устройство для отопления индивидуальных зданий и способ его работы

Формула изобретения

1. Устройство для отопления индивидуальных зданий, содержащее компрессор для сжатия теплоносителя, приводимый в действие двигателем, калориферы, установленные в отапливаемых помещениях, трубопроводы для подачи теплоносителя с кранами для регулировки, отличающееся тем, что оно выполнено с закрытой циркуляцией теплоносителя, теплоносителем является сжатый воздух, адиабатически нагреваемый в компрессоре, а устройство дополнительно содержит баллон с воздухом при давлении 10-150 ат для заполнения им устройства и регулирования давления в нем, теплоизолированный накопитель горячего воздуха, установленный между компрессором и калориферами, соединенными с теплообменником для подогрева воды, используемой для бытовых нужд, причем в качестве двигателя используют двигатель внутреннего сгорания на природном газе или жидком топливе или электродвигатель, подключенный к электросети, а трубопроводы выполнены теплоизолированными.

2. Способ работы устройства по п.1, отличающийся тем, что воздух при исходном давлении в 1-3 атмосферы с температурой 25-30°С адиабатически сжимается с повышением давления в 1,5-3 раза и при этом нагревается на 35-110°С до температуры 60-140°С и поступает в калориферы для отопления помещений, выходя из которых он направляется в теплообменник, охлаждаемый проточной водой, где вода подогревается и используется для бытовых нужд, а охлажденный до исходной температуры воздух поступает в компрессор, завершая рабочий цикл.

Описание изобретения к патенту

Изобретение предназначено для индивидуальных зданий типа коттедж, но может быть использовано и для отопления отдельных многоквартирных домов в районах, где отсутствует сеть центрального отопления.

Известно устройство тепловой насос, используемое для отопления индивидуальных зданий, содержащее компрессор, испаритель, конденсатор и дроссель [1, 2]. В качестве теплоносителя часто используют фреон. В этом устройстве компрессор в испарителе создает пониженное давление, вследствие чего фреон быстро испаряется и поглощает тепло из воды окружающей среды с температурой 5-10°С: моря, озера, реки. Испарившейся фреон при повышенном давлении, созданном компрессором, конденсируется, и выделяющаяся при этом теплота конденсации может быть использована для подогрева воды водяного отопления до температуры 40-50°С. Далее через дроссель жидкий фреон возвращается в испаритель, завершая рабочий цикл.

Главным недостатком теплового насоса является то, что его трудно использовать при сильных морозах, характерных для России, и потому они преимущественно используются в южных районах для отопления учреждений в прибрежных городах Крыма и Кавказа.

Дополнительным недостатком тепловых насосов является их конструктивная сложность при реальном применении.

Известна система водяного отопления [3], содержащая отапливаемый газом или мазутом, или электроэнергией котел, из которого насосом горячая вода по трубопроводам направляется в калориферы отапливаемых помещений и, выходя из них для повторного нагрева, вновь возвращается в котел, завершая рабочий цикл.

Главным недостатком этого устройства является наличие весьма сложного устройства - эффективного водяного котла [3].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является устройство для отопления индивидуальных зданий, содержащее компрессор для сжатия теплоносителя, приводимый в действие двигателем, калориферы, установленные в отапливаемых помещениях, и трубопроводы для подачи теплоносителя с кранами для регулировки [4].

Целью настоящего изобретения является создание простого устройства для отопления зданий, в котором отсутствует котел, и которое может быть использовано в любых климатических условиях.

Это достигается благодаря тому, что устройство для отопления индивидуальных зданий, содержащее компрессор для сжатия теплоносителя, приводимый в действие двигателем, калориферы, установленные в отапливаемых помещениях, трубопроводы для подачи теплоносителя с кранами для регулировки, отличается тем, что оно выполнено с закрытой циркуляцией теплоносителя, теплоносителем является сжатый воздух, адиабатически нагреваемый в компрессоре, а устройство дополнительно содержит баллон с воздухом при давлении 10-150 ат для заполнения им устройства и регулирования давления в нем, теплоизолированный накопитель горячего воздуха, установленный между компрессором и калориферами, соединенными с теплообменником для подогрева воды, используемой для бытовых нужд, причем в качестве двигателя используют двигатель внутреннего сгорания на природном газе или жидком топливе или электродвигатель, подключенный к электросети, а трубопроводы выполнены теплоизолированными.

Устройство с открытой циркуляцией теплоносителя отличается тем, что после теплообменника выполнен кран для выпуска отработанного воздуха в окружающую среду и кран, открывающий доступ воздуха из окружающей среды в компрессор.

Способ работы устройства при закрытой циркуляции теплоносителя отличается тем, что воздух при исходном давлении 1-3 ат с температурой 25-30°С адиабатически сжимается с повышением давления в 1,5-3 раза и при этом нагревается на 35-110°С до температуры 60-140° [5, 6], и поступает в калориферы для отопления зданий, выходя из которых он направляется в теплообменник, охлаждаемый проточной водой, где вода подогревается и используется для бытовых нужд, а охлажденный до исходной температуры воздух поступает в компрессор, завершая рабочий цикл.

Способ работы устройства при открытой циркуляции теплоносителя отличается тем, что воздух-теплоноситель через специальный кран непрерывно засасывается из окружающей среды, а после выхода из теплообменника через специальный кран выпускается в окружающую среду.

Второй способ работы менее предпочтителен, так как в зимних условиях для нагрева холодного воздуха потребуется больше энергии, что выражается большей степенью адиабатического сжатия в компрессоре.

Сущность изобретения состоит в том, что компрессор при адиабатическом сравнительно небольшом сжатии воздуха, в 1,5-3 раза, позволяет просто нагреть воздух до температур, используемых в устройствах для отопления зданий. Котел для подогрева теплоносителя становится излишним, а затрата энергии на нагрев оказывается такой же или меньшей, так как отсутствуют потери тепла с дымовыми газами.

На чертеже приведена схема предлагаемого устройства.

Устройство состоит из компрессора 1, теплоизолированного трубопровода 2, накопителя горячего воздуха 3, теплоизолированного трубопровода 4 с краном 5, регулирующим общий поток горячего воздуха, кранов 6, регулирующих поток горячего воздуха в каждом калорифере 7, теплоизолированных трубопроводов 8, 9 и 10, обеспечивающих обратный поток отработанного горячего воздуха в компрессор 1, теплообменника 11 для охлаждения отработанного воздуха и получения горячей воды для бытовых нужд, датчиков давления воздуха 12 и температуры 13 (термопара), выходящего из компрессора и входящего в компрессор 14 и 15. Для контроля температуры воды, нагретой в теплообменнике 11, установлен датчик 16. Для впуска воздуха извне до определенного давления выполнен патрубок с краном 17. Для перевода устройства из режима закрытой циркуляции теплоносителя в открытую выполнен кран 18, открывающий выход отработанного воздуха в окружающую среду и закрывающий его доступ в компрессор 1 из окружающей среды по трубопроводу 10.

Компрессор приводит в действие двигатель внутреннего сгорания, работающий на природном газе или жидком топливе, или электродвигатель, подключенный к электросети. В случае необходимости двигатель внутреннего сгорания может быть присоединен к электрогенератору. В этом случае предлагаемое устройство обеспечивает не только отопление здания, но и может автономно снабжать здание электроэнергией.

Работа устройства при закрытой циркуляции теплоносителя происходит следующим способом. Первоначально баллон с воздухом при большом (10-150 ат) давлении через редуктор и кран 17 присоединяют к устройству и заполняют его воздухом до давления 1-2 ат. Далее кран 17 закрывают и включают компрессор 1. Компрессор отсасывает воздух из трубопровода 10, адиабатически сжимает его, повышая давление в 1,5-3 раза, т.е. до 2,2-6 ат, в зависимости от задаваемой температуры воздуха, используемого для отопления. За счет адиабатического сжатия температура воздуха в компрессоре повышается от исходной 25-30°С до 60-140°С, и этот воздух по трубопроводу 2 направляют в теплоизолированный накопитель 3, который смягчает изменения давления при изменении режимов работы устройства.

Далее горячий воздух по трубопроводу 4 через кран 5 и краны калориферов 6 поступает в калориферы 7, обогревающие помещение. Отработанный горячий воздух по трубопроводам 8 и 9 поступает в теплообменник 11, где горячий воздух охлаждается до температуры 25-30°С, нагревая при этом воду, используемую целиком или частично для бытовых нужд, и далее вновь поступает в компрессор 1, завершая рабочий цикл.

Регулировка работы устройства после включения компрессора осуществляется изменением мощности общего потока воздуха с помощью крана 5 и кранами 6 отдельных калориферов 7. Контроль за давлением и температурой воздуха, выходящего из компрессора, осуществляется соответствующими датчиками 12 и 13, а за теми же параметрами воздуха, входящего в компрессор, датчиками давления 14 и температуры 15. Температуру горячей воды, получаемой в теплообменнике 11, измеряет датчик температуры 16. Регулировать эту температуру можно температурой воздуха, поступающего в теплообменник, и расходом воды, протекающей через теплообменник 11. Изменять рабочее давление при работе устройства и тем самым корректировать его работу можно с помощью крана 17, осторожно впуская из баллона дополнительную порцию воздуха или выпуская его часть через кран 17.

С помощью датчиков температуры и давления можно организовать автоматическое поддержание требуемых режимов работы устройства.

В режиме открытой циркуляции воздуха в целом работа устройства происходит, как и при закрытой циркуляции, при этом кран 17 открывают, и воздух постоянно засасывается из окружающей среды, а кран 18 поворачивают в положение, когда отработанный воздух из теплообменника 11 выпускается в окружающую среду и закрывается его доступ в компрессор 1 по трубопроводу 10. Так как засасываемый из окружающей среды воздух во время отопительного сезона имеет низкую температуру, то для получения воздуха с температурой, необходимой для отопления, степень адиабатического сжатия должна быть больше и может регулироваться автоматически в зависимости от температуры воздуха окружающей среды.

Конструкция предлагаемого устройства весьма проста, и для его создания не требуется больших капиталовложений. Оно будет обеспечивать теплом и дополнительно электроэнергией в зданиях, расположенных в районах, где отсутствует или пришла в упадок разветвленная теплосеть и электросеть, но имеются нефтяные и газовые месторождения, т.е. это устройство очень полезно для районов Сибири и Дальнего востока. Это устройство очень полезно и для европейской части России, так как в этих местах имеется разветвленная газотранспортная сеть, а также возможно приобрести баллоны с ожижженным газом, который дешевле другого жидкого топлива.

Очень важным достоинством предлагаемого устройства является обеспечения теплом и электроэнергией независимо от существующих энергетических компаний, которые у примерных плательщиков могут зимой отключить теплоснабжение и электроснабжение только потому, что район в среднем должен значительные суммы одной компании.

Экономический эффект от предлагаемого устройства очень велик, но количественно его в настоящее время оценить трудно.

Литература

1. Кушнырев В.И., Лебедев В.И., Павленко В.А. Техническая термодинамика и теплопередача. Стройиздат. Москва, 1986 г., стр.236.

2. Бакластов А.М., Горбенко В.А., Данилов О.Л. и др. Промышленные теплообменные процессы и установки. Энергоатомиздат. Москва, 1986 г., стр.292.

3. Теплотехника, под редакцией Крутова В.И. И-во Машиностроение, Москва, 1986 г., стр.381, 382, 149-162.

4. SU 154381 A, F 25 B 13/00, 01.01.1963.

5. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике (для инженером и студентов ВУЗов). Гос. и-во физико-математической литературы, Москва, 1963 г., стр.151.

6. Савельев И.В. Курс общей физики, т.1. И-во "Наука", Москва, 1970 г., стр.340-344.