Способ трансформации теплоты и бытовой энергоузел для его реализации

 

Использование: область энергетики. Сущность изобретения: в открытой схеме теплового насоса, состоящего из турбокомпрессора, его механического привода и теплообменников, в качестве рабочего тела используется смесь воздуха с водой при закольцовке воды в энергоузле и замене некондиционного воздуха помещения свежим с улицы с полной регенерацией тепла сбрасываемого на улицу некондиционного воздуха, а также регулируемой степенью регенерации тепла с выхода на вход в компрессор с целью обеспечения постоянства сниженной по величине напорности турбокомпрессора при переменном заданном по величине потребном температурном потенциале получаемого тепла по времени года и погодным условиям. При этом в отопительный сезон на вход в компрессор подается воздух из помещения, а после турбины подается в бытовой холодильник, а затем сбрасывается на улицу, в то время как в жаркий сезон этот еще холодный воздух после регенеративного подогрева и увлажнения с пылеудалением подается в помещение, но забор воздуха на вход в компрессор осуществляется в этом случае уже с улицы. Регенеративные передачи тепла, в том числе между парогазами, находящимися при равных давлениях, а также подогрев воды для бытовых нужд и системы водяного отопления осуществляются в чрезвычайно простых тепломассообменных аппаратах, где в качестве основного или промежуточного теплоносителя используется все та же вода, обменивающаяся теплом и своей массой с парогазом при непосредственном их смешении методом противотока и подаче парогаза снизу вверх, а мелких капель воды сверху вниз, что обеспечивает минимально-возможный перепад температур при теплообмене, а следовательно и минимальные необратимые потери энергии. 2 с. и 16 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к энергетике и может найти широкое применение для отопления и кондиционирования производственных, культурно-массовых и жилых помещений, а также нагрева воды и охлаждения воздуха для производственных и бытовых нужд, в особенности в районах, располагающих только электрической (электросети) или возобновляемыми видами энергии (ветрогелиогидроэнергетика), которые наиболее дешево и просто преобразовывать в электрическую, причем вырабатываемая тепловая энергия без ее расходования может быть использована для попутной реализации таких технологий, как опреснение морской воды методом возгонки или сушка различных продуктов или белья.

Хотя холодильные машины и тепловые насосы работают по одним и тем же обратным термодинамическим циклам и конструктивно ничем не отличаются (разница только в диапазонах температур реализации цикла и в использовании бросового низкопотенциального источника тепла или холода, при его наличии), но большое распространение в народном хозяйстве бывшего СССР получили только холодильные машины, так как иначе холод и не получишь.

Альтернативой тепловым насосам, позволяющим получать в несколько раз большее количество тепла по сравнению с затраченной электрической (механической) энергией, является простое сжигание (котельные) невозобновляемых запасов природного топлива. В связи с тем, что в бывшей СССР цены на топливо искусственно держались на менее чем в 10 раз меньшими, чем мировые, немудрено, что маломощная гидроэнергетика, а также ветро- и гелиоэнергетика и получение тепла с помощью тепловых насосов оказались в загоне, почему и тратим мы сейчас на единицу продукции не менее,чем в 3 раза больше энергии, чем западные страны.

В связи с тем, что в отдельных странах бывшего СССР своих невозобновляемых запасов топлива практически нет, это привело там к повышению цен на топливо до уровня выше мировых и энергетическому кризису, помощь в преодолении которого и является целью изобретения.

В связи с тем, что заложником энергетического кризиса стало прежде всего население поставлена цель создать массовый тепловой насос для автономного отопления даже отдельных квартир, так как население неизбежно будет пользоваться даже самодельными агрегатами неэффективными электронагревательными приборами, еще более усугубляя энергетический кризис. Учитывая, что тепловой насос дорогой для средней семьи агрегат, желательно, чтобы он по стоимости не превышал стоимость, например, холодильника, но в то же время вполне заменял его. Иначе говоря, необходимо создать совмещенный термотрансформатор, одновременно вырабатывающий и тепло и холод с удельными затратами электроэнергии, меньшими, чем при раздельной выработке тепла и холода, соответственно в тепловом насосе и холодильной машине.

Исключительно важным параметром разрабатываемого агрегата, привлекающим покупателей и заводы-изготовители, можно рассматривать такую его простоту и безопасность, чтобы первые из них могли сами его ремонтировать, а вторые не заботились об образовании сети ремонтных мастерских.

В связи с этим за прототип не может быть взята парокомпрессионная машина, широко используемая в бытовых холодильниках, так как для них необходимы специальные рабочие тела фреоны, в настоящее время запрещаемые ООН для применения из-за разрушения ими озонового слоя Земли и требующие абсолютно герметичной системы, которую в домашних условиях не отремонтируешь, хотя они позволяют реализовывать термодинамический цикл, близкий к обратному циклу Карно, имеющему наибольший коэффициент термотрансформации отношение суммарного количества холода и тепла к затраченной электрической энергии.

Таким образом, в качестве рабочего тела в разрабатываемом тепловом насосе-холодильнике должен быть выбран неконденсируемый газ и естественно самый доступный из них воздух, что снимает требования по герметичности системы и ее замкнутости.

Эффективность любого теплового насоса выше, если он использует какое-либо бросовое низкопотенциальное тепло. Казалось бы, какое может быть бросовое тепло в квартире, но не надо забывать, что КПД плиты для приготовления пищи не более 10% да и каждый член семьи дышит, воздух становится некондиционным и его надо удалять из квартиры. Как правило, это делают через форточку, выбрасывая заодно на улицу и до 50% тепла, которое вырабатывает, например, водяная система отопления стандартных квартир.

В последнее время применительно к производственным помещениям разработаны специальные регенеративные вентиляционные установки с вращающейся теплоаккумулирующей насадкой, которые оставляют в помещении до 70% тепла (см. фиг. 1.1 и 1.2 с. 8 и 9 книги П.И.Бажан, Г.Е.Каневец и В.М.Селиверстов "Справочник по теплообменным аппаратам", М. Машиностроение, 1989).

Куда более эффективно решается эта проблема как бы попутно с одновременным повышением эффективности теплового насоса во взятом за прототип отопителе кондиционере, представленном на рис. 7.14, с. 255 книги А.И.Андрющенко "Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок", М. Высшая школа, 1985.

В отопительно-вентиляционной установке, взятой за прототип, реализуется способ трансформации теплоты окружающей среды для получения тепла и холода, в частности, для отапливаемого и кондиционируемого помещения, заключающийся в том, что отбираемый из помещения воздух сжимают в компрессоре, тепло сжатого воздуха передают в теплообменнике потребителю тепла, в частности, воздуху, поступающему в вентилируемое помещение в отопительный сезон, после чего охлажденный воздух расширяют на турбине и уже холод передают потребителю, в частности, уже холодный воздух подают в вентилируемое помещение в жаркий сезон, подавая воздух на вход в компрессор уже с улицы, причем привод компрессора осуществляют как от турбины, так и любого источника механической энергии.

Иначе говоря, эта установка факультативно решая проблему вентиляции помещения с полной регенерацией тепла, одновременно использует появившийся бесплатный источник низкопотенциального тепла, которое в установке увеличивается в несколько раз с одновременным увеличением его температурного потенциала и попутной выработкой холода для бытовых нужд и кондиционирования помещения в жаркое время, когда уже попутное тепло может быть направлено не на отопление помещения, а на подогрев воды для бытовых нужд.

В то же время эта установка обладает и всеми недостатками воздушного термотрансформатора, заключающимися в том, что в отличие от парокомпрессионного, в котором используется колоссальная скрытая теплота конденсации-испарения жидкости при постоянных температуре и давлении, для аккумулирования тепла воздухом необходима большая разница температур, на величину которой должен увеличиваться и диапазон температур реализации обратного цикла воздушного термотрансформатора, что однозначно приводит к уменьшению коэффициента термотрансформации при одном и том же заданном минимальном перепаде температур на стенках теплообменников и постоянной температуре потребителя тепла, например, воздуха в отапливаемом помещении.

Однако и парокомпрессионный термотрансформатор имеет недостаток, заключающийся в том, что уже конденсат пара после компрессора невозможно без больших потерь расширить на турбине, в связи с чем практикуется просто дросселирование конденсата и после его испарения более простое в реализации адиабатическое сжатие сухого пара до температур, много больших температур конденсации этого пара при заданном давлении за компрессором, что опять-таки приводит к уменьшению коэффициента термотрансформации. Этого недостатка нет в воздушном термотрансформаторе.

В связи с этим воспользуемся одним из положений теории решения изобретательских задач (ТРИЗ, автор Альтшуллер Г.С.), гласящим, что "развитие технических систем идет в направлении их объединения друг с другом с целью взаимного использования ресурсов для дальнейшего усовершенствования на уровне надсистемы".

В частности, В.М.Герасимов и С.С. Литвин в статье "Зачем технике плюрализм" (журнал ТРИЗ, N 1) предлагают объединение в надсистему именно альтернативных систем систем, которые имеют хотя бы одну пару противоположных достоинств и недостатков, т.е. то, что хорошо у одной из них, у другой плохо и наоборот.

Иначе говоря, нам надо объединить в одну надсистему и воздушный и парокомпрессионный термотрансформаторы, одновременно ликвидируя недостатки и того и другого.

Итак, в соответствии с логикой ТРИЗ в создаваемом термотрансформаторе в качестве рабочего тела должен использоваться неконденсируемый газ, т.е. воздух как наиболее доступный и конденсируемый пар. Самый доступный из всех паров это вода, но почему тогда его не применяют разработчики парокомпрессионных тепловых насосов. Дело в том, что в диапазоне температур, например, 0 50oC давление насыщенных паров воды очень низкое и установка должна быть с замкнутым контуром воды, герметичным к атмосфере, а главное размеры агрегатов получаются столь большими, что о применении воды в качестве рабочего тела можно вести речь при необходимости повышения температуры от 100 до 200oC, когда термодинамический цикл будет реализовываться в диапазоне температур давлений 1-12 ата, а значит при малых объемах агрегатов.

Значит, задача состоит в том, чтобы при температурах, меньших 100oC, обеспечить испарение и конденсирование воды в диапазоне давлений, избыточном по отношению к атмосферному, чтобы иметь приемлемые размеры агрегатов и не связываться с проблемой герметизации установки.

В связи с этим уместно вспомнить закон Дальтона о парциальных давлениях газов или паров в смесях, который может быть изложен и в следующей редакции: парциальное давление паров жидкости зависит от ее температуры и не меняется в зависимости от того, находится она отдельно в замкнутом объеме или в смеси с другими жидкостями или газами, обеспечивая давление, равное сумме парциальных давлений рабочих тел смеси.

Значит, смешав воду с любым газом, например воздухом, мы получим рабочее тело, куда более приемлемое для теплового насоса, чем отдельно вода и воздух, так как термодинамический цикл в любом диапазоне температур можно совершать при избыточных давлениях смеси воздуха с водой, воздух при сжатии в компрессоре за счет испарения воды будет нагреваться слабо, конденсация паров воды при отдаче тепла будет осуществляться в очень узком диапазоне температур, а турбина будет работать с высоким КПД в отличие от чисто парокомпрессионных, когда кипящую жидкость не расширишь с высоким КПД, и приходится дросселировать ее.

Следовательно, для достижения поставленных целей и в связи с изложенным взятый за прототип способ трансформации теплоты должен быть дополнен существенными признаками, заключающимся в том, что перед и (или) в процессе сжатия воздуха в компрессоре в него распыляют форсункой жидкость, например воду, конденсируемую в процессе передачи тепла потребителю от насыщенного парами воды воздуха после компрессора.

Ввели воду в качестве одного из рабочих тел термотрансформатора, но не надо забывать, что вода в частном случае является и потребителем тепла, так как применяется в радиаторах отопления и для бытовых и гигиенических нужд членов семьи и поэтому возникает вопрос, а каким из способов лучше передавать воде располагаемое тепло парогаза после компрессора. Традиционно это делается в теплообменнике поверхностного типа, причем в нашем случае он будет довольно эффективным, так как с одной стороны стенки жидкость, а с другой -конденсируемый пар воды, обеспечивающие максимально возможную величину суммарного коэффициента теплопередачи через стенку.

Но куда эффективней будет эти стенки использовать для нагрева воздуха в помещении, а для передачи тепла воде использовать объем, ограниченный этими стенками, причем куда с меньшими необратимыми потерями энергии, т.е. при меньшем перепаде температур между водой и паром.

В связи с этим предложенный способ термотрансформации теплоты может быть дополнен существенными признаками, заключающимися в том, что воде частному потребителю тепла передают тепло насыщенного парогаза после компрессора в массотеплообменном аппарате методом противоток при движении воды сверху вниз, а парогаза снизу вверх.

Задав расход воды, подсчитанный по уравнению баланса тепла, можно обеспечить нагрев воды практически до температуры парогаза после компрессора и отдав часть воды для запитки форсунок компрессора, остальную использовать для бытовых нужд или в водяной системе отопления, по выходу из которой в качестве промежуточного теплоносителя уже для нагрева других рабочих тел, например воздуха, поступающего с улицы в помещение, причем с помощью такого же наиболее современного тепломассообменного аппарата. Без промежуточного теплоносителя этого нельзя было сделать, так как парогаз за компрессором и наружный воздух имеют разные давления и их нельзя уравнять, в то время, как при дросселировании горячей воды ее теплосодержание совершенно не изменятся, а потеря ее потенциальной энергии давления будет ничтожной (но и эту энергию можно взять с помощью гидротурбины).

Горячая вода может быть использована также для регенеративного подогрева воздуха на входе в компрессор, который, между прочим, немыслим в парокомпрессионных термотрансформаторах так же, как и регенерация тепла, замещаемого наружным воздухом уже использованного в помещении воздуха, так как они работают во вполне определенном заданном диапазоне температур, изменить который можно только изменив степень сжатия компрессора, а введение для этого теплообменников поверхностного типа абсолютно бесперспективно.

В предлагаемом водовоздушном термотрансформаторе введение регенерации тепла с помощью тепломассообменных аппаратов практически без необратимых потерь энергии позволит в широких пределах регулировать степень подогрева парогаза при выбранной сравнительно малой степени повышения давления в компрессоре. А ведь при отсутствии регенерации тепла воздуху на входе в компрессор за увеличение степени подогрева рабочего тепла в компрессоре пришлось бы платить дорогую цену увеличивать степень повышения давления в компрессоре, или, иначе говоря, расширять диапазон температур подогрева парогаза в турбокомпрессоре, а следовательно, заведомо уменьшать коэффициент термотрансформации даже тогда, когда по времени года и не требуется такой степени подогрева рабочего тела, как, например, в сильные морозы, когда в радиаторы отопления надо подавать как можно более горячую воду, а потребление подогретой воды для бытовых нужд ограничить.

Необходимо отметить, что мало получить тепло, например, в виде горячей воды заданной температуры. Важно и то, как эта вода будет использована, например, в радиаторе отопления и в этом смысле куда более предпочтительней будет вариант введения регенерации тепла, чем увеличение степени сжатия - расширения в турбокомпрессоре, так как понижение температуры воды в радиаторе в первом случае, как минимум, будет во столько меньше, во сколько раз возрастает работа компрессора при увеличении степени сжатия. А ведь тепловая мощность любого радиатора тем выше, чем меньше понижение температуры рабочего тела в нем при одной и той же температуре рабочего тела на его входе.

В данном случае регенеративное тепло, как и тепло удаляемого из помещения воздуха выступает как бы в качестве бросового низкопотенциального тепла, использование которого всегда ведет к увеличению коэффициента термотрансформации. В этом смысле предлагаемый для реализации термодинамический цикл перекликается с образцовым циклом газовой (воздушной) холодильной установки, работающей в условиях переменных температур источников теплоты регенеративным циклом Лоренца, представленным на рис. 7.6 того же источника, из которого взят и прототип.

В связи с изложенным предлагаемый способ трансформации теплоты может быть дополнен существенными признаками, заключающимися в том, что тепло насыщенного парогаза после компрессора передают последовательно нескольким замкнутым контурам промежуточного теплоносителя воды для потребителей тепла разной температуры, например водяной системе отопления, системе регенерации тепла на вход в компрессор и системе подогрева подаваемого в отапливаемое помещение воздуха, которым замещают уже некондиционный воздух, всасываемый компрессором, причем передачу тепла от воды к воздуху в двух последних случаях осуществляют в дополнительных тепломассообменных аппаратах, выполненных по пункту 2.

В принципе замкнутый контур промежуточного теплоносителя воды может быть и один, вода которого последовательно проходит через все потребители тепла с постепенным понижением температуры, но надо иметь в виду, что, если удельная теплоемкость воды во всем рабочем диапазоне температур практически не меняется, то для пара в воздухе при 70oC она примерно в 10 раз больше, чем при 10oC и поэтому процесс передачи тепла от парогаза к воде происходил бы при больших разницах температур, а следовательно, с большими необратимыми потерями энергии независимо от того, какой расход воды был ба задан в контуре. В разных контурах можно задать и разные расходы воды, а следовательно, практически исключить необратимые потери энергии при тепломассообмене.

Несколько контуров промежуточного теплоносителя воды предопределяют и дополнительные существенные признаки, которыми может быть дополнен предлагаемый способ трансформации теплоты, заключающиеся в том, что тепловую мощность каждого из потребителей тепла и влажность поступающего в помещение воздуха регулируют изменением расхода воды в соответствующем контуре, в том числе за счет полного или частичного замыкания этого контура, например регенеративного, через другой потребитель горячей воды, в частности душ или ванную, при пользовании которыми мощность системы отопления, в частности, и не снижают, для чего на это время включают кухонную плиту и, в частности, совмещают приготовление пищи и заливку горячей водой, например, ванны.

Интересно отметить, что при совмещении приготовления пиши и заливки горячей воды для ванной, горячая вода получается совершенно бесплатно, а если бы мы на плите специально грели только воду для ванной, то пришлось бы ее включить на время, примерно в 10 раз большее, чем это потребуется установке, реализующей предлагаемый способ, так как плита имеет КПД отдачи тепла потребителю примерно 10% а компрессор может забрать весь горячий воздух, исходящий от плиты, и выдать все это тепло в виде горячей воды, затрачивая на это примерно 10% электроэнергии от того его количества, которое потребовалось бы для нагрева этой воды электрокипятильником (с КПД 100%).

Простота регулирования тепловой мощности и ее распределения по потребителям, конечно, важна, но важно также и то, чтобы уменьшение потребления тепла осуществлялось по возможности за счет снижения температуры парогаза за компрессором, так как в соответствии с законами термодинамики сужение диапазона температур реализации цикла приводит и к увеличению коэффициента термотрансформации, тем более, что в этом случае отпадает необходимость регулировать отдачу тепла, например, радиатора отопления.

Предложенный способ трансформации теплоты позволяет это сделать за счет регулирования степени регенерации тепла на вход в компрессор, но это связано с изменением отношения объемных расходов воздуха через компрессор и турбину, чего быть не может при заданных оборотах турбокомпрессора и давления за компрессором. Иначе говоря, если турбокомпрессор рассчитан на максимальный отбор тепла за компрессором (при наибольших степени регенерации и отборе тепла потребителями), то при необходимости обеспечить только кондиционирование помещения турбина не сможет уже пропустить новый объем воздуха, его придется дросселировать помимо турбины и, естественно, не удастся реализовать повышенный коэффициент трансформации за счет уменьшения разницы работ компрессора и турбины.

Чтобы этого не происходило, предлагается предложенный способ трансформации теплоты дополнить существенными признаками, заключающимися в том, что когда уменьшают или увеличивают отпуск тепла его потребителям, одновременно соответственно увеличивают или уменьшают объемный расход воздуха через турбину, в частности, за счет изменения оборотов вала турбины по сравнению с оборотами вала компрессора, для чего механически соединяют их валы между собой через вариатор оборотов.

При переводе бытового энергоузла, выполненного по предлагаемому способу трансформации тепла, на летний режим эксплуатации, когда забор воздуха для компрессора осуществляют с улицы, а в жаркую погоду сброс воздуха из турбины выполняют в кондиционируемое помещение, наталкиваемся на техническое противоречие, заключающееся в том, что тогда, когда необходим больший холодильный эффект, он уменьшается по сравнению с вариантом эксплуатации в зимних условиях, так как теплообменник по подогреву наружного воздуха перестает выполнять свои функции (температура вне и внутри помещения практически одинаковы), в связи с чем температура воздуха перед турбиной, а следовательно, и за турбиной существенно увеличивается, не позволяя уже его использовать для бытового холодильника и в то же время, получающегося достаточно холодным, чтобы напрямую подавать в кондиционируемое помещение, тем более, что воздух после турбины становится сухим и требует увлажнения.

Для ликвидации этого противоречия предлагаемый способ трансформации теплоты предлагается дополнить существенными признаками, заключающимися в том, что в жаркий период года воздух после турбины пропускают через потребитель холода, например бытовой холодильник, а затем через подогреватель - увлажнитель наружного воздуха тепломассообменного типа, причем забор воздуха на вход в компрессор обеспечивает уже с улицы, а сброс некондиционного воздуха, например, через форточку кондиционируемого помещения, в котором образуется небольшое избыточное давление.

В этом случае по сути дела вводится двойная регенерация тепла. Первая из них (при подогреве воздуха на входе в компрессор) для повышения температуры нагрева, например, воды для бытовых нужд и душа, а вторая (при охлаждении воздуха перед турбиной и одновременном подогреве и увлажнении воздуха на входе в кондиционируемое помещение) для понижения температуры в бытовом холодильнике и повышения качества кондиционирования помещения. При этом свойства исходной схемы остаются неизменными, так как степени регенерирования тепла могут изменяться от нуля до их максимальных значений, определяемых мощностью теплообменников.

При реализации предлагаемого способа трансформации теплоты с использованием всей совокупности существенных признаков появляется возможность создать бытовой энергоузел, обеспечивающий максимально возможный коэффициент трансформации теплоты для всего диапазона потребностей в тепле и холоде, меняющихся от изменения погодных условий по времени года. Иначе говоря, одна и та же установка всегда может обеспечить реализацию наиболее оптимального термодинамического цикла под любые заданные выходные параметры ее при минимальном удельном весе, так как все теплообменники смесительного типа и максимальной надежности ввиду возможности задать сравнительно малую степень повышения давления в компрессоре (1,5-2,5).

Предлагаемый способ трансформации теплоты может быть реализован в бытовом энергоузле, прототипом которого является воздушно-компрессорная комбинированная установка, взятая в качестве прототипа и для предлагаемого способа, состоящая из механически связанных между собой источника механической энергии и воздушных компрессора и турбины, а также теплообменника, вход которого по охлаждаемой среде связан с выходом компрессора, а выход со входом в турбину, в то время как вход и выход его по нагреваемой среде и вход в компрессор в жаркое время года связаны с наружной окружающей средой (атмосфера, река, море, водопроводный кран и т.д.), а выход турбины с кондиционируемым помещением или с наружной атмосферой уже в холодное время года, когда вход компрессора сообщен с помещением, вход по нагреваемой среде теплообменника с наружной атмосферой, а выход с помещением.

Цель изобретения увеличение коэффициента термотрансформации теплоты в основном будет выполнена, если известная установка будет дополнена существенными признаками, заключающимися в том, что на входе в компрессор или в его рабочих объемах установлены водяные форсунки, последовательно связанные со сборником конденсата воды в полости по охлаждаемой среде теплообменника и через подпиточный поплавковый клапан с источником воды.

Такое выполнение кондиционера позволит преобразовывать механическую энергию во внутреннюю тепловую энергию сжимаемого газа с накоплением ее не за счет разогрева его, а в основном за счет скрытой теплоты испарения воды, т. е. при малом подогреве воздуха, а следовательно, при реализации меньшего диапазона температур, что однозначно увеличивает коэффициент термотрансформации теплоты.

Другой причиной, в большой степени увеличивающей необратимые потери механической энергии при ее преобразовании в тепло, является перепад температур при передаче тепла, при увеличении которого увеличиваются и необратимые потери энергии. Перепад температур всегда можно уменьшить за счет увеличения площади стенок, через которые осуществляется теплообмен, но это влечет за собой увеличение веса, размера и гидросопротивлений теплообменника.

Для того, чтобы исключить это противоречие предлагаемый кондиционер можно дополнить существенными конструктивными признаками, заключающимися в том, что полость по охлаждаемой среде теплообменника имеет дополнительную полость, вход которой сообщен со сборником конденсата воды, а выход через регулировочный кран, водяной насос и разбрызгиватель воды, установленный в верхней части основной полости у ее выхода, в то время как сборник конденсата воды в нижней части у входа в нее.

В таком исполнении теплообменника практически исключается перепад температур при передаче тепла от парогаза к воде, которая, в частности, нужна и, для системы водяного отопления и для бытового потребления в семье, так как в этом случае обеспечивается непосредственный тепло- и массообмен между рабочими телами, обменивающимися теплом, площадь контакта между которыми может быть выполнена сколь угодно большой при подаче воды в виде душа. Мало того, здесь налицо и сверхэффект такого способа обмена теплом, так как стенки, ограничивающие объем, где происходит тепломассообмен, становятся уже как бы попутно и стенками, через которые идет непосредственный нагрев воздуха в помещении (как от печки), в то время, как горячая вода может быть закольцована через радиаторы отопления, установленные в другом помещении.

В конце концов от сжатого в компрессоре парогаза можно нагревать не только воду, но и воздух, подаваемый в помещение с улицы, причем увлажнять его, так как влажность морозного воздуха очень мала. В этом случае вполне логичен обратный процесс нагрев воздуха от горячей воды, и предлагаемый кондиционер может быть дополнен существенными признаками, заключающимися в том, что полость по нагреваемой среде теплообменника также выполнена по пункту 8 и связана через общие для них дополнительные полости с полостью по охлаждаемой среде теплообменника, причем разбрызгиватель полости по нагреваемой среде теплообменника у его выхода связан со сборником конденсата воды полости по охлаждаемой среде, а разбрызгиватель воды полости по охлаждаемой среде теплообменника связан через насос и регулировочный кран со сборником конденсата воды у входа в полость по нагреваемой среде теплообменника.

В этом случае дополнительные полости теплообменника превратились по сути дела в магистрали, сообщающие между собой охлаждаемую и нагреваемую полости теплообменника.

Кондиционер может иметь не только внешние потребители тепла, но и внутренний, в частности воздух на входе в компрессор может быть потребителем регенеративного тепла, что безусловно увеличивает коэффициент термотрансформации тепла и дозволяет регулировать степень подогрева парогаза при неизменной степени повышения воздуха в компрессор, которая может быть выбрана сравнительно небольшой и постоянной по величине независимо от количества и качества (величина температуры) потребляемого тепла.

Для обеспечения этого кондиционер может быть дополнен существенными признаками, заключающимися в том, что он имеет несколько последовательно установленных теплообменников, в том числе в различных их вариантах исполнения по пунктам 7 9, например, для передачи тепла разным потребителям, например, водяной системе отопления, системе регенерации тепла и увлажнения воздуха на входе в компрессор и системе подогрева и увлажнения подаваемого в отапливаемое помещение воздуха.

Регулирование количества и качества потребляемого тепла неизбежно будет сопровождаться изменением потребного соотношения объемных расходов воздуха через компрессор и турбину, чтобы в полной мере использовать располагаемую энергию воздуха перед турбиной, а не дросселировать его помимо турбины.

Для обеспечения регулирования соотношения объемных расходов воздуха через компрессор и турбину кондиционер может быть дополнен существенным конструктивным признаком, заключающимся в том, что компрессор и турбина механически связаны через вариатор.

В значительной мере коэффициент термотрансформации кондиционера зависит от КПД компрессора и турбины, т.е. от того, какая доля механической энергии непосредственно преобразуется в потенциальную энергию давления сжатого воздуха и наоборот, а не напрямую преобразуется в тепло за счет сил трения воздуха о детали компрессора и турбины или деталей друг о друга.

Турбокомпрессоры лопаточного типа плохи тем, что у них низкий адиабатический КПД, особенно при малых расходах воздуха, характерных для бытовых маломощных бытовых энергоузлов. Турбокомпрессоры объемного типа, например поршневые, не имеют этих недостатков, но имеют малый механический КПД и требуют сложного и дорогого механизма газораспределения при высоких гидравлических потерях давления. Кроме того, эти типы турбокомпрессоров издают большой шум, первый за счет больших скоростей воздуха относительно лопаток, а второй ввиду инерционных нагрузок, передаваемых на корпус от кривошипно-шатунного механизма.

В связи с этим предлагаемый бытовой энергоузел может быть дополнен существенными конструктивными признаками, заключающимися в том, что компрессор и турбина выполнены конструктивно одинаково и состоят из двух разных по объему цилиндрических полостей с общей для них торцевой стенкой, в которой выполнены окна, сообщающие их между собой и внутри которых расположены овальные цилиндрические роторы с осью вращения, совпадающей с осями круговых цилиндров полостей, к которым примыкают вершины роторов, а непосредственно у окон в торцевой стенке полостей, по обе стороны от них, но в разных полостях установлены поворотные заслонки, опирающиеся на роторы и проникающие в полости через прямоугольные прорези в цилиндрических стенках полостей, причем по другую сторону каждой из заслонок в стенках полостей выполнены соответственно впускные и выпускные окна, которые как перепускные окна равномерно расположены по периметру стенок, где они выполнены, и число их совпадает с числом вершин роторов.

Такое выполнение компрессора и турбины исключит какое-либо силовое взаимодействие роторов с корпусами, исключит мертвые объемы рабочих полостей, а роль впускных и выпускных клапанов будут выполнять сами роторы.

Силовое взаимодействие возможно только на осях вращения качающихся заслонок и в месте контакта концов заслонок с роторами, но на осях вращения заслонок очень мала угловая скорость, а существенное усилие контакта заслонок с роторами может иметь место только половину времени работы компрессора и турбины, причем оно не может быть больше взаимоисключающих друг друга сил инерции заслонок, которые легки и находятся под постоянным по модулю ускорением, достигаемым соответствующим профилем цилиндрической поверхности роторов, в частности, и очень технологичным для двухвершинного ротора (в поперечном сечении прямоугольник с полукругами, диаметры которых совпадают с малыми сторонами прямоугольника) и близким к оптимальному с точки зрения достижения максимальной эффективности работы турбокомпрессора. Мало того, вода, впрыскиваемая в рабочие полости компрессора и самопроизвольно выделяющаяся при расширении насыщенного влагой парогаза на турбине, обеспечит очень низкий коэффициент трения заслонок о ротор, в том числе за счет появления гидравлического клина, одновременно обеспечивающего и необходимую герметичность в месте их контакта и зазорах вершин роторов со стенками корпуса и исключающего какой-либо износ концов заслонок и поверхности роторов за счет эффекта глиссирования.

Хотя характер работы турбокомпрессора такой конструкции и циклический, но все циклы: всасывание, сжатие (расширение) и выталкивание, осуществляются одновременно в одних и тех же объемах за время поворота вала на 180o и без какого-либо перерыва по синусоидальному закону от нуля до максимума, что не исключает возможность с пользой использовать динамические эффекты торможения и разгона во впускных и выпускных магистралях компрессора и турбины.

Такая конструкция чрезвычайно эффективна для заданной постоянной степени повышения давления и в термодинамическом плане, так как позволяет исключить какое-либо дросселирование воздуха на любом этапе сжатия и расширения, что вместе с малыми потерями на трение предопределяет высокий КПД компрессора и турбины, а также их бесшумность в работе, так как в конечном итоге шум это, как правило, не что иное, как следствие необратимых потерь энергии.

Если вход воздуха в такой агрегат осуществляется со стороны цилиндрической полости большего объема это компрессор, а если со стороны цилиндрической полости меньшего объема это турбина.

Расход воздуха через компрессор и турбину может быть сделан и практически постоянным по углу поворота вала, если каждый из них будет составлен из двух таких агрегатов, соединенных параллельно, но со сдвигом фаз поворота их валов на 90o. Важным преимуществом такого типа турбокомпрессора является то, что мощность его может меняться в широких пределах за счет простого изменения оборотов, причем без изменения заданного термодинамического цикла турбокомпрессора, что вместе с возможностью изменять в широких пределах термодинамический цикл всего бытового энергоузла предопределяет чрезвычайно высокую эффективность бытового энергоузла во всем широком диапазоне потребностей в тепле и холоде любого качества по всем временам года.

В целях стабилизации расхода воды в замкнутых контурах промежуточного теплоносителя теплообменников и исключения дросселирования воздуха помимо турбины через эти контуры бытовой энергоузел может быть дополнен существенными признаками, заключающимися в том, что сборники конденсата воды теплообменников на впуске магистралей без крана и насоса имеют выпускные поплавковые регуляторы уровня воды в сборниках конденсата.

В целях подачи в помещение наружного воздуха заданной относительной влажности бытовой энергоузел может быть дополнен существенным признаком, заключающимся в том, что на выходе подогревателя воздуха смесительного типа установлен подогреватель воздуха поверхностного типа, например радиатор водяного отопления или электроподогреватель.

Теплообменники тепломассообменного типа на своем выходе имеют насыщенный влагой воздух и, если мы после этого подогреем хотя бы на 5oC традиционным способом, относительная влажность его снижается до комфортного уровня 40-70% До сих пор выявленными существенными признаками пытались наиболее простыми конструктивными средствами решить основную цель при минимальных затратах механической (электрической) энергии получить максимальное количество тепла и холода, попутно находя очевидное их применение в быту, в частности на кухне, наиболее подходящем месте установки бытового энергоагрегата, в частности, фермерского или дачного дома, а также квартиры.

ТРИЗ рекомендует не останавливаться после достижения поставленной цели и рассмотреть появившиеся в связи с этим внутренние ресурсы системы на предмет выявления тех сверхэффектов, которые могут быть с помощью их получены без расходования этих ресурсов, необходимых для достижения основной цели изобретения.

В предлагаемом бытовом энергоузле имеем дело с механической энергией и электричеством, теплом и холодом. Что полезного для членов семьи и, в частности, хозяйки на кухне можно получить с помощью этих видов энергии, в то же время не расходуя их, т.е. применяя для достижения этого лишь дополнительные простые конструктивные изменения и дополнения? Начнем с электричества, которое применяется в электронагревательном приборе для уменьшения относительной влажности воздуха, подаваемого в помещение. Можно ведь нагреть воздух не электроспиралью, а вольтовой дугой и получить при этом дополнительный положительный эффект, заключающийся в появлении полезного для легких озона и яркого ультрафиолетового светового излучения, убивающего микробы, в связи с чем последний существенный признак (электронагреватель) можно дополнить словами: например, основанный на применении вольтовой дуги.

Возьмем теперь тепло, которое вырабатывается и в кухонной плите, и в предлагаемом бытовом энергоагрегате. Где больше энергии тратится на подогрев воды на 1oC Конечно, в плите, примерно раз в 20. Так зачем тогда ставить, например, чайник с холодной водой на плиту, когда можно из бытового энергоагрегата взять воду при 50-70oC и на плите подогревать ее до 100oC, существенно экономя энергетические ресурсы. Конечно, для приготовления пищи нужна чистая вода и в связи с этим предлагаемый бытовой энергоузел может быть дополнен существенными признаками, заключающимися в том, что на входе в систему подпитки водой энергоузла установлен фильтр, например, типа "Росинка", соединенный в том числе и с баком для горячей воды, оборудованным сливным краном и выполненным в виде рубашки охлаждения стенок полости по охлаждаемой среде теплообменника тепломассообменного типа.

Среди членов семьи всегда найдется любитель попить холодной воды, особенно в жаркое время года. Конечно, для этого можно держать банку с водой в холодильнике, но куда удобней будет, если мы наш энергоузел дополним существенными признаками, заключающимися в том, что фильтр соединен в том числе и с баком для холодной воды, оборудованным сливным краном и выполненным в виде рубашки охлаждения стенок полости по нагреваемой среде теплообменника тепломассообменного типа, предназначенного для подогрева воздуха, подаваемого в помещение с улицы или из турбины.

Посмотрим теперь, как может быть теперь полезно использовано в предлагаемом бытовом энергоузле такое располагаемое сочетание как тепло и холод, но в то же время без расходования их, так как они нужны совсем для других, основных целей энергоузла.

В частности, для жителей Крыма, по заказу которых и создается данный бытовой энергоузел, было бы очень здорово, если бы он мог опреснять, например, морскую воду, так как в Крыму есть места, куда пресную воду завозят автомобилями, например в район Батилимана, расположенного на берегу моря, да и в водопроводную сеть городов Крыма закачивают воду из Северо-Крымского канала, по которому течет вода настолько загрязненная вредными веществами индустриальных районов Украины, что ее не может очистить никакой фильтр и она без дистилляции практически не может быть рекомендована медиками для питья.

Один из способов опреснения воды заключается в том, что морскую воду испаряют, т.е. используют тепло, а затем пары воды конденсируют, т.е. используют холод. Но ведь для получения тепла и холода необходимы затраты энергии. И до сих пор используют для этого в основном солнечную и атомную энергию, создавая дорогостоящие опреснительные установки.

В соответствии с законами термодинамики, сколько тепла ты затратил на испарение жидкости, столько ты и возвратил при конденсации паров жидкости, например воды. Весь вопрос заключается в том, чтобы полезно возвратить тепло. В каком случае подведенное к чему-то тепло полезно возвращается? В частности, тепло, подведенное к одной из сторон стенки любого теплообменника, полезно возвращается от другой стороны стенки теплообменника уже другому рабочему телу. Процессы передачи тепла от одного рабочего тела к другому в нашем бытовом энергоузле есть, а следовательно, и есть возможность попутно без каких-либо затрат энергии опреснить, в частности, морскую или загрязненную воду, если вспомнить принцип работы так называемой "тепловой трубы", предназначенной для передачи тепла на какое-то расстояние от одного рабочего тела к другому с помощью промежуточного теплоносителя. Вся ценность тепловой трубы для нас заключается в том, что промежуточный теплоноситель в ней подвергается процессам испарения и конденсации, т.е. тем же процессам, что и при опреснении воды, которые к тому же обеспечивают и максимальные коэффициенты теплопередачи от стенки уже к другой стенке, обеспечивая коэффициент теплопередачи даже больший, чем через стенку, выполненную из меди или серебра.

Чтобы добиться поставленной цели, надо даже упростить тепловую трубу. Действительно, запаянная в тепловой трубе жидкость испаряется от тепла горячей стенки, пар сам поступает к холодной стенке, конденсируется там при той же температуре и уже в виде жидкости вновь возвращается по фитилю к горячей стенке. Если мы уберем фитиль, к горячей стенке будем подавать морскую воду, а от холодной будем откачивать пресную воду, то поставленная цель будет достигнута. Мало того, у нашего бытового энергоузла есть и конструктивные средства для обеспечения этого. Действительно, бак для горячей воды это горячая стенка тепловой трубы, а бак для холодной воды это холодная стенка тепловой трубы. Не хватает только самой трубы для движения пара из одного бака в другой.

В этом случае в соответствии с законом Дальтона в обоих баках установится одно и то же давление (атмосферное), но парциальное давление воздуха в баке для холодной воды будет больше и пары воды при отсутствии перепада давления между баками будут переходить из бака в бак только за счет диффузии между молекулами воздуха.

Чтобы резко ускорить процесс самопроизвольного перехода паров воды из бака в бак, необходимо, чтобы вода в баке для горячей воды закипела, т.е. чтобы парциальное давление паров воды превысило суммарное давление паров воды и воздуха в баке с холодной водой. Для обеспечения этого надо или нагреть воду до 100oC (на что надо затратить тепловую энергию) или баки сделать герметичными и создать в них вакуум через бак для холодной воды.

Но для создания вакуума необходимы затраты механической энергии для привода вакуум-насоса. Какое количество механической энергии потребуется для этого? Задача вакуум-насоса состоит только в том, чтобы откачать воздух из баков и создать там давление, равное давлению насыщенных паров воды при температуре воды в баке для горячей воды и после этого вакуум будет поддерживаться автоматически за счет того, что сколько воды испарится, столько же их и конденсируется при попутной передаче тепла через стенки баков с горячей и холодной водой.

Чтобы не усложнять систему, вакуум-насос выберем струйного типа, как наиболее надежный и технологичный, тем более, что в нашем бытовом энергоузле есть несколько замкнутых контуров жидкого промежуточного теплоносителя воды. Вопрос состоит только в том, где то место для установки струйного вакуум-насоса, чтобы затраты механической энергии при этом абсолютно не изменились. Эти места на входе в разбрызгиватели воды в полости по нагреваемой среде теплообменников тепломассообменного типа по регенеративному подогреву на входе в компрессор и воздуха, подаваемого в помещение, так как в эти разбрызгиватели осуществляется простое дросселирование воды при располагаемом перепаде давления, равном перепаду давления воздуха на компрессоре.

В связи с изложенным, бытовой энергоузел может быть дополнен существенными признаками, заключающимися в том, что бак с холодной водой сообщен с выходом фильтра через бак для горячей воды и дополнительно через кран со входом низкого давления струйного насоса, установленного в магистрали, соединяющей сборник воды и разбрызгиватель, расположенные соответственно в полостях по охлаждаемой и нагреваемой средам тепломассообменного теплообменника.

В бак для горячей воды можно заливать не только морскую воду, периодически сливая из него рассол морской воды (на продажу, для любителей морских ванн), а из бака для холодной воды пресную воду. Таким образом, можно разделять молоко на сливки и воду, водку на воду и спирт, любые соки на их концентрат и воду, мокрое белье на воду и сухое белье и вообще сушить и выпаривать любые продукты и вещества. Если выпариваемая влага не нужна, можно воспользоваться только струйным вакуум-насосом (их можно установить в количестве до трех) и любой герметичной емкостью, в которую закладывается выпариваемый продукт.

Мало того, на все эти нужные в хозяйстве технологии может быть направлена и вся тепловая мощность бытового энергоузла, если мы дополним его существенными признаками, заключающимися в том, что радиаторы отопления имеют сливные краны для конденсата и подключены к верхней части бака для горячей воды и своей верхней частью ко входу низкого давления струйного вакуум-насоса.

Действительно, в этом случае водяная система отопления просто превращается в не менее эффективную известную вакуум-паровую систему отопления, но периодического действия, когда, например, после испарения морской воды из бака для горячей воды надо слить из него рассол морской воды, а из радиаторов отопления уже пресную воду и примерно 1-2 раза в сутки повторять этот цикл.

Нетрудно сообразить, что такие нужные всем, но энергоемкие технологии могут быть подобным образом осуществлены везде, где есть системы отопления и вообще передача тепла от одного рабочего тела к другому, например, в более экономичных самих по себе регенеративных теплосиловых установках, и все это без каких-либо затрат тепловой энергии на осуществление этих технологий.

На фиг. 1 представлена схема бытового энергоузла применительно, например, к отдельной квартире; на фиг. 2 чертеж компрессора и турбины.

Предлагаемый бытовой энергоузел состоит из воздушного компрессора 1, механически связанного с источниками механической энергии, например, электромотором 2 и через вариатор оборотов 3 с турбиной 4. Выход компрессора 1 магистралями 5 и 6 связан со входом турбины 4 через вертикально установленную колонку 7, состоящую из последовательно соединенных между собой полостей 8 по охлаждаемой среде трех теплообменников 9 тепломассообменного типа, состоящих из разбрызгивателей душевого типа 10 и сборников конденсата воды 11 с установленными в них поплавковыми регуляторами 12 уровня воды. В первом теплообменнике 9 сборник конденсата 11 соединен через кран 13 с душем, водяной форсункой 14 на входе или в самом компрессоре 1 и с разбрызгивателем воды 10 через радиатор водяного отопления 15, кран 16 и водяной насос 17, а через кран 18, фильтр 19 и поплавковый клапан 12 с системой подпитки бытового энергоузла водой.

Два других теплообменника 9 попарно и перекрестно гидравлически связаны с аналогичными по конструкции теплообменниками 20, но с полостями 21 уже по нагреваемой среде, причем через краны 16 и водяные насосы 17 связаны между собой сборники конденсата воды 11 теплообменников 20 с разбрызгивателями 10 теплообменников 9, в то время как сборники конденсата 11 теплообменников 9 связаны с разбрызгивателями воды 10 теплообменников 20 магистралями 22 через поплавковые клапаны 13 и, в частном случае, через входной высокого давления и выходной патрубки струйного эжектора 23.

Выход полости по нагреваемой среде 21 одного из теплообменников 20 магистралью 24 связан со входом в компрессор 1, а другого с вентилируемым помещением, а второго с улицей, а в жаркое время года соответственно магистралями 25 с улицей и выходом холодильника 26, вход которого магистралью 27 связан с выходом турбины 4. Водяные насосы 17 собраны в единый блок и механически связаны между собой и электромотором 28.

Для реализации технологий по разделению растворов на их компоненты без специальной затраты на это энергии бытовой энергоузел имеет испаритель-подогреватель растворов 29, выполненный в виде рубашки охлаждения полости по охлаждаемой среде первого теплообменника 9, конденсатор-охладитель 30 жидких компонентов растворов с меньшей упругостью паров и радиатор парового отопления 32, оборудованные кранами 32 для слива разделенных компонентов растворов, последние из которых в верхних своих точках связаны с испарителем - подогревателем 29 и входным патрубком низкого давления струйного эжектора 23 через кран 33. Магистраль 34 подачи кондиционированного воздуха в помещение имеет подогреватель воздуха 35, а на магистрали 6 подачи воздуха к турбине 4 установлен предохранительный клапан 36, настроенный на расчетное давление воздуха за компрессором 1 и перед турбиной 4.

Для предлагаемого энергоузла могут быть выбраны компрессор 1 и турбина 4 любого типа, но для потребной, сравнительно малой мощности энергоузла и ввиду использования в качестве рабочего тела смеси воды и воздуха представляется наиболее подходящим объемный тип сжатия и расширения, не меняющий степень сжатия расширения от изменения мощности, т.е. от оборотов турбокомпрессора, что позволяет сохранять высокий КПД в широком диапазоне потребных тепловых мощностей энергоузла.

В свете вышесказанного предлагается одна и та же конструкция компрессора и турбины, которые могут быть и взаимозаменяемыми, если иметь в виду, что вариатор оборотов 3, механически соединяющий их, позволяет обеспечить любое потребное соотношение объемных расходов воздуха через них при одинаковых размерах их, а это позволяет и менять их местами для одновременной выработки их ресурса и уменьшить номенклатуру деталей и агрегатов при изготовлении энергоузла.

Компрессор-турбина состоит из корпуса, составленного из двух, например, штампованных из пластмассы полуцилиндров 37, скрепленных между собой, например, болтами 38, образуя две разной длины цилиндрические полости 39, связанные между собой окнами 40 в поперечной перегородке 41, а каждая из них окнами 42 соответственно с входным 43 и выходных ресиверами 44 (и наоборот для варианта турбины) для воздуха, механически связанными с полуцилиндрами 37 винтами 45, внутри которых и монтируется компрессор и турбина, в частности, для обеспечения шумоглушения и ликвидации пульсаций давления воздуха. Внутри полостей 39 расположен ротор 46 с осью вращения, совпадающей с осью цилиндрических полостей, и своими полукруглыми вершинами, касающимися внутренней цилиндрическою поверхности полуцилиндров 37. По обе стороны перепускных окон 40 в обеих полостях 39 расположены поворотные заслонки 47, опирающиеся на ротор 46, продетые через впуско-выпускные окна 42, касающиеся одного из краев этих окон и прижатые к ротору 46 упругими элементами 48 (типа резины), закрепленными винтами 49. В цилиндрической стенке большей по длине полости 39 перед перепускными окнами 40 установлены водяные форсунки 50 (не задействованные в варианте турбины), к которым подводятся вода по трубкам 51.

Работает бытовой энергоузел следующим образом.

При включении электромотора 2 начинают работать компрессор 1 и турбина 4. В воздух, поступающий в компрессор 1, форсункой 14 впрыскивается вода в количестве, несколько большем, чем это требуется для того, чтобы на выходе из компрессора 1 воздух был насыщенным. Вода, испаряясь при сжатии воздуха в компрессоре 1, позволяет преобразовывать механическую энергию не столько во внутреннюю энергию воздуха, разогревая его и увеличивая этим удельную работу сжатия воздуха до заданного давления, сколько расходуется на скрытую теплоту парообразования воды, что позволяет увеличить удельную работу воздуха в компрессоре, т. е. увеличить степень повышения давления при заданной сравнительно небольшой степени повышения температуры за компрессором, обеспечивающей наименьшие необратимые потери энергии при последующей теплопередаче в теплообменнике любого типа, тем более, что отбор тепла от парогаза, сопровождаемый конденсацией паров воды, характеризуется во много раз большим коэффициентом теплоотдачи, чем от сухого воздуха.

Далее парогаз поступает в тепломассообменную колонку 7, где последовательно отдает свое тепло в трех теплообменниках 9 тепломассообменного типа трем контурам воды за счет непосредственного контакта парогаза, поднимающегося снизу вверх, и струй воды, падающих сверху вниз из разбрызгивателей 10. Охлажденный таким образом воздух уже с содержанием влаги в десятки раз меньшим, подается по магистрали 6 к турбине 4, где, расширяясь, преобразует свою внутреннюю энергию в механическую работу, которая резко сокращает потребную мощность электромотора 2, обеспечивающего привод компрессора 1. Из турбины 4 еще более охлажденный воздух поступает по магистрали 27 в холодильник 26, где частично отдает холод продуктам питания, хранящимся в нем, и далее или выбрасывается на улицу в отопительный сезон или в жаркое время подается в кондиционируемое помещение, предварительно подогревшись и насытившись влагой в теплообменнике 20 и одновременно отдав холод воде, которая уже в теплообменнике 9 за счет подачи ее к разбрызгивателю 10 насосом 17 окончательно охлаждает воздух перед подачей его на турбину 4. Аналогично подогревается в другом теплообменнике 20 за счет тепла, приобретенного водой уже во втором теплообменнике 9 воздух, подаваемый на вход в компрессор 1 с тем, чтобы при неизменной степени повышения давления получить большую потребную температуру парогаза после компрессора 1, а следовательно, и воды, подаваемой в радиатор водяного отопления 15, увеличивая этим его тепловую мощность.

Регулирование тепловой мощности энергоузла и степени регенерации тепла на вход в компрессор 1 и холода на вход в кондиционируемое помещение осуществляется с помощью кранов 16, изменяющих расход воды в замкнутых контурах промежуточного теплоносителя, а также ручкой управления вариатором 3, которой добиваются того, чтобы предохранительный клапан 26 находился на пределе срабатывания после очередного регулирования энергоузла.

При подаче горячей воды через кран 13 в душ или для заполнения ванны тепловая мощность энергоузла в отопительный сезон может быть увеличена за счет того, что специально или для попутного приготовления пищи включается кухонная плита. По предлагаемому способу трансформации тепла забор воздуха на вход в компрессор 1 осуществляют над кухонной плитой и поэтому все тепло кухонной плиты, которое не пошло для основной цели приготовление пищи, будет использовано для преобразования его в тепло горячей воды с КПД практически 100% Значительную экономию энергии можно получить, если отбирать воду для приготовления пищи через кран 32 из бака для горячей воды 29, так как КПД бытового энергоузла не менее чем в 10 раз выше, чем у плиты.

В связи с тем, что сколько тепла ты затратил на испарение воды, столько же и можешь получить обратно, для передачи вырабатываемого энергоагрегатом тепла основному его потребителю воздуху в помещении, можно воспользоваться принципом "тепловой трубы" и реализовать не водяную, а не менее эффективную вакуумно-паровую систему отопления, когда за счет работы струйного эжектора 23 при открытом кране 33 в радиаторе парового отопления 31, а следовательно, и в баке 29 создается вакуум, вода в баке 29 закипает и пар, поступая в радиатор 31, конденсируется в нем, отдавая тепло конденсации воды воздуху в помещении. Вакуумно-паровая система отопления ценна тем, что в качестве рабочего тела в ней (для заливки бака 29) может быть выбрана морская вода, молоко или водка, в результате чего как-бы попутно без всяких затрат энергии на это, мы можем получить пресную воду и такие продукты, как рассол морской соли, сливки и спирт, сливая их через краны 32 после окончания процесса разделения этих компонентов указанных растворов морской воды, молока и водки (браги). Для любителей чистой охлажденной воды предусмотрен бак 30.

В варианте компрессора 1 предлагаемая роторная машина работает следующим образом.

При вращении ротора 46 по часовой стрелке в полости 39 большего объема, разделенной ротором и заслонками 47 на четыре части, одновременно осуществляется два процесса всасывания воздуха через окна 42 и два процесса выталкивания воздуха через окна 40 в полости 39, но уже меньшего объема. В полости 39 меньшего объема осуществляются те же процессы, но в сочетании с процессами выталкивания в полости 39 большего объема процессы всасываний в ней превращаются в процессы сжатия воздуха, заканчивающиеся к моменту, когда порции воздуха из первой полости полностью вытеснятся во вторые полости и к этому моменту давление сжатых порций воздуха достигнет давления воздуха в ресивере 44, после чего и открываются окна для выдавливания в него уже сжатых порций без каких-либо потерь энергии на дросселирование. К концу процессов всасывания и в течение всего процесса сжатия изолированные порции воздуха сообщаются в выходами водяных форсунок 50, благодаря чему весь процесс сжатия воздуха осуществляется с малым повышением температуры, но с повышением внутренней энергии уже парогаза на величину затраченной на привод компрессора механической работы ввиду того, что внутренняя энергия концентрируется в этом случае в воде скрытой теплоты парообразования воды, и в связи с чем отпадает необходимость в значительной мере расширять диапазон температур реализации термодинамического цикла теплового насоса, от которого зависит коэффициент трансформации теплоты. Впрыск воды полезен также и в том смысле, что вода неплохой вид смазки трущихся поверхностей и одновременно заполняет воздушные зазоры в сопрягаемых деталях, предотвращая дросселирование воздуха. Предлагаемая простая в исполнении форма сечения ротора 46 обеспечивает практически постоянство модуля углового ускорения заслонок 47, динамические силы от появления которого компенсируются величиной упругой силы элементов 48, тем более, что силы эти незначительны ввиду малого веса заслонок, находящихся в колебательном движении, так как потребное увеличение давления в компрессоре не превышает 1 кгс/см2.

Работа предлагаемой роторной машины в варианте турбины ничем не отличается за исключением того, что процесс сжатия превращается в процесс расширения газа, для чего воздух в нее подается уже со стороны патрубка меньшего диаметра, а направление вращения ротора меняется на обратное.

Расчеты показывают, что при выбранной степени сжатия-расширения турбокомпрессора к= т= 1,8 при степени регенерации, обеспечивающей подогрев питательной воды для гигиенических нужд и системы отопления до +50oC бытовой энергоузел на 1 кВт затраченной электрической энергии обеспечивает одновременно: выработку тепловой энергии в количестве 3 кВт; полную регенерацию тепла при замене свежим очищенным от пыли воздухом некондиционного воздуха в помещении, что равносильно выработке уже 6 кВт тепловой энергии; полную утилизацию неиспользуемого, ранее выбрасываемого через систему вытяжки тепла кухонной плиты, что равносильно выработке уже 8 кВт суммарной тепловой мощности; выработку холода для бытовых и производственных нужд, что равносильно выработке уже 10 кВт суммарной тепловой мощности; использование тепловой мощности по 6 кВт для попутной, без какого-либо расходования этой тепловой энергии, реализации таких энергоемких технологий, как сушка различных продуктов и разделение растворов на их компоненты путем возгонки, например опреснение морской воды, что равносильно получению 16 кВт суммарной тепловой мощности из 1 кВт механической (электрической) мощности; регулирование в широких пределах потребной тепловой мощности в зависимости от изменения погодных условий по времени года с сохранением максимально-возможного коэффициента термотрансформации, естественно уменьшающегося при улучшении качества вырабатываемой тепловой энергии, например при обеспечении подогрева воды не до +50oC, а до 70-80oC.

Приведенные расчетные характеристики и относительная простота изготовления энергоузла при отсутствии в нем дефицитных и дорогих материалов, а также привлекательность его для завода-изготовителя в том смысле, что не надо обеспечивать сеть ремонтных мастерских, а для покупателя тем, что он сам всегда может починить его сам, позволяет сделать вывод, что предлагаемый бытовой энергоузел будет высококонкурентоспособным на рынке в наше время высокой стоимости всех видов энергии.

Формула изобретения

1. Способ трансформации теплоты окружающей среды для получения тепла и холода, в частности, для отапливаемого и/или кондиционируемого помещения, заключающийся в том, что отбираемый из помещения воздух сжимают в компрессоре, тепло сжатого воздуха передают в теплообменнике потребителю тепла, в частности воздуху, поступающему в вентилируемое помещение в отопительный сезон, после чего охлажденный воздух расширяют на турбине и холод передают потребителю, в частности холодный воздух подают в вентилируемое помещение в жаркий сезон, подавая воздух на вход в компрессор с улицы, причем привод компрессора осуществляют как от турбины, так и любого источника механической энергии, отличающийся тем, что, с целью снижения необратимых потерь энергии и сужения диапазона температур реализации обратного термодинамического цикла, в результате чего увеличивается коэффициент трансформации теплоты цикла, перед и/или в процессе сжатия в компрессоре воздуха в него распыляют форсункой жидкость, например воду, конденсируемую в процессе передачи тепла потребителю от насыщенного парами воды воздуха после компрессора, забор воздуха для которого, в частности, осуществляют от источника не кондиционного для дыхания горячего воздуха, например над кухонной плитой.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воде частному потребителю тепла передают тепло насыщенного парогаза после компрессора в массотеплообменном аппарате методом противотока при движении воды сверху вниз, а парогаза снизу вверх.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что тепло насыщенного парогаза после компрессора передают последовательно нескольким замкнутым контурам промежуточного теплоносителя воды для потребителей тепла разной температуры, например водяной системе отопления, системе регенерации тепла на вход в компрессор и системе подогрева подаваемого в отапливаемое помещение воздуха, которым замещают некондиционный воздух, всасываемый компрессором, причем передачу тепла от воды к воздуху в двух последних системах осуществляют в дополнительных тепломассообменных агрегатах.

4. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что тепловую мощность каждого из потребителей тепла и влажность поступающего в помещение воздуха регулируют изменением расхода воды в соответствующем контуре, в том числе и за счет полного или частичного замыкания этого контура, например, регенеративного через другой потребитель горячей воды, в частности душ или ванную, при пользовании которыми мощность системы отопления, в частности, и не снижают, для чего на это время включают кухонную плиту и, в частности, совмещают приготовление пищи и заливку горячей водой, например, в ванну.

5. Способ по пп.1 4, отличающийся тем, что когда уменьшают или увеличивают отпуск тепла его потребителям одновременно соответственно увеличивают или уменьшают объемный расход воздуха через турбину, в частности, за счет изменения оборотов турбины по сравнению с оборотами компрессора, для чего механически соединяют их валы между собой через вариатор оборотов.

6. Способ по пп.1 5, отличающийся тем, что в жаркий период года воздух после турбины пропускают через потребитель холода, например бытовой холодильник, а затем через подогреватель-увлажнитель наружного воздуха тепломассообменного типа, причем забор воздуха на вход в компрессор обеспечивают с улицы, а сброс некондиционного воздуха например, через форточку кондиционируемого помещения, в котором образуется небольшое избыточное давление.

7. Бытовой энергоузел, состоящий из механически связанных между собой источника механической энергии и воздушных компрессора и турбины, а также теплообменника, вход которого по охлаждаемой среде связан с выходом компрессора, а выход с входом в турбину, в то время как вход и выход его по нагреваемой среде и вход в компрессор в жаркое время года связаны с наружной окружающей средой (атмосфера, река, водопроводный кран и т.д.), а выход турбины с кондиционируемым помещением или с наружной атмосферой уже в холодное время года, когда вход компрессора сообщен с помещением, вход по нагреваемой среде теплообменника с наружной атмосферой, а выход с помещением, отличающийся тем, что на входе в компрессор и/или в его рабочих объемах установлены водяные форсунки, последовательно связанные со сборником конденсата воды полости по охлаждаемой среде теплообменника и через подпиточный поплавковый кран с источником воды.

8. Энергоузел по п.7, отличающийся тем, что полость по охлаждаемой среде теплообменника имеет дополнительную полость, вход которой сообщен со сборником конденсата воды, а выход через регулировочный кран, водяной насос и разбрызгиватель воды, установленный в верхней части основной полости у ее выхода, в то время как сборник конденсата воды в нижней части у входа в нее.

9. Энергоузел по пп.7 и 8, отличающийся тем, что полость по нагреваемой среде теплообменника связана через общие для них дополнительные полости с полостью по охлаждаемой среде теплообменника, причем разбрызгиватель полости по нагреваемой среде теплообменника у его выхода связан со сборником конденсата воды полости по охлаждаемой среде, а разбрызгиватель воды полости по охлаждаемой среде теплообменника связан через насос и регулировочный кран со сборником конденсата воды у входа в полость по нагреваемой среде теплообменника.

10. Бытовой энергоузел по пп.7 9, отличающийся тем, что он имеет несколько последовательно установленных теплообменников для передачи тепла разным потребителям, например водяной системе отопления, системе регенерации тепла и увлажнения воздуха на входе в компрессор и системе подогрева и увлажнения подаваемого в отапливаемое помещение воздуха.

11. Энергоузел по пп.7 10, отличающийся тем, что компрессор и турбина механически связаны между собой через вариатор оборотов.

12. Энергоузел по пп.7 11, отличающийся тем, что компрессор и турбина выполнены конструктивно одинаково и состоят из двух разных по объему цилиндрических полостей с общей для них торцевой стенкой, в которой выполнены окна, сообщающие их между собой, внутри которых расположены овальные цилиндрические роторы с осью вращения, совпадающей с осями круговых цилиндров полостей, к которым примыкают вершины роторов, а непосредственно у окон в торцевой стенке полостей по обе стороны от них, но в разных полостях установлены поворотные заслонки, опирающиеся на роторы и проникающие в полости через прямоугольные прорези в цилиндрических стенках полостей, причем по другую сторону каждой из заслонок в стенках полостей выполнены соответственно впускные и выпускные окна, которые, как и перепускные окна, равномерно расположены по периметру стенок, где они выполнены, и число их совпадает с числом вершин симметричных роторов.

13. Энергоузел по пп.7 12, отличающийся тем, что сборники конденсата воды теплообменников на впуске магистралей без крана и насоса имеют выпускные поплавковые регуляторы уровня воды в сборниках конденсата.

14. Энергоузел по пп.7 13, отличающийся тем, что на выходе подогревателя нарудного воздуха смесительного типа установлен подогреватель воздуха поверхностного типа, например радиатор водяного отопления или электроподогреватель, в частности, на основе вольтовой дуги.

15. Энергоузел по пп. 7 14, отличающийся тем, что на входе в систему подпитки водой энергоузла установлен фильтр, соединенный в том числе и с баком для горячей воды, оборудованным сливным краном и выполненным в виде рубашки охлаждения стенок полости по охлаждаемой среде теплообменника тепломассообменного типа.

16. Энергоузел по пп.7 15, отличающийся тем, что фильтр соединен в том числе и с баком для холодной воды, оборудованным сливным краном и выполненным в виде рубашки охлаждения стенок полости по нагреваемой среде теплообменника тепломассообменного типа, предназначенного для подогрева воздуха, подаваемого в помещение с улицы или из турбины.

17. Энергоузел по пп.7 16, отличающийся тем, что бак с холодной водой сообщен с выходом фильтра через бак для горячей воды и дополнительно через кран с входом низкого давления струйного насоса, установленного в магистрали, соединяющей сборник воды и разбрызгиватель, расположенные соответственно в полостях по охлаждаемой и нагреваемой средам тепломассообменного теплообменника.

18. Энергоузел по пп. 7 17, отличающийся тем, что радиаторы отопления имеют сливные краны для конденсата и подключены к верхней части бака для горячей воды и своей верхней частью к входу низкого давления струйного вакуум-насоса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области энергетики

Изобретение относится к теплоэнергетике и предназначено для одновременного получения электрической энергии, тепла и холода, а также может использоваться в качестве авторефрижераторных установок

Изобретение относится к энергетике и позволяет за счет использования солнечного тепла, рассеянного в земной атмосфере, значительно повысить КПД теплофикационно-холодильной станции

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в системах теплоснабжения промышленных, сельскохозяйственных, транспортных и бытовых объектов

Изобретение относится к области электрохолодильных систем объектов, функционирующих без связи с атмосферой

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к теплонасосным энергетическим установкам на базе вихревых и центробежных теплогенераторов

Изобретение относится к холодильной технике, в частности к комбинированным системам хлада- и теплоснабжения кондиционируемых помещений зданий и помещений для экипажа, пассажиров или грузовых отсеков различных транспортных средств

Изобретение относится к холодильной промышленности и может быть использовано как для производства бытовых, так и промышленных холодильников

Изобретение относится к энергетике и может найти широкое применение в любых отраслях промышленности и сельском хозяйстве для одновременного производства тепла, холода и механической (электрической) энергии при использовании в том числе и бросового среднепотенциального тепла: выхлопных газов ДВС, сфокусированных солнечных лучей, бытовой плиты и т.д

Изобретение относится к энергетике, в частности, к преобразованию низкопотенциальной тепловой энергии в электрическую

Изобретение относится к области теплоэнергетики и холодильной техники, конкретно к тепловым насосам и холодильным машинам

Изобретение относится к тепловым машинам, предназначенным для получения холода и тепла

Изобретение относится к холодильно-нагревательной технике и может быть использовано в технологии хранения и производства различных видов продуктов и веществ в промышленных и бытовых холодильно-нагревательных установках

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в системах теплоснабжения различных сфер народного хозяйства (промышленность, сельское хозяйство, оборонные, транспортные и бытовые объекты)

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к устройствам для нагрева жидкости, и может быть использовано в системах отопления зданий и сооружений, транспортных средств, подогрева воды для производственных и бытовых нужд, сушки сельхозпродуктов

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства для получения значительного количества тепловой энергии, в частности для подогрева (непосредственно в трубопроводах) вязких жидкостей типа нефти с целью снижения вязкости и улучшения реологических свойств

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано как в системах отопления, так и в аппаратах нагрева широкого назначения

Способ трансформации теплоты и бытовой энергоузел для его реализации, мощность системы отопления

Наверх