Способ и устройство теплоснабжения
HEAT SUPPLY METHOD AND DEVICE

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для автономного теплоснабжения - отопления и горячего водоснабжения жилых, промышленных и сельскохозяйственных помещений от внешнего источника тепла низкого потенциала с использованием тепловых насосов.
Известен способ и установка теплоснабжения [1. Киселев Н.А. Котельные установки. М.: Высшая школа, 1979, рис. 128, стр. 246], включающая автономный котел, подключенный контуром циркуляции к системе теплоснабжения. При реализации этого способа теплоснабжение осуществляется подогревом помещения за счет использования выделяющегося в котле тепла путем подачи тепла в отопительные приборы теплоносителем (водой) по контуру циркуляции. При этом используется тепло, выделяющееся в котле от сгорания топлива. Кроме того, для теплоснабжения могут использоваться электроотопительные приборы [2. Патент РФ №2075701].
Недостатками этих способов и устройств является низкая экономичность, так как для теплоснабжения, особенно при отрицательных температурах, требуется много тепла и соответственно топлива или электроэнергии.
Известны способы и установки теплоснабжения, использующие тепловые насосы, которые имеют испаритель и конденсатор, и позволяющие значительную часть тепла отбирать в испарителе от внешних (бесплатных) источников тепла низкого потенциала: воздуха, воды и др. [3. Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы. М.: Энергоиздат, 1982, глава 5]. Испаритель и конденсатор связаны между собой через компрессор и другие элементы контуром циркуляции рабочего тела и подают тепло в обогреваемые помещения от конденсатора рабочего тела через системы воздушного или водяного отопления.
В качестве прототипа принята одна из установок теплоснабжения [4. Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы. М.: Энергоиздат, 1982, стр. 98-100, рис. 5.1], включающая тепловой насос с системой подачи наружного воздуха, в которой установлены испаритель и вентилятор. При реализации этого способа теплоснабжение осуществляется за счет тепла, суммарно снимаемого в испарителе от наружного воздуха тепла низкого потенциала, и плюс тепла, вводимого в цикл за счет работы привода компрессора теплового насоса. Соответственно на теплоснабжение подается значительно больше тепла, чем затрачивается электроэнергии на привод компрессора, и теплоснабжение тепловым насосом более экономично в сравнении с котлом. Реверсивный тепловой насос может работать и для отопления, и для кондиционирования.
Недостатками этого способа и устройства является низкая экономичность теплонасосного теплоснабжения от наружного воздуха при отрицательных температурах. Во-первых, при снижении температуры наружного воздуха поток тепла низкого потенциала, снимаемый тепловым насосом в испарителе, уменьшается [5. Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы. М.: Энергоиздат, 1982, стр. 98-100, рис. 5.2. и 5.3], и подогрев сокращается. Во-вторых, при падении зимних температур требуемый для теплоснабжения помещений расход тепла, наоборот, увеличивается. Противоречие обычно решается дополнительным обогревом от котла или электрообогревателя, что приводит к повышенным затратам и снижению экономичности теплоснабжения.
Типично тепловые насосы применяют автономно при температуре наружного воздуха до -15°С [5], а при более низких температурах переходят на обогрев от котла или электроотопительных приборов. В итоге теплоснабжение связано с дополнительными расходами, капитальными и эксплуатационными затратами и снижением экономичности теплоснабжения.
Задачей изобретения является повышение экономичности теплоснабжения.
Для решения поставленной задачи в известном способе теплоснабжения, включающем отбор от воздуха и передачу в систему теплоснабжения тепла низкого потенциала с помощью теплового насоса, предлагается воздух предварительно подогревать за счет разбрызгивания в нем воды с образованием и последующим улавливанием и удалением частиц льда и снега, причем с возможностью рециркуляции отработанного воздуха.
Реализация этого способа выполняется в установке теплоснабжения, включающей тепловой насос с системой подачи воздуха, в которой имеется испаритель и вентилятор. При этом для повышения экономичности в системе подачи воздуха согласно изобретению предлагается перед испарителем и вентилятором установить разбрызгиватели воды и устройства улавливания и удаления льда и снега, причем выхлопной патрубок системы подачи воздуха предлагается выполнить с регулирующим шибером и подключить его байпасом ко входу этой системы.
При работе установки в системе подачи воздуха за счет разбрызгивания воды и отвода от нее тепла воздух перед испарителем подогревается с образованием и последующим улавливанием и удалением частиц льда и снега. Действительно, разбрызгиваемые капли глубоко охлаждаются, отдавая тепло воздуху с испарением воды, ее замерзанием до состояния льда и снега и дальнейшим охлаждением в потоке холодного воздуха. При этом, разбрызгивая в достаточном количестве даже холодную воду, можно подогреть воздух до 0°С вне зависимости от его исходной температуры. Отметим, что здесь наиболее важен эндотермический эффект замерзания, позволяющий удерживать температуру воздуха перед испарителем на уровне 0°С.
В испарителе воздух отдает тепло, охлаждается, и отработанный более холодный воздух с отрицательной температурой сбрасывается вентилятором через выхлопной патрубок системы подачи воздуха. В зимних условиях, если температура наружного воздуха становится ниже температуры отработанно го воздуха, рециркуляция, то есть возврат отработанного воздуха, повышает экономичность работы теплового насоса. В предлагаемом изобретении для обеспечения повышения экономичности за счет рециркуляции в выхлопном патрубке системы подачи воздуха имеется регулирующий шибер, а выхлопной патрубок подключен байпасом к ее входу.
Улавливание и удаление частиц льда и снега из установки теплоснабжения с применением устройств улавливания и удаления льда и снега необходимо, так как это обеспечивает чистоту системы подачи воздуха и работоспособность предлагаемой установки. В итоге благодаря улавливанию и удалению частиц льда и снега обеспечивается работоспособность предлагаемой установки, а за счет предварительного подогрева воздуха перед испарителем создаются приемлемые для экономичной работы теплового насоса температуры воздуха, на уровне 0°С, причем в отличие от прототипа [5] при любых значениях температуры поступающего воздуха.
Отметим, что это изобретение может использоваться и при положительных температурах, но из-за отсутствия теплового эффекта от замерзания, естественно, без повышения экономичности в сравнении с прототипом [5].
Улавливание частиц льда и снега из потока воздуха можно производить в различных известных устройствах, например в циклонах, в рукавных или электростатических фильтрах. Здесь дополнительно предлагается устройство улавливания льда и снега выполнить в виде осадительной камеры, которая позволяет не только улавливать путем осаждения из восходящего потока воздуха за счет гравитации более плотные частицы и выгружать их устройством удаления льда и снега, но и организовать при этом межфазный тепло- и массообмен по наиболее эффективной противоточной схеме при минимуме аэродинамического сопротивления. Соответственно уменьшается потребление воды, электроэнергии и дополнительно повышается экономичность.
Сущность изобретения поясняется на чертеже, где показана принципиальная схема установки теплоснабжения.
Установка теплоснабжения включает блок 1 теплового насоса в составе: испаритель 2, вентилятор 3, компрессор 4, расширитель (дроссель) 5, конденсатор 6 и связывающие эти элементы трубопроводы 7 контура циркуляции рабочего тела. Конденсатор 6 является обогревателем и устанавливается в отапливаемом помещении 8. Установка теплоснабжения также включает систему 9 подачи воздуха с выхлопным патрубком 10, регулирующим шибером 11, испарителем 2 и вентилятором 3, под которыми установлена осадительная камера 12 с разбрызгивателями 13 воды и устройством 14 удаления льда и снега. Осадительная камера 12 подключена байпасом 15 к выхлопному патрубку 10, а окнами 16 - к наружному воздуху.
Осуществление предлагаемого способа теплоснабжения, то есть работа устройства теплоснабжения, заключается в следующем. Блок 1 теплового насоса воспринимает рабочим телом в испарителе 2 тепло низкого потенциала от воздуха, который поступает в окна 16 и прокачивается через систему 9 подачи воздуха с выхлопным патрубком 10 и испарителем 2 с помощью вентилятора 3. Далее рабочее тело сжимается в компрессоре 4 с повышением температуры и по трубопроводам 7 поступает в конденсатор 6, где охлаждается, передавая тепло в отапливаемое помещение 8. Затем рабочее тело расширяется с сопутствующим охлаждением в расширителе 5, возвращается в испаритель 2, снова воспринимает тепло низкого потенциала, и цикл повторяется. При положительных температурах воздуха установка работает как обычный тепловой насос отопления и может использоваться для кондиционирования.
При отрицательных температурах в поток наружного воздуха, который всасывается вентилятором 3 в осадительную камеру 12 по системе отверстий 16 и движется вверх, через разбрызгиватели 13 сверху распыляют мелкие капли воды. Капли воды, падая вниз, замерзают и охлаждаются, подогревая воздух перед испарителем 2 до температуры около 0°С по эффективной противоточной схеме. В осадительной камере 12 поддерживается равномерно распределенное поле с низкой скоростью восходящего потока воздуха. Это обеспечивает гравитационное улавливание замерзших частиц, их выпадение в устройство 14 удаления льда и снега, где они удаляются.
В испарителе 2 подогретый до 0°С воздух отдает тепло, охлаждается и как отработанный и более холодный воздух с отрицательной температурой сбрасывается вентилятором 3 через шибер 11 и выхлопной патрубок 10. В зимних условиях, когда температура наружного воздуха становится ниже температуры отработанного воздуха, прикрытием шибера 11 включается рециркуляция, то есть возврат отработанного воздуха и соответственно некоторого сбрасываемого тепла по байпасу 15 в испаритель 2.
Таким образом, в отличие от прототипа [4] при любых отрицательных температурах поступающего воздуха тепловой насос работает экономично, с неизменной эффективностью.