Пристрій для отримання енергії з підвищеним тепловим коефіцієнтом

Реферат: Теплообмінна установка містить тепловий насос, що включає в себе поршневий компресор, приєднану до компресора теплообмінну порожнину, в яку розміщено два теплообмінника: перший для здійснення теплообміну з зовнішнім середовищем, а другий - для здійснення теплообміну зі споживачем, дросель, випарник і циркуляційні насоси, причому для зниження енергетичного навантаження на компресор і зменшення дросельних втрат робочого тіла в контурі теплового насоса і збільшення теплового коефіцієнта установка забезпечена гідродинамічним кавітаційним пристроєм, в якому кавітатор є циліндром, внутрішня поверхня якого складається з «п» зворотних усічених конусів так, що похилі і горизонтальні поверхні створюють «каверни» схлопування перед пристроєм звуження сопла, яке пов'язує кавітований потік з розсікачем, який має криволінійну поверхню. UA 122629 U (12) UA 122629 U UA 122629 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Дана корисна модель належить до теплотехніки, зокрема до пристроїв для отримання тепла, що утворюється інакше, ніж в результаті згоряння палива, і може бути використана в системах опалення і ГВС житлових і виробничих приміщень, а також для попереднього підігріву і поліпшення реологічних властивостей нафти і нафтопродуктів. Відоме обладнання для опалення житлових і виробничих будівель. Компресійний тепловий насос містить випарник, компресор, конденсатор, дросельний вентиль і віддільник рідини [Пат РФ № 2345295]. Випарник і конденсатор виконані у вигляді кожух-вихрових теплообмінників, що містять патрубки подачі і відведення робочого агента і патрубки подачі і відведення відповідно низькопотенційного теплоносія і високопотенційного теплоносія, равликоподібного колектора з напрямним апаратом і торцевими стінками, на внутрішній і зовнішній поверхні яких виконані канали, а з зовнішнього боку встановлений кожух. Корисна модель належить до теплоенергетики [пат РФ № 2983932], зокрема до установок опалення, гарячого водопостачання невеликих виробничих приміщень, індивідуальних житлових будинків і окремих споруд при використанні низькопотенційних природних джерел тепла, господарсько-побутових стоків та інших теплових відходів. Утилізація низькопотенційних теплостічних вод реалізується з використанням теплового насоса і виносного теплообмінника, розміщеного всередині зануреної в стічні води порожнини колони ерліфта. Це дозволяє утилізувати незатребуване до останнього часу низькопотенційне тепло стічних вод, які у величезних кількостях безперервно направляються на очищення по каналізаційних мереж мегаполісів, невеликих міст і робітничих селищ. При цьому, завдяки такій властивості використовуваного в теплових насосах хладагента, як його здатність випаровуватися при температурі, яка дорівнює 3-5 °C, вони можуть утилізувати тепло стічних вод з температурою, що не перевищує 5-8 °C. Відома установка теплопостачання, що включає подачу води на нагрів в систему, нагрівання води за допомогою одного теплового насоса і доставку нагрітої води до споживачів. Для підвищення ефективності трансформації теплової енергії використовують різні прийоми. Наприклад, в способі досягнення максимального опалювального коефіцієнта теплового насоса [за патентом РФ № 2083932 F25B 30/00, 1997р.] вибирають хладагент теплового насоса рідким, щоб його критична температура була близька або дорівнювала температурі охолоджувального середовища. Відома установка теплопостачання, яка включає подачу води на нагрів в теплонасосну установку системи, нагрівання води з її допомогою і доставку нагрітої води споживачам. Теплонасосна установка складається з теплових насосів, кожен з яких використовують як щабель послідовного нагріву води [Г. Хейнріх, X. Найрок, В. Нестлер "Теплонасосні установки для опалення та гарячого водопостачання". - М.: Стройиздат, 1985. - С. 53-56] Недоліком цієї установки є організація роботи по теплонасосному циклу, наближеному до чотирикутного теплонасосного циклу Лоренца, який, хоч і забезпечує економію електроенергії, але збільшує термін окупності до значення, що перевершує термін економічної доцільності, при підвищенні капітальних витрат. Таким чином, режим відомої установки теплопостачання з таким ступінчастим нагріванням води не забезпечує при його реалізації позитивного технічного і економічного результату. При використанні цієї установки теплопостачання для опалення робота ступінчастої теплонасосної установки протікає з великими дросельними втратами робочого тіла в контурах теплових насосів, чим більше температура конденсації робочого тіла, тим більші дросельні втрати, які неможливо усунути конструктивно. Найбільш близькою є відома теплообмінна установка [Пат РФ № 2153193, 20.07.2000], що містить тепловий насос, що включає в себе компресор, приєднану до компресора теплообмінну порожнину, в якій розміщені два теплообмінника: перший теплообмінник об'єднаний з теплообмінником, для здійснення теплообміну з зовнішнім середовищем, а другий теплообмінник об'єднаний з теплообмінником для здійснення теплообміну зі споживачем. Як робоча речовина використовуються хладони. Основним напрямком удосконалення теплообмінних систем, що використовують теплові насоси, є збільшення теплового коефіцієнта: відношення кількості тепла (холоду), переданого споживачу, до витрат енергії на роботу теплового насоса. Відома теплообмінна установка для нагріву води, що містить заповнений робочою речовиною замкнутий контур, що включає в себе компресор для стиснення робочої речовини, теплообмінник для здійснення теплообміну зі споживачами, підключений до вихідного патрубка компресора, що дроселює на виході з цього теплообмінника і теплообмінник-випарник для здійснення теплообміну з зовнішнім середовищем [Пат США № 6945062 кл F25B 49/00 від 1 UA 122629 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 20.09.2005]. Дана теплообмінна система використовує класичну схему теплового насоса. Високий опалювальний коефіцієнт досягається за рахунок використання прокачування в тепловому насосі робочої речовини через замкнутий контур, що призводить до збільшення витрат енергії на роботу теплового насоса. Задачею, на вирішення якої спрямована корисна модель, є розробка теплообмінної установки з тепловим насосом, що забезпечує підвищений тепловий коефіцієнт за рахунок зменшення витрат потужності на стиск робочого тіла в робочих порожнинах теплового насоса. Іншою задачею є розробка теплової установки для подальшого збільшення теплового коефіцієнта в гідродинамічній установці. Поставлена задача вирішується тим, що для зниження енергетичного навантаження на компресор і зменшення дросельних втрат робочого тіла в контурах теплового насоса і збільшення теплового коефіцієнта установка забезпечена гідродинамічним кавітаційним реактором, в якому кавітатор є циліндром, внутрішня поверхня якого складається з зворотних усічених конусів так, що похилі і горизонтальні поверхні створюють "каверни" схлопування перед службовим соплом, яке пов'язує кавітаційний потік з розсікачем, який має криволінійну поверхню. Крім цього крок між отворами конусів варіюється, а як робоче тіло використовується негорюча суміш. На Фіг. 1 представлена установка теплового насоса, в якій реалізується пропоноване рішення. Тепловий насос містить конденсатор (1), дроселюючий клапан (2), випарник (3), компресор (4), який циркулює насос подачі тепла на опалення (5) і гідродинамічний кавітаційний реактор (6), роздільник потоку (9). Тепловий насос працює наступним чином: У випарнику (3) холодильний агент (рідкий фреон) за рахунок низькотемпературного джерела теплої води, що надходить по трубопроводу (6), випаровується з поглинанням теплоти. Пари фреону по трубопроводу надходять в компресор (4). У камері компресора (4) шляхом руху поршня фреон стискується. При стисненні за рахунок адіабатичного процесу фреон нагрівається до температури 65-70 °C. Далі нагрітий фреон по трубопроводу (7) надходить в конденсатор (1). В конденсаторі пари фреону конденсуються, віддаючи теплоту воді, і піднімаються до 55 °C. Рідина фреон дроселюється в дроселювальному пристрої (2) і в стані вологої насиченої пари надходить назад у випарник. Нагрітий тепловий носій (вода або антифриз) до температури 50-60 °C по трубопроводу (8) надходить з циркуляційного насоса (5) в роздільник потоків (9), з якого двома напрямками надходить в гідродинамічний кавітаційний реактор (6). Кавітаційні явища, які полягають в утворенні в рідині місцевих областей, в яких відбувається виділення парогазових каверн з подальшим їх руйнуванням, є результатом швидкоплинного процесу конденсації пари і схлопування бульбашок, що супроводжується високочастотними гідравлічними ударами і високими скидами тиску в локальній області [Башта Т.М. "Гідравлічні приводи літальних апаратів". - М.: Машинобудування, 1967.] При зниженні тиску в будь-якій точці потоку рідини до величини нижче тиску насичених її парів при даній температурі рідина закипає (відбувається її розрив), бульбашки пари, що виділилися, захоплюються потоком і переносяться в область більш високого тиску, в якій парові бульбашки конденсуються (змикаються). Відомий гідродинамічний кавітаційний реактор [Авторське свідоцтво СРСР № 1287943], який містить трубопровід у вигляді труби Вентурі, стільниковий випрямляч і кавітатори, встановлені в проточній камері труби Вентурі. Кавітатори встановлені на осьовому стрижні в три ряди і являють собою диски або конуси, що служать для турбулізації потоку рідини і утворення каверн на задньому їхньому боці. При "схлопуванні" каверн в їх об'ємі підвищується тиск і температура, яка діє на властивості оброблюваної рідини. Недоліки відомого пристрою: кавітатори майже не впливають на збільшення швидкості рідини і, отже, на зменшення тиску в рідині, що знижує інтенсивність нагріву рідини і ККД пристрою буде незначним. Відомо пристрій [Патент № 2162571], в якому для підвищення температури нагріву рідини додатково використовується вставка, виконана у вигляді перфорованої перегородки, встановленої в інжекційному патрубку. При проходженні рідини через канали перегородки в рідині утворюються тороїдальні каверни (кавітаційні бульбашки), пульсуючі на виході струменів по їх периферії. В кавернах з великою частотою відбуваються електричні розряди, енергія яких при "схлопуванні" каверн переходить в теплову, за рахунок чого відбувається генерування тепла в рідині. Недолік - відсутність кавітації у всьому об'ємі. Відома корисна модель належить до генератора кавітації для диспергування газу (пари) в рідину [Авторське свідоцтво СРСР № 1168300]. Бульбашки кавітацій з запасом енергії до 100 2 UA 122629 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 ккал/кг за умов, близьких до нормальних, рухаються через рідину до оброблюваної поверхні. Поверхня ініціює схлопування бульбашок пари і вони, віддавши свою енергію, що перевищує енергію зв'язків в рідині і в кристалічній решітці, ерудують розрив поверхні суцільності в рідини. Недоліком цього пристрою є відсутність локалізації місця виникнення кавітаційних каверн. Найбільш близьким до технічного рішення є гідродинамічний кавітаційний реактор, що містить проточну камеру з встановленим всередині кавітатором і патрубками введення компонентів, що реагують [Авторське свідоцтво СРСР № 467158, 1975.] Недоліком є мала ефективність і ступінь кавітування потоку. Підвищення ефективності і ступеня кавітування теплоносія досягається шляхом інтенсифікації процесу на межі поділу фаз за рахунок кінетичної енергії взаємодії потоку рідини і кумулятивного ефекту схлопування струн. На Фіг. 2 схематично зображений гідродинамічний кавітаційний реактор. Реактор містить: патрубок введення 1 другого потоку теплоносія; кришку 2; проточну камеру 3; циліндр 4; зворотні усічені конуси 5; каверни схлопування 6; сопло 7; розсікач 8; розділову перфоровану перегородку 9, яка служить опорою для розсікача; дифузор 10; патрубок виведення сумарного потоку теплоносія 11, що складається з першого і другого потоків; патрубок введення першого потоку теплоносія 12. Тепер про потоки: нагрітий теплоносій по трубці 8 циркуляційного насоса 5 подають на роздільник 9, в якому перший потік прямує в патрубок 12, а другий потік прямує в патрубок 1. Гідродинамічний кавітаційний реактор працює наступним чином. Перший потік по патрубку 1 подається в циліндр 4, де встановлені зворотні усічені конуси 5, які своїми горизонтальними і похилими поверхнями утворюють "каверни" схлопування 6. Горизонтальні поверхні усічених конусів виконують роль гальмівного елемента у вигляді кільцевих виступів, при обтіканні яких утворюється n кавітаційних порожнин (каверн). Потік, що нагрівається, подається примусово в "каверни" і, потрапляючи в зони змикання їх за рахунок турбулізації течії і наявності великої кількості кумулятивних мікроструктур, що утворюються при схлопуванні кавітаційних бульбашок, піддається утворенню підвищених температур. При цьому утворені конічними поверхнями насадки забезпечують умови появи "вторинного" високошвидкісного струменя сопла 7. На деякій відстані від торцевої поверхні сопла 7, порожниста конусна оболонка струменя рідини зі швидкістю v0 схлопується і утворюється вторинний високошвидкісний струмінь радіусом r0. У момент схлопування потоку робочого середовища швидкість вторинного високошвидкісного струменя vc зростає приблизно на порядок по відношенню до швидкості v0, що випливає з гідродинамічної теорії струменів [В.В. Майер Кумулятивний ефект в простих дослідах. - М.: Наука, 1989.]. Далі вторинний високошвидкісний струмінь направляється на розсікач (8). Енергетично більш доцільним є здійснення зіткнення з криволінійною поверхнею і досягнення високого рівня навігації. Крім цього отримана суміш теплоносія першого і другого потоків проходить розділову перегородку 9, проходить дифузор 10 і виводиться через патрубок 11. Ефективність теплообмінної здатності на поверхні дрібних крапель посилюється ще й ефектом Томсона - впливом сил поверхневого натягу. У момент зникнення бульбашки (в момент її закривання) кінетична енергія перетворюється в енергію зіткнення елементарних частинок. Енергія, що виділяється при закритті бульбашки, на кілька порядків перевищує енергію зв'язку елементарних частинок (нуклонів) в ядрі. У результаті зіткнення ядер енергія заявленого способу, що виділяється між елементарними частинками, перетворюється на теплову енергію в рідині і її відводять із зони обробки гідродинамічного кавітаційного реактора. Таким чином, позитивний ефект від зниження енергетичного навантаження на компресор і зменшення дросельних втрат робочого тепла в контурах теплового насоса досягається при середніх температурах конденсації, а підвищення теплового коефіцієнта всієї установки відбувається в гідродинамічному кавітаційному реакторі, який розглядається другим ступенем теплогенераторної установки. Таким чином, підвищення теплового коефіцієнта всієї установки відбувається в кавітаційному реакторі, який розглядається другим ступенем теплогенераторної установки, що дуже важливо для обігріву будинків, котеджів і, особливо, для попереднього підігріву і поліпшення реологічних властивостей нафти і нафтопродуктів. 55 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 60 1. Теплообмінна установка, що містить тепловий насос, що включає в себе поршневий компресор, приєднану до компресора теплообмінну порожнину, в яку розміщено два теплообмінника: перший для здійснення теплообміну з зовнішнім середовищем, а другий - для здійснення теплообміну зі споживачем, дросель, випарник і циркуляційні насоси, яка 3 UA 122629 U 5 10 відрізняється тим, що для зниження енергетичного навантаження на компресор і зменшення дросельних втрат робочого тіла в контурі теплового насоса і збільшення теплового коефіцієнта установка забезпечена гідродинамічним кавітаційним пристроєм, в якому кавітатор є циліндром, внутрішня поверхня якого складається з «п» зворотних усічених конусів так, що похилі і горизонтальні поверхні створюють «каверни» схлопування перед пристроєм звуження сопла, яке пов'язує кавітований потік з розсікачем, який має криволінійну поверхню. 2. Теплообмінна установка за п. 1, яка відрізняється тим, що крок між отворами конусів варіюється. 3. Теплообмінна установка за п. 1, яка відрізняється тим, що як робоче тіло використовується негорючий газ або суміш газів. 4 UA 122629 U Комп’ютерна верстка В. Мацело Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5