Способ работы теплового насоса

Изобретение относится к области газотурбостроения и может быть использовано для создания тепловых насосов с возможностью генерации источника греющей температуры, в частности, плюс 12-150°С из энергии воздушного бассейна при внешней температуре минус 20 - минус 40°С. Способ работы теплового насоса включает расширение воздуха с понижением его температуры ниже температуры окружающей среды, нагрев его от внешней среды, сжатие до начального давления и отвод тепла в питательном теплообменнике. После теплообменника воздух с начальными параметрами подают в ресивер, в котором создают заданные давление и температуру. Процесс отвода тепла осуществляют при постоянной температуре в ресивере. Использование изобретения позволит обеспечить получение источника высокой температуры без угрозы обледенения и высокую экономичность. 3 ил.

 

Изобретение относится к области газотурбостроения и может быть использовано для создания тепловых насосов с возможностью генерации источника греющей температуры, в частности плюс 100÷150°С из энергии воздушного бассейна при температуре минус 20 - минус 40°С.

Известны тепловые насосы, включающие привод, компрессор, конденсатор, расширительное устройство, испаритель. Рабочее тело в испарителе нагревается от источника низкой температуры (Тинт). Нагретое рабочее тело затем поступает в компрессор. Сжатое в компрессоре рабочее тело уже с более высокой температурой поступает в конденсатор, где, переходя в жидкую фазу, становится источником высокой температуры - Тивт (за счет энергии источника низкой температуры и энергии подведенной через привод компрессора - N_к). Рабочее тело при температуре Тивт нагревает внешний теплоноситель. Далее рабочее тело дросселируется и снова поступает в испаритель. Определяющей характеристикой насоса является, т.н. топливный коэффициент:

Недостатками существующих тепловых насосов является то, что топливный коэффициент μ_тн в сильной степени зависит от разницы (Тивт-Тинт). Для сохранения допустимых, с точки зрения экономичности, величин μ_тн≥2,5 нагрев (Тивт-Тинт) в тепловом насосе ограничивают величинами от 25 до 50°С градусов. Иначе резко растет затрачиваемая мощность Nn и использование такого теплового насоса становится экономически невыгодным (μ_тн≤2,5). Подобные насосы для своего функционирования требуют рабочее тело в виде фреона, хладона, аммиака и др. (см. Болгарский А.В., Мухачев Г.А., Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача. М.: Высшая школа, 1973. Техника машиностроения, 2002, №3 (37), П.А.Шелест. Учение о теплоте и тепловых насосах).

Наиболее близким решением по технической сущности является тепловой насос, работающий по способу, описанному в а.с. СССР 1787247, кл. F 25 B 11/00, 1993. Способ включает расширение воздуха до температуры ниже окружающей среды, нагрев его от внешней среды, сжатие до начального давления и отвод тепла в питательном теплообменнике.

В данном изобретении не решен вопрос нагрева антифриза. Если нагревать в традиционном теплообменнике - все быстро забьется льдом. Кроме того, антифриз гигроскопичен. Без решения этих проблем система не работоспособна.

В данном изобретении не решен вопрос нагрева до высоких температур при малых степенях сжатия и нагрева. Последнее необходимо для достижения высокой эффективности.

В данном изобретении не решен вопрос всережимности.

Решаемой задачей предлагаемого изобретения является получение источника высокой температуры в диапазоне 100-150°С из энергии воздушного бассейна при внешней температуре минус 20 - минус 40°С с коэффициентом преобразовании μ_тн≥2,5 без угрозы обледенения и с сохранением высокой экономичности при изменении внешних условий.

Поставленная задача достигается тем, что в способе работы теплового насоса, включающем расширение воздуха с понижением его температуры ниже температуры окружающей среды, нагрев его от внешней среды, сжатие до начального давления и отвод тепла в питательном теплообменнике, после теплообменника воздух с начальными параметрами подают в ресивер, в котором создают заданные давление и температуру, а процесс отвода тепла осуществляют при постоянной температуре в ресивере.

Обратимся к фиг.1. Здесь: 1 - привод, 2 - турбина перерасширения, 3 - теплообменник для источника низкой температуры, 4 - дожимающий компрессор, 5 - теплообменник для источника высокой температуры, 6 - ресивер, 7 - оросительный теплообменник с незамерзающим теплоносителем.

Работа аппарата. В зависимости от конкретных условий в ресивере 6, до включения теплового насоса в работу, создается единожды заданное давление и температура. Это можно сделать, например, электрическими тенами и поршневым насосом. Сухой воздух из ресивера 6 поступает на турбину перерасширения 3 (температура за турбиной, как правило, на 20-30°С ниже температуры внешней среды), далее сухой воздух нагревается в теплообменнике 3 за счет вносимой энергии незамерзающим теплоносителем. В качестве теплоносителя рекомендуются силиконовые жидкости: термосил, силтерм-800. При использовании антифризов встает задача обезвоживания, т.к. этот класс теплоносителей - гидроскопичен и в процессе работы на открытом воздухе может изменить свои характеристики. Теплоноситель, в частности, может поступать на оросительный теплообменник с температурой минус 40°С (при температуре за турбиной перерасширения порядка минус 60°С) и прогреться на данном оросительном теплообменнике с минус 40°С до минус 20°С (при внешней температуре минус 10°С). При этих условиях циркулирующий в системе воздух, благодаря поступающему теплоносителю, прогревается от минус 60°С до минус 40°С, т.е. нагревается на 20°С. Далее этот нагретый до минус 20°С воздух сжимается до начального давления в дожимающем компрессоре 4 и с температурой порядка плюс 100-150°С (в зависимости от начальной температуры в ресивере) поступает к потребителю. Отвод тепла в теплообменнике 5 (в источнике высокой температуры) происходит из условия постоянства температуры в ресивере 6. Изменение начального давления (до запуска машины) в сильной степени определит удельную производительность системы.

Для технико-экономического анализа рассмотрим полученные при расчете графики на фиг.2 и фиг.3. Так, в частности, видно, что при внешней температуре, равной минус 20°С, минус 40°С топливный коэффициент имеет тенденцию к увеличению. При температуре в ресивере Тр=60°С греющая температура достигает от 120°С до 150°С и выше. При значении топливного коэффициента более μ_тн≥2,5 топливный насос считывается конкурентоспособной машиной и обеспечивает экономию топлива по сопоставлению с простой котельной в 1,5 и 1,6 раза.

Способ работы теплового насоса, включающий расширение воздуха с понижением его температуры ниже температуры окружающей среды, нагрев его от внешней среды, сжатие до начального давления и отвод тепла в питательном теплообменнике, отличающийся тем, что после теплообменника воздух с начальными параметрами подают в ресивер, в котором создают заданные давление и температуру, а процесс отвода тепла осуществляют при постоянной температуре в ресивере.