В настоящее время в технике применяются тепловые насосы с расширением рабочего тела в детандере. Для рассматриваемой конструкции наиболее близко подходит цикл низкого давления с турбодетандером.  Компрессор теплового насоса сжимает рабочее тело до давления 6-7ата. При этом оно сильно нагревается. Тепло отводится в батареи, обогревающие помещения. К.П.Д. компрессора составляет 0,6, то есть сорок процентов механической энергии уходит в тепло. Далее, пар еще раз охлаждается в теплообменнике рабочим телом, откатанным из конденсатора и испарителя. После этих процессов температура  рабочего тела становится близкой к той среде, у которой оно должно изъять тепловую энергию.
 

 
Сжатый и охлажденный пар расширяется в турбодетандере, при этом выделившаяся механическая работа расходуется на привод компрессора. В этом процессе к.п.д. составляет примерно 0,8. Это еще двадцать процентов энергии переходит в броунское движение. После расширения пар попадает в конденсатор, его температура ниже критической температуры конденсации, но полностью превратиться в жидкость он не может. Этому мешает большая энергия межфазового перехода. За счет этой энергии из образовавшейся жидкости будет происходить испарение молекул. Молекулы откатываются через теплообменник снова в вакуум-компрессоры. Это очень влажный пар, который значительно уменьшает количество образовавшейся жидкости в конденсаторе.
 
Сконденсировавшаяся жидкость поступает в испаритель, где подогревается теплой водой или наружным воздухом. На испарение этой жидкости требуется огромная энергия, ведь испаряющийся газ преодолевает силы сцепления молекул в жидкости и выбивается из нее с определенной скоростью. Кинетическая энергия испарившихся молекул после столкновений с другими молекулами переходит в броунское движение. Этот газ также прокатывается через теплообменник и отсасывается в компрессор. Цикл повторяется.
 
Не смотря на то, что по всему тракту имеются огромные потери, сорок процентов в компрессоре на сжатие рабочего тела, двадцать процентов в детандере, часть жидкости улетает из конденсатора, гидравлические потери по всему тракту, каждый затраченный киловатт электрической мощности дает 3,5 киловатт тепловой энергии. Это в случае изъятия тепла из артезианской воды, сюда же входят и потери мощности на привод насоса, прокачивающего воду. Если тепло откатывается из наружного воздуха, то его эффективность будет несколько ниже из-за увеличившейся разности температур.
Турбодетандер состоит из неподвижного корпуса и вращающегося ротора, в котором выполнены профилированные лопатки. Рабочее тело, газ, разгоняется в сопле до высокой окружной скорости и попадает на лопатки турбины. За счет скорости он преодолевает центробежную силу и по лопаткам движется к оси вращения. На оси вращения скорость газа минимальна, а вся его кинетическая энергия выделилась в ротор, создав при этом вращающий момент, который преобразовался в механическую работу. Эту работу можно использовать для вращения компрессора. В этом случае значительно меньше потребуется электрической энергии на привод компрессора.
 

 
Для получения инерционного термодинамического цикла в турбодетандере необходимо установить конденсатор и испаритель. Таким образом, турбодетандер состоит из двух теплоизолированных отсеков. Пар, как и в цикле низкого давления с турбодетандером, разгоняется до окружной скорости ротора турбодетандера, но в этом цикле он не вырабатывает свою кинетическую энергию на турбине. Газ оказывается неподвижным во вращающемся конденсаторе. Это дает двадцать процентов экономии. В прототипе разогнанный газ затормаживается, чтобы отдать свою энергию турбине, при этом двадцать процентов  уходит в броунское движение. Именно на столько меньше получится сконденсированной жидкости.
 
Во вращающейся системе нет необходимости затормаживать газ и терять на этом двадцать процентов энергии. Пар прекрасно сконденсируется во вращающейся системе, этому поможет возникшая центробежная сила, которая прижимает его к стенке внутренней полости. Во вращающемся конденсаторе невозможно откатать сырой пар, так как он сепарируется, а с поверхности жидкости могут испаряться отдельные молекулы. На капельки жидкости действует огромная центробежная сила, которая загоняет их обратно в жидкость. Значит, во вращающемся конденсаторе получится гораздо больше жидкости, чем в неподвижном конденсаторе. Сжатые центробежной силой молекулы жидкости увеличивают свою скорость броунского движения. Выбивание молекул при испарении происходит с большей силой и только с поверхности жидкости, а это значит, что они вылетают с более высокой скоростью.
 

 
Процесс испарения является упорядоченным движением молекул. Броунское движение молекул в жидкости происходит во всех направлениях, а молекулы пара выбиваются в одном направлении, перпендикулярном к поверхности жидкости. В тепловом насосе с инерционным термодинамическим циклом молекулы рабочего тела испаряются в направлении к оси вращения ротора.
 
Испарившаяся жидкость сжимается силой Кориолиса на перегородке. Образовавшееся давление выталкивает молекулы к оси вращения. Это давление создает вращающий момент турбине, за счет которого можно раскручивать компрессор. Молекулы, достигшие оси вращения ротора, отдали свою энергию турбине, поэтому дополнительно охладились. Жидкость по каналам перетекает во вращающийся испаритель, к которому подводится энергия наружного воздуха, минус 20-30 градусов Цельсия. Жидкость испаряется, забирая тепло на испарение за счет энергии межфазового перехода. Именно эта энергия и уходит на обогрев помещений. Часть этой энергии также как и в конденсаторе выделится на создание вращающего момента ротора, а значит на вращение компрессора. Чем больше энергии выделится в турбине, тем меньше необходимо подводить электрической энергии к компрессору.
 
Наружная поверхность ротора-испарителя выполнена в виде пакета пластин. Это тонкие сверхпрочные пластины, которые создают бандаж ротору, за счет чего он может вращаться с высокой окружной скоростью. Такой бандаж имеется и у конденсатора. В испарителе за счет тонких пластин набирается большая поверхность теплообмена. Воздух, от которого необходимо отнять тепловую энергию, прокатывается через зазоры между пластинами, в результате чего происходит интенсивный теплообмен.
 
Существующие тепловые насосы – это обратный цикл паровой машины. Они в 3,5 раза больше выделяют тепловой энергии на обогрев, чем потребляют электрической энергии. Но чтобы выработать эту электрическую энергию на тепловой станции, необходимо во столько раз больше затратить тепловой энергии. Так что перед обычной печкой, сжигающей органическое топливо, существующий тепловой насос не имеет преимуществ. По сравнению с электрическим обогревом помещений он в 3,5 раза эффективнее. Если поднять эффективность теплового насоса хотя бы в два раза, а это примерно к.п.д. равно 0,6, то и в этом случае тепловой насос станет очень эффективным. Каждый затраченный киловатт электрической энергии будет выделять в обогреваемое помещение более семи киловатт тепловой энергии.
 
Если действующие тепловые станции сбрасывают в атмосферу более половины тепловой энергии, то предлагаемый тепловой насос с инерционным термодинамическим циклом будет откатывать тепловую энергию из окружающей атмосферы. Массовое использование тепловых насосов предотвратит перегрев атмосферы, а это неоспоримое преимущество тепловых насосов по сравнению с действующими тепловыми электростанциями.

Автор:  Н.Т. Бобоед

 

 

Вложение	Размер
расчет силовой установки с инерционным термодинамическим циклом.doc	133 КБ