Тепловой насос

(51) 25 30/02 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ взаимодействует с низкотемпературными источниками, от которых он отбирает тепловую энергию, а также с объектами тепло- или хладоснабжения,которым подает тепло соответствующего температурного потенциала или охлаждает, снимая с них излишки тепла. В предлагаемом решении сборка теплового насоса осуществляется в следующей последовательности вначале устанавливается испаритель, затем размещается внутри него компрессор(или наоборот),производится соединение трубопровода для хладагента при помощи разъема. Затем устанавливается дросселирующее устройство, которое соединяется при помощи разъема. После этого устанавливается конденсатор, который соединяется разъемами.(76) Омаров Рашит Абдыгаравович Райымбеков Адил Есимханович Байболов Асан Ерболатович Омар Дурен Рашитлы(57) Изобретение относится к тепловым насосам, то есть к устройствам, позволяющим использовать тепло низкотемпературных источников естественного или искусственного происхождения для получения тепловой энергии пригодной для отопления и горячего водоснабжения (5070 С) в жилых домах, промышленных зданиях, а также предприятиях АПК. В отличие от холодильной машины, тепловой насос обладает дополнительными функциями 30004 Изобретение относится к тепловым насосам, то есть к устройствам, позволяющим использовать тепло низкотемпературных источников естественного или искусственного происхождения для получения тепловой энергии пригодной для отопления и горячего водоснабжения (5070 С) в жилых домах, промышленных зданиях, а также предприятиях АПК. Известно Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы. М.Энергоиздат,1982. Янтовский Е.И.,Пустовалов Ю.В. Парокомпрессионные теплонасосные установки. М. Энергоиздат, 1982. Кудинов В.А., Карташов Э.М. Техническая термодинамика. М. Высшая школа, 2000., что тепловой насос работает по тем же термодинамическим циклам, что и холодильная машина. Однако в случае теплового насоса его работа состоит в передаче теплоты от холодного(низкотемпературного) источника тепла с температурой Т 1 например, от наружного воздуха, от солнца, грунта, воды озера или реки, сточных вод и т.д., к более теплому, например, обогреваемому помещению с температурой Т 2, т.е. Т 2 Т 1). Кроме этого, в отличие от холодильной машины, тепловой насос обладает дополнительными функциями взаимодействует с низкотемпературными источниками, от которых он отбирает тепловую энергию, а также с объектами тепло- или хладоснабжения,которым подает тепло соответствующего температурного потенциала или охлаждает, снимая с них излишки тепла. В изобретении (Патент 1170230 МПК 24 11/02 А 01 25/00, опубл. 30.07.85, Бюл. 28) предложена схема теплового насоса, использующего тепловую энергию почвенных вод. Такая система теплоснабжения включает тепловой насос,теплосъемные трубопроводы которого помещены в почвогрунтовом слое. Теплосъемные трубопроводы оборудованы накопителями влаги, каждый из которых выполнен в виде коробчатого экрана из водонепроницаемого материала с мульчирующим слоем на поверхности,снабженным воздуховыпускными отверстиями. В изобретении (Патент 1562611, МПК 24 11/02, опубл. 07.05.1990, Бюл. 17) предложена схема теплового насоса,где источником низкотемпературного тепла служит тепло отходящих дымовых газов,а система теплоснабжения включает контур теплового насоса и контур теплоснабжения, с включенным в него теплоизолированным водогрейным котлом с топочной зоной, где конденсатор теплового насоса выполнен в виде теплообменника труба в трубе и расположен в топочной зоне котла. Изобретение направлено на снижение топливно-энергетических затрат, за счет нового технического решения теплообменника конденсатора. Недостатками известных технических решений являются большие массогабаритные характеристики и низкая эффективность теплообменников испарителя и конденсатора. Известен тепловой насос,содержащий компрессор,испаритель,конденсатор,2 дросселирующее устройство, где с целью повышения эффективности теплопередачи,испаритель и конденсатор выполнены в виде кожуховихревых теплообменников, содержащих патрубки подачи и отвода рабочего агента и патрубки подачи и отвода, соответственно низкотемпературного и высокотемпературного теплоносителя, улиткообразный коллектор с направляющим аппаратом и торцевыми стенками,на внутренней и внешней поверхности которых выполнены микроканалы, а со стороны внешней поверхности установлен кожух (Патент 2 345 295 С 1, МПК 25 30/02, опубл. 27.01.2009,Бюл. 3). Основным недостатком описанного изобретения является громоздкость конструкции и большие массогабариты из-за пространственной разобщенности друг от друга компрессора,испарителя, конденсатора и дросселирующего устройства, а также отсутствие системы охлаждения компрессора, что снижает срок службы и надежность теплового насоса. Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения, принятым за прототип, является тепловой насос (Патент 2238488, МПК 25 30/02,опубл. 20.10.2004 г.),содержащий компрессор,конденсатор,испаритель,дросселирующее устройство, где конденсатор и испаритель выполнены в виде теплообменника типа труба в трубе, трубопроводы теплообменников которых уложены витками одна над другой, по винтовой линии с одинаковым средним диаметром и шагом витков, причем во внутренних трубопроводах циркулирует хладагент, в межтрубном пространстве теплоноситель,при этом,патрубок ввода нагреваемой жидкости расположен со стороны выхода хладагента, а патрубок вывода нагреваемой жидкости со стороны входа хладагента, причем внутренний трубопровод конденсатора через дросселирующее устройство соединен с внутренним трубопроводом испарителя,а внутренний трубопровод испарителя через компрессор соединен с внутренним трубопроводом конденсатора, где конденсатор расположен над испарителем, а компрессор расположен внутри испарителя. Такое техническое решение теплообменников испарителя и конденсатора, позволяющее поместить компрессор внутри испарителя,снижает массогабаритные характеристики теплового насоса при одновременном обеспечении охлаждения компрессора. Основным недостатком данного технического решения является низкая эффективность теплообмена между внутренним трубопроводом теплообменников и омывающим его теплоносителем по следующим причинам- при равенстве длин внутреннего и внешнего трубопроводов, которое имеет место в данном изобретении, внутренний трубопровод не в состоянии реализовать максимум своей потенциальной мощности из-за недостаточной длины и, соответственно, малой площади поверхности теплообмена- при низких скоростях теплоносителя не создается эффект турбулизации потока теплоносителя в межтрубном пространстве, что снижает интенсивность теплообмена между внутренним трубопроводом и омывающим его теплоносителем. Кроме того,компактное размещение компрессора, испарителя, конденсатора друг относительно друга, а именно, расположение конденсатора над испарителем, а компрессора внутри испарителя существенно усложняет доступ к отдельным узлам теплового насоса, усложняя и удорожая процесс сборки и разборки. Задачами заявленного изобретения являются реализация максимума потенциальной мощности внутреннего трубопровода,по которому циркулирует хладагент, что будет способствовать повышению коэффициента преобразования теплового насоса, а также снижение трудоемкости сборки, разборки и эксплуатационных затрат на ремонт. Технический результат достигается благодаря тому, что тепловой насос, содержащий компрессор,конденсатор,испаритель,дросселирующее устройство, где конденсатор и испаритель выполнены в виде теплообменника типа труба в трубе, трубопроводы теплообменников уложены витками одна над другой, по винтовой линии с одинаковым средним диаметром и шагом витков,где во внутренних трубопроводах циркулирует хладагент,в межтрубном пространстве теплоноситель,при этом,патрубок ввода нагреваемого теплоносителя расположен со стороны выхода хладагента, а патрубок вывода нагреваемого теплоносителя со стороны входа хладагента, причем внутренний трубопровод конденсатора через дросселирующее устройство соединен с внутренним трубопроводом испарителя,а внутренний трубопровод испарителя через компрессор соединен с внутренним трубопроводом конденсатора,конденсатор расположен над испарителем,компрессор внутри испарителя. При этом,внутренние трубопроводы теплообменников выполнены в виде одной или нескольких спиралей, а соединения выходов внутренних трубопроводов теплообменников конденсатора и испарителя с компрессором и дросселирующим устройством выполнены посредством штуцерных разъемов. Новая совокупность существенных признаков, а именно, выполнение внутренних трубопроводов теплообменников в виде одной или нескольких спиралей увеличивает площадь,а также интенсивность теплообмена между внутренним трубопроводом и омывающим его теплоносителем за счет турбулизации омывающего теплоносителя делением потока теплоносителя в межтрубном пространстве на две составляющие, где часть потока проходит прямо внутри спирали, а вторая, двигаясь по винтовому каналу, образованному витками спирали, смешиваясь с первым потоком создает турбулизирующий эффект. Выполнение соединений внутренних трубопроводов теплообменников конденсатора и испарителя с компрессором и дросселирующим устройством посредством штуцерных разъемов снижает трудоемкость сборки и разборки и эксплуатационные затраты на ремонт теплового насоса. Поскольку новая совокупность существенных признаков предлагаемого устройства не известна и не следует явным образом из уровня техники,установленного по патентной и научно-технической литературе, то можно говорить о его соответствии критериям новизна и изобретательский уровень. Устройство теплового насоса показано на фиг.1. Тепловой насос состоит из компрессора 1,конденсатора 2, испарителя 3, дросселирующего устройства 4, где теплообменники конденсатора и испарителя, выполненные конструктивно одинаково в виде теплообменника труба в трубе, содержат внутренний трубопровод 5,по которому циркулирует хладагент и внешний трубопровод 6 по которому, а именно по межтрубному пространству,циркулирует теплоноситель,омывающий трубопровод 5. При этом, внутренний трубопровод 5 выполнен в виде спирали, создавая винтовой канал для циркулирующего в межтрубном пространстве теплоносителя. Внешние трубопроводы конденсатора и испарителя снабжены патрубками для ввода 7, 9 и вывода 8, 10 теплоносителя, с условием, что патрубки для ввода расположены со стороны выхода хладагента, а вывода, со стороны входа хладагента. Конструктивно, трубопроводы теплообменников конденсатора и испарителя уложены витками одна над другой, по винтовой линии с одинаковым средним диаметром и шагом витков, образуя цилиндрическую форму, с размещением конденсатора над испарителем, а компрессора внутри испарителя. Последовательное соединение компрессора с конденсатором,конденсатора с дросселирующим устройством,дросселирующего устройством с испарителем и испарителя с компрессором выполнены соответственно при помощи штуцерных разъемов 11, 12, 13 и 14. Работа теплового насоса осуществляется в следующей последовательности. Хладагент,являющийся основным рабочим телом, работает по известному принципу. Циркулируя по замкнутому контуру, он движется от компрессора 1, через внутренний трубопровод 6 теплообменника конденсатора 2, дросселирующее устройство 4,внутренний трубопровод испарителя 3 и возвращается обратно в компрессор в парообразном состоянии. В процессе прохождения по внутреннему трубопроводу теплообменника конденсатора нагретый хладагент отдавая свое тепло и нагревая циркулирующий в межтрубном пространстве теплоноситель, сам конденсируется. Проходя через дросселирующее устройство 4 хладагент попадает из зоны высокого давления в зону разряжения(вакуума), а именно, во внутренний трубопровод испарителя, где, закипая, превращается в пар,поглощая тепло через стенку трубопровода из теплоносителя,поступающего из низкотемпературного источника и протекающего 3 через межтрубное пространство. Вобравший в себя тепло низкотемпературного источника парообразный хладагент попадает в компрессор, где осуществляется его сжатие, сопровождающийся нагревом. При этом, теплоноситель дополнительно вбирает в себя энергию от работы привода компрессора. Далее, хладагент обратно подается в конденсатор,где нагревает теплоноситель,циркулирующий в межтрубном пространстве и цикл снова повторяется. В результате, нагретый теплоноситель с температурой 2 подается через выходной патрубок 8 потребителю и возвращается обратно через патрубок 7 уже охлажденным с температурой 1 (то есть 21). Соответственно, в патрубок 9 теплообменника испарителя входит теплоноситель из низкотемпературного источника с температурой 3, а выводится из патрубка 10 со сниженной температурой 4 (то есть 34). В процессе прохождения по межтрубному пространству конденсатора и испарителя теплоноситель, благодаря спиральной форме внутреннего трубопровода 5, закручивается по винтовой траектории и, смешиваясь с частью потока, который проходит прямотоком, создает эффект турбулизации,интенсифицирующий теплообмен. В предлагаемом решении сборка теплового насоса осуществляется в следующей последовательности вначале устанавливается испаритель 3, затем размещается внутри него компрессор 1 (или наоборот), производится соединение трубопровода для хладагента при помощи разъема 14. Затем устанавливается дросселирующее устройство 4, которое соединяется при помощи разъема 13. После этого устанавливается конденсатор 2,который соединяется разъемами 11 и 12. Процесс разборки осуществляется в обратной последовательности. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Тепловой насос, содержащий компрессор,конденсатор,испаритель,дросселирующее устройство, где конденсатор и испаритель выполнены в виде теплообменника типа труба в трубе, трубопроводы теплообменников уложены витками одна над другой, по винтовой линии с одинаковым средним диаметром и шагом витков,причем во внутренних трубопроводах циркулирует хладагент,в межтрубном пространстве теплоноситель,при этом,патрубок ввода нагреваемого теплоносителя расположен со стороны выхода хладагента, а патрубок вывода нагреваемого теплоносителя со стороны входа хладагента, причем внутренний трубопровод конденсатора через дросселирующее устройство соединен с внутренним трубопроводом испарителя,а внутренний трубопровод испарителя через компрессор соединен с внутренним трубопроводом конденсатора,конденсатор располагается над испарителем,компрессор внутри испарителя, отличающийся тем, что внутренние трубы теплообменников,предназначенные для циркуляции хладагента,выполнены в виде спирали, а соединения внутренней спирали конденсатора через дросселирующее устройство с внутренней спиралью испарителя и внутренней спирали испарителя через компрессор с внутренней спиралью конденсатора выполнены посредством штуцеров.