Способ работы отопительной системы от холодного и горячего источников тепла

Изобретение относится к отопительным системам. Технический результат: получение экономичного отопления зданий, сооружений, парников за счет отбора тепла (энергии) от окружающей среды - атмосферного воздуха или воды. Способ работы отопительной системы, состоящей из системы цилиндров с размещенными внутри них поршнями для изотермического расширения воздуха, подаваемого на отопление, снабженных электрогенератором и клапанами для поступления воздуха, а также из емкостей для промежуточного хранения изотермически расширенного воздуха, цилиндра для адиабатического сжатия воздуха, поддерживающего давление воздуха 0,5 кг/см², электродвигателя и соединительных трубопроводов, заключающийся в том, что цилиндром, приводимым в работу электродвигателем, обеспечивают откачку воздуха из емкости хранения до его разрежения до 0,5 кг/см², после чего с помощью электрогенератора приводят в движение поршни в системе цилиндров, в которых изотермически расширяют находящийся внутри цилиндров воздух, в процессе чего вырабатывается электроэнергия, после чего изотермически расширенный воздух поступает в емкость для его хранения, из которой он поступает в цилиндр для его последующего адиабатического сжатия и нагревания до температуры +30°С с давлением, равным атмосферному, из которого в свою очередь нагретый воздух выталкивается в отапливаемое помещение. 1 ил.

 

1. Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к отопительным системам.

2. Уровень изобретения

Аналогов данному изобретению нет, но если они существуют, то автору эти аналоги не известны.

3. Раскрытие изобретения

Основной задачей способа работы отопительной системы является получение самого экономичного отопления зданий, сооружений, парников за счет отбора тепла (энергии) от окружающей среды - атмосферного воздуха или воды. В первом случае от атмосферного воздуха можно отбирать энергию при минусовых температурах его в пределах -10°С - 15°С, а отбирать энергию от воды можно в переделах +1°С - +4°С. В указанных случаях, забирая тепло (энергию) из атмосферного воздуха в пределах указанных выше температур, получая за счет его расширения в изотермических цилиндрах с 1 до 0,5 кг/см², мы ею запасаемся пропорционально температуре, считая от абсолютного нуля по шкале Кельвина. В нашем примере она равно 273K-15°С=258K. Это от атмосферного воздуха при температуре -10°С - 15°С, а от воды - 273K+4°C=277K.

Для отопления нужна температура в квартире +30°С, т.е. 273K+30°C=303K. Это значит, что получим от внешней среды от воздуха 258 единиц энергии, а отдать надо 303 единицы. КПД будет равно:

.

Выходит, как бы 258 калорий получили, а отдали 303 калории. Это значит, 85% получили от внешней среды, а отдаем 100%, что на 15% больше, т.е. затратили на отопление 15% от необходимого.

Во втором случае получаем энергию от воды. Получим, например, от нее в результате расширения изотермически воздуха 277 калорий, а отдаем 303 калории в помещение. Определяем КПД по формуле:

.

Это значит, что на отопление отдали 303 калории, а получили от воды 277 калорий энергии. К этому количеству тепла добавим от сети 8,6% калорий в виде электричества и тогда температура воздуха в квартире будет +30°С, а воды +4°С.

Вывод: отопление по данному способу желательно осуществлять, отбирая тепло от воды в водоеме, но если водоема нет, то это надо делать за счет атмосферного воздуха.

Таким образом, способ работы отопительной системы основан на обратном термодинамическом цикле: это закон перехода энергии (тепла) в работу и наоборот - переход работы в тепловую энергию. Количественные показатели этого закона выражаются и подсчитываются с глубокой точностью по формуле:

,

где Т₂K - это температура, которую приобретает рабочее тело (воздух) в результате нагрева, в данном случае за счет адиабатического сжатия, произведя определенную работу;

T₁K - это температура холодного источника: воздуха в атмосфере, воды в водоеме.

Для осуществления этих термодинамических циклов необходимо иметь целый ряд цилиндров изотермического расширения атмосферного воздуха, засосанного в них, где и производится затем медленное его расширение за счет отбора тепла от атмосферного воздуха, поступающего к расширяемому воздуху через стенки этих цилиндров (расширение с давления 1 кг/см² до давления 0,5 кг/см²). Далее расширенный воздух, пройдя емкость 2, засасывается в цилиндр 5 адиабатического сжатия, где он сжимается до исходного давления 1 кг/см² и выталкивается в отопляемое помещение, затрачивая работу на 15% или 8,6% больше, чем получим при изотермическом расширении воздуха в цилиндрах.

4. Краткое описание чертежа

Основными элементами данной отопительной системы (способа) будут:

- набор цилиндров изотермического расширения воздуха 4 с давления 1 до 0,5 кг/см² с электрогенератором и редуктором;

- емкости 2 промежуточного хранения изотермически расширенного воздуха до 0,5 кг/см²;

- цилиндр 5 адиабатического сжатия воздуха с 0,5 до 1 кг/см² (атмосферного) и температуры +30°С;

- ряд трубопроводов 8, 9, 10.

Назначение элементов системы

- Электродвигатель 1 приводит в работу цилиндр 5 адиабатического сжатия воздуха и направляет его в квартиру;

- Емкость 2 служит для хранения и прохождения через нее изотермически разреженного воздуха до 0,5 кг/см²;

- Электрогенератор с редуктором 3, работающий за счет изотермически расширенного воздуха в цилиндрах 4 за счет получения тепла через стенки цилиндров из атмосферы или от воды;

- Изотермическая система цилиндров 4 для расширения в них атмосферного воздуха до 0,5 кг/см²;

- Цилиндр 5 для адиабатического сжатия поступившего из емкости воздуха при Р=0,5 кг/см² до Р=1 кг/см²;

- Штоки 6 служат для насадки на них поршней изотермической системы;

- Дренажные клапана 7 в цилиндрах предназначены для облегчения работы поршневой системы и охлаждения цилиндров изнутри;

- По трубопроводу 8 поступает воздух из емкости 2 в цилиндр адиабатического сжатия 5. По трубопроводу 9 воздух подается в квартиру. Труба 10 служит для подачи разреженного воздуха до 0,5 кг/см² в емкость 2;

- Поршни 11 в системе разрежения воздуха в цилиндрах 4;

- Клапан 12 служит для всасывания воздуха в цилиндр 4;

- Клапан 14 впускает воздух в цилиндр адиабатического сжатия 5;

- Клапан 15 выпуска сжатого до 1 кг/см² и нагретого за счет сжатия до +30°С воздуха в квартиру;

- 13 - крепление емкости 2 к стене обогреваемого помещения.

5. Осуществление изобретения

Система состоит из следующих основных элементов в статическом состоянии:

- двух длинных цилиндров (труб) нужного диаметра, устанавливаемых с южной стороны здания (желательно). Это по сути стенки многоцилиндрового поршневого изотермического устройства, в каждом по 5 цилиндров с тремя клапанами каждый: всасывающего, выпускающего и дренажного;

- целого ряда поршней 11, по 5 в каждой трубе-цилиндре, насаженных на штоки 6 (трубы, их две) малого диаметра, входящие в центр каждого поршня 11. Эта система поршней 11 вводится в трубы 4, где они занимают каждый свое место;

- для всех 10 цилиндров один электрогенератор с редуктором 3, соединенные шатунами с центральной трубой 6, на которой насажены поршни для передачи их усилий (работы) на редуктор 3, а он приведет в действие электрогенератор, вырабатывая электроэнергию;

- цилиндр адиабатического сжатия 5 для сжатия поступившего воздуха их емкости при 0,5 кг/см² до давления 1 кг/см² и выталкивания его в квартиру с помощью электродвигателя, питающегося от сети.

Работа системы отопления

а. Включить электродвигатель 1 от сети, приводящий в работу цилиндр 5 с поршнем по откачке воздуха из емкости 2, и довести в ней давление до 0,5 кг/см². Как только будет откачен воздух из емкости 2 и доведен в ней до 0,5 кг/см², надо провернуть электрогенератор 3, вырабатывающий электроэнергию за счет изотермического расширения воздуха в цилиндрах (их 10), и система заработает.

б. Разрежение воздуха при постоянной температуре в изотермических цилиндрах 4 происходит медленно, поэтому этих цилиндров много. Их число определяется опытным путем.

в. Цилиндр 5 с поршнем адиабатического сжатия воздуха до температуры +30°С должен работать на больших оборотах и поддерживать давление в емкости равным 0,5 кг/см².

г. Дренаж в цилиндрах 4 для атмосферного воздуха и труба 6 в центре поршней 11 создают наилучшие условия передачи тепла изотермически расширяемому воздуху через стенки цилиндров от внешнего атмосферного воздуха или воды.

Предложения по реализации системы отопления

Самое главное - изготовление изотермических цилиндров. Их сделать можно довольно просто из стальных, чугунных или дюралевых труб. Допустим, надо иметь 10 цилиндров длиной по 20 см каждый. Надо брать трубу из указанных выше металлов нужного диаметра, к примеру 100 мм, и отрезать 10 цилиндров по 20 см длиной. Приготовить фланцы для цилиндров по 2 на каждый цилиндр. Внутренний диаметр фланцев равен внешнему диаметру цилиндра. Во фланцах просверлить по 6 отверстий для винтов. Полученные фланцы приварить на самые концы цилиндров впотай. По размерам фланцев изготовить толстые деревянные диски из осины или дуба, в каждом по центру отверстия, равные внешнему диаметру трубы, идущей к редуктору с электрогенератором и соединенной с редуктором шатуном. На эту трубу насаживается первый диск, к нему - цилиндр с фланцем, и скрепляем их винтами. Но прежде чем насаживать их на трубу, надо на диске из дерева установить все три клапана: всасывающий, выпускной и дренажный. В этот цилиндр, насаженный на внутреннюю трубу, вставляем приготовленный поршень и закрепляем его на внутренней трубе около клапанов (всех трех). Таким образом, первый цилиндр готов к работе. Вставляем на внутреннюю трубу второй диск, а потом второй цилиндр и скрепляем их винтами, вставляя их в отверстия фланцев второго цилиндра и диска, расположенного между ними.

Изготовили 10 поршней. Для их изготовления годятся диски из дюраля по два на каждый поршень с внешним диаметром на 4 мм меньше внутреннего диаметра цилиндра, и имеющие отверстия в центре, равные внешнему диаметру внутренней трубы. Между дисками из дюраля вставляется диск из войлока, диаметром на 5-7 мм больше дисков. Войлок будет выполнять роль колец в цилиндрах поршневых двигателей, т.е. для герметичности. Все это насаживается на внутреннюю трубу, скрепляя их винтами. Получается поршень, закрепив его на внутренней трубе неподвижно винтами под войлочным диском. И далее, насаживаем поршень на внутреннюю трубу из 2-х дюралевых дисков, а между ними войлочный диск, и закрепляем их на трубе во 2-м цилиндре так, как это сделали в первом цилиндре перед диском с клапанами. И далее, по этой методике насаживаем на внутреннюю трубу 3-й, 4-й, 5-й цилиндры. 5-й цилиндр с внешней стороны закрываем диском и закрепляем его на фланце винтами. Внутренняя труба должна выступать наружу через центр диска.

Таким способом монтируется на 2-й внутренней трубе остальные 5 цилиндров. На этом работа закончена по изготовлению изотермической части отопительной системы. Далее, к клапану выпуска монтируется труба подачи разреженного воздуха в емкость. Эту часть закрепляем на стене с внешней стороны здания и здесь же крепим емкость хранения разреженного воздуха.

В отдельной камере крепится цилиндр адиабатического сжатия с электродвигателем. Камера должна иметь тепловую и звуковую изоляцию, а нагретый воздух по трубе поступает в помещение или в секцию для отопления.

И главное, деревянные диски надо выполнить толстыми из осины или дуба, чтобы в каждом можно смонтировать все три клапана: всасывающий, выпускной и дренажный. В этом случае поршни будут работать вплотную, доходя до дисков, прижимаясь при выдавливании воздуха в емкость и при окончании расширения воздуха в цилиндре.

Подробный пример осуществления способа работы отопительной системы

Разъяснения по работе цилиндров в объеме всех нижеприведенных процессов, совершаемых в отопительной системе по обеспечению ее работы, будут следующие:

- каким образом и за счет чего в них поступает воздух;

- каким образом он оттуда откачивается;

- каким образом происходит его изотермическое расширение и понижение его давления.

1. Каким образом и за счет чего в них поступает воздух

Это происходит с помощью работы клапанов. Так при открытии клапана 12 для всасывания (поступления) воздуха из атмосферы для заполнения изотермического цилиндра атмосферным воздухом при атмосферном давлении 1 кг/см² на половину цилиндра клапан всасывания 12 закрывается, а поршень при этом прошел половину длины цилиндра. В этом положении поршня всасывающий клапан 12 закрыт.

Далее при движении поршня до конца цилиндра происходит изотермическое расширение поступившего в цилиндр воздуха. Движение поршня осуществляется за счет изотермического расширения поступившего в цилиндр воздуха. Поршни находятся закрепленными на штоках 6, а штоки имеют шатуны, которые крепятся к диску с редуктором 3, и поэтому давление расширяемого воздуха в цилиндре на поршни передается и на шатуны, которые вращают диск с зубьями по окружности. И посредством вала электрогенератора тоже с зубьями вращает электрогенератор 3, образуя редуктор, вырабатывая электрический ток. Выработанный электроток идет на работу адиабатического цилиндра 5, приводимого в работу электродвигателем 1 посредством шатуна 5а.

Дренажный клапан 16 - это, по сути, отверстие для впуска и выпуска атмосферного воздуха для его циркуляции в противоположной стороне изотермическому расширению, т.е. с обратной стороны поршня. Дренаж обеспечивает более полное и ускоренное изотермическое расширение воздуха, т.е. передачу тепла от внутренних стенок цилиндра расширяемому воздуху от поступившего из атмосферы воздуха через дренажный клапан 16 в цилиндр. Поступивший в цилиндр воздух, омывая его стенки, довел их температуру, равную атмосферному воздуху. Поступающий воздух через дренажный клапан 16 по окончании изотермического расширения воздуха в цилиндре 4 давит с противоположной стороны на поршень 11 и выталкивает в промежуточную камеру 2 разреженный до 0,5 кг/см² воздух посредством открытия клапана 7 в трубопровод 4, который соединен с камерой промежуточного хранения 2. Выталкивание разреженного воздуха до 0,5 кг/см² происходит за счет атмосферного воздуха с давлением в 1 кг/см² на поршень 11 с обратной стороны расширенному воздуху.

2. Каким образом откачивается воздух из промежуточной камеры хранения

Откачивание воздуха из промежуточной камеры хранения 2 производится адиабатическим цилиндром 5 путем включения его электродвигателя 1 за счет поступления электроэнергии от электрогенератора 3 изотермической системы цилиндров с дополнительным электродвигателем 18, получающим электроэнергию от сети для полного адиабатического сжатия воздуха с давления 0,5 кг/см² до атмосферного давления в 1 кг/см². При этом сжатии происходит его нагрев до +30°С, увеличивается его объем на 1/10 и поэтому приходится на эту 1/10 часть энергии брать ее от сети. А 9/10 - это полученная электроэнергия от изотермического расширения воздуха в изотермической системе цилиндров. Таким образом, из 10 квартир 9 отапливаются за счет отбора тепла от атмосферного воздуха при изотермическом расширении при температуре атмосферного воздуха 0°С. А при -10°С сделаем отопление, добавив от сети уже 13% электроэнергии. Воздух из промежуточных камер 2 поступает в цилиндр 5 по трубе 8.

3. Каким образом происходит изотермическое расширение воздуха и понижение давления

Из описанного выше о работе клапанов было сказано, как производится изотермическое расширение воздуха и понижение его давления. Но здесь следует остановиться особо. Как уже говорилось выше, воздух через клапан 12 засасывается в цилиндр. Заполнив его наполовину при давлении 1 кг/см² клапан 12 закрывается, а поршень продолжает дальнейшее движение в изотермическом цилиндре 4, что ведет к увеличению его объема, а равно и понижению давления в нем. Давление понижается, значит, должна понижаться и его температура, так как воздух, давя на поршень, совершает работу, расходуя энергию расширяемого воздуха. Надо иметь изотермическое расширение. Но для его осуществления надо иметь поступление тепла через стенки цилиндра 4 из атмосферы для поддержания постоянной температуры при расширении близкой к ней или равной температуре воздуха в атмосфере, тогда в этом случае можно больше отобрать тепла от атмосферного воздуха и направить его на отопление путем его дальнейшего адиабатического сжатия с 0,5 кг/см² до атмосферного, равного 1 кг/см², на что потребуется добавить 10% или 20% электроэнергии от сети. В первом случае, если температура воздуха 0°С, добавим 10%, во втором случае, если температура воздуха -10°С, добавим 20% электроэнергии от сети. И чем ниже температура атмосферного воздуха, тем больше энергии надо добавить от сети, ориентируясь на формулу по определению КПД обратного термодинамического цикла:

,

где Т₂K - температура горячего источника;

T₁K - температура холодного источника.

Для удобства работы всей отопительной системы надо установить на одной оси с электрогенератором, снимающим электроэнергию при изотермическом расширении воздуха, электродвигатель 18. Их в нашем примере надо иметь два: один - для работы до температуры 0°С, и чтобы его мощность составляла 10% от электрогенератора 3, и второй - при температуре до -10°С, его мощность должна составлять от мощности электрогенератора 20%. Таким образом, в сумме электродвигатель и электрогенератор обеспечат работу цилиндра адиабатического сжатия, т.е. его электродвигателя, и подачу нагретого воздуха до +30°С в отапливаемое помещение при атмосферном давлении 1 кг/см².

В связи с поставленными вопросами и для полноты понимания работы системы пришлось добавить элементы в конструкцию отопительной системы и сделать новый чертеж, отличный от первого некоторыми деталями: розетка 17 для подачи электроэнергии от электрогенератора 3 к электродвигателю 5 адиабатического цилиндра; дополнительный электродвигатель 18, работающий от электросети, увеличивающий мощность электрогенератора и служащий для начального включения поршней 11 в движение; розетка 19 для подачи электроэнергии от сети для работы дополнительного электродвигателя 18; электросеть 20; розетка 21 для откачки воздуха двигателем 5 из промежуточных емкостей перед началом работы изотермической системы. Над изотермическими цилиндрами сверху показаны графики - это изотермические процессы, величина которых заштрихована в клеточку. Внизу под адиабатическим цилиндром показан обратный термодинамический цикл с адиабатическим сжатием и изотермическим расширением. Величина изотермического процесса заштрихована в клеточку, а узкая полоска сверху клеточек, увеличивающаяся справа налево, - это те 10% энергии, которые должны добавить от сети. Эта полоска составляет 1/10 от адиабатического процесса, а 9/10 - изотермический, в клеточку. Адиабатический процесс сжатия есть сумма заштрихованной части в клеточку плюс узкая полоска сверху над ней граница адиабатического сжатия воздуха в цилиндре 5 адиабатического сжатия. Этот расчет при температуре воздуха 0°С.

Сверху над электрогенератором помещен в разрезе редуктор. Редуктор - это окончание оси электрогенератора с зубьями на конце, помещенный между двумя дисками 3, тоже имеющими по окружности с внутренней стороны зубья. Они входят в зацепление с зубьями дисков. Редукция будет составлять отношение количества зубьев на дисках и на оси или отношение диаметра дисков к диаметру конца оси с зубьями электрогенератора. На дисках крепятся шатуны, соединенные со штоками 6. Диски имеют в центре ось, вокруг которой они совершают свое вращение. Ось должна их удерживать строго параллельно друг другу, чтобы диски нормально вращались и приводили шатуны в движение, а те - поршни, насаженные на них. Редукция должна быть в пределах 1:10, 1:15. Это значит, диск совершит один оборот, а ось электрогенератора - 10-15 оборотов в секунду. Редуктор на число оборотов должен быть проверен опытным путем, ибо нет данных, сколько тепла можно передать через стенки цилиндров изотермически расширяемому воздуху в цилиндрах от наружного атмосферного воздуха или жидкости. При понижении температуры ниже 0°С объем засасываемого воздуха понижается.

Но так как эта система по принципу действия предназначена на века и наивыгоднейшая по всем параметрам, то ее надо обязательно иметь. Она может использоваться и для подачи теплого воздуха в шахты, выгодна и безопасна, а главное, экономична, относится к малозатратным технологиям НОУ-ХАУ.

Элементарный расчет тепла для осуществления способа работы отопительной системы

В приведенном примере температура наружного воздуха 0°С, температура поступающего адиабатически сжатого воздуха после его изотермического расширения в отапливаемое помещение +30°С. Решение производится с применением температур по шкале Кельвина. Это значит, что температура поступающего наружного воздуха при 0°С равна 273K, а температура поступающего теплого воздуха в квартиру при +30°С равна 303K.

Расчет ведем с 1 кг воздуха, используя формулу по определению КПД:

,

где T₂ - температура нагретого до +30°С воздуха (303K);

T₁ - температура наружного воздуха 0°С (273K).

На нагрев воздуха весом в 1 кг на 1°С требуется 0,24 ккал/гр.

В нашем примере нагрев составляет +30°С:

1 кг×0,24 ккал/гр×30°С=7,2 ккал - затратили тепла.

КПД при этих температурах равен 0,1 или 10%.

Находим количество тепла, которое совершит полезную работу при КПД 0,1 при прямом термодинамическом цикле:

7,2 ккал×0,1=0,72 ккал (полезная работа).

Находим количество тепла, которое будет отдано холодному источнику: 7,2 ккал-0,72 ккал=6,48 ккал.

Это расчет прямого термодинамического цикла с приведенными данными в способе работы отопительной системы.

Нас интересует обратный термодинамический цикл. Из примера видно, что холодному источнику отдали 6,48 ккал, а полезную работу получили равную 0,72 ккал. При обратном цикле все наоборот: 6,48 ккал получаем от холодного воздуха при 0°С (273K) при изотермическом расширении 1 кг воздуха, а отдаем в отапливаемое помещение при +30°С (303K) 7,2 ккал, затратив на адиабатическое сжатие дополнительно сверх полученного при изотермическом расширении всего 0,72 ккал. Из этого видно, что в помещение поступило тепла с 1 кг воздуха при температуре +30°С (303K) 7,2 ккал, а затратили 0,72 ккал, что составляет 1/10 от поступившего в помещение тепла. На это тепло, равное 0,72 ккал, и тратим энергию от сети. Для этого и установлен электродвигатель 18.

PS. В приведенном расчете поступление воздуха в изотермические цилиндры на 0,5 их объема при постоянном атмосферном давлении и выталкивание нагретого воздуха до +30°С из адиабатического цилиндра тоже при атмосферном давлении в отапливаемое помещение не приводится, ибо эти процессы налагаются друг на друга и в расчете не нужны.

Способ работы отопительной системы, состоящей из системы цилиндров с размещенными внутри них поршнями для изотермического расширения воздуха, подаваемого на отопление, снабженных электрогенератором и клапанами для поступления воздуха, а также из емкостей для промежуточного хранения изотермически расширенного воздуха, цилиндра для адиабатического сжатия воздуха, поддерживающего давление воздуха 0,5 кг/см², электродвигателя и соединительных трубопроводов, заключающийся в том, что цилиндром, приводимым в работу электродвигателем, обеспечивают откачку воздуха из емкости хранения до его разряжения до 0,5 кг/см², после чего с помощью электрогенератора приводят в движение поршни в системе цилиндров, в которых изотермически расширяют находящийся внутри цилиндров воздух, в процессе чего вырабатывается электроэнергия, после чего изотермически расширенный воздух поступает в емкость для его хранения, из которой он поступает в цилиндр для его последующего адиабатического сжатия и нагревания до температуры 30°С с давлением, равным атмосферному, из которого, в свою очередь, нагретый воздух выталкивается в отапливаемое помещение.