Система воздушного отопления, воздушного охлаждения помещений и способ получения чистого воздуха

Система и способ предназначены для обеспечения комфортных условий в различных помещениях. Система состоит из электродвигателя аммиачного компрессора, теплообменников, редукционного управляемого клапана, тепловых реле, входящих в состав аммиачного теплового насоса, центробежных воздуходувок, воздухопроводов подачи кондиционированного воздуха и забора чистого. Чистый воздух получаем за счет прокачки атмосферного воздуха по воздухопроводам из районов (леса, моря, гор), удаленных от городов и транспортных магистралей. Технический результат - экономия топлива, расходуемого на теплоснабжение и кондиционирование помещений. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение «Система воздушного отопления, воздушного охлаждения помещений и способ получения чистого воздуха» относится к области энергетики и может быть использовано в коммунальном хозяйстве для обогрева и охлаждения помещений.

Известны различные системы отопления помещений: водяное отопление с использованием в качестве источника тепла углеводородных топлив. Известны системы водяного и воздушного отопления помещений с использованием электроэнергии. Известны системы отопления помещений с использованием тепловых насосов.

Известны различные системы кондиционирования воздуха, использующие для своей работы электроэнергию. SU 1062479 А, (ХАРЧЕНКО А.Б. и др.), 23.12.1983.

Общий недостаток существующих систем отопления и кондиционирования помещений связан с большими расходами углеводородных топлив. Так, например, углеводородное топливо используется в котельных на 80% при отоплении помещений и на 35% при производстве электроэнергии.

Задачей изобретения является экономия углеводородных топлив и электроэнергии при воздушном отоплении, воздушном охлаждении помещений.

Указанная задача экономии энергии в системе воздушного отопления и охлаждения помещений достигается благодаря использованию аммиачного теплового насоса (АТН), работающего в режиме отопления помещений и в режиме охлаждения помещений.

Система воздушного отопления, воздушного охлаждения помещений состоит из электродвигателей аммиачного компрессора, теплообменников, тепловых реле, центробежных воздуходувок, редукционного управляемого клапана, воздухопроводов, при этом: выход из аммиачного компрессора связан с входом в аммиачно-воздушный теплообменник конденсации аммиака, выход из которого связан с входом в управляемый редукционный клапан, выход из которого связан с входом в аммиачно-воздушный теплообменник кипения аммиака, выход из которого связан с входом в аммиачный компрессор; далее заборник чистого воздуха связан с входом в воздухопровод, выход из которого связан с входом в центробежную воздуходувку атмосферного воздуха, выход из которой связан с входом в воздушно-аммиачный радиатор выход из которого связан с выходным соплом подогретого атмосферного воздуха; далее выход из заборника воздуха помещений связан с входом в центробежную воздуходувку воздуха помещений, выход из которой связан с входом в воздушно-аммиачный радиатором воздуха помещений, выход из которого связан с входом в воздухопровод воздуха помещений, выход из которого связан с выходным соплом воздуха помещений; далее переключатель режимов работы аммиачного теплового насоса связан с тепловым реле включения и выключения главного электродвигателя, связан с тепловым реле включения и выключения реверсивного электродвигателя, связан с тепловым реле включения Т₁'=260К (const) и выключения реверсивного электродвигателя при кондиционировании помещений; центробежная воздуходувка воздуха помещений, аммиачный компрессор, главный электродвигатель, центробежная воздуходувка атмосферного воздуха - все установлены на одном валу.

Способ получения чистого воздуха помещений обеспечивается установкой заборника чистого воздуха в зонах чистого атмосферного воздуха (море, горы, леса) и строительством воздухопроводов.

На фиг.1 изображена кинематическая схема системы воздушного отопления, воздушного охлаждения помещений и способа получения чистого воздуха.

На фиг.2 показан термодинамический цикл аммиачно-теплового насоса в режиме отопления.

На фиг.3 показан термодинамический цикл аммиачно-теплового насоса в режиме охлаждения.

Система воздушного отопления, воздушного охлаждения помещений включает в себя:

1 - главный электродвигатель

2 - аммиачный компрессор

3 - аммиачно-воздушный теплообменник конденсации NH₃

4 - ресивер (сборник) жидкого аммиака

5 - управляемый редукционный клапан

6 - аммиачно-воздушный теплообменник кипения аммиака

7 - реверсивный электродвигатель

8 - тепловое реле включения и выключения реверсивного электродвигателя при воздушном отоплении помещений

9 - тепловое реле включения и выключения главного электродвигателя

10 - тепловое реле включения Т₁'=260К (const) и выключения реверсивного электродвигателя при кондиционировании помещений

11 - заборник чистого воздуха (установленный в горах, на море или в хвойном лесу)

12 - воздухопровод атмосферного воздуха

13 - центробежная воздуходувка атмосферного воздуха

14 - воздушно-аммиачный радиатор атмосферного воздуха

15 - выходное сопло подогретого (охлажденного) атмосферного воздуха, установленного в помещении

16 - заборник воздуха помещений

17 - центробежная воздуходувка воздуха помещений

18 - воздушно-аммиачный радиатор воздуха помещений

19 - воздухопровод воздуха помещений

20 - выходное сопло воздуха помещений

21 - переключатель режимов работы аммиачного теплового насоса (АТН)

22 - отапливаемые (охлаждаемые) помещения

Работа системы воздушного отопления, воздушного охлаждения помещений в режиме «отопления».

В этом случае переключатель режимов работы АТН (21) устанавливается в положение «т» - тепло, при этом тепловое реле (10) отключается, а включается в работу тепловое реле (8), тепловое реле (9) переводит включение и выключение главного электродвигателя 91) в режим работы, когда Т₂'>Т_н (например, Т_н=260К (-13°С), Т₂'=310К (+37°С).

При этом принимаем: T_п - температура помещений максимальная, когда главный электродвигатель 1 отключается, T_п=295К (+22°С);

T_п' - температура помещений минимальная, когда главный электродвигатель 1 включается, T_п'=290К (+17°С).

Аммиачный тепловой насос (АТН) работает согласно термодинамическому циклу, изображенному на фиг.2, где:

Линия а-к - линия начала кипения NH₃.

Точка «к» - точка критических параметров NH₃.

Линия к-б - линия конца кипения NH₃.

Линия 1-2 - адиабата сжатия паров NH₃.

Линия 2-3 - изотерма (изобара) конденсации паров NH₃.

Линия 3-4 - изобара охлаждения жидкого аммиака.

Линия 4-5 - адиабата расширения аммиака.

Линия 5-1 - изотерма (изобара) кипения аммиака.

Работа системы воздушного отопления, воздушного охлаждения помещений в режиме «охлаждения».

В этом случае переключатель режимов работы АТН (21) устанавливается в положение «х» - холод, при этом тепловое реле (8) отключается, а включается в работу тепловое реле (10), тепловое реле (9) переводит включение и выключение главного электродвигателя (1) в режим работы, когда Т₂'<Т_н (например, Т₂'=280К (+7°С), T_n'=320К (+47°С)).

При этом принимаем T_п=295К; T_п'=290К.

Аммиачный тепловой насос (АТН) работает согласно термодинамическому циклу, изображенному на фиг.3, где:

Линия а'-к' - линия начала кипения аммиака.

Точка «к'» - точка критических параметров NH₃.

Линия к'-б' - линия конца кипения аммиака.

Линия 1'-2' - адиабата сжатия паров аммиака.

Линия 2'-3' - изотерма (изобара) конденсации паров NH₃.

Линия 3'-4' - адиабата расширения аммиака.

Линия 5'-1' - изотерма (изобара) кипения NH₃.

Кинематическая связь системы воздушного отопления, воздушного охлаждения помещений и способа получения чистого воздуха.

Выход из аммиачного компрессора (2) связан с входом в аммиачно-воздушный теплообменник конденсации аммиака (3), выход из которого связан с входом в управляемый редукционный клапан (5), выход из которого связан с входом в аммиачно-воздушный теплообменник (6) кипения аммиака, выход из которого связан с входом в аммиачный компрессор (2), далее заборник чистого воздуха (11) связан с входом в воздухопровод чистого воздуха (12), выход из которого связан с входом в центробежную воздуходувку атмосферного воздуха (13), выход из которой связан с входом в воздушно-аммиачный радиатор атмосферного воздуха (14), выход из которого связан с выходным соплом подогретого (охлажденного) атмосферного воздуха, установленного в помещении (15); далее заборник воздуха помещений (16) связан с центробежной воздуходувкой воздуха помещений (17), выход из которой связан с воздушно-аммиачным радиатором воздуха помещений (18), выход из которого связан воздухопроводом воздуха помещений (19), выход из которого связан с выходным соплом воздуха помещений (20); далее переключатель режимов работы аммиачного теплового насоса (21) связан с тепловым реле включения и выключения реверсивного электродвигателя при воздушном отоплении помещений (8), связан с тепловым реле включения и выключения реверсивного электродвигателя при кондиционировании помещений (10), связан с тепловым реле включением и выключением главного электродвигателя (1).

Возможность изготовления системы воздушного отопления, воздушного охлаждения и способа получения чистого воздуха подтверждается: действующими аммиачными тепловыми насосами, центробежными воздуходувками, теплообменниками, действующими тепловыми реле, а также элементарным термодинамическим расчетом «Системы…».

Элементарный термодинамический расчет «Системы…» в режиме отопления помещений (переключатель «Системы…» установлен в режим «т» - отопление помещений, тепловое реле (10) отключено, тепловое реле (8) включено, в этом случае главный электродвигатель (1) отключается при T_п=295К и включается при T_п=290К).

Аммиачный тепловой насос работает в режиме Т₂=Т₃=310К - const с одной стороны и Т₅=Т₁=F(Р₁) с другой стороны, или P₁=f(T₁), что одно и то же.

Принимаем параметры аммиачного теплового насоса (АТН) (см. фиг.2):

Т₁=275К (+2°С); ;

Т₂=Т₃=310К (+37°С);

;

Т₄=285K (+12°С);

Q₃₁₀ - теплота конденсации NH₃; Q₃₁₀=266,384 ккал/кг.

S₂ - энтропия точки

S₃ - энтропия точки

S₄ - энтропия точки

ΔQ₂ - теплота охлаждения жидкого аммиака от Т₃=310К до Т₄=285К.

ΣQ₂ - суммарная теплота конденсации и охлаждения NH₃

ΔQ=Q₃₁₀+ΔQ₂=266,384+26,575=292,959 ккал/кг.

Q₂₇₅ - теплота кипения аммиака при температуре +275К

Q_aк - теплота, эквивалентная мощности, потребной для привода аммиачного компрессора,

β₁ - коэффициент теплопроизводительности АТН

.

Принимаем температуру атмосферного воздуха Т_н=250К (-23°С).

Q_н=С_рнТ_н=0,2398×250=59,95 ккал/кг.

Q_п - удельная теплота помещений при Т_п=295К

Q_п=С_pпТ_п=0,2402×295=70,859 ккал/кг.

G_в - секундный расход атмосферного воздуха через центробежную воздуходувку (13)

Чтобы рассчитать Т_н' необходимо определить Q_н' из условия, что расход воздуха G_в, прикачиваемого через центробежную воздуходувку (13), равно расходу воздуха G_в, прокачиваемого через центробежную воздуходувку воздуха помещений,

откуда

Из уравнения (1)

η_э - кпд производства электроэнергии = 0,3.

Экономия топлива системы воздушного отопления (η_от=η_э β₁=0,3×8,79=2,63) или экономия на 263%.

Элементарный термодинамический расчет «Системы…» в режиме охлаждения помещений (переключатель «Системы…» установлен в режиме «х» - охлаждение помещений, тепловое реле 10 включено, тепловое реле 8 отключено, в этом случае главный электродвигатель 1 отключается при T_п'=290К (+17°С) и включается при T_п=295К (+22°С).

Принимаем параметры аммиачного теплового насоса (АТН) (см. фиг.3):

Принимаем Т_н=320К (+47°С).

Из термодинамических таблиц для NH₃

Q₂₈₀ - теплота конденсации NH₃ при Т₂=Т₃=280К (+7°С)

Q₂₈₀=295,667 ккал/кг;

Q₂₆₀ - теплота кипения NH₃ при Т₅=Т₁=260К (-13°С)

G_в - секундный расход воздуха, поступающий в центробежную воздуходувку атмосферного воздуха (13).

Q_н=320×0,2405=76,96 ккал; Q_П=295×0,2402=70,859 ккал;

Температуру воздуха на выходе из помещений (Т_н') рассчитаем из условия равенства расхода воздуха отсюда

В режиме охлаждения помещений параметры работы АТН остаются постоянными.

η_э - кпд производства электроэнергии = 0,3 где

Экономия топлива системы воздушного отопления (η_от=η_эβ₂).

β₂ - коэффициент теплопроизводительности АТН, работающего в режиме кондиционирования,

η_от=0,3×14,03=4,2 или экономия на 420%.

1. Система воздушного отопления, воздушного охлаждения помещений, состоящая из электродвигателей аммиачного компрессора, теплообменников, тепловых реле, центробежных воздуходувок, редукционного управляемого клапана, воздухопроводов, отличающаяся тем, что выход из аммиачного компрессора (2) связан с входом в аммиачно-воздушный теплообменник конденсации аммиака (3), выход из которого связан с входом в управляемый редукционный клапан (5), выход из которого связан с входом в аммиачно-воздушный теплообменник кипения аммиака (6), выход из которого связан с входом в аммиачный компрессор (2), далее заборник чистого воздуха (11) связан с входом в воздухопровод (12), выход из которого связан с входом в центробежную воздуходувку атмосферного воздуха (13), выход из которой связан с входом в воздушно-аммиачный радиатор (14), выход из которого связан с выходным соплом подогретого атмосферного воздуха (15); далее выход из заборника воздуха помещений (16) связан с входом в центробежную воздуходувку воздуха помещений (17), выход из которой связан с входом в воздушно-аммиачный радиатором воздуха помещений (18), выход из которого связан с входом в воздухопровод воздуха помещений (19), выход из которого связан с выходным соплом воздуха помещений (20), далее переключатель режимов работы аммиачного теплового насоса (21) связан с тепловым реле включения и выключения главного электродвигателя (9), связан с тепловым реле включения и выключения реверсивного электродвигателя (7), связан с тепловым реле включения Т₁'=260°К (const) и выключения реверсивного электродвигателя при кондиционировании помещений (10); центробежная воздуходувка воздуха помещений (17), аммиачный компрессор (2), главный электродвигатель (1), центробежная воздуходувка атмосферного воздуха (13) - все установлены на одном валу.

2. Способ получения чистого воздуха помещений обеспечивается установкой заборника чистого воздуха в зонах чистого атмосферного воздуха (море, горы, леса) и строительством воздухопроводов.