СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБОГРЕВА ОБЪЕКТОВ
METHOD AND DEVICE FOR HEATING OBJECTS

Изобретение относится к теплотехнике, а точнее к тепловым насосам и может быть использовано для обогрева жилых, производственных помещений или иных объектов путем разделения воздушного потока на холодную и горячую составляющие, трансформации энергии давления подаваемого воздуха в холодный и горячий потоки, последующего выброса холодного воздуха в атмосферу и забора из атмосферы более теплого воздуха, чем выбрасываемый.
Известны различные конструкции тепловых насосов, которые наиболее часто содержат компрессор, конденсатор, испаритель, теплообменник, дроссельный клапан в качестве запорно-регулирующей трубопроводной арматуры, а в качестве хладагентов служат, как правило, фреоны. Эффективность таких насосов зависит от перепада температур между хладагентом и наружным теплоносителем и возможности отбора тепла, определяющейся нижней температурой фреона, которая составляет около -30°С; при этом коэффициент преобразования (отношение полученной теплоты к затраченной работе) составляет около 4 ед. Недостатками известных тепловых насосов являются опасность загрязнения окружающей среды фреонами, аммиаком и др., а также неработоспособность при температурах ниже температуры жидкого фреона.
Известен тепловой насос [Пиралишвили Ш.А., Поляев В.М., Сергеев М.Н. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения. / Под ред. А.И. Леонтьева. - М.: УНПЦ «Энергомаш», 2000. - 412 с.], содержащий компрессор, подключенный через теплообменный аппарат к устройствам вихревой трубы с дополнительным потоком и низкотемпературной вихревой трубы. Выход подогретого потока низкотемпературной трубы соединен с приосевой зоной вихревой трубы с дополнительным потоком. Выход подогреваемого потока вихревой трубы с дополнительным потоком через теплообменный аппарат подключен к активному соплу эжектора. Выход охлажденного потока вихревых труб через низкотемпературный источник тепла присоединен к пассивному соплу эжектора, играющего роль сжимающего холодный поток устройства. Камера смешения эжектора соединена со входом в компрессор, привод которого осуществляется от электромотора. К недостаткам указанного теплового насоса относятся: сложность конструкции, низкий коэффициент полезного действия за счет использования эжектора.
Известно использование вихревых труб в качестве холодильников. В парокомпрессорной холодильной машине [Пиралишвили Ш.А., Поляев В.М., Сергеев М.Н. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения. / Под ред. А.И. Леонтьева. - М.: УНПЦ «Энергомаш», 2000. - 412 с.] вихревая труба использована как расширительное устройство с функциями конденсатора и переохладителя. Здесь горячая составляющая потока охлаждается на периферии вихревой трубы посредством контакта с водой, находящейся в межрубашечном пространстве. К недостаткам данного устройства можно отнести низкий к.п.д., а также то, что горячая составляющая потока не используется для обогрева какого-либо объекта.
Более близким к предлагаемому изобретению является тепловой насос [Патент RU 2152567, 10.07.20002], включающий компрессор с приводом, в который воздух поступает из атмосферы и из обогреваемого помещения с помощью смесителя, а подогретый воздух после вихревого энергоразделителя потока подается в обогреваемое помещение. Недостатком данного устройства является низкая эффективность за счет падения давления горячего потока при выпуске воздуха в обогреваемое помещение. Гораздо эффективнее подавать воздух в компрессор после теплообменника, т.е. без потери давления горячего потока.
Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является разработка экологически безопасного теплового насоса, обладающего высокой эффективностью благодаря использованию в качестве теплоносителя экологически безопасного вещества - воздуха. В предлагаемом решении отсутствуют дополнительный теплообменный аппарат и эжектор на горячем потоке, к.п.д. которого ниже, чем к.п.д. компрессора примерно в два раза, отработанный воздух выбрасывается в атмосферу, что упрощает конструкцию, а также снижены затраты энергии, потери температуры и давления горячего потока воздуха.
Технический результат достигается в способе работы устройства для обогрева, заключающемся в подаче сжатого воздуха двухцилиндровым компрессором с теплообменником за ним в вихревую трубу с патрубком холодного потока, который соединяют с атмосферой, из которой воздух направляют в двухцилиндровый компрессор, отличающемся тем, что с целью повышения эффективности обогрева патрубок горячего потока соединяют через теплообменник в обогреваемом объекте со входом цилиндра высокого давления двухцилиндрового компрессора, а воздух из цилиндров низкого и высокого давления направляют во входной патрубок вихревой трубы.
Предлагаемое устройство для обогрева приведено на фиг. 1-2.
На фиг. 1 изображена схема вихревой трубы: 1 - вход в улитку вихревой трубы, 2 - регулирующий клапан, 3 - направление движения горячего потока, 4 - выход холодного потока.
Устройство для реализации предлагаемого способа обогрева содержит (фиг. 2) двухцилиндровый компрессор 8 с теплообменником 7 за ним, вихревую трубу 5 с патрубком холодного потока 11, который соединен с атмосферой, при этом двухцилиндровый компрессор также соединен с атмосферой, отличающееся тем, что с целью повышения эффективности обогрева патрубок горячего потока 9 соединен через теплообменник 6 в обогреваемом объекте 10 с цилиндром высокого на входе давления двухцилиндрового компрессора, а выходы из цилиндров низкого и высокого давления соединены с входным патрубком вихревой трубы.
5
Вихревая труба 5 дает охлаждение на 50°С при давлении 3⋅10 Па, а горячий поток при этом будет иметь температуру около +45°С, что может быть использовано для обогрева помещения. В теплообменнике 7 после компрессора 8 (фиг. 2) воздух охлаждается до комнатной температуры. После вихревой трубы 5 горячий поток отдает тепло в помещение 10 через теплообменник 6. Теплообменник может быть в виде, например, теплого пола. После теплообменника 6 воздух охлаждается до комнатной температуры и поступает на вход в цилиндр компрессора 8. Холодный поток 11 выбрасывается в атмосферу, а вместо него в равном количестве во второй цилиндр компрессора поступает более теплый воздух 12 из атмосферы. Холодный поток можно получить более низкой температуры, повысив давление компрессоре. Тепло от компрессора поступает в помещение, в котором он находится. Компрессор 8 должен быть выполнен двухцилиндровым. На фиг. 2 цилиндры компрессора показаны без разреза, привод компрессора не показан.
Охладить воздух в вихревой трубе можно до -70°С…-100°С и менее, что увеличит перепад температур между наружным воздухом и охлажденным воздухом. Это дает возможность отбирать энергию из охлажденного наружного воздуха с температурой до -50°С, что невозможно в существующих тепловых насосах.
Таким образом, кроме электрической энергии, подведенной к компрессору, которая выделится в помещение в виде тепла, будет подведено дополнительное количество тепла с холодного воздуха атмосферы, пропорциональное разности температур между холодным воздушным потоком вихревой трубы и атмосферным воздухом.
Наиболее эффективной будет схема забора воздуха не из атмосферы, а из вентиляционного канала, где температура воздуха выше, чем атмосферного, а холодный поток также выбрасывается в атмосферу.
Предлагаемый способ и устройство для обогрева работает следующим образом: забираемый из атмосферы воздух предварительно до входа в компрессор получает тепло от других источников тепла, например, вентиляционных или канализационных каналов, земли, водоемов. Воздух в компрессоре сжимается и через теплообменник, расположенный за компрессором, поступает в вихревую трубу, где разделяется на горячую и холодную составляющие. Холодная составляющая воздуха выбрасывается в атмосферу за пределы обогреваемого объекта, а из атмосферы в другом месте забирается эквивалентное количество воздуха в компрессор. Горячая составляющая потока проходит через теплообменник в отапливаемом помещении и поступает через цилиндр высокого давления обратно в компрессор, где смешивается с полученным из атмосферы воздухом, вновь сжимается и процесс повторяется.
Таким образом, предлагаемый способ и устройство для обогрева позволят расширить область его применения и упростить конструкцию без использования фреона, снизить затраты на устройство системы обогрева, снизить эксплуатационные расходы системы обогрева, повысить уровень эксплуатационной надежности и эффективности. Отопительные системы на тепловых насосах компактны, не требуют запасов топлива (кроме электричества) и специальных коммуникаций - тепловых сетей и прочее, энергетически и экономически выгодны, и экологически безопасны. Предложенный способ и устройство для обогрева могут быть использованы для децентрализованного отопления в домашнем хозяйстве, в общественных зданиях, в промышленности, а также объектов, наружная температура которых ниже -30°С, например, в районах крайнего севера. Также предлагаемый способ и устройство для обогрева могут быть использованы в летательных аппаратах, ракетах, где для подачи воздуха в вихревую трубу используется набегающий поток (вместо компрессора) при их движении.
Источники информации:
1. Пиралишвили Ш.А., Поляев В.М., Сергеев М.Н. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения. / Под ред. А.И. Леонтьева. - М.: УНПЦ «Энергомаш», 2000. - 412 с.
2. Патент RU 2152567, 10.07.2000.