Результат интеллектуальной деятельности: ТЕПЛОНАСОСНАЯ ЭНЕРГОСНАБЖАЮЩАЯ УСТАНОВКА

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для снабжения теплом, холодом и электроэнергией автономных объектов от тихоходных источников дешевой механической энергии, в частности ветро- и гидродвигателей, колесных приводов железнодорожных вагонов и т.п.

Широко известны парокомпрессорные тепловые насосы в том числе и со струйными аппаратами, например устройство для трансформации тепловой энергии по патенту РФ №2161759, МПК F25B 30/02, включающее циркуляционный контур с установленным в нем последовательно испарителем, струйным аппаратом, охладителем, дросселем или детандером и коммуникациями для подачи в струйный аппарат дополнительных потоков пара и жидкости. Эти коммуникации подключают струйный аппарат к циркуляционному контуру на участке между охладителем и дросселем (детандером) с возможностью подачи жидкости, а в циркуляционном контуре на участке между струйным аппаратом и испарителем устанавливают компрессор. При этом в коммуникациях имеется дополнительный насос для перекачки жидкости, а между охладителем и дросселем установлена разделительная емкость.

Благодаря введению пароструйного аппарата энергетическая эффективность такой установки получается значительно выше, чем у обычных парокомпрессорных кондиционеров, холодильников и других подобных устройств.

К сожалению, все устройства, использующие фазовый переход рабочего тела, имеют ограниченный рабочий диапазон температур и область применения, которые обусловлены конкретной температурой его испарения и конденсации. При этом в качестве рабочего тела обычно используется довольно ядовитый фреон, аммиак и другие летучие вещества.

Известно также теплохолодильное устройство с гетерогенным рабочим телом по патенту РФ №2319912, МПК F25B 9/04, выбранное в качестве прототипа, содержащее контуры циркуляции рабочего тела с его компрессором, дросселем и теплообменниками нагрева и охлаждения. Выход компрессора соединен с тангенсальным патрубком отделителя, у которого верхний патрубок соединен со входом газового детандера, а нижний - с жидкостным дросселем, соединенным через теплообменник нагрева с входным соплом инжектора входного патрубка компрессора. Боковой патрубок инжектора соединен через теплообменник охлаждения с выходом детандера, механически или электрически связанного с приводом компрессора. Использование в таком устройстве гетерогенного рабочего тела в виде пены из нейтральной высококипящей жидкости и инертного газа позволяет обойтись без фазового перехода безвредного рабочего тела и тем самым расширить рабочий диапазон температур и снизить давление в теплообменниках нагрева и охлаждения.

Существенным недостатком такого устройства является необходимость в использовании тихоходного компрессора с большим рабочим объемом и производительностью, что делает его слишком громоздким и дорогим.

Технической задачей заявляемого изобретения является уменьшение весогабаритных характеристик энергоснабжающей установки и расширение ее функциональных возможностей.

Для решения поставленной задачи заявляется теплонасосная энергоснабжающая установка с гетерогенным рабочим телом в виде пенообразной смеси из нейтральной жидкости и инертного газа, содержащая контуры циркуляции жидкой и газообразной части рабочего тела с теплообменниками нагрева и охлаждения, регулируемым дросселем, детандером и адиабатным компрессором с пеногенератором и вихревым разделителем. Смесительная сетка пеногенератора непосредственно подключена ко входу пассивной среды эжекторного компрессора, у которого входное сопло активной среды соединено с выходом гидронасоса, соединенного своим входом с регулируемым дросселем и горячим теплообменником жидкостного контура, подключенного к нижнему жидкостному патрубку вихревого разделителя, присоединенного своим тангенциальным патрубком к выходному диффузору эжекторного компрессора через змеевик термоизолированной духовки, а верхним газовым патрубком - к первому каналу регенеративного теплообменника, связанного со входом детандера. Выход детандера через холодный теплообменник и второй канал регенеративного теплообменника соединен с газовым входом пеногенератора, соединенного своим жидкостным входом с регулируемым дросселем, подключенным ко входу гидронасоса с тихоходным силовым приводом, которые через обгонную муфту и согласующий редуктор кинематически соединены с детандером и быстроходным электрогенератором.

При этом жидкостный вход пеногенератора снабжен многосопловым инжектором с центральным телом в виде кольцевого венца конической косозубой шестерни, а его смесительная сетка выполнена из конической пружины, установленной коаксиально входному соплу активной среды эжекторного компрессора. Газовый вход пеногенератора может быть выполнен в виде трубчатой улитки с внутренними тангенциальными отверстиями, охватывающими его конусообразную смесительную сетку, и дополнительно соединен с ресивером в виде понижающего газового редуктора и высоконапорного баллона с инертным газом аргоном, а выход гидронасоса через предохранительный клапан соединен с нижним жидкостным патрубком вихревого разделителя.

В предлагаемом устройстве в отличие от вышеуказанного аналога струйный аппарат сжимает не чистый газ, а пенообразную смесь жидкости и газа, которая увлекается струей жидкости гораздо более эффективно, чем чистый газ или пар. Тогда как в отличие от прототипа тихоходный привод при помощи гидронасоса прокачивает лишь относительно небольшие объемы жидкости, плотность которой в сотни раз выше, чем у газа, что позволяет уменьшить необходимый рабочий объем гидронасоса с эжекторным компрессором и габариты всей энергоснабжающей установки.

Следовательно, она удовлетворяет критериям изобретения - «изобретательский уровень» и «новизна».

Сущность изобретения поясняется принципиальной схемой установки, представленной на прилагаемом чертеже.

Предложенная установка содержит гидронасос 1 высокого давления P_max, который кинематически связан с тихоходным механическим приводом 2 и обгонной муфтой 3. Обойма этой муфты также связана с редуктором 4, а через него и с высокооборотным электрогенератором 5, который вращается детандером 6. Выход гидронасоса 1 соединен с предохранительным клапаном 7 и входным соплом активной среды 8 эжекторного компрессора 9, у которого выходной диффузор 10 через змеевик термоизолированной духовки 11 присоединен к тангенциальному патрубку вихревого разделителя 12, находящегося под средним выходным давлением эжекторного компрессора Р_с. Нижний жидкостный патрубок вихревого разделителя 12 подключен к выходу предохранительного клапана 7 и через горячий теплообменник 13 жидкостного контура связан со входом гидронасоса 1 и регулируемым дросселем 14, который соединен с жидкостных входом пеногенератора 15, коаксиально смонтированного вокруг вышеупомянутого диффузора 10 эжекторного компрессора 9.

Улитка газового входа 16 пеногенератора размещена вокруг конусообразной сетки 17 смесителя пеногенератора, которая может быть выполнена в виде конической пружины и является непосредственным входом пассивной среды эжекторного компрессора 9. Смесительная сетка установлена напротив кольцевого многосоплового инжектора 18 жидкостного входа 15 пеногенератора.

Этот многосопловой инжектор 18 может быть выполнен в виде кольцевого венца конической косозубой шестерни, установленной в геометрически сопряженной кольцевой насадке (на чертеже не показана).

При этом верхний газовый патрубок вихревого разделителя 12 подключен к первому каналу регенеративного противопоточного теплообменника 19, связанного со входом детандера 6, выход которого через холодный теплообменник 20 и второй канал регенеративного теплообменника 19 соединен с газовым входом 16 пеногенератора и газовым ресивером 21 в виде высоконапорного баллона с аргоном и газовым редуктором, понижающим его давление до входного давления Р_min эжекторного компрессора 1.

Работа предложенного устройства по существу отличается от прототипа лишь сжатием гетерогенного пенообразного тела в оригинальном эжекторном компрессоре 9, на входное сопло активной среды которого подается под большим давлением Р_max жидкая фракция этой пены от гидронасоса 1.

Поскольку скорость звука в пене значительно ниже, чем в чистом газе, то в диффузоре 10 эжекторного компрессора 9 газожидкостная смесь достигает сверхзвуковых скоростей, при которых происходит скачок давления от P_min до Р_с с одновременным выделением тепла, поглощаемого, в основном жидкостью с большой теплоемкостью, без существенного повышения температуры T_max всей гетерогенной среды (пены), то есть практически по изотерме. Поэтому за один цикл прокачки через эжекторный компрессор 9 жидкая фракция в разделителе 12 нагревается всего на несколько градусов.

Тогда как в установившемся режиме ее температура постепенно достигает 100 и более градусов Цельсия, благодаря этому в термоизолированной духовке температура получается достаточно высокой для приготовления пищи, перегонки спирта и даже легких нефтепродуктов. Однако основная теплопередача жидкости в отапливаемое помещение происходит под давлением Р_c и температурой Т_c в горячем теплообменнике 13, подключенном ко входу гидронасоса 1 и регулируемому дросселю 14, который определяет кратность пены, получаемой в смонтированном на эжекторном компрессоре пеногенераторе.

За счет орошающего действия кольцевого душа многосоплового инжектора 18 на конической сетке 17 происходит эффективное смешивание жидкости и пенообразование с газовой фракцией, поступающей через улитку 16.

При этом пенообразная среда хорошо увлекается и сжимается в конфузоре 10 струей жидкости высокого давления P_max, поступающей туда через входное сопло активной среды 8. Тогда как газообразная фракция через верхний патрубок разделителя 12 и первый канал регенеративного противопоточного теплообменника 19 поступает на детандер, где сильно переохлаждается до T_min и подается на холодный теплообменник 20, который может использоваться для охлаждения вышеупомянутых продуктов или в других технологических процессах.

Затем отработанный газ опять проходит через второй канал регенеративного теплообменника 19, где подогревается и поступает на входную улитку пеногенератора 16, где минимальное давление цикла гарантированно поддерживается на заданном уровне P_min газовым ресивером с понижающим редуктором 21. Для утилизации механической энергии детандера 6 используется высокооборотный электрогенератор 5 стандартного выполнения, а в случае его холостого хода - понижающий редуктор 4, который во время холостого хода генератора 5 вращает обгонную муфту 3, возвращая утилизированную энергию обратно в термодинамический цикл работы гидронасоса 1.

Таким образом, осуществление процесса сжатия пенообразного рабочего тела в эжекционном компрессоре без подвижных частей при помощи относительно небольших объемов жидкой фракции, перекачиваемой тихоходным гидронасосом, не только обеспечивает существенное уменьшение весогабаритных характеристик теплового насоса, но и значительно повышает эффективность преобразования дешевой механической энергии альтернативных источников в тепло, холод и электроэнергию в пропорции, которая является оптимальной для среднестатистического потребителя жилищно-коммунальных услуг.

Все вышесказанное подтверждается математическим моделированием такого теплового насоса, что позволяет рассчитать технические характеристики его узлов и общий коэффициент тепловой эффективности в режиме классического теплового насоса с внутренним балансом энергии, когда работа детандера возвращается в рабочий цикл, или термомультипликатора с разделением работ и внешней выработкой электроэнергии, то есть устройства типа «три в одном». В режиме обычного теплового насоса предложенное устройство создает в стандартных условиях коэффициент тепловой эффективности 5-7 единиц, а в качестве термомультипликатора - гораздо меньше, но при этом обеспечивает потребителей всеми необходимыми видами энергии - теплом, холодом, электричеством и даже сжатым газом, который сейчас считается «четвертой услугой ЖКХ».