тепловой насос

Формула изобретения

Тепловой насос, содержащий цилиндры сжатия, цилиндр смежного сосуда с разделительным поршнем с их индивидуальными теплообменниками, запорные вентили, гидравлический насос высокого давления, включенные в замкнутый контур, отличающийся тем, что в контур между гидравлическими входами вертикально расположенных цилиндров сжатия подсоединены параллельно два дополнительных цилиндра, соединенных между собой через запорные вентили, причем первый из дополнительных цилиндров снабжен перегородкой, через отверстие в которой штангой соединены два поршня, а две полости, образованные стенками перегородки, поршнями и стенкой цилиндра, снабжены отверстиями, к которым подсоединены выходы трехпозиционного гидравлического переключателя, входы которого соединены со входом и выходом гидравлического насоса высокого давления, при этом поршень второго дополнительного цилиндра через шток, затем через качающий рычаг с гидроприводом и второй теплоизолированный шток соединен с разделительным поршнем цилиндра смежного сосуда, а поршни цилиндров сжатия снабжены вытеснителями, поверхность которых и внутренняя поверхность цилиндров сжатия, прилежащая к пневмовыходу этих цилиндров, теплоизолированы твердым теплоизолятором.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике преобразования температуры рабочего вещества с низкого уровня на более высокий и может быть использовано при разработке и изготовлении тепловых насосов, холодильных машин и трансформаторов тепла.

Известно устройство теплового насоса, которое позволяет выполнить термодинамический цикл с параметрами рабочего вещества, близкими или равными критическим (патент РФ №2187769, кл. F25В 29/00, 2002).

Недостатком известного устройства теплового насоса является то, что цилиндр сжатия и цилиндр смежного сосуда выполнены в одном цилиндре, где один цилиндр является продолжением другого, поэтому при сжатии рабочего тела часть выделяемого тепла по корпусу цилиндра из объема смежного сосуда переносится в цилиндр сжатия, где смывается маслом и переносится в масляный бак.

Кроме того, как следует из схемы устройства, в конце сжатия, после отвода тепла в нагреваемое помещение, наступает процесс выталкивания отжатого рабочего вещества в циркуляционный контур. При выталкивании поршень перемещается на ту часть цилиндра смежного сосуда, где тепло от рабочего тела через стенки цилиндра передавалось теплоносителю. В этом положении поршня остаточное тепло самой стенки будет передаваться поршню, что также приведет к потере тепла. Для того, чтобы исключить эту потерю необходимо изготовить поршень из теплоизолирующего материала, а его длина должна быть не меньше длины той части цилиндра, через стенки которой происходит теплообмен при сжатии.

Поскольку требование к конструкции поршня не оговорено в описании, то при его изготовлении без учета этих требований утечка тепла будет происходить как в процессе сжатия, так и в процессе выталкивания.

Цель изобретения - разработка конструкции теплового насоса и увеличение его отопительного коэффициента.

Поставленная цель достигается с помощью теплового насоса, содержащего цилиндры сжатия, цилиндр смежного сосуда с разделительным поршнем с их индивидуальными теплообменниками, запорные вентили, гидравлический насос высокого давления, включенные в замкнутый контур, отличающегося тем, что в контур между гидравлическими входами вертикально расположенных цилиндров сжатия подсоединены параллельно два дополнительных цилиндра, соединенных между собой через запорные вентили, причем первый из дополнительных цилиндров снабжен перегородкой, через отверстие в которой штангой соединены два поршня, а две полости, образованные стенками перегородки, поршнями и стенкой цилиндра, снабжены отверстиями, к которым подсоединены выходы трехпозиционного гидравлического переключателя, входы которого соединены со входом и выходом гидравлического насоса высокого давления, при этом поршень второго дополнительного цилиндра через шток, затем через качающий рычаг с гидроприводом и второй теплоизолированный шток соединен с разделительным поршнем цилиндра смежного сосуда, а поршни цилиндров сжатия снабжены вытеснителями, поверхность которых и внутренняя поверхность цилиндров сжатия, прилежащая к пневмовыходу этих цилиндров, теплоизолированы твердым теплоизолятором.

На фиг.1 представлена гидравлическая и пневматическая схема теплового насоса.

На фиг.2 показано устройство цилиндра сжатия, в котором в качестве поршня с вытеснителем используется эластичный разделитель.

На фиг.3 показан разрез цилиндра сжатия и цилиндра смежного сосуда, в котором отверстия, выполненные в корпусе цилиндра, служат трубками теплообменника.

Тепловой насос состоит из цилиндра 1 смежного сосуда, его теплообменника 13, поршня с теплоизолированным штоком 19, цилиндров 2 и 3 сжатия с теплообменниками 14 и 15, поршней 7 и 8, вытеснителей 11 и 12, внутренних твердых теплоизоляторов 17 и 18, первого дополнительного цилиндра 4, неподвижной перегородки 16, спаренных поршней 9, второго дополнительного цилиндра 5, поршня 10 и штока 20, гидравлического насоса высокого давления 24, трехпозиционного гидропереключателя 22, качающего рычага 21 и гидропривода 23, запорных вентилей 25-31 и 34, разделительных вентилей с электроприводом 32 и 33, теплоизоляцией 35.

Тепловой насос работает следующим образом. Если в последнем процессе сжатия поршень 6 находится относительно чертежа в крайнем правом положении, то поршень 10 находится в крайнем левом положении. В этом положении в цилиндре 3 рабочее вещество приводится в критическое состояние, а спаренные поршни 9 цилиндра 4 находятся в крайнем левом положении. После того как рабочее вещество в цилиндре 3 достигнет критической температуры, а в цилиндре 1 температура рабочего вещества будет равна температуре обогреваемого помещения, откроются запорные вентили 32 и 33 и включится гидропривод 23. Переместив разделительный поршень 6 в левое крайнее положение, а поршень 10 в крайнее правое положение, гидропривод отключится, а вентили с электроприводом 32 и 33 закроются. При этом объем газа равный 0,7 V_кр из цилиндра 3 переместится в цилиндр 1, оставшаяся часть газа объемом 0,3 V_кр будет находиться в цилиндре 3 в полости, образованной внутренним твердым теплоизолятором 18 и теплоизолированной поверхностью вытеснителя 12. Далее трехпозиционный гидравлический переключатель ставится в положение, при котором гидравлический насос высокого давления 24 будет перекачивать масло из левой полости цилиндра 4 в правую полость. При этом смещение спаренных поршней будет происходить слева направо, а поршень 8 с вытеснителем 12 будет двигаться вверх.

Процесс сжатия закончится, когда масло из левой полости цилиндра 4 полностью перекачается в правую полость, при этом поршень 8 с вытеснителем 12 протолкнет оставшийся газ в цилиндр 1.

По окончанию этого процесса гидропереключатель ставится в положение, при котором гидравлический насос высокого давления 24 будет перекачивать масло по замкнутому контуру, т.е. будет работать на холостом ходу. Наступает пауза, за время которой тепло от сжатого газа в цилиндре 1 переходит к теплоносителю циркуляционного контура обогреваемого помещения, а в цилиндре 2 рабочее вещество будет доведено до критического состояния. По окончании паузы вентили с электроприводом 32 и 33 открываются, гидропривод 23 переведет поршни цилиндров 1 и 5 в противоположное положение, гидрораспределитель включит насос, который будет перекачивать масло из правой полости цилиндра 4 в левую, поршень 7 с вытеснителем 11 вытолкнут газ в цилиндр 1. Наступает очередная пауза, и далее циклы попеременно повторяются.

На фиг.2 показан сжимающий цилиндр, в котором в качестве поршня с вытеснителем используется эластичный разделитель. При таком варианте цилиндр сжатия состоит из корпуса цилиндра 2, эластичного разделителя 36, гидравлического входа 41 и пневмовыхода 40, уплотнителей 38 и 39, пневмоклапана 37 и твердого теплоизолятора 17.

На фиг.3 показан разрез цилиндра сжатия и цилиндра смежного сосуда, в котором отверстия, выполненные в корпусе цилиндра, служат как теплообменные трубки теплообменника. Согласно фиг.3 обозначения соответствуют: 1 - цилиндр, 42 - отверстие для теплоносителя и 35 - внешний теплоизолятор.

В предлагаемом тепловом насосе переталкивание рабочего вещества из цилиндров сжатия в цилиндр смежного сосуда происходит без изменения его начальных параметров, что исключает тепловые потери в том процессе.

Процесс сжатия производится в теплоизолированном объеме, что исключает потерю тепла во время процесса сжатия.

При переходе от одного цикла к другому процесс выравнивания давления в контуре происходит при синхронном смещении поршней в цилиндре смежного сосуда и во втором дополнительном цилиндре, что устраняет причину, вызывающую потерю тепловой энергии перед началом нового цикла.