Источник теплоты
HEAT SOURCE

Изобретение относится к области теплоснабжения и может быть использовано для получения тепловой энергии на основе теплового насоса без потребления электрической энергии.
Известна теплонасосная установка с использованием теплоты наружного воздуха и водоема, содержащая парокомпрессионный тепловой насос с контуром низкотемпературного теплоносителя, в который входят теплообменник-испаритель, теплоноситель-фреон, циркуляционный насос и теплообменник вода-теплоноситель, располагаемый в водоеме, а также один теплообменник воздух-теплоноситель, снабженный вентилятором, и, по меньшей мере, один клапан для перенаправления потока теплоносителя, включенные в контур низкотемпературного теплоносителя. Теплонасосная установка содержит электрический нагреватель низкотемпературного теплоносителя, включенный в контур по ходу течения теплоносителя перед теплообменником воздух-теплоноситель (RU 159834, МПК F25B 30/06, опубл. 20.02.2016).
Среди недостатков данной конструкции следует отметить обязательное потребление электрической энергии из внешней сети для обеспечения работоспособности приведенного технического решения.
Известно устройство для дожимания газа на основе гидравлического тарана, включающее подводящую (питательную) трубу с ударнымклапаном, напорный колпак с размещенным внутри него полым демпфером,выполненным в виде полой эластичной камеры, наружная сторона которого обращена во внутреннюю полость напорного колпака, подключенного к подводящей трубе, а также впускной и перепускной клапаны, подводящая труба рабочей среды выполнена в виде замкнутого гидравлического контура, впускной и перепускной клапаны включены во внутреннюю полость напорного колпака, дополнительно содержит регулировочный вентиль, насос, расширительную емкость, теплообменник и регулятор давления, при этом регулировочный вентиль установлен между напорным колпаком и подводящей трубой, в которую последовательно включенытеплообменник и насос, вход которого соединен с расширительной емкостью, а регулятор давления установлен на выходе перепускного клапана (RU 2610356, МПК F04B 25/02, F04F 7/02, опубл. 09.02.2017).
В приведенном случае сжатие газа осуществляется при помощи импульсного нагнетателя (напорный колпак с размещенным внутри него полым демпфером), который использует для этой цели импульсы количества движения рабочей среды, возникающие при генерации гидравлического удара.
Известна конструкция импульсного нагнетателя в составе системы теплоснабжения, содержащая полый корпус с установленной внутри эластичной диафрагмой, разделяющей его на две изолированы друг от друга части, одна из которых сообщается с обратными клапанами входа и выхода, а вторая выполнена с возможностью присоединения к трубопроводу (RU 98060, МПК F24D 3/00, опубл. 27.09.2010).
Известна конструкция импульсного нагнетателя, включающая пустотелый корпус, в сечении которого установлена эластичная диафрагма, разделяющая его на две изолированные друг от друга полости, и обратные клапаны входа и выхода нагнетаемой среды, которые последовательно включены с верхней полостью, нижняя полость выполнена с отверстием для подключения к внешнему трубопроводу, возвратная пружина установлена между эластичной диафрагмой и пустотелым корпусом, в верхней части пустотелого корпуса выполнено добавочное отверстие, конструкция дополнительно содержит гидравлический аккумулятор в виде полого корпуса с эластичной мембраной, прижатой по краям полым корпусом гидравлического аккумулятора к добавочному отверстию, регулятор давления включен последовательно с обратным клапаном выхода нагнетаемой среды, а капиллярная трубка соединена с нижней полостью пустотелого корпуса и полым корпусом гидравлического аккумулятора (RU 159837, МПК F04F 7/00, F04B 43/02, опубл. 20.02.2016).
Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков является устройство для осуществления способа работы теплового генератора без потребления электрической энергии из внешней сети содержащее тепловой насос, гидравлический таран, напорный бак с отводной трубой, заслонку-регулятор и турбогенератор, причем тепловой насос содержит последовательно соединенные электрический компрессор, конденсатор, дроссель и испаритель, гидравлический таран включает питательную трубу с установленным на ее выходе ударным клапаном и присоединенный к ней через нагнетательный клапан воздушный колпак, соединенный с нагнетательной трубой, при этом нагнетательная труба гидравлического тарана связана с напорным баком, отводная труба которого соединена с входом внешнего контура испарителя теплового насоса, а турбогенератор, установленный на выходе внешнего контура испарителя теплового насоса после регулятора-заслонки, подключен к электрическому компрессору (RU 2374564, МПК F24 D11/02, опубл. 27.11.2009).
Недостатки известного устройства: относительно низкая эффективность использования потенциала гидравлического тарана для осуществления работы теплового насоса, а также необходимость промежуточной генерации электрической энергии и преобразования ее в работу для осуществления циркуляции холодильного агента.
Технический результат заключается в повышении эффективности работы источника теплоты на основе теплового насоса и гидравлического тарана за счет исключения необходимости потребления электрической энергии для обеспечения циркуляции холодильного агента.
Сущность изобретения заключается в том, что источник теплоты включает тепловой насос и гидравлический таран, где тепловой насос содержит последовательно соединенные конденсатор, дроссель и испаритель, а гидравлический таран включает питательную трубу с установленным на ее выходе ударным клапаном и присоединенный к ней воздушный колпак, содержит импульсный нагнетатель, включающий пустотелый корпус, в сечении которого установлена эластичная диафрагма, разделяющая его на две изолированные друг от друга полости и обратные клапаны входа и выхода нагнетаемой среды, которые последовательно включены с первой полостью, вторая полость подключена к внешнему трубопроводу, возвратная пружина установлена между эластичной диафрагмой и пустотелым корпусом, причем импульсный нагнетатель обратными клапанами входа и выхода нагнетаемой среды включен в контур теплового насоса между конденсатором и испарителем, а внешний трубопровод соединен с питательной трубой гидравлического тарана, при этом внешний контур испарителя теплового насоса включен последовательно в питательную трубу гидравлического тарана.
На чертеже представлена схема источника теплоты.
Источник теплоты включает тепловой насос 1 и гидравлический таран 2, где тепловой насос 1 содержит последовательно соединенные конденсатор 3, дроссель 4 и испаритель 5, а гидравлический таран 2 включает питательную трубу 6 с установленным на ее выходе ударным клапаном 7 и присоединенный к ней воздушный колпак 8. Импульсный нагнетатель 9 содержит пустотелый корпус 10, в сечении которого установлена эластичная диафрагма 11, разделяющая его на две изолированные друг от друга полости 12, 13 и обратные клапаны входа 14 и выхода 15 нагнетаемой среды, которые последовательно включены с первой полостью 12. Вторая полость 13 импульсного нагнетателя 9 подключена к внешнему трубопроводу 16. Возвратная пружина 17 установлена между эластичной диафрагмой 11 и пустотелым корпусом 1. Импульсный нагнетатель 9 обратными клапанами входа 14 и выхода 15 нагнетаемой среды включен в контур теплового насоса 1 между конденсатором 3 и испарителем 5, а внешний трубопровод 16 соединен с питательной трубой 6 гидравлического тарана 2. Внешний контур испарителя 5 теплового насоса 1 включен последовательно в питательную трубу 6 гидравлического тарана 2.
Источник теплоты работает следующим образом. Поскольку он содержит в себе две системы – тепловой насос 1 и элементы гидравлического тарана 2, которые работают совместно, то для обеспечения работоспособности гидравлического тарана 2 его питательную трубу 6 подключают к источнику подачи рабочей среды, содержащей в себе низкопотенциальное тепло (на чертеже не обозначен). Например, это может быть водоем или река. Внутренний контур теплового насоса 1 заполняется хладагентом (на чертеже не указан). Внешний контур его конденсатора 3 подключают к системе отопления (на чертеже не указана), а внешний контур испарителя 5 включают последовательно с питательной трубой 6 гидравлического тарана 2.
При истечении рабочей среды через открытый ударный клапан 7, установленный на выходе питательной трубы 6, он автоматически закроется и возникнет гидравлический удар. Положительная волна распространения этого удара будет направлена от закрытого ударного узла 7 к входу питательной трубы 6 через внешний контур испарителя 5 теплового насоса 1. При этом часть избыточного давления будет потеряна в воздушном колпаке 8 от сжатия содержащегося в нем воздуха, а часть – в импульсном нагнетателе 9 в результате того, что его эластичная диафрагма 11 сместится в первую полость, преодолевая силу противодействия возвратной пружины 17. В результате увеличения объема второй полости 13 импульсного нагнетателя 9 от наполнения ее рабочей средой из внешнего трубопровода 16 при положительной волне гидравлического удара, объем первой полости 12 будет уменьшаться при вытеснении содержащегося в ней хладагента через обратный клапан выхода 15 нагнетаемой среды в конденсатор 3.
Когда положительная волна гидравлического удара в питательной трубе 6 сменится на отрицательную, то ударный клапан 7 автоматически откроется, движение рабочей среды в ней, а равно и во внешнем контуре испарителя 5, возобновится. Вместе с этим за счет возвратной пружины 17 эластичная диафрагма 11 вернется в исходное состояние относительно полого корпуса 10 импульсного нагнетателя 9. Одновременно с этим будет происходить вытеснение рабочей среды из второй полости 13 импульсного нагнетателя 9 через внешний трубопровод 16 в питательную трубу 6 гидравлического тарана 2 на слив через открытый ударный клапан 7. Попутно также будет обеспечено всасывание порции газообразного хладагента от испарителя 5 через обратный клапан входа 14 нагнетаемой среды в первую полость 12 импульсного нагнетателя 9.
При последующем автоматическом закрытии ударного клапана 7 процесс работы гидравлического тарана 2 повторится в описанной выше последовательности и будет продолжаться до тех пор, пока будет присутствовать подача рабочей среды по питательной трубе 6.
Работа теплового насоса 1 от действия гидравлического тарана 2 будет осуществляться следующим образом. Периодическое всасывание газообразного хладагента от испарителя 5 теплового насоса 1 через обратный клапан входа 14 нагнетаемой среды, а затем последующее его сжатие при гидравлическом ударе рабочей среды и вытеснение сжатого газообразного хладагента через обратный клапан входа 15 нагнетаемой среды в конденсатор 3, обеспечивается импульсным нагнетателем 9. Хладагент от сжатия в импульсном нагнетателе 9 будет нагреваться, а его последующее движение через конденсатор 3 будет сопровождаться отдачей тепла в систему отопления (на чертеже не указана) и конденсацией. После конденсатора 5 жидкий хладагент поступает в дроссель 4, где происходит его распыление в жидкой фазе при соответствующей смене давления. Далее жидкий хладагент устремляется в испаритель 5, где при пониженном давлении от всасывания импульсным нагнетателем 9 происходит его вскипание (испарение), которое сопровождается отбором тепла от рабочей среды, которая импульсно циркулирует через внешний контур испарителя 5. На выходе испарителя 5 хладагент поступит в импульсный нагнетатель 9. Таким образом, процесс работы предлагаемого источника теплоты повторится в описанной выше последовательности и будет продолжаться до тех пор, пока будет происходить работа гидравлического тарана 2.
Поскольку внешний контур испарителя 5 теплового насоса 1 включен в питательную трубу 6 гидравлического тарана 2 с импульсным движением рабочей среды, то в испарителе 5 будет наблюдаться дополнительная интенсификация теплообмена между хладагентом и рабочей средой. Установлено, что при определенных частотах колебаний теплоносителя коэффициент теплообмена может быть увеличен до нескольких раз [1-3] Регулирование работы предлагаемого источника теплоты осуществляется за счет регулирования производительности и параметров работы импульсного нагнетателя 9, что обеспечивается:
– изменением полезного объема воздушного колпака 8 и/или давления содержащегося в нем воздуха, которые определяют демпфирующие свойства системы; большая податливость и энергоемкость воздушного колпака 8 будут соответствовать меньшей производительности импульсного нагнетателя 9 и наоборот;
– за счет изменения частоты и амплитуды хода ударного узла 7, а также путем изменения длины питательной трубы 6, которые определяют частоту и амплитуду хода эластичной диафрагмы 11 импульсного нагнетателя 9.
Вместо воздушного колпака 8 может быть использован гидравлический аккумулятор (на чертеже не указан), который позволит повысить надежность работы источника теплоты за счет устранения факта неконтролируемого растворения воздуха в рабочей среде.
Использование приведенного схемного решения источника теплоты на основе теплового насоса и гидравлического тарана полностью исключает необходимость потребления электрической энергии, что в совокупности с интенсификацией теплообмена в испарителе теплового насоса повышает его общую энергетическую эффективность.
Источники информации
1. Галицейский Б.М., Тепловые и гидродинамические процессы в колеблющихся потоках / Б.М. Галицейский, Ю.А. Рыжов, Е.В. Якуш. – М.: Машиностроение, 1977. – 256 с.
2. Dushin N.S., Kinematics of pulsating flow in the entry region of the channel with discrete roughness elements / N.S. Dushin, N.I. Mikheev, A.A. Paereliy, I.M. Gazizov, R.R. Shakirov // Journal of Physics: Conference Series. – 2017. Vol. 891. Issue 1. Article # 012147. DOI:10.1088/1742-6596/891/1/012147.
3. Levtzev A.P., Pulsating heat transfer enhancement in the liquid cooling system of power semiconductor converter / A.P. Levtzev, A.N. Makeev, S.F. Kudashev // Indian Journal of Science and Technology. – 2016 March. Vol. 9 (11). Article # 89419. DOI: 10.17485/ijst/2016/v9i11/89420.