Способ работы теплового насоса и тепловой насос для его осуществления

 

Способ работы теплового насоса включает нагрев рабочего вещества путем подвода тепла из окружающей среды, последующее сжатие и отвод тепла от рабочего вещества в нагреваемую среду. Сжатие и охлаждение рабочего вещества производят одновременно во вращающемся теплообменнике. В качестве сил сжатия используют центробежные силы, силы Кориолиса и давление, создаваемое циркуляционным насосом. Тепловой контакт рабочего вещества с нагреваемой средой осуществляют непосредственно через стенки трубопроводов вращающегося теплообменника. Рабочее вещество распределяют в теплообменнике таким образом, что изменение его плотности при охлаждении не приводит к смещению центра масс относительно его оси вращения. Входное и выходное отверстия вращающегося теплообменника размещены внутри вала вращения, и каждое из них снабжено одинаковым количеством выходов на боковую поверхность вала. Трубопроводы, соединяющие эти выходы попарно, образуют фигуру, обладающую свойством поворотной симметрии порядка n, где n - число петлеобразных трубопроводов, причем n > 1. Центр масс теплообменника совмещен с его осью вращения. Использование изобретения позволит выполнить термодинамический цикл как на жидкой, так и на газовой фазе на линии насыщения. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к технологии преобразования тепловой энергии с одного уровня температур на другой и может быть использовано при разработке холодильников, трансформаторов тепла и тепловых насосов.

Известен тепловой насос /1/, который по способу его работы может служить ближайшим аналогом заявляемого изобретения. В известном тепловом насосе сжатие рабочего вещества с последующим его дросселированием производится центробежной турбиной. Недостатком данного способа является небольшое давление, которое может быть достигнуто центробежной турбиной, кроме того, центробежную турбину невозможно использовать в случае, если термодинамический цикл выполняется на жидкой фазе рабочего вещества.

Известна также теплонасосная установка /2/, содержащая основные элементы конструкции заявляемого теплового насоса. Недостатком данной установки является то, что сжатие рабочего вещества также производится с помощью турбокомпрессора, кроме того, в указанной установке часть тепла, отобранного от охлаждаемого источника, безвозвратно теряется при смешивании пара с обрабатываемым веществом, что снижает отопительный коэффициент теплонасосной установки.

Техническая задача состояла в разработке способа работы теплового насоса и теплового насоса для его осуществления, позволяющего выполнить термодинамический цикл как на жидкой, так и на газовой фазе рабочего вещества.

Сущность предлагаемого способа работы теплового насоса, включающего нагрев рабочего вещества, путем подвода тепла из охлаждаемой среды, последующее сжатие, отвод тепла от рабочего вещества в нагреваемую среду и дросселирование, причем в качестве сил сжатия используются центробежные силы, отличается тем, что поток рабочего вещества пропускают через вращающийся теплообменник, в котором одновременно производят его сжатие и охлаждение, причем в качестве сил сжатия дополнительно используют силы Кариолиса и давление, создаваемое циркуляционным насосом, а тепловой контакт рабочего вещества с нагреваемой средой осуществляют непосредственно через стенки трубопроводов вращающегося теплообменника, при этом рабочее вещество так распределяют в теплообменнике, что изменение его плотности при охлаждении не приводит к смещению центра масс относительно его оси вращения.

Сущность изобретения, касающегося теплового насоса, осуществляющего способ работы, состоит в том, что тепловой насос, содержащий циркуляционный насос, первый теплообменник, регулирующий вентиль, второй теплообменник и расширительный сосуд подсоединены последовательно в замкнутый циркуляционный контур с рабочим веществом, отличается тем, что входное и выходное отверстия первого теплообменника размещены внутри вала вращения и каждое из них снабжено одинаковым количеством выходов на боковую поверхность, а трубопроводы, соединяющие эти выходы попарно, образуют фигуру, которая обладает свойством поворотной симметрии порядка n, причем n>1, при этом центр масс теплообменника совмещен с его осью вращения.

На чертеже представлена технологическая схема теплового насоса.

Тепловой насос содержит первый теплообменник 1, регулирующий вентиль 2, второй теплообменник 3, расширительный сосуд 4 и циркуляционный насос 5.

Тепловой насос работает следующим образом. Циркуляционный насос 5 подает рабочее вещество во вращающийся теплообменник 1, где под действием центробежных сил, сил Кариолиса и давления, создаваемого циркуляционным насосом, происходит его сжатие. Одновременно с процессом сжатия производят отвод тепла в нагреваемую среду непосредственно через стенки трубопроводов вращающегося теплообменника 1. После сжатия и охлаждения в первом теплообменнике рабочее вещество поступает через вентиль 2 во второй теплообменник 3, где нагревается до температуры охлаждаемой среды. Из второго теплообменника 3 рабочее вещество поступает в расширительный сосуд 4, в котором производят разделение жидкой и газовой фазы, если температура охлаждаемой среды ниже критической температуры используемого рабочего вещества. Далее в зависимости от того, на какой фазе рабочего вещества выполняется термодинамический цикл, рабочее вещество с соответствующего уровня расширительного сосуда отводится в циркуляционный насос 5.

Все силы, участвующие при сжатии, суммируются, причем каждая из них может быть изменена независимо от других сил, что позволяет получить необходимую величину общего давления в первом теплообменнике.

Природа сжимающих сил такова, что каждая из них с одинаковой эффективностью подвергает сжатию и жидкость, и газ. Это обстоятельство позволяет выполнить термодинамический цикл как на жидкой, так и на газовой фазе.

Охлаждаемая среда в данном тепловом насосе не только осуществляет нагрев рабочего тела, передавая ему свое тепло, но и производит работу сжатия, поскольку после истечения через вентиль 2 рабочее тело имеет температуру ниже температуры охлаждаемой среды. Поэтому тепло охлаждаемой среды будет передаваться рабочему телу, увеличивая его температуру. При этом в циркуляционном контуре будет повышаться давление насыщенных паров. В частности, если критическая температура используемого рабочего вещества равна температуре охлаждаемой среды, то давление в контуре достигнет критического значения. Это давление остается постоянным при работе теплового насоса.

Таким образом, суммарное давление, которое испытывает рабочее вещество в первом теплообменнике, будет равно давлению, вызванному центробежными силами, силами Кариолиса, давлением, созданным циркуляционным насосом, и, кроме того, на элемент объема рабочего вещества действует давление насыщенного пара (Р_н.п). Под действием этих сил объем рабочего вещества во вращающемся теплообменнике изменится на величину (ΔV).

Отсюда работа, производимая охлаждаемой средой, определится равенством А=ΔVР_н.п. Данная работа увеличивает отопительный коэффициент теплового насоса, ее можно оценить численно и отразить на диаграмме термодинамического цикла.

Поскольку в заявляемом тепловом насосе, в отличие от турбокомпрессора, увеличение центробежных сил, кроме прочности материалов, ничем не ограничено, то центробежные силы можно увеличивать до значения, которое необходимо при достижении максимального отопительного коэффициента.

Особенности способа заключаются в том, что сжатие охлаждения и проталкивание производятся одновременно во вращающемся теплообменнике, который выполняет одновременно функцию компрессора, вентилятора и теплообменника. С целью совмещения этих функций вращающийся теплообменник выполнен так, что его входное и выходное отверстия размещены внутри вала вращения. Каждое из этих отверстий имеет одинаковое количество выходов на боковую поверхность вала, которые попарно соединяются трубопроводами. Образовавшаяся при этом фигура обладает свойством поворотной симметрии порядка n, где n - число полюсов, в данном случае число петлеобразных трубопроводов. При n=2 теплообменник содержит две идентичных петли, которые расположены так, что при повороте фигуры на угол она переводится в самое себя /3/.

Необходимость изготовления теплообменника не менее чем из двух петель обусловлена тем, что при вращении плотность рабочего вещества в трубопроводе изменяется по его длине, и уравновесить этот трубопровод при вращении можно только таким же трубопроводом, смещенным относительно первого на 180°.

Для тепловых насосов большой мощности требуется одновременно большого расхода рабочего вещества и быстрого отвода тепла на небольшом отрезке трубопроводов. Этому требованию удовлетворяет конструкция вращающегося теплообменника с n петлями тонкостенных трубопроводов.

На чертеже представлен теплообменник с четырьмя петлями. Данная фигура обладает поворотной симметрией порядка n=4. Петли на чертеже имеют простейшую конфигурацию, которую при необходимости можно изменить, например, так, что центробежные силы или силы Кариолиса действовали бы на большем отрезке трубопроводов. Можно также увеличить общую длину трубопроводов настолько, чтобы обеспечить необходимый теплоотвод.

На чертеже стрелками показано, что вектор переносной скорости совпадает с вектором скорости течения рабочего вещества в трубопроводе. Сложение этих скоростей увеличивает общую центробежную силу.

Вращающийся теплообменник может быть снабжен каркасом жесткости (на чертеже не показано), который увеличит его прочность, улучшит его обтекаемость и теплообмен.

Используемые источники

1. Авторское свидетельство РФ №1815549, кл. F 25 B 29/00, 1993.

2. Авторское свидетельство РФ №1643893, кл. F 25 В 29/00, 1991.

3. Герман Вейль. Симметрия. - М.: Наука. 1968. С.79-91.

Формула изобретения

1. Способ работы теплового насоса, включающий нагрев рабочего вещества путем подвода тепла из окружающей среды, последующее сжатие и отвод тепла от рабочего вещества в нагреваемую среду, причем в качестве сил сжатия используют центробежные силы, отличающийся тем, что поток рабочего вещества пропускают через вращающийся теплообменник и регулирующий вентиль, причем во вращающемся теплообменнике одновременно производят его сжатие и охлаждение, при этом в качестве сил сжатия дополнительно используют силы Кориолиса и давление, создаваемое циркуляционным насосом, а тепловой контакт рабочего вещества с нагреваемой средой осуществляют непосредственно через стенки трубопроводов вращающегося теплообменника, при этом рабочее вещество так распределяют в теплообменнике, что изменение его плотности при охлаждении не приводит к смещению центра масс относительно его оси вращения.

2. Тепловой насос, содержащий теплообменники, циркуляционный насос, регулирующий вентиль и расширительный сосуд, подсоединенные последовательно в замкнутый циркуляционный контур с рабочим веществом, отличающийся тем, что входное и выходное отверстия одного теплообменника размещены внутри вала вращения и каждое из них снабжено одинаковым количеством выходов на боковую поверхность вала, а трубопроводы, соединяющие эти выходы попарно, образуют фигуру, которая обладает свойством поворотной симметрии порядка n, где n – число петлеобразных трубопроводов, причем n > 1, при этом центр масс теплообменника совмещен с его осью вращения.

РИСУНКИ

Рисунок 1