УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ВОЗДУШНОГО ОТОПЛЕНИЯ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ И ВЕНТИЛЯЦИИ ПОМЕЩЕНИЙ
DEVICE AND METHOD FOR AIR HEATING, AIR COOLING AND VENTILATION OF ROOMS

Изобретение «Устройство и способ воздушного отопления воздушного охлаждения и вентиляции помещений» относится к области энергетики и может использоваться в жилищно-коммунальном хозяйстве.
Для отопления и охлаждения: жилых помещений, железнодорожных вокзалов, станций метро, вагонов пассажирских поездов, квартир жителей города и села.
Известны электрические приборы для подогрева воздуха помещений, известны кондиционеры для охлаждения воздуха помещений. Основной их недостаток состоит в том, что они используют тепло, которое вырабатывает электрический ток, поэтому их КПД не может быть больше единицы.
В изобретении «Устройство и способ воздушного отопления воздушного охлаждения и вентиляции помещений» используется энергия электрического тока не непосредственно для выработки тепла, а используется для привода аммиачного теплового насоса (АТН), который отнимает тепло от воздуха, добавляет к этому теплу тепло от сжатия паров аммиака и передает это суммарное тепло помещению.
При этом в режиме воздушного отопления и вентиляции помещений аммиачный компрессор отнимает тепло от атмосферного наружного воздуха, а в режиме охлаждения и вентиляции помещений, аммиачный компрессор отнимает тепло от воздуха самих помещений.
В первом случае тепло подается в помещения, во втором случае тепло выводится из помещений.
э
э
Экономия электроэнергии в «Устройстве и способе воздушного отопления воздушного охлаждения и вентиляции помещений» определяется коэффициентом теплопроизводительности аммиачного теплового насоса «β» и коэффициентом эффективности производства электроэнергии «η» который составляет в лучшем случае не более η=0,4.
от
э
от
Таким образом коэффициент эффективности «Устройства и способа воздушного отопления воздушного охлаждения и вентиляции помещений» рассчитывается по формуле η=βη, и при β≥2,5 η≥1,0.
На фиг.1 изображена кинематическая схема «Устройства и способа воздушного отопления воздушного охлаждения и вентиляции помещений», где:
1 - помещение
2 - заборник атмосферного воздуха при воздушном отоплении и вентиляции помещений
3 - центробежный нагнетатель подачи воздуха в воздушно-аммиачный радиатор (4)
4 - воздушно-аммиачный радиатор
5 - выходное сопло нагретого воздуха помещений
6 - заборник воздуха помещений воздушного отопления
7 - центробежный нагнетатель подачи воздуха в воздушно-аммиачный радиатор (16)
8 - аммиачно-воздушный теплообменник охлаждения воздуха
9 - выходное сопло воздушного отопления, установленное на выходе из помещений
10 - аммиачный компрессор АТН
11 - аммиачно-воздушный теплообменник
12 - ресивер (сборник) жидкого аммиака
13 - управляемый редукционный клапан
14 - реверсивный электродвигатель управления редукционным клапаном (13)
15 - термореле атмосферного воздуха в системе воздушного отопления помещений
16 - воздушно-аммиачный радиатор
17 - электродвигатель
18 - реверсивное термореле включения и отключения электродвигателя (17)
19 - заборник атмосферного воздуха при воздушном охлаждении и вентиляции помещений
20 - запорный вентиль, отключения и включения воздушного охлаждения помещений, на входе в центробежный нагнетатель (7)
21 - запорный вентиль, отключения и включения воздушного отопления помещений, на входе в центробежный нагнетатель (7)
22 - запорный вентиль, включения и отключения воздушного отопления помещений, на выходе из аммиачно-воздушного теплообменника (8)
23 - запорный вентиль, включения и отключения воздушного охлаждения помещений, на выходе из воздушно-аммиачного теплообменника (16)
24 - выходное сопло воздушного охлаждения и вентиляции помещений, установленное в помещении
25 - заборник воздуха помещений при воздушном охлаждении и вентиляции помещений
26 - запорный вентиль, включения и отключения воздушного охлаждения и вентиляции помещений, на входе в центробежный нагнетатель (3)
27 - запорный вентиль, включения и отключения воздушного отопления и вентиляции помещений, на входе в центробежный нагнетатель (3)
28 - запорный вентиль, включения и отключения воздушного отопления и вентиляции помещений, на выходе из воздушно-аммиачного радиатора (4)
29 - запорный вентиль, включения и отключения воздушного охлаждения и вентиляции помещений, на выходе из воздушно-аммиачного радиатора (4)
30 - выходное сопло воздушного охлаждения и вентиляции помещений установленное на выходе из помещений
31 - реостат управления оборотами электродвигателя (17)
32 - реверсивный электродвигатель управления реостатом (31)
33 - термореле воздушного охлаждения помещений установленное в атмосферном воздухе.
34 - реле давления установленное в аммиачно-воздушном теплообменнике (11)
35 - реле давления установленное в аммиачно-воздушном теплообменнике (8).
<mrow><mi>S</mi><mfrac><mrow><mi>к</mi><mi>к</mi></mrow><mrow><mi>к</mi><msup><mi>г</mi><mi>o</mi></msup></mrow></mfrac></mrow>
На фиг.2 изображен термодинамический цикл аммиачного теплового насоса в координатах абсолютная температура (Т К) в функции энтропии (
).
Где: линия а-к - начало кипения аммиака. Точка «к» точка критическая параметров аммиака.
линия к-б - линия конца кипения аммиака.
3
линия 1-2 - адиабата сжатия паров NH
3
линия 2-3 - изотерма (изобара) конденсации паров NH
линия 3-2 - адиабата расширения аммиака
3
линия 4-1 - изотерма (изобара) кипения NH
2
S - энтропия точки «2»
3
S - энтропия точки «3»
Работа «Устройства и способа воздушного отопления воздушного охлаждения и вентиляции помещений» в режиме отопления и вентиляции помещений
(см. кинематическую схему «режим отопления» фиг.1(а), 2(а).
В этом случае запорные вентили (20) (23) (26) и (29) закрываются, а запорные вентили (21) (22) (27) и (28) открываются.
Кинематическая схема «Устройства и способа воздушного отопления, воздушного охлаждения и вентиляция помещения»
(см. Фиг.1)
Заборник атмосферного воздуха (2) связан с входом в центробежный нагнетатель (3), выход из которого связан с входом в воздушно-аммиачный радиатор (4) выход из которого связан с выходным соплом нагретого воздуха помещений (5); далее: заборник воздуха помещений (6) связан центробежным нагнетателем (7) выход из которого связан с входом в воздушно-аммиачный радиатор (16) выход из которого связан с выходным соплом (9); далее выход аммиачного компрессора (10) связан с входом в аммиачно-воздушный теплообменник (11), выход из которого связан с входом в управляемый редукционный клапан (13) выход из которого связан с входом в аммиачно-воздушный теплообменник (8) выход из которого связан с входом в аммиачный компрессор (10); далее: в режиме воздушного охлаждения и вентиляции помещений заборник атмосферного воздуха (19) связан с центробежным нагнетателем (7) выход из которого связан с воздушно-аммиачным радиатором (16) выход из которого связан с входом в выходное сопло воздушного охлаждения и вентиляции помещений (24); далее: заборник воздуха помещений (25) связан с входом в центробежный нагнетатель (3) выход из которого связан с входом в воздушно-аммиачный радиатор (4) выход из которого связан с выходным соплом воздушного охлаждения и вентиляции помещений (30); далее: выход аммиачного компрессора (10) связан с входом в аммиачно-воздушный теплообменник (11) выход из которого связан с входом в управляемый редукционный клапан (13) выход из которого связан с входом в аммиачно-воздушный теплообменник (8) выход из которого связан с входом в аммиачный компрессор (10); далее: центробежный нагнетатель (7), аммиачный компрессор (10), электродвигатель (17), центробежный нагнетатель (3) - все установлены на одном валу.
min
max
Термореле (18) включения и выключения электродвигателя (17) отрегулировано на включение электродвигателя при T=293 К (+20°С) минимальная температура воздуха в помещении и на выключение электродвигателя (17) при T=298 К (+25°С) максимальная температура воздуха в помещении.
1
н
Термореле (15) отрегулировано на обеспечение температуры АТН, T=T'-10°С
Реле давления 35 отключается, реле давления 34 включается.
3
3
2
2
max
н
Аммиачный тепловой насос отбирает тепло от воздуха помещений и с добавкой тепла полученного от сжатия паров NH в аммиачном компрессоре (10) АТН передает суммарное тепло, при конденсации паров NH аммиачно-воздушном теплообменнике (11), атмосферному воздуху движущемуся в воздушно-аммиачном радиаторе (4). Температура Т - const и равна T=T+10°С. Температура атмосферного воздуха поступающего в воздушно-аммиачный радиатор (4) равна T'
Термореле (33) отключено.
3
2
3
1
4
Реостат (31) установлен на постоянные обороты электродвигателя (17). Реле давления (34) обеспечивает постоянство давления NH(P=P) при изменении давления (Р=Р).
1
3
1
1
1
Температура (T) кипения NH является функцией давления P, т.е. T=F(P) и обеспечивается редукционным клапаном (13), реверсивным электродвигателем (14) и термореле (15).
Работа «Устройства и способа воздушного отопления воздушного охлаждения и вентиляции помещений» в режиме охлаждения и вентиляции помещений
(см. кинематическую схему «режим охлаждения фиг.1(б), 2(б))
В этом случае запорные вентили (21) (22) (27) и (28) закрываются, а запорные вентили (20) (23) (26) и (29) открываются.
Термореле (15) отключается. Реле давления (34) отключается, реле давления (35) включается.
2
max
Электродвигатель (17) совместно с реостатом (31), реверсивным электродвигателем (32) и термореле (33) обеспечивает температуру T=T+10°С;
2
3
2
2
2
Температура (T) конденсации NH является функцией давления (Р), т.e. T=Ф(Р) и обеспечивается термореле (33), реостатом (31) и электродвигателем (17).
max
min
1
4
2
3
Реверсивное термореле (18) включает электродвигатель (17) при (T=298°K) и выключает электродвигатель при (T=293°K). Реле давления (35) обеспечивает постоянство давления (P=Р). При изменении давления (P=P).
max
T - максимально допустимая температура помещений.
min
T - минимально допустимая температура помещений.
Изготовление «Устройства и способа воздушного отопления воздушного охлаждения и вентиляции помещений» возможно, так как указанные на кинематической схеме (см. фиг.1) узлы и агрегаты широко используются в технике (электродвигатели, тепловые насосы, теплообменники, радиаторы, запорные вентили).
Изготовление «Устройства и способа воздушного отопления воздушного охлаждения и вентиляции помещений» подтверждается элементарным термодинамическим расчетом.
<mrow><mi>C</mi><mi>p</mi><mfrac><mrow><mi>к</mi><mi>к</mi></mrow><mrow><mi>к</mi><msup><mi>г</mi><mi>о</mi></msup></mrow></mfrac></mrow>
Расчет производим в удельных параметрах по теплосодержаниям и абсолютным температурам с учетом изменения теплосодержания атмосферного воздуха при постоянном давлении (
) с изменением температуры Т К.
Расчет аммиачного теплового насоса при работе «Устройства и способа воздушного отопления воздушного охлаждения и вентиляции помещений» в режиме воздушного отопления и вентиляции помещений
(см. кинематическую схему «Устройства и способа воздушного отопления воздушного охлаждения и вентиляции помещений» работающего в режиме отопления).
max
Принимаем: T=298 К (+25°С) - максимальная температура помещений
min
T=293 K (+20°C) - минимальная температура помещений
н
Т'=263 К (-10°С)
При этих условиях параметры АТН
1
4
н
T=T=(T'-10°С)=263-10=253°К (-20°С)
2
3
max
T=T=(T+10°С)=298+10=308°K (+35°С)
1
4
Соответственно давление аммиака в контуре АТН в зоне кипения аммиака (аммиачно-воздушного теплообменника (8)) при T=T=253°К рассчитываем, используя термодинамические экспериментальные данные изложенные в справочнике тепло-физических свойств аммиака.
<mrow><msub><mi>P</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>P</mi><mn>4</mn></msub><mo>=</mo><mn>1,9644</mn><mfrac><mrow><mi>к</mi><mi>г</mi></mrow><mrow><mi>с</mi><msup><mi>м</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>−</mo><mi>f</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>T</mi><mi>н</mi><mo>'</mo></msubsup><mi>K</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>P</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>P</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><mn>13,7999</mn><mfrac><mrow><mi>к</mi><mi>г</mi></mrow><mrow><mi>с</mi><msup><mi>м</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>−</mo><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>n</mi><mi>s</mi><mi>t</mi></mrow>
308
2
3
2
3
0
<mrow><mfrac><mrow><mi>к</mi><mi>г</mi></mrow><mrow><mi>с</mi><msup><mi>м</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>
Q  - тепло конденсации аммиака при Т=Т=308 K и Р=Р=13,7999
<mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mn>308</mn></mrow></msub><msup><mrow /><mn>0</mn></msup><mo>=</mo><mn>276,75</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><mn>276,75</mn><mo>−</mo><mn>266,384</mn></mrow><mrow><mn>10</mn></mrow></mfrac><mo>×</mo><mn>8</mn><mo>=</mo><mn>268,4572</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>к</mi></mrow>
<mrow><msub><mi>S</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mn>9,993</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><mn>9,993</mn><mo>−</mo><mn>9,88</mn></mrow><mrow><mn>10</mn></mrow></mfrac><mo>×</mo><mn>8</mn><mo>=</mo><mn>9,9817</mn><mfrac><mrow><mi>к</mi><mi>Д</mi><mi>ж</mi></mrow><mrow><mi>к</mi><msup><mi>г</mi><mn>0</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>S</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><mn>6,128</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><mn>6,286</mn><mo>−</mo><mn>6,128</mn></mrow><mrow><mn>10</mn></mrow></mfrac><mo>×</mo><mn>8</mn><mo>=</mo><mn>6,2544</mn><mfrac><mrow><mi>к</mi><mi>Д</mi><mi>ж</mi></mrow><mrow><mi>к</mi><msup><mi>г</mi><mn>0</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>
253
1
4
1
4
0
<mrow><mfrac><mrow><mi>к</mi><mi>г</mi></mrow><mrow><mi>с</mi><msup><mi>м</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>
Q  - тепло кипения аммиака при T=Т=253 К; P=P=1,9644
.
<mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mn>253</mn></mrow></msub><msup><mrow /><mn>0</mn></msup><mo>=</mo><mn>253</mn><mfrac><mrow><msub><mi>S</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>S</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mrow><mn>4,1868</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>253</mn><mfrac><mrow><mn>9,9817</mn><mo>−</mo><mn>6,2544</mn></mrow><mrow><mn>4,1868</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>225,2333</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>к</mi></mrow>
ак
ак
308
253
0
0
Q - тепло эквивалентное мощности потребной, для привода аммиачного компрессора (10) Q=Q -Q =268,4572-225,2333=43,2239 кк
э
Эффективный КПД при производстве электроэнергии η=0,4.
от
э
Экономия электроэнергии при воздушном отоплении помещений, в нашем случае, составляет η=βη.
<mrow><mi>β</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mn>308</mn></mrow></msub><msup><mrow /><mn>0</mn></msup></mrow><mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>а</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>268,4572</mn></mrow><mrow /></mfrac><mn>43,2239</mn><mo>=</mo><mn>6,2</mn></mrow>
<mrow><msub><mi>η</mi><mrow><mi>о</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>6,2</mn><mo>×</mo><mn>0,4</mn><mo>=</mo><mn>2,48</mn></mrow>
от
η=2,48 экономия электроэнергии 148%
Расчет аммиачного теплового насоса при работе «Устройства и способа воздушного отопления воздушного охлаждения и вентиляции помещений» в режиме воздушного охлаждения и вентиляции помещений
(см. кинематическую схему «Устройства и способа воздушного отопления воздушного охлаждения и вентиляции помещений» режим охлаждения).
max
Принимаем: T=298 K (+25°С) - максимальная температура помещений
min
T=293 K (+20°С)- минимальная температура помещений
н
T'=313 K (+40°С)
При этих условиях параметры АТН
1
min
2
н
T=T-10°C; T=T'+10°C
max
Принимаем: T=298 K (+25°С)- максимальная температура помещений
min
T=293 K (+20°С) - минимальная температура помещений.
н
T'=313 K (+40°С)
При этих условиях параметры АТН
2
T=313+10=323 K (+50°С)
1
Т=293-10=283 K (+10°С)
1
4
Соответственно давление аммиака в контуре АТН в зоне кипения аммиака (аммиачно-воздушный радиатор (16)) при T=Т=283°K рассчитываем, используя термодинамические экспериментальные данные изложенные в справочники теплофизических свойств аммиака
<mrow><msub><mi>P</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>P</mi><mn>4</mn></msub><mo>=</mo><mn>5,6306</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><mn>7,9112</mn><mo>−</mo><mn>5,6306</mn></mrow><mrow><mn>10</mn></mrow></mfrac><mo>×</mo><mn>3</mn><mo>=</mo><mn>6,3147</mn><mfrac><mrow><mi>к</mi><mi>г</mi></mrow><mrow><mi>с</mi><msup><mi>м</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>P</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>P</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><mn>19,0408</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><mn>24,7142</mn><mo>−</mo><mn>19,0408</mn></mrow><mrow><mn>10</mn></mrow></mfrac><mo>×</mo><mn>3</mn><mo>=</mo><mn>20,7428</mn></mrow>
323
Q- тепло конденсации аммиака при
<mrow><msub><mi>T</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>T</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><msup><mrow><mn>323</mn></mrow><mi>o</mi></msup><mi>K</mi><mo>=</mo><mn>255,5400</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><mn>255,54</mn><mo>−</mo><mn>243,455</mn></mrow><mrow><mn>10</mn></mrow></mfrac><mo>×</mo><mn>3</mn><mo>=</mo><mn>251,9145</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>к</mi></mrow>
<mrow><msub><mi>S</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mn>9,7760</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><mn>9,776</mn><mo>−</mo><mn>9,68</mn></mrow><mrow><mn>10</mn></mrow></mfrac><mo>×</mo><mn>3</mn><mo>=</mo><mn>9,7472</mn><mfrac><mrow><mi>к</mi><mi>Д</mi><mi>ж</mi></mrow><mrow><mi>к</mi><msup><mi>г</mi><mi>о</mi></msup></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>S</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><mn>6,4400</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><mn>6,593</mn><mo>−</mo><mn>6,44</mn></mrow><mrow><mn>10</mn></mrow></mfrac><mo>×</mo><mn>3</mn><mo>=</mo><mn>6,4859</mn><mfrac><mrow><mi>к</mi><mi>Д</mi><mi>ж</mi></mrow><mrow><mi>к</mi><msup><mi>г</mi><mi>о</mi></msup></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mn>283</mn></mrow></msub><msup><mrow /><mn>0</mn></msup><mo>=</mo><mn>283</mn><mfrac><mrow><msub><mi>S</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>S</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mrow><mn>4,1868</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>283</mn><mfrac><mrow><mn>9,7472</mn><mo>−</mo><mn>6,4859</mn></mrow><mrow><mn>4,1868</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>220,4423</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>к</mi></mrow>
<mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>а</mi><mi>к</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>Q</mi><mrow><mn>323</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>Q</mi><mrow><mn>283</mn></mrow></msub><msup><mrow /><mn>0</mn></msup><mo>=</mo><mn>251,9145</mn><mo>−</mo><mn>220,4423</mn><mo>=</mo><mn>31,4722</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>к</mi></mrow>
<mrow><mi>β</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mn>308</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>а</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>251,9145</mn></mrow><mrow><mn>31,4722</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>8,0043</mn></mrow>
от
э
η=βη=8,0043×0,4=3,2 экономия электроэнергии 220%.