Результат интеллектуальной деятельности: ТЕПЛОНАСОСНАЯ УСТАНОВКА

Изобретение относится к теплотехнике, а более конкретно к теплонасосным установкам.

Известна теплонасосная установка, содержащая испаритель, паровой компрессор с приводом, сообщенный с испарителем и конденсатор, сообщенный с компрессором (а.с. СССР №1478000, кл. F25B 29/00, оп. 1989 г.).

В известной установке испаритель, компрессор и конденсатор пространственно располагаются отдельно друг от друга и соединены между собой трубопроводами. Поэтому коэффициент преобразования тепла такой установки оказывается невысоким за счет больших потерь тепла через стенки соединительных трубопроводов и развитую поверхность стенок испарителя, компрессора и конденсатора, что является показателем низкой эффективности установки. Одновременно, недостаточно высока и надежность такой установки, вследствие наличия большого количества стыков трубопроводов с элементами установки.

Наиболее близкой к заявленной является теплонасосная установка, содержащая размещенный в замкнутой емкости испаритель, паровой компрессор с приводом, сообщенный с паровым каналом паросборника испарителя и выполненный в виде замкнутой емкости конденсатор, сообщенный с компрессором (а.с. СССР №2116586, кл. F25B 30/02, оп. 1998 г.).

В этой установке испаритель, компрессор и конденсатор пространственно располагаются отдельно друг от друга и соединены между собой трубопроводами. Поэтому коэффициент преобразования тепла такой установки оказывается невысоким за счет больших потерь тепла через стенки соединительных трубопроводов и развитую поверхность стенок испарителя, компрессора и конденсатора, что является показателем низкой эффективности установки. Одновременно, недостаточно высока и надежность такой установки, вследствие наличия большого количества стыков трубопроводов с элементами установки.

Изобретение направлено на решение задачи создания более надежной и более эффективной установки.

Технический результат заключается в повышении надежности установки и увеличении коэффициента преобразования тепла.

Указанный технический результат достигается тем, что в теплонасосной установке, содержащей выполненный в виде замкнутой емкости испаритель, снабженный патрубками подвода и отвода воды, компрессор с приводом, сообщенный с паровым каналом испарителя, а также выполненный в виде замкнутой емкости и снабженный патрубком отвода конденсатор, сообщенный с компрессором, вход компрессора размещен непосредственно в паровом канале испарителя, его выход - в полости конденсатора, а корпус компрессора герметично установлен в стенках емкостей испарителя и конденсатора или в общей для емкостей испарителя и конденсатора стенке.

Указанный результат достигается также тем, что в испарителе паровой канал отделен от остального пространства испарителя кольцевым жалюзийным водоотделителем, уплотненным относительно корпуса компрессора и емкости испарителя.

Указанный результат достигается также тем, что в качестве привода компрессора использована паровая турбина, размещенная в полости конденсатора и снабженная каналами подвода и отвода пара.

Указанный результат достигается также тем, что вход паровой турбины обращен к выходной ступени компрессора.

Указанный результат достигается также тем, что канал отвода пара от паровой турбины размещен внутри канала подвода пара к турбине.

Указанный результат достигается также тем, что корпус компрессора на его выходе выполнен в виде диффузора.

На чертеже показан вариант конструктивного выполнения теплонасосной установки.

Теплонасосная установка (показана в рабочем пространственном положении) содержит испаритель 1, конденсатор 2 и компрессор 3 с приводом в виде паровой турбины 4. Испаритель 1 выполнен в виде цилиндрической замкнутой емкости, образованной верхней стенкой 5, боковой стенкой 6 и нижней стенкой 7. Испаритель 1 снабжен патрубком 8 подвода воды, подсоединенным к распылителю 9 воды, размещенному в полости испарителя 1, и патрубком 10 отвода воды из испарителя. Конденсатор 2 также выполнен в виде замкнутой цилиндрической емкости, образованной нижней стенкой 11, боковой стенкой 12 и верхней стенкой 7, являющейся одновременно (как было указано выше) нижней стенкой для испарителя 1. Таким образом, стенка 7 является общей для емкости испарителя 1 и емкости конденсатора 2. При этом испаритель 1 и конденсатор 2 расположены ярусами, т.е. один над другим. Вместе с тем, ярусное расположение испарителя 1 и конденсатора 2 не является единственно возможным для описываемого варианта выполнения теплонасосной установки. Конденсатор 2 снабжен патрубком 13 отвода конденсата. В общей стенке 7 герметично установлен (в частном случае, герметично закреплен) корпус 14 компрессора 3, выполненного, например, в виде осевой лопаточной машины. Корпус 14 компрессора установлен таким образом, что он пронизывает общую для испарителя и конденсатора стенку 7, выступая в полость испарителя 1 и в полость конденсатора 2. В кольцевом пространстве между корпусом 14 компрессора 3 и боковой стенкой 6 испарителя, над оросителем 9, размещен жалюзийный водоотделитель 15, своим входом (т.е. входным сечением) 16 обращенный к оросителю 9. Пространство испарителя 1, расположенное за выходом (т.е. за кольцевым выходным сечением) 17 водоотделителя 15, представляет собой паровой канал 18 испарителя 1. В паровом канале 18 находится (размещается) вход (т.е. плоскость входного сечения) 19 компрессора 3, выход (т.е. плоскость выходного сечения) 20 которого находится (размещается) в полости конденсатора 2. Жалюзийный водоотделитель 15 имеет кольцевую форму, уплотнен относительно корпуса 14 (его наружной поверхности) компрессора 3, а также относительно боковой стенки 6 испарителя 1, и отделяет паровой канал 18 испарителя 1 от остального пространства испарителя 1. В полости конденсатора 2 размещен теплообменник 21, снабженный трубопроводами подвода и отвода охлаждающей среды, а также паровая турбина 4, снабженная каналом 22 подвода пара и каналом 23 отвода пара. При этом канал 23 отвода пара от паровой турбины 4 размещен внутри канала 22 подвода пара к ней. Оптимальным является коаксиальное расположение каналов 22 и 23. Сама паровая турбина 4 размещена таким образом, что ее вход 24 обращен к выходной ступени 25 компрессора 3. Корпус 14 компрессора 3 в его выходной части выполнен в виде диффузора 26.

Возможен другой вариант выполнения теплонасосной установки (не требующий отдельного графического пояснения), при котором емкости испарителя 1 и конденсатора 2 не имеют стенок, общих для обеих емкостей. При таком варианте выполнения корпус 14 компрессора герметично установлен как в стенке испарителя 1 (пронизывая ее), так и в стенке конденсатора 2 (также пронизывая ее). При ярусном расположении емкостей (испаритель над конденсатором) упомянутыми стенками будут, соответственно, нижняя стенка испарителя и верхняя стенка конденсатора. При этом указанные стенки могут как соприкасаться (емкость испарителя может быть поставлена непосредственно на емкость конденсатора и в этом случае конвективные теплопотери будут минимальны), так и могут находиться на некотором расстоянии друг от друга (между емкостями испарителя 1 и конденсатора может существовать зазор).

Цилиндрическая и одинаковая (или подобная) форма емкостей испарителя 1 и конденсатора 2 не является единственно возможной. В более общем виде емкости испарителя 1 и конденсатора 2 могут иметь произвольную и, при этом различающуюся форму.

Необходимыми для достижения заявленного результата в первом из описанных вариантов выполнения теплонасосной установки (с общей для испарителя и конденсатора стенкой 7) являются герметичная установка в упомянутой общей стенке корпуса компрессора 3, а также непосредственное размещение входа 19 компрессора 3 в паровом канале испарителя, а выхода 20 компрессора 3 в полости конденсатора 2.

Для второго из описанных вариантов теплонасосной установки необходимыми являются герметичная установка корпуса компрессора 3 в стенке испарителя 1 и в стенке конденсатора 2, а также непосредственное размещение входа 19 компрессора 3 в паровом канале испарителя, а выхода 20 компрессора 3 в полости конденсатора 2. В том случае, если емкости испарителя и конденсатора установлены с зазором друг от друга, целесообразно принять дополнительные меры по снижению утечек тепла из зазора (по меньшей мере, конвективных), например, разместив в зазоре теплоизоляцию.

В общем случае, как при одинаковых, так и при различающихся по форме и поперечным размерам испарителе 1 и конденсаторе 2, их технологически наиболее удобно выполнять как единую емкость с герметичной внутренней перегородкой, которая и будет являться общей стенкой 7, разделяющей указанную общую емкость на испаритель и конденсатор.

Под термином «корпус компрессора» в заявке понимается не только непосредственно оболочка, внутренняя поверхность которой формирует проточную часть компрессора, но в это понятие заявитель включает также и любые другие элементы, обеспечивающие герметичную установку корпуса в общей для емкостей испарителя и конденсатора стенке (для первого варианта выполнения установки) или его герметичную установку как в стенке испарителя, так и в стенке конденсатора (для второго варианта выполнения установки). В качестве таких элементов могут быть использованы любые известные в технике элементы, например элементы фланцевых соединений.

Теплонасосная установка работает следующим образом.

Теплая вода от низкопотенциального источника тепла (не показан) через патрубок 8 подвода воды напрямую или через распылитель 9 поступает во внутреннее пространство испарителя 1, в котором, благодаря работе компрессора 3, создается вакуум с величиной давления, соответствующей точке кипения воды при данной температуре. Так, например, в диапазоне температур 35...60°С давление поддерживают в пределах 0,04...0,1 кг/см². В вакууме вода вскипает и образовавшийся пар вместе с каплями воды поступает на вход 16 жалюзийного водоотделителя 15, на котором осаждается вода в виде капельной влаги. Капли воды стекают вниз и скапливаются в донной части емкости испарителя 1 над нижней его стенкой 7. По патрубку 10 избыток охлажденной воды отводится из испарителя 1. С выхода 17 жалюзийного водоотделителя 15 сухой пар движется по паровому каналу 18 испарителя и поступает непосредственно на вход 19 компрессора 3. Компрессор 3 приводится во вращение паровой турбиной 4, подвод пара к которой осуществляется по каналу 22, а отвод по каналу 23. При сжатии пара в компрессоре 3 его давление и температура повышаются. Сжатый «горячий» пар по кольцевому каналу, образованному наружной стенкой канала 22 подвода пара и стенкой диффузора 26, поступает во внутреннюю полость конденсатора 2. Там происходит конденсация «горячего» пара на поверхности теплообменника 21, размещенного в полости конденсатора 2. При этом тепло от «горячего» пара передается прокачиваемой через теплообменник 21 охлаждающей среде, которая является теплоносителем в системе теплоснабжения (не показана). Выход 20 компрессора 3 должен всегда находиться выше уровня конденсата, скапливающегося в нижней части емкости конденсатора 2. Избыток конденсата отводится его потребителю (не показан) по патрубку 13 отвода.

Описанная конструкция теплонасосной установки, благодаря отсутствию трубопроводов, связывающих компрессор 3 с испарителем 1 и конденсатором 2 имеет меньшее, чем в известных конструкциях количество стыков, по которым при потере их герметичности возможны утечки рабочих сред, неизбежно сопровождающиеся теплопотерями. Этим одновременно достигается и более высокая надежность установки и ее более высокая тепловая эффективность (более высокий коэффициент преобразования тепла). Наряду с этим, тепловая эффективность установки повышается и благодаря уменьшению площадей теплообмена элементов установки с окружающей средой. Это объясняется отсутствием тепловых потерь с поверхностей уже упомянутых трубопроводов, связывающих компрессор 3 с испарителем 1 и конденсатором 2, отсутствием тепловых потерь с поверхности корпуса компрессора 3 (при первом варианте выполнения теплонасосной установки), а также тем, что стенка 7, являющаяся общей для испарителя 1 и конденсатора 2, практически не имеет теплового контакта с окружающей средой (торцевыми теплопотерями можно пренебречь). При втором варианте выполнения теплонасосной установки также происходит существенное уменьшение тепловых потерь с поверхности корпуса 14 и они тем меньше, чем большая часть корпуса 14 компрессора 3 размещается в полостях испарителя 1 и конденсатора 2 и не контактирует (в смысле конвективного теплообмена) с окружающей средой.

Использование тепловой машины - паровой турбины 4 в качестве привода компрессора 3, а также пространственное размещение паровой турбины 3 в полости конденсатора дополнительно обеспечивают повышение тепловой эффективности установки за счет исключения потерь тепла приводного пара (т.е. пара, используемого для привода паровой турбины 4).

Ориентация входа паровой турбины в сторону выходной ступени 25 компрессора 3 дополнительно обеспечивает разгрузку ротора компрессора 3 от осевой силы.

Размещение канала 23 отвода пара от паровой турбины внутри канала 22 подвода пара к паровой турбине 4 дополнительно обеспечивает минимизацию утечек приводного пара в окружающую среду.

Выполнение корпуса 14 компрессора 3 на его выходе в виде диффузора 26 обеспечивает снижение гидравлических потерь за компрессором 3, что также повышает коэффициент преобразования тепла в установке.