Компактный компрессионный тепловой насос

Изобретение относится к области теплотехники, в частности - к теплонаносным устройствам. Оно может быть использовано в системах теплоснабжения жилых и производственных объектов, преобразующих тепловой ресурс окружающей среды либо утилизирующих теплоту промышленных сбросов.

Известно много вариантов теплового насоса, представляющего собой установку, в которой осуществляется обратный цикл Карно и которая переносит тепловую энергию от теплоотдатчика с низкой температурой (обычно окружающей среды) к теплопередатчику с высокой температурой за счет затраты энергии (см. Политехнический словарь, издание 3. М.: Советская энциклопедия, 1989). Существующие тепловые насосы используют температуру охлаждаемой среды, в основном, геотермальных вод (10-40°С), грунта и грунтовой воды (2-5°С), пресной и морской воды (3-7°С), воздуха (от -5°С и выше), сточных вод и тепловых сбросов (от +5°С и выше).

Известна теплонасосная установка, включающая образованный линиями высокого и низкого давления контур, заполненный рабочим веществом - диоксидом углерода (СО₂), содержащий регенеративный теплообменник "газ высокого давления - газ низкого давления", испаритель, включающий контур источника низкопотенциальной теплоты, компрессор, линия высокого давления которого подключена противотоком к соединенным последовательно высокотемпературному и низкотемпературному теплообменникам "газ - теплофикационная вода", а линия низкого давления подключена к выходу низкого давления регенеративного теплообменника, при этом выход высокотемпературного теплообменника теплофикационной воды подключен к входу низкотемпературного теплообменника теплофикационной воды, выход низкотемпературного теплообменника теплофикационной воды подключен к входу высокого давления регенеративного теплообменника, а выход испарителя - к входу низкого давления регенеративного теплообменника, а также привод компрессора (см. патент РФ 2034205, МПК F25В 11/00, 1992 г.). Однако известная теплонасосная установка обладает недостаточной энергетической эффективностью передачи теплоты от источника низкого потенциала к теплофикационной воде и воде горячего водоснабжения, не обеспечивает автоматическое поддержание заданного давления рабочего вещества в линии высокого давления установки, не обеспечивает оптимальную дозированную подачу жидкого диоксида углерода (СО2) в испаритель, а также имеет недостаточную долговечность теплообменников горячего водоснабжения.

Весьма оригинальной конструкцией варианта рассматриваемых устройств является тепловой насос (см. патент РФ №2116586, МПК F25B 30/02, 1998 г.), в котором, как и в других подобных устройствах, последовательно соединены испаритель, компрессор и конденсатор. Компрессор имеет привод от электродвигателя, а конденсатор снабжен патрубком для слива конденсата. Испаритель состоит из замкнутой емкости с размещенными в ней устройством для мелкодисперсного распыления воды низкопотенциального контура и паросборником. Испаритель через рециркуляционный насос включен в низкопотенциальный контур. Конденсатор через рециркуляционный насос включен в высокопотенциальный контур. Устройство для мелкодисперсного распыления состоит из центрального раздающего трубопровода для подачи воды низкопотенциального контура и сообщенных с ним кольцевых трубопроводов с распыливающими форсунками. Кольцевые трубопроводы установлены с шагом на центральном трубопроводе, а форсунки каждого кольцевого трубопровода имеют различную длину.

Данный тепловой насос наряду с высокой эффективностью его работы вследствие использования в качестве хладагента водяного пара, имеющего по сравнению с другими хладагентами наибольшую скрытую теплоту испарения, обеспечивает полную экологическую безопасность при любых аварийных ситуациях.

В тепловом насосе (по патенту РФ №2238488, МПК F25B 30/02, 2004 г.), состоящем из конденсатора и испарителя, каждый из которых выполнен в виде теплообменника типа труба в трубе, компрессора и дросселирующего устройства, внешний и внутренний трубопроводы теплообменника выполнены в виде спиралей, имеющих форму винтовой линии с одинаковым средним диаметром и шагом витков спирали, причем патрубок ввода нагреваемой жидкости расположен со стороны выхода теплоносителя, а патрубок вывода нагреваемой жидкости расположен со стороны входа теплоносителя. При этом конденсатор и испаритель могут быть размещены следующим образом: конденсатор над испарителем, а компрессор внутри испарителя.

Из всех рассмотренных аналогов наибольшим сходством с заявляемым обладает этот тепловой насос, который можно принять за прототип.

Не останавливаясь на присущих каждому аналогу собственных недостатках устройств, следует отметить их общий недостаток - сложность и громоздкость конструкции, негативно сказывающиеся на стоимости изготовления, монтажа и обслуживания, величине потерь энергии, безопасности эксплуатации.

Задачей при разработке заявляемого устройства стало создание теплового насоса с плотной компоновкой его элементов в общем корпусе и без указанных недостатков.

Ее решением стала предлагаемая конструкция компрессионного теплового насоса, содержащего испаритель, компрессор, конденсатор, теплообменники и дроссельное устройство, в которой все компоненты насоса составляют единый блок, размещенный в общем корпусе (за исключением приводного двигателя), при этом - согласно изобретению - его испаритель, компрессор, конденсатор с теплообменником и дроссельное устройство представляют собой единую конструкцию, а испаритель имеет развитую поверхность испарения теплоносителя в виде системы распределительных каналов по внутреннему оребрению днища испарителя.

Представленная совмещенная конструкция с развитой поверхностью испарения позволяет предельно снизить габаритные размеры и массу теплового насоса, а также его теплопотери, упростить конструкцию, что создаст возможность освоить производство данного оборудования с определенным размерным рядом, облегчить монтаж и эксплуатацию.

Описание заявляемого теплового насоса поясняется изображением его общего вида, показанного на фиг. 1, разреза внутреннего ребра низкотемпературного теплообменника - фиг. 2, дроссельного устройства с конденсатосборником - фиг. 3.

Заявляемый компрессионный тепловой насос (КТН) имеет корпус 1 (фиг. 1), его верхняя часть оснащена высокотемпературным теплообменником 2 и имеет наружную теплоизоляцию, показанную штрихпунктирной линией. Нижней частью корпуса 1 является испаритель с низкотемпературным теплообменником 3. Последний оснащен внешним оребрением 4 и внутренними - радиальными - ребрами 5 с каналами сброса конденсата (фиг. 2). Внутри верхней части корпуса 1 установлен компрессор 6, например, осевой с приводом от электродвигателя (стандартной частоты или высокочастотного).

При использовании первичного теплового ресурса воздушной среды либо воды малых рек привод компрессора может иметь ветродвигатель или гидротурбину.

Между корпусом компрессора и стенкой корпуса 1 КТН расположен конденсатор 7 паров хладагента, ребра которого расположены по винтовой линии, совпадающей по направлению с траекторией движения вихревого потока хладагента. Поверхность корпуса компрессора, являющаяся внутренней стенкой конденсатора 7, теплоизолирована. Внизу конденсатора 7 по всему периметру его кольцеобразного днища расположены отверстия 8, над которыми может устанавливаться регулирующее их просвет кольцо (на фиг. 3 оно показано в тонких линиях). Эти отверстия являются дросселями контура циркуляции хладагента. Под днищем имеется конденсатосборник 9 с кольцевой щелью 10 для сброса конденсата на стенку испарителя.

Работа КТН в принципе не отличается от функционирования известных тепловых насосов. Пары хладагента сжимаются компрессором 6, далее их вихревой поток обтекает оребренную поверхность конденсатора 7, где тепло через стенку теплообменника 2 передается протекающему по нему теплоносителю. Сбросивший температуру хладагент при высоком давлении конденсируется и проходит через дроссельные отверстия 8 в конденсатосборник 9 и далее через кольцевой зазор 10 в испаритель. Стекая тонкой пленкой по его внутренней стенке, он частично попадает в распределительные каналы радиальных ребер 5, смачивает поверхность последних и, таким образом, использует максимальную площадь теплообмена с внешним теплоносителем через теплообменник 3 с наружным оребрением 4. Испаренный в результате такого теплообмена в условиях низкого (ниже атмосферного) давления хладагент снова попадает в компрессор.

При использовании тепла промышленных сбросов и других источников с передачей теплоносителя по трубопроводу внешнее оребрение теплообменника 3 имеет оболочку (на фиг. 1 показана тонкой линией).

Описанный КТН в виде единого блока в общем корпусе упрощает его изготовление, установку и эксплуатацию, позволяет использовать его в самых разных условиях, и это обеспечит ему должную востребованность.