам, тобто, пароподібний холодоагент, по мірі переводу його з рідкого стану у пароподібне, повинен підніматися вгору (як і належить пароподібному станові), а рідкий холодоагент по мірі конденсації повинен стікати униз (як і належить рідкому станові). 4. Компоновка теплового насосу, не виключає можливість попадання рідкої фази холодоагенту у компресор. 5. Тепловий насос не компактний. 6. В конструкції теплообмінників використовуються прокладки та клейові з'єднання. Основною метою винаходу є вдосконалення відомого пристрою за рахунок зміни конструкції випарника та компресора, іншої форми виконання зв'язків між конденсатором та випарником і компресором та конденсатором. Поставлена мета досягається тим, що у тепловому насосі, якій містить конденсатор, випарник та компресор, конденсатор та випарник виконані у вигляді спіральних теплообмінників типу "труба в тр убі" при чому нижній виток внутрішньої спіралі конденсатора через дросельний пристрій з'єднай з нижнім витком внутрішньої спіралі випарника, а вихідний патрубок компресора з'єднай з верхнім витком конденсатора. Крім того, конденсатор може бути розташований над випарником, а компресор може бути розташований у внутрішній порожнині випарника. Оскільки в запропонованому винаході, на відміну від усі х типів існуючи х теплових насосів в якості конденсатора і випарника, використовуються спіральні теплообмінники типу "труба в тр убі", які повністю задовольняють переліченим вище вимогам, а саме: 1. Вони мають високий коефіцієнт теплопередачі (більш 3000ккал/м 3*год.*град) , що й визначає вагогабаритні характеристики теплового насосу. 2. Протиток, який використовується в теплообмінниках, забезпечує одержання низької вихідної температури теплоносія (забезпечує найбільш повний відбір теплової енергії з первинного джерела тепла). 3. Теплообмінники найпростіші за конструкцією та технологією виготовлення - практично вони складаються з двох тр уб, вставлених одна в одну та скручених у спіраль. 4. З усіх існуючих в світі теплообмінників вони мають найвищий коефіцієнт надійності, оскільки їх надійність визначається в основному надійністю труби (а вона є близькою до одиниці). 5. Вони можуть працювати при високих тисках (до 100атм і вище). 6. Теплообмінники витримують великі температурні перепади, оскільки вони за конструкцією працюють як хороші температурні компенсатори. 7. В конструкції теплообмінників не використовуються прокладки та клейові з'єднання (з'єднання виконуються тільки зварюванням та пайкою сріблом). 8. Конденсатор у тепловому насосі розміщений над випарником, що забезпечує природну циркуляцію холодоагенту. 9. Компресор розміщений у внутрішній порожнині випарника, що забезпечує, окрім компактності теплового насосу, більш "комфортні" умови для роботи компресора (температура повітря біля компресора всього декілька градусів). Всмоктуючий патрубок компресора з'єднаний з верхнім витком спіралі випарника, що виключає попадання у компресор рідкої фази холодоагенту, яка знаходиться у нижньому витку випарника. 10. При нерівномірному розборі нагріваної води з конденсатора, внутрішню порожнину його можна використовува ти для розміщення компенсаційної ємності. Тепловий насос працює наступним чином (схема теплового насосу наведена на Фіг.1). У нижній виток внутрішньої спіралі 1 випарника 2 надходить рідкий холодоагент, який при русі вгору по внутрішній спіралі переводиться у пароподібний стан. Через патрубок 3 у міжтрубний простір 4 випарника надходить вода (первинне джерело теплової енергії) з температурою Ті, яка рухається назустріч холодоагенту, що піднімається вгору. Первинне джерело теплової енергії (вода) з міжтрубного простору з температурою Т2, що менша за Т1, видаляється через патрубок 5 випарника. Пароподібний холодоагент з верхнього внутрішнього витка випарника забирається компресором 6, стискується до тиску, що забезпечує одержання необхідної температури, та направляється у верхній виток внутрішньої спіралі 7 конденсатора 8. При русі по внутрішній спіралі 7 конденсатора 8 холодоагент переводиться з пароподібного стану в рідке, стікає донизу, віддаючи тепло (приховану теплоту пароутворення) воді, що надходить у міжтрубний простір конденсатор з температурою t1, через патрубок 9. Нагріта вода з температурою t2 , більшою за t1 через патрубок 10 направляється споживачеві. Рідкий холодоагент з нижнього витка спіралі конденсатора через дросельний пристрій 11 направляється у нижній виток внутрішньої спіралі випарника. Цикл для холодоагенту замкнувся. Розташування компресора у внутрішній порожнині випарника забезпечує мінімальні комунікації холодоагенту між компресором, випарником та конденсатором. Таким чином, запропонований тепловий насос, у порівнянні з усіма існуючими у світі, найкомпактніший, має найпростішу конструкцію та найвищу надійність.