ВИХРЕВОЙ ТЕПЛОВОЙ НАСОС
VORTEX HEAT PUMP

Заявляемое техническое решение относится к тепловым насосам.
Известен вихревой тепловой насос, содержащий вихревую трубу, соединенную горячей и холодной нитками, содержащими теплообменники, с компрессором, соединенным с вихревой трубой.[1]
Однако, в известном вихревом тепловом насосе теплопередача происходит теплообменом газа. Затраты энергии на сжатие газа компрессором превышают передачу энергии. Экономическая эффективность известного вихревого теплового насоса равна нулю.
Технический результат заявленного решения состоит в том, что горячая и холодная нитки содержат конденсаторы, испарители, насосы и 2-х фазное рабочее тело.
Вихревой тепловой насос схематически изображен на фиг. 1
Результаты расчета примера работы приведены на фиг. 2
Диаграмма термодинамического цикла приведена на фиг. 3
Вихревой тепловой насос содержит вихревую трубу 1, соединенную горячей ниткой 2, содержащей полость конденсации конденсатора 3, полость испарения испарителя 4 и насос 5, и холодной ниткой 6, содержащей полость конденсации конденсатора 7, полость испарения испарителя 8 и насос 9, с смесителем 10, соединенным напорной ниткой 11, содержащей компрессор 12, с вихревой трубой, причем полости нагревания испарителей 4 и 8 соединены ниткой 13, содержащей насос 14, с источником тепла 15, причем полости охлаждения конденсаторов 3 и 7 соединены ниткой 16, содержащей насос 17, с потребителем тепла 18.
При работе, компрессор 12 сжимает, нагревает и подает газовое рабочее тело вихревого теплового насоса, например холодильного агента, в вихревую трубу 1. В вихревой трубе происходит разделение рабочего тела по температуре и давлению. Из вихревой трубы истекают горячий и холодный газовые потоки. Горячий газовый поток по нитке 2 подается в полость конденсации конденсатора 3, где конденсируется и отдает теплоту охлаждения и конденсации потребителю тепла 18. Насос 5 поджимает жидкое рабочее тело для компенсации потерь полного давления в нитке и конденсаторе и подает в полость испарения испарителя 4, где жидкое рабочее тело испаряется и поглощает тепловую энергию источника тепла. Газовое рабочее тело подается в смеситель 10. Холодный газовый поток выходит из вихревой трубы в состоянии насыщения, по нитке 6 подается в полость конденсации конденсатора 7 и отдает теплоту конденсации потребителю тепла 18. Насос 9 поднимает давление жидкого рабочего тела до давления испарения и подает в полость испарения испарителя 8, где холодный поток поглощает теплоту источника тепла и испаряется. Газовое рабочее тело подается в смеситель 10, смешивается с горячим потоком и по нитке 11 подается в компрессор 12. Насос 14 подает рабочее тело источника тепла 15, например воду, по нитке 13 в полости нагревания испарителей 4 и 8, где охлаждается и отдает тепловую энергию источника тепла в вихревой тепловой насос. Насос 17 подает рабочее тело потребителя тепла, например холодильного агента, по нитке 16 в полости охлаждения конденсаторов 3 и 7, где нагревается и передает тепловую энергию из вихревого теплового насоса потребителю тепла 18. Пример работы вихревого теплового насоса приведен на отдельных листах.
Источник информации:
1. Тепловой насос. Авт. св-во №892148 F25B 9/02 1979 г.
1. Пример работы вихревого теплового насоса.
В расчет введены результаты расчета вихревой трубы.
0KM
1. Давление торможения на входе в вихревую трубу, P=3 ата
0Г
2. Давление торможения горячего потока, Р=2,23 ата
0X
3. Давление торможения холодного потока, P=1,49 ата
0Г
4. Температура торможения горячего потока, T=47,4°C
0X
5. Температура торможения холодного потока, T=0,6°C
0BX
6. Температура торможения на входе вихревой трубы, T=24°C
Исходные данные:
1. Количество тепловой энергии, переданной от источника тепла в испаритель И1:
И1
Q=25 квт
2. Рабочее тело вихревого теплового насоса: фреон R-142B1
3. Рабочее тело источника тепла: вода
4. Рабочее тело потребителя тепла: фреон R-142B1
SKM
5. Изоэнтропический к.п.д. компрессора: η=0,75
М
6. Механический к.п.д.: η=0,95
H
7. К.П.Д. насоса: η=0,4
8. Падение полного давления в конденсаторах и испарителях:
0KH
0ИСП
ΔP=ΔP=0,5 ата
9. Падение полного давления в нитках:
0X
0Г
0Н
ΔР=ΔР-ΔР=1 ата
1. Расход горячего потока:
Принимается:
Расход по горячей нитке равен расходу по холодной нитке:
Г
X
G=G=0,1158 кг/сек
2. Суммарное количество энергии, переданное конденсатором K1 потребителю тепла:
3. Количество тепловой энергии, переданной холодным потоком в конденсаторе K2:
K2
X
0.6°C
Q=G*R=0,1158*219,5=25,418 квт
4. Количество тепловой энергии, переданное источником тепла испарителю И2:
7. Количество тепловой энергии, переданной конденсаторами:
KHΣ
KH1
KH2
Q=Q+Q=54,53 квт
ИΣ
И1
И2
8. Количество тепловой энергии, переданной источником тепла в вихревой тепловой насос: Q=Q+Q=50,916 квт
KHΣ
ИΣ
9. Разность: Q-Q=3,614 квт
10. Количество тепловой энергии переданной вихревой трубой тепловому насосу равно разности нагревания горячего потока и охлаждения холодного:
11. Удельная работа изэнтропического сжатия компрессора:
12. Удельная работа сжатия компрессора:
13. Энтальпия торможения сжатого пара:
14. Работа сжатия компрессора:
KM
X
Г
N=(G+G)*L=2*0,1158*15,9=3,682 квт
15. Работа сжатия насоса холодного и горячего потоков:
16. Расход воды:
17. Мощность насоса воды:
18. Расход насоса потребителя тепла:
19. Мощность насоса фреона:
20. Собственные нужды вихревого теплового насоса:
C.H.
KM
X
W
F
Q=N+2N+N+N=3,682+2*0,05+0,5+0,5=4,782 квт
21. К.П.Д. вихревого теплового насоса:
Источник информации:
1. И.И. Перельштейн. Термодинамические и теплофизические свойства рабочих тел холодильных машин и тепловых насосов Москва, Л.П., 1984 г.
2. Диаграмма термодинамического цикла.
CT
0
Диаграмма термодинамического цикла выполнена в координатах P-J, где:
CT
P - статическое давление, ата
0
J - энтальпия торможения, кДж/кг, соответствующая:
CT
T - статическая температура, °C
CT
CT
1. Точка 1 соответствует входу в компрессор: P=1,86 ата; ; T=7°C
2. Линия 1-2 соответствует сжатию и нагреванию фреона в компрессоре, до:
CT
CT
P=3 ата; J''=640 кдж/кг; T=24°C
3. Точка 2 соответствует входу в вихревую трубу.
CT
CT
4. Линия 2-3 соответствует нагреванию в вихревой трубе горячего потока до ; T=47,4°C и снижения статического давления до P=2,23 ата
CT
CT
5. Линия 2-4 соответствует охлаждению в вихревой трубе холодного потока до J''=620 кдж/кг; T=0,6°C; и снижению статического давления до P=1,49 ата
CT
CT
6. Линия 3-5 соответствует охлаждению горячего потока в конденсаторе 3 до температуры конденсации T=12°C соответствующей статическому давлению конденсации P=2,23 ата.
7. Линия 5-6 соответствует конденсации горячего потока в конденсаторе 3.
CT
8. Линия 6-7 соответствует охлаждению конденсата до ; T=7°C
9. Линия 7-8 соответствует падению полного давления в конденсаторе 3 и нитке 2 и снижения статического давления до статического давления испарения в испарителе 4.
CT
10. Линия 8-1 соответствует испарению горячего потока при P=1,86 ата до
Площадь фигуры 1-3-5-6-7-8-1 соответствует количеству тепловой энергии, переданной горячим потоком.
CT
11. Линия 4-10 соответствует конденсации холодного потока в конденсаторе 7 при P=1,49 ата до
CT
12. Линия 10-9 соответствует сжатию холодного потока насосом 9 до статического давления испарения P=1,86 ата
CT
13. Линия 9-8 соответствует нагреванию холодного потока в испарителе 8 до температуры испарения T=7°C и
14. Линия 8-1 соответствует испарению холодного потока до
Площадь фигуры 4-10-9-8-1-4 соответствует количеству тепловой энергии, переданной холодным потоком.
Площадь фигуры 1-3-5-6-7-8-9-10-4-1 соответствует количеству тепловой энергии, переданной вихревым тепловым насосом.