Создаем сообща
идеи

Тепловой насос (типа воздух/воздух/воздух)

  
Установка работающая по циклу воздушной холодильной машины с регенерацией теплоты  с изотермическим сжатием и расширением в роторных компрессоре и детандере. 

Большинство современных "кондиционеров", холодильных установок, тепловых насосов для отопления используют фреоны в качестве рабочего тела, поэтому в таком рабочем контуре отсутствует детандер и его работа, а это прямые потери электроэнергии. Кроме того фреоны имеют достаточно узкий диапазон рабочих температур, требуют заправки и дозаправки из-за потерь, загрязняют атмосферу.
   Предлагаемый рабочий цикл воздушной холодильной установки с регенерацией теплоты известен давно, но считается энергетически не эффективным и в настоящее время используется только для получения низких температур. Энергетическую затратность можно кардинально улучшить применением в установке компрессоров и детандеров с изотермическими сжатием и расширением, которые уже разработаны и изготовлены, В таком варианте данная установка будет работать по Циклу Карно (без регенератора теплоты) либо аналогичного Циклу Карно с регенератором теплоты - технически более реализуемом.
    Таким образом тепловая машина лишается минусов снижением затрат на работу сжатия рабочего тела , а с другой стороны получает работу в изотермическом детандере, что делает его экономичнее "фреоновых" установок. в 1,5 - 2 раза.
   Кроме этого универсальность воздуха как рабочего тела позволяет установке работать в диапазоне температур намного больше "фреоновых", так например большинство бытовых двухрежимных "фреоновых" кондиционеров работают на "отопление" при температуре воздуха  "на улице" -15 С и выше. Понятно что частично это объясняется намораживанием льда на теплообменник-испаритель, но в основном свойствами фреонов.
   В тоже время, разрабатываемая  "воздушная" установка позволит получать низкие температуры например для сжижения метана. Варианты применения широчайшие, от бытовых холодильников до промышленных, кондиционеры воздуха от бытовых, автомобильных, промышленных до персональных, т.к. допустим для охлаждения или подогрева одежды или кепки на 10 - 15 градусов требует энергии аккумулятора в 10 -15 раз меньше полученной теплоты. 
  Если ваш дом не газифицирован, то при отоплении домов через тепловой насос воздух/воздух/воздух можно получить тепловую мощность с коэффициентом преобразования в 5 -12 раз большую потраченной электрической энергии.

Сейчас природный газ используется для отопления простым сжиганием в газовых котельных.  Если природный газ использовать для получения механической /электрической энергии с КПД 40%, а затем работой предлагаемого теплового насоса "перекачивать" теплоту из окружающей среды в помещение, то для получение такого же количества теплоты потребуется газа в 2 - 5 раз меньше чем при простом сжигании
   Какой будет энергетика будущего когда закончатся нефть, уголь и газ? Атомно-, ветро-, гидро-электрической, солнечно-панельной? и т.п. - не важно для данного проекта, т.к. низко-потенциальной теплоты для отопления можно получать в 10-15 раз больше чем затраты электрической энергии на работу данной тепловой машины.

Игра стоит свеч. Наверное не в России, т.к. нам газ обходится втрое-четверо дешевле мировых рыночных цен. Реальная опытная установка уже есть, об аналогах не слышал (если есть что-то похожее - буду признателен за ссылочку). 
   
 Универсальность данной тепловой машины позволяет использовать её так же в качестве теплового двигателя в случае повода теплоты к "горячему" теплообменнику. Но это будет следующей "идеей", т.к. на начальном этапе изготовление теплового насоса/холодильной установки намного проще.


  
  

Новые комментарии
0
Владимир Каменев
Специалист экспертного совета ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»
11 Декабря 2018 13:06
Авторское предложение, направленное в Экспертный совет ФГУП «НАМИ», заключается в использовании известного принципа работы «теплового насоса» на основе собственных усовершенствований, касающихся замены рабочего тела на воздух, применения необходимых оригинальных компрессоров и детандеров и оптимизации режимов работы установки.
Обращаем Ваше внимание, что не надо забывать об основном недостатке «тепловых насосов»: чем выше разность температуры в системе «тепло-холод», тем ниже эффективность работы всего комплекса, включающего «тепловой насос». Из-за этого недостатка удается использовать принципы «теплового насоса», в основном, в стационарных условиях (теплоэлектростанции, отопление домов и др.).
С развитием холодильной техники, производства электроэнергии на парогазовых и газотурбинных установках, использования геотермальных источников, естественно, сфера применения принципа «теплового насоса» не могла не расшириться.
Но на автотранспортных средствах, особенно на массовых легковых автомобилях, побеждает принцип компактности. Тем более, что автор предлагает в качестве теплоносителя воздух, который имеет небольшую теплоемкость по сравнению с оправдавшими себя рабочими жидкостями. Этот фактор не может не сказаться на увеличении габаритов установки и снижении ее эффективности.

Вывод
Учитывая изложенное выше, экспертиза считает внедрение идеи «теплового насоса воздух-воздух» как не имеющую перспектив в текущем периоде развития автомобильной промышленности России.
1
15 Декабря 2018 02:21
Теплоемкость основных фреонов около 1 кДж/(Кг*К), как и воздуха. Тем не менее доводы эксперта понятны что коэф. теплоотдачи и плотность воздуха меньше, поэтому воздух как теплоноситель уступает фреонам.

Мощность на привод авто-кондиционера легковушки порядка 3 КВт. Если нужно охладить воздух салона легковушки с 40 С до 20 С теплообменником в 3 КВт, то на это уйдет порядка 30 секунд. Допустим мощность инсоляции салона летом порядка 1 - 2 КВт, поэтому авто-кондиционер выбран правильно, с запасом справляется.
Только "воздушный" кондиционер "отводя" 3 КВт теплоты в таких условиях потребует на приводе 0,3 - 0,5 КВт. Пока мы богатые, экономию энергии не считаем, ценим компактность.

Не имеет перспектив в текущем периоде в России, - согласен с экспертом. Работа продолжается, думаем о будущем периоде.
0
27 Февраля 2019 22:14
Причём здесь теплоёмкость?
Фреоны эффективней воздуха потому, что охлаждают за счёт кипения, а нагревают за счёт конденсации.
Поскольку в испаритель приходит фреон в жидком состоянии, компрессор ему не нужен.
Теплота парообразования фреонов 150 - 250 кДж/кг.

В цикле на вашей схеме (с учётом аэродинамического сопротивления воздухоохладителя, затрат энергии на охлаждающий вентилятор, КПД привода, компрессора и детандера) холодильный коэффициент будет < 1, то есть, при холодопроизводительности кондиционера 3 кВт будет затрачено энергии > 3 кВт.

Впрочем, с энергетической точки зрения фреоновый кондей в автомобиле тоже проглот хорошийi, но...работоспособный проглот..
0
28 Февраля 2019 10:27
1) - Олег Смирных Причём здесь теплоёмкость?

- Владимир Каменев: " автор предлагает в качестве теплоносителя воздух, который имеет небольшую теплоемкость по сравнению с оправдавшими себя рабочими жидкостями"
-Михаил Егоров : "Теплоемкость основных фреонов около 1 кДж/(Кг*К), как и воздуха около 1 кДж/(Кг*К) ."
(это мое "формальное" уточнение к комментарию Эксперта, хотя в целом вы и эксперт прав, т.к. теплоотдача от фреонов к стенке т/обменника (на 1 м2) выше чем от воздуха к стенке, о чем я тоже написал.).
0
28 Февраля 2019 11:29
2) "при холодопроизводительности кондиционера 3 кВт будет затрачено энергии > 3 кВт. "
Да, согласен, на Привод компрессора 3 КВт, на "вентиляторы" 100 Вт, а детандер возвратит 2,7 КВт.
ИТОГО затраты: 3,1 - 2,7 = 0,4 КВт.
В фреоновом варианте только затраты: 3.1 КВт, т.к. нет детандера. Вместо него дросселирование - самый НЕРАВНОВЕСНЫЙ процесс, с диким ростом энтропии в системе. Зато быстро. Зато "2,7КВт от детандера" в виде работы тю - тю.
В фреоновом цикле детандер можно было бы поставить, но прямо в рабочем объеме детандера будет конденсироваться фреон - что может привести к поломке детандера. Либо нужна продуманная система по гарантированному удалению жидкой фазы, с кучей датчиков и насосиков.
Короче детандеры в контуры фреоновых кондиционеров не ставят.
0
28 Февраля 2019 12:30
3) Теперь "огромный минус воздушной" теплоотдачи по сравнению с фреоновой, что ухудшает компактность.
Вы прекрасно знаете что теплоотвод рассчитывается исходя и расчетного коэффициента теплопередачи.
Фреоновая установка кондиционирования имеет 2 теплообменника - холодный и горячий типа воздух/стенка/фреон.
В то время как от фреона к стенке большой Коэф. теплоотдачи, от стенки т/обменника к воздуху - низкий Коэф. теплоотдачи. Это требует большой поверхности теплообмена воздух/стенка и большого объема "воздушного оребрения".
Для изготовления сравнимого по теплопередаче теплообменника "воздух/стенка/воздух" нужно грубо - добавить (такой же по объему) "внутренний объем/(площадь) оребрения" Т.е. "цена некомпактности" - удвоение площади (объема) теплообменников. Выигрыш по экономии на мощности "привода" 6-8 раз. Как сравнивать 2 раза (увеличение объема т/о) и 6-8 раз уменьшение затрат на привод? Эксперт сказал компактность. Я ему верю.
0
28 Февраля 2019 17:20
1. Чтобы получить 3 кДж холода, нужно испарить 20 гр фреона или нагреть на 30 градусов 100 гр. воздуха.
Внесите поправку на плотность, и вы почувствуете разницу в перекачиваемых объёмах.
2. При дросселировании жидкостей вдали от критической точки ростом энтропии обычно вообще пренебрегают.
3. Наполните вашу систему гелием или водородом под давлением, - и получите очень большую теплоотдачу.
4. Можно использовать воздух без давления и без охладителя и его вентилятора. Просто нагретый в компрессоре воздух будет уходить в атмосферу, а на вход детандера - приходить из атмосферы. Но холодопроизводительность будет низкая.
0
28 Февраля 2019 17:50
1. 100 гр/сек воздуха при Дтрубки=6 см V=30 м/с. (Pатм). Норм.
2. Пренебрегайте, нет детандера - цена известна: 3,1 КВт без возврата. Это отдельная тема, но только газы - лучшее РТ для тепловой машины, более того - трехатомные и более, но никак не водород и гелий. (любое дросселирование в тепловых машинах - преступление).
3. Заполнение гелием и водородом не дает никаких преимуществ как Рабочее тело. Тем более под давлением, лови утечки...
4. Воздух из атмосферы может быть влажным.:(
0
28 Февраля 2019 18:49
1. Какая теплоотдача будет в трубе с D = 6 см?
2. Возьмите КПД = 0,8 для детандера и компрессора и постройте диаграммы в координатах давление - энтальпия для воздуха, гелия и для фреона.
3. Влажность - это ерунда. Вы же не будете охлаждать воздух до отрицательных температур?
0
28 Февраля 2019 22:36
1. Это "транспортная" трубка можно и 8мм.
2. Рабочие циклы "теплового насоса" рассчитывал для различных газов по различным схемам.
Фреоновые циклы с дросселем вообще не стоит сравнивать, уже говорил - заменять: детандирование+"полезный нагрев №1 РТ"+"полезный нагрев №2 РТ" на дросселирование +"полезный нагрев №2" это "преступление" и вынужденная мера для фреоновых. Т.к. теряем: 1) "возврат" мех. работы от детандера и 2) при адиабатном(в идеале) детандировании до "нижнего давления" достигается более низкая температура(чем при дросселировании на условно теплоту - "полезный нагрев №1 РТ";) . Поэтому фреоны работают по плохим циклам при анализе в T-S и P-V диаграммах все видно. Вы видно спец по фреоновым установкам, поэтому вам лучше понять откуда у "воздушных" холодильных установок преимущества, 1) другая схема и соотв. ТД цикл.
3. Сравнение воздух - гелий. Предлагаемая установка (по упрощенной схеме без регенератора) работает по ТД циклу очень близкому к циклу Карно (обратному), в её составе не прорисовано устройство воздушных "изотермических" компрессора и детандера (только схематично). Но только при их проектировании и изготовлении приходит понимание что показатель адиабаты/политропы газа должен быть ближе к 1, т.е. гелий проигрывает, кроме того его повышенная "текучесть" тоже минус.
Охлаждать ниже нуля возможно нет, но если вода замерзнет и случайно включить в "минус" - сюрпризы не нужны.
Кстати воздушный кондиционер может работать в "мороз" на обогрев, кстати тоже с экономией на "привод". В этом случае детандер и "холодный" т/обменник точно будут работать при -20 -30 С.
По сути в не-автомобильном исполнении с помощью похожей ВХУ можно охлаждать воздух "за один цикл"для того чтобы сжижать скажем метан при атм. давлении .
0
01 Марта 2019 10:24
Итак, если вами всё рассчитано, тогда укажите:
1. Вид привода и источник энергии.
2. Гарантированный срок службы.
2. Удельные характеристики, отнесённые к единице мощности охлаждения Qохл = 1 кВт:
  • Удельная стоимость всей установки, руб. / кВт.
  • Удельная стоимость обслуживания всей установки, руб. / кВт*ч..
  • Удельная стоимость всех переделок в автомобиле и монтажа вашей установки, руб. / кВт.
  • Удельная масса всей установки, кг / кВт
  • Удельный объём всей установки, л / кВт,
  • Удельные совокупные затраты энергии, полученной от источника энергии, кВт / кВт.
0
01 Марта 2019 12:17
Раздел называется: Идеи, не путайте с Аванпроектом.
- Причем идея судя по количеству откликов "тухлая", а по мнению эксперта: " не имеющую перспектив в текущем периоде развития автомобильной промышленности России".
- Идея которую я предложил на сайте НАМИ не должна слишком выходить за НАПРАВЛЕНИЯ предложенные сайтом.
Обобщенная моя идея: тепловые машины должны работать по циклу максимально приближенному к циклу Карно.
Сейчас легко отмахиваются от этого двумя фразами: цикл теоретический и не осуществимый; пробовали много раз, но преимущества в "энергетике" нивелируются сложностью таких установок и большими массо-габаритами.
На самом деле просто пока не припёрло, ведь всех устраивает КПД ДВС 25%, хотя его можно легко увеличить до 50-60% и чуть потуднее до 70-75%.
Вы прекрасно знаете что для осуществления цикла Карно (а не "эквивалентного ему";) необходимо осуществить два процесса - изотермическое сжатие в компрессоре и изотермическое расширение в расширительной машине. Такие паро-жидкостные установки есть, но их минусы я оиписывал. А вот "газовых" ИзоТерм. машин пока нет. У меня есть.

Ближе к теме. Самое простое и "дешевое" 1) для демонстрации; 2) по теме сайта (в разделе "энергетика" нет раздела "ДВС", либо др. тепловые энергоустановки, сдались товарищи, всё электо-перспективное) единственная "автомобильная тема-лазейка" кондиционер, для которой я и подал ИДЕЮ,
Ответ на конкретные вопросы: аванпроект не делался, делать его необходимо под конкретную задачу, пока задачи нет и разговора нет.
Оценки +- 20-30%: Материалы - пластик, AL и его сплавы. Привод любой, удобнее Эл/двигатель, "связь" компрессор/детандер - зубч.ремень. Объемные характеристики в сравнении с фреоновыми: при затратах порядка 500Вт/3000Вт соотн. "объемов"(от 2.5 до 3)/1(к фреоновым); при 1000вт/3000Вт соотн. 2 к 1. Рабочее давление 0-1атм(избыточное).
Будет хотя бы интерес, можно считать. Ломиться в закрытую дверь глупо. Мне есть чем заняться кроме авто-кондиционеров.
0
01 Марта 2019 12:34
Согласен с вами в том, что рынка изобретений с платёжеспособным спросом у нас нет, и создавать его никто не хочет.
Однако, пользуясь Чистой Приведённой Стоимостью ( NPV ), как общим объективным критерием технических изобретений, я и сам выбросил из головы 90% всех своих идей.
0
01 Марта 2019 13:01
Из головы на бумажку и в шкапчик :D
Ничего, надеюсь тряхнуть на "инвестиции", потихоньку обкладываю.
Авторизуйтесь, чтобы добавить комментарий
Рекомендуем посмотреть
похожие идеи
1106 дней
Агрегат из сблокированных цилиндро-поршневых групп ДВС и нагнетателя для гидростатической трансмиссии. Отказ от КШМ, КПП, охлаждение и смазка рабочим ...
13
1334 дня
Ищу особо одарённых, которые на безвозмездной основе всё мне расскажут и покажут, создадут опытный образец и запустят серийное производство.
-4 14
816 дней
Применяемый принцип "паровоза" в двигателе внутреннего сгорания очень разогревает внешнюю среду.
4
Авторизация
Новости проекта
ГНЦ РФ ФГУП "НАМИ"