Тепловые насосы, основанные на использовании эффекта Ранка.

Струйные или пароэжекторные тепловые насосы, где происходит обмен энергиями между активным потоком (рабочим паром) и пассивным потоком, эжектируемой (парогазовой смесью) посредством их контакта с образованием смешанного парогазового потока, имеющего энергию меньшую, чем активный и большую, чем пассивный. Особенность пароэжекторной холодильной машины состоит в том, что для её работы используется кинетическая энергия струи рабочего пара. В этих машинах в качестве хладоагента обычно применяют воду. Отсутствие в пароэжекторных машинах промежуточного теплоносителя позволяет получить температуру охлаждаемой воды, равную температуре кипения в испарителе, что повышает тепловую эффективность и экономичность холодильной машины.

Вихревые тепловые насосы (вихревые теплогенераторы, вихревые трансформаторы тепла) - устройства, использующие для разделения теплого и холодного воздуха эффект Ранка. Суть эффекта заключается в том, что газ, тангенциально подаваемый в трубу на высокой скорости, внутри этой трубы закручивается и разделяется: из центра трубы можно отбирать охлажденный газ, а с периферии - нагретый. Этот же эффект, хотя и в меньшей степени, действует и для жидкостей. На рис. 3.9. представлены вихревая труба Ранка и вихревая труба Ранке - Хилша.

Вихревая труба Ранке:

1-цилиндрическая труба, 2-улитка, 3-диафрагма,

4-регулировочный конус

Рис. 3.9. Вихревая труба Ранке - Хилша:

1 - сопловой ввод; 2 - камера энергоразделения; 3 - диффузор холодного потока; 4 - развихритель горячего потока; 5 - сопловой сужающийся канал.

Горячий газ или жидкость после разделения в трубе Ранка подается на теплообменник отопительной системы, а холодный газ или жидкость подается на теплообменник низкопотенциального контура, где согревается получив извне дополнительную энергию, а затем, смешиваясь с обратным уже отдавшим тепло газ или жидкость вновь подается в трубу Ранка с помощью компрессора. Для эффективной работы требуется высокая скорость подачи рабочего тела (максимальная эффективность отмечается при скорости входного потока, равной 40 - 50 % от скорости звука). Такой поток сам по себе создает немало шума и требует наличия производительного и мощного компрессора.

Мощный поток воздуха хорошо предотвращает обмерзание, а эффективность вихревых труб слабо зависит от температуры входного потока. Очень важно и практическое отсутствие принципиальных температурных ограничений, связанных с переохлаждением, перегревом или замерзанием рабочего тела.

Достоинства вихревых труб по сравнению с парокомпрессионными машинами:

- отсутствие необходимости в хладагентах и теплоносителях;

- простота конструкции, компактность;

- дешевизна изготовления, простота обслуживания и ремонта;

- отсутствие подвижных узлов и, как следствие, высокая надежность;

-высокая скорость выхода на рабочий режим;

- возможность осуществления нескольких процессов одновременно (охлаждение, нагрев, фазоотделение).

Недостатки:

- относительно низкая энергетическая эффективность;

- необходимость использования мощного компрессора для получения низких температур.

Перечисленные положительные свойства вихревых труб позволяют придать технологическим системам такие качества, как безопасность, экологичность, технологичность, быстродействие, простота в изготовлении и эксплуатации.

Данный принцип был взят на вооружение к разработке работающих моделей тепло- и электрогенераторов. Сегодня на территории России, некоторых республиках бывшего Советского Союза и ряда зарубежных стран успешно функционируют сотни вихревых теплогенераторов различной мощности произведенных предприятий.

Вихревые теплогенераторы фирмы «ЮСМАР» позволяют обогревать помещения V = 2500 м³, их теплопроизводительность 6900 – 66200 ккал/час. Вихревые проточные термогенераторы НТК фирмы «Нотека-С» позволяют обогревать помещения V = 3500 м³, их теплопроизводительность 8600 – 66500 ккал/час. Рабочей жидкостью является вода, в холодных районах страны - антифриз. Вихревые теплогенераторы ВТГ-5, коэффициент преобразования потребляемой генератором энергии в тепловую 1,9 – 2,4. Вихревые теплогенераторы «МУСТ». Тепловую энергию получают из воды, воздействием на нее механическим способом, т.е. приведение воды в вихревое движение. Коэффициент преобразования электрознергии в тепловую 1,5, позволяя обогревать помещения до V = 11000 м³, их теплопроизводительность 7112 – 47800 ккал/час. Теплоноситель в теплогенераторах «МУСТ» может использоваться вода, тосол, полигликоль или другая не замерзающая жидкость. А так же другие вихревые термогенераторы накопительного типа ТМГ, вихревые генераторы ГТ, вихревые тепловые генераторы ТГВ предназначены для отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий, производственных помещений и сельскохозяйственных комплексов.

По энергетической эффективности и удельной холодопроизводительности принцип вихревой трубы значительно уступает турбинным и парокомпрессионным машинам. Однако, во многих технологических процессах требуется только периодическая потребность в получении холода. В случаях, когда нецелесообразно содержать стационарные установки, вихревые холодильники выигрывают по сравнению с фреоновыми

Применение пароэжекторных тепловых насосов: в силу своей низкой эффективности данный тип установок применяется в промышленности для: утилизации тепла сбрасываемых нагретых вод или конденсата, утилизации тепла систем охлаждения агрегатов, утилизации тепла вторичных и отработанных паров.