Тепловой насос

Тепловой насос


RU (11) 2223454 (13) C2

(51) 7 F25B30/02 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 07.12.2007 - прекратил действие, но может быть восстановлен 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 2001126501/06 
(22) Дата подачи заявки: 2001.10.02 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2001.10.02 
(43) Дата публикации заявки: 2003.06.20 
(45) Опубликовано: 2004.02.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: RU 2153133 C1, 20.07.2000. RU 2083932 C1, 10.07.1997. RU 2077004 C1, 10.04.1997. US 4637783 A, 20.01.1987. US 4307997 A, 29.12.1981. 
(72) Автор(ы): Конов А.Ф.; Разумовский С.А.; Фроликов С.Л. 
(73) Патентообладатель(и): Конов Алексей Филиппович; Разумовский Сергей Алексеевич; Фроликов Сергей Леонидович 
Адрес для переписки: 249035, Калужская обл., г. Обнинск, а/я 5131, С.А. Разумовскому 

(54) Тепловой насос 

Изобретение относится к технологии преобразования тепловой энергии и может быть использовано при разработке тепловых насосов, холодильников и трансформаторов тепла. Тепловой насос, содержащий цилиндр и сосуд с рабочим веществом, два несвязанных циркуляционных контура с жидкими теплоносителями, каждый из которых состоит из двух теплообменников. Один теплообменник первого контура помещен в охлаждаемую среду, а один теплообменник второго контура помещен в нагреваемую среду. Вторые теплообменники помещены в сосуд с рабочим веществом. Источник давления снабжен двумя смежными сосудами, соединенными с общим цилиндром, в котором помещены два поршня, связанные жестким штоком. Цилиндр разделен на две равные части неподвижной перегородкой с отверстием для штока. Источник давления подключен к обеим частям цилиндра через каналы в неподвижной перегородке так, чтобы поочередно создавать давление в одной или другой частях цилиндра, обеспечивая при этом необходимое смещение поршней в обе стороны. Внутренние поверхности смежных сосудов и цилиндра со стороны присоединения к смежным сосудам могут быть теплоизолированы. Использование изобретения позволит повысить отопительный коэффициент и увеличить мощность теплового насоса. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к технологии преобразования тепловой энергии и может быть использовано при разработке тепловых насосов, холодильников и трансформаторов тепла. Известно устройство (патент РФ № 2083932, кл. F 25 В 30/00), в котором для преобразования работы проталкивания, выполняемой компрессором, в тепловую энергию необходимо использование расширительного сосуда или детандера, делающих тепловые насосы дорогими и сложными в эксплуатации.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому объекту является установка для осуществления способа достижения максимального отопительного коэффициента (патент РФ № 2153133, кл. F 25 В 29/00, 30/00), содержащая компрессор, теплообменники, два несвязанных циркуляционных контура с жидкими теплоносителями, каждый из которых состоит из двух теплообменников, причем один теплообменник первого контура помещен в охлаждаемую среду, а один теплообменник второго контура помещен в нагреваемую среду, вторые теплообменники помещены в сосуд с рабочим телом.

Недостатками данной установки являются импульсное с интервалами, равными времени рабочего цикла, поступление тепла в нагреваемую среду и невозможность использования работы газа при его расширении.

Цель изобретения - повышение отопительного коэффициента и увеличение мощности теплового насоса.

Поставленная цель достигается тем, что тепловой насос, содержащий цилиндр и смежный сосуд с рабочим веществом, два несвязанных циркуляционных контура с жидкими теплоносителями, каждый из которых состоит из двух теплообменников, причем один теплообменник первого контура помещен в охлаждаемую среду, а один теплообменник второго контура помещен в нагреваемую среду, вторые теплообменники помещены в сосуд с рабочим телом, источник давления снабжен двумя смежными сосудами, соединенными с общим цилиндром, в котором помещены два поршня, связанных жестким штоком, причем цилиндр разделен на две равные части неподвижной перегородкой с отверстием для штока, а источник давления подключен к обеим частям цилиндра через каналы в неподвижной перегородке так, чтобы поочередно создавать давление в одной и другой частях цилиндра, обеспечивая при этом необходимое смещение поршней в обе стороны, при этом внутренние поверхности смежных сосудов и цилиндра со стороны смежных сосудов теплоизолированы материалом с малым коэффициентом теплопроводности.

Сущность изобретения выражается в том, что работа теплового насоса состоит из поочередных циклов одновременного сжатия и расширения рабочего вещества в смежных сосудах, в результате чего происходит постоянный отбор тепла и передача его потребителю. Отопительный коэффициент предлагаемого теплового насоса увеличивается за счет использования давления, оказываемого на поршень при расширении рабочего вещества в процессе подвода тепла из окружающей среды. Это давление суммируется с давлением на поршень, создаваемым источником давления. Суммарная работа при сжатии определится как

Ас = Аид + Арт,

где Aс - суммарная работа;

Аид - работа источника давления;

Арт - работа рабочего тела при его нагревании.

Величина отопительного коэффициента равна отношению перенесенной энергии из охлаждаемой среды к затраченной работе, т.е.

.

В действительности работа Арт выполнена за счет энергии охлаждаемой среды, и отопительный коэффициент следует определить как

.

Перенесенную тепловую энергию Q можно измерить экспериментально или вычислить, если известна энергия рабочего вещества в начале и конце сжатия. Работу Аид можно определить, измерив электроэнергию, затраченную на сжатие. Однако существует множество циклов, в которых работа источника давления и работа расширения будут отличаться друг от друга. Поэтому вопрос выбора оптимального цикла остается неопределенным.

Мощность предлагаемого теплового насоса увеличивается за счет того, что паузы между циклами сжатия известного устройства в предлагаемом тепловом насосе заполняются дополнительными циклами сжатия, поэтому число циклов увеличивается, и отвод тепла в нагреваемую среду происходит непрерывно.

На фиг.1 представлена схема теплового насоса.

На фиг.2 показаны возможные варианты индикаторных диаграмм термодинамических циклов теплового насоса.

Тепловой насос содержит цилиндр 1 и смежные сосуды 2 и 3 с рабочим веществом, циркуляционные контуры 4 и 5, источник давления 6. Цилиндр 1 разделен неподвижной перегородкой 7 на две равные по объему части. Перегородка 7 имеет отверстие 8 для перемещения в нем штока 9, на котором жестко посажены поршни 10 и 11, снабженные теплоизолирующими насадками 12 и 13, и каналы 14 и 15 для подключения к источнику давления 6 посредством гидрораспределителя 16. Внутренняя поверхность смежных сосудов покрыта теплоизоляцией 17 и 18 из несжимаемого материала с малым коэффициентом теплопроводности. Циркуляционный контур 4 включает теплообменник 19, помещаемый в охлаждаемую среду, теплообменники 20 и 21, размещенные соответственно в смежных сосудах 2 и 3, циркуляционный насос 22 и клапаны 23 и 24, а циркуляционный контур 5 - теплообменник 25, помещаемый в нагреваемую среду, теплообменники 26 и 27, циркуляционный насос 28 и клапаны 29 и 30.

Тепловой насос работает следующим образом. За исходное состояние или начало цикла принимается критическое состояние рабочего вещества, которое соответствует точке К на фиг. 2. Этому состоянию соответствует одно из крайнихx положений поршней 10 и 11 (на фиг.1 показано крайнее левое положение поршней 10 и 11). В этом состоянии поршни 10 и 11 находятся до тех пор, пока температура в теплообменнике 21 смежного сосуда 3 сравняется с температурой теплообменника 19 или температурой охлаждаемой среды, а температура теплообменника 26 смежного сосуда 2 будет равна температуре теплообменника 25, которая равна температуре нагреваемой среды. При достижении указанного равенства температур гидрораспределитель 16 устанавливается в такое положение, при котором будет создаваться давление через канал 15 в правой части цилиндра 1 для смещения поршней 10 и 11 в правое крайнее положение. Одновременно клапаны 23, 24, 29 и 30 устанавливаются в положение, при котором будет осуществлена циркуляция в контуре теплообменник 27 смежного сосуда 3 - теплообменник 25 - циркуляционный насос 28, обеспечивающий отбор тепловой энергии из смежного сосуда 3 и передачу ее нагреваемой среде, и циркуляция в контуре теплообменник 20 смежного сосуда 2 - теплообменник 19 - циркуляционный насос 22, обеспечивающий отбор тепловой энергии из охлаждаемой среды и нагрев рабочего вещества в смежном сосуде 2. Процесс обмена тепловой энергией заканчивается с выравниванием температур теплообменников. Гидрораспределитель 16 устанавливается в такое положение, при котором будет создаваться давление через канал 14 в левой части цилиндра 1 для смещения поршней 10 и 11 в крайнее левое положение. Клапанами 23, 24, 29 и 30 формируются циркуляционные контуры, аналогичные исходному состоянию, и циклы повторяются.

В предлагаемой конструкции теплового насоса могут быть реализованы циклы, представленные на фиг.2.

Цикл CBDC - цикл теплового насоса, в котором в качестве рабочего вещества используется идеальный газ и который может быть реализован в идеальном тепловом насосе. В этом цикле сжатие адиабатическое, а подвод тепла производится с такой скоростью, чтобы его расширение происходило по изобаре CD. Работа Аид равна площади CBDC, а работа Арт - площади С D 1/ 3 С.

Цикл KBDK - цикл теплового насоса, в котором в качестве рабочего вещества используется реальный одноатомный неполярный газ. Параметры рабочего вещества в начале цикла, точка К, соответствуют критическому состоянию. Подвод тепла к нагреваемому рабочему веществу производится со скоростью, обеспечивающей расширение по изобаре KD. Отношение площадей CBDC/KBDK =7,7. Поскольку Q в циклах с идеальным и реальным газами одинаковое, то отопительный коэффициент цикла с реальным газом в 7,7 раза выше, чем цикла с идеальным газом. Превращение энергии будет происходить при адиабатическом или неадиабатическом расширении от точки К до любой точки, лежащей на изохоре BD.

Цикл KGDK - нагреваемая и охлаждаемая среды имеют одинаковые температуры. Работа Аид определяется площадью KGDK, а работа Арт равна площади К D 1/ 1 К. При равенстве температур нагреваемой и охлаждаемой сред работа Аид может изменяться от нуля до площади под кривой KG, если при этом работа Арт изменяется от площади под кривой KG до нуля. Поскольку температура в расширяющемся объеме не может быть выше температуры охлаждаемой среды, то вклад в работу Аид расширяющегося рабочего вещества не может быть больше площади под кривой KG.

Для любого описанного цикла перенесенная энергия от холодной среды к более нагретой для реального одноатомного газа определяется по формуле

Q = m R/M (3Tкр - Тн),

где m - масса рабочего вещества; R - универсальная газовая постоянная; М - молярная масса рабочего вещества; Ткр - критическая температура рабочего вещества; Тн -температура нагреваемой среды.

Эту же энергию можно вычислить по формуле

Q = 3V(Pв-Рс),

где V - объем в точке D; Рв - давление в точке В; Рс - давление в точке, лежащей на изохоре BD при температуре нагреваемой среды.

При подготовке теплового насоса к работе необходимо определить температуру охлаждаемой среды, в качестве которой могут быть атмосферный воздух, грунт, геотермальные воды и т.д. Выбрать такое рабочее вещество, чтобы его критическая температура была равна или близка к температуре охлаждаемой среды.

Использование теплового насоса предлагаемой конструкции позволит осуществлять перенос тепловой энергии от среды с низкой температурой к среде с более высокой температурой с повышенным в сравнении с прототипом отопительным коэффициентом более 23, т.е. количество перенесенной энергии будет более чем в 23 раза больше, чем затраченной источником давления в процессе переноса. При этом мощность теплового насоса практически удваивается. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. Тепловой насос, содержащий источник давления, цилиндр, сосуд с рабочим веществом и два несвязанных циркуляционных контура с жидкими теплоносителями, причем один теплообменник первого контура помещен в охлаждаемую среду, а один теплообменник второго контура помещен в нагреваемую среду, вторые теплообменники помещены в сосуд с рабочим веществом, отличающийся тем, что тепловой насос снабжен дополнительным сосудом с рабочим веществом, оба сосуда соединены с цилиндром, в котором помещены два поршня, связанные жестким штоком, причем цилиндр разделен на две равные части неподвижной перегородкой с отверстием для штока, а источник давления подключен к обеим частям цилиндра через каналы в неподвижной перегородке так, чтобы поочередно создавать давление в одной или другой частях цилиндра, обеспечивая при этом необходимое смещение поршней в обе стороны.

2. Тепловой насос по п. 1, отличающийся тем, что внутренние поверхности смежных сосудов и цилиндра со сторон подсоединения к смежным сосудам теплоизолированы несжимаемым материалом с малым коэффициентом теплопроводности.