Теплообменник теплового насоса

Полезная модель относится к устройствам теплообмена, а именно к геотермальным устройствам, и может быть использована в системах теплоснабжения производственных и жилых зданий.
Известен вертикальный грунтовый теплообменник, имеющий U-образную форму, представляющий собой две параллельные трубы, соединенные в нижней части (Васильев, Г.П. Монография: Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев земли / Г.П. Васильев. ISBN: 5-94691-202-Х. – М.: Изд-во «Граница», 2006. – 173 с.).
Недостатком данного технического решения является высокая трудоемкость и материалоемкость из-за большой протяженности скважин в диапазоне 60-90 метров.
Известен также вертикальный грунтовый теплообменник коаксиального типа сложной конфигурации (Васильев, Г.П. Монография: Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев земли / Г.П. Васильев. ISBN: 5-94691-202-Х. – М.: Изд-во «Граница», 2006. – 173 с.).
Недостаток данного технического решения состоит в низкой эффективности использования поверхности теплообмена скважины, вследствие особенности ее конструкции, при которой в теплообмене участвует только половина поверхности внешнего контура, при этом центральный ствол исключен из процесса теплообмена.
Известен теплообменник теплового насоса, содержащий опускную и подъемную трубы, сообщающиеся друг с другом в нижней зоне (см. RU № 134303, МПК F24J 3/08, 2013).
Недостаток данного технического решения состоит в том, что увеличение используемой поверхности теплообмена приводит к сложности установки и монтажа конструкции.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, состоит в разработке конструкции теплообменника теплового насоса с повышенной теплопроизводительностью, при снижении сложности формирования теплообменника.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в повышении теплопроизводительности теплообменника теплового насоса, вследствие увеличения используемой поверхности теплообмена теплообменника теплового насоса.
Для решения поставленной задачи теплообменник теплового насоса, содержащий опускную и подъемные трубы, сообщающиеся друг с другом у нижних концов, отличается тем, что подъемные трубы выполнены из высокотеплопроводного материала, в виде, по меньшей мере, двух труб, спирально навитых на опускную трубу, при этом нижний конец опускной трубы сообщен с нижним коллектором, с которым непосредственно сообщены нижние концы труб, составляющих, подъемные трубы, кроме того, их верхние концы сообщены с верхним коллектором, который связан с тепловым насосом.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Совокупность признаков формулы полезной модели обеспечивает решение поставленной задачи, при этом признаки отличительной части формулы полезной модели решают следующие функциональные задачи.
Признак, указывающий, что «подъемные трубы выполнены из высокотеплопроводного материала» обеспечивает теплообмен рабочей жидкости с грунтовым массивом фактически без потерь температуры в стенке трубы.
Признак, указывающий, что подъемные трубы выполнены «по меньшей мере, из двух труб, спирально навитых на опускную трубу», обеспечивает увеличение поверхности теплообмена и увеличение времени нахождения рабочей жидкости в грунте.
Признак, указывающий, что «нижний конец опускной трубы сообщен с нижним коллектором, с которым непосредственно сообщены нижние концы труб, составляющих, подъемные трубы», обеспечивает распределение потока рабочей жидкости.
Признак, указывающий, что «верхние концы труб спирально навитых на опускную трубу сообщены с верхним коллектором, который связан с тепловым насосом», обеспечивает слияние потоков рабочей жидкости.
На фиг.1 изображена схема теплообменника теплового насоса.
На фиг.2 изображена схема движения жидкости в теплообменнике.
На чертежах показаны опускная труба 1, подъемные трубы 2, нижний коллектор 3, верхний коллектор 4. Кроме этого на чертежах показаны труба 5, геотермальная скважина 6, наполнитель 7 геотермальной скважины 6, грунтовый массив 8.
Теплообменник теплового насоса содержит опускную 1 и подъемную 2 трубы, сообщающиеся друг с другом у нижних концов. Опускная труба 1 выполнена, например, из полиэтилена, с коэффициентом теплопроводности, λ=0,22 Вт/(м⋅К). Подъемные трубы 2 выполнены из высокотеплопроводного материала, (например, из меди, коэффициент теплопроводности которой λ=389,6 Вт/(м⋅К)) в виде, по меньшей мере, двух труб, спирально навитых на опускную трубу 1, что обеспечивает увеличение времени нагрева (охлаждения) рабочей жидкости при движении по подъемным трубам 2 к верхнему коллектору 4. При этом нижний конец опускной трубы 1 сообщен с нижним коллектором 3, с которым непосредственно сообщены нижние концы труб, составляющих, подъемную трубу 2, кроме того, их верхние концы сообщены с верхним коллектором 4, который непосредственно связан с трубой 5.
Количество подъемных труб 2 определяется скоростью движения в трубах, скорость движения должна быть не больше, чем в опускной трубе 1, что не приведет к увеличению гидравлического сопротивления. Однако благодаря тому, что подъемные трубы 2 навиваются на опускную трубу 1, длина подъемных труб 2 в несколько раз больше опускной трубы 1, поверхность теплообмена значительно увеличивается.
Теплообменник теплового насоса размещают в скважине 6 (фиг. 1), поперечное сечение которой, как минимум на четверть меньше поперечного сечения прототипа. Пространство геотермальной скважины 6 заполняют наполнителем 7, в качестве которого могут быть использованы, например, бентонит или водно-песчаный раствор (песок влажностью 30%-35%), для увеличения удельного теплосъема с одного погонного метра скважины 6.
Нагреваемая (в режиме отопления) или охлаждаемая (в режиме кондиционирования) рабочая жидкость из теплового насоса (на чертежах не показан) проходит по опускной трубе 1, нагревается и поступает в нижний коллектор 3. В нижнем коллекторе 3 происходит перераспределение потока рабочей жидкости, и она поступает в подъемные трубы 2, что обеспечивает увеличение используемой поверхности теплообмена и увеличение времени нагрева (охлаждения) рабочей жидкости при движении по подъемным трубам 2 к верхнему коллектору 4, что позволяет увеличить теплопроизводительнсоть. В верхнем коллекторе 4 происходит слияние потоков рабочей жидкости и нагретая (охлажденная) жидкость поступает в трубу 5 и далее поступает в тепловой насос.
Заявляемое устройство позволяет повысить теплопроизводительность грунтового теплообменника. Кроме того, предварительные расчеты показывают, что глубина скважин может быть уменьшена в 3 раза. Чаще всего принимают глубину скважины 60-90 метров, то в случае с новой конструкцией теплообменника, глубина может быть уменьшена до 20-30 метров.