Тепловой насос Френетта – принцип работы и возможность самостоятельного изготовления
Стремление вложить поменьше и получить побольше всегда было сильно в нашем народе. Не обошла стороной эта особенность и такую практичную область, как эффективное теплоснабжение.
Множество альтернативных установок было изобретено, но лишь единицы нашли реальное применение.
В последние несколько лет активно обсуждается конструкция американского изобретателя Eugene Frenette, который в 1977 оформил патент на тепловой насос.
Как утверждают многие интернет-издания, КПД этой чудо машины может достигать 1000%, но так ли это в действительности? Прежде, чем опровергнуть или доказать это, необходимо разобраться в особенностях конструкции теплового насоса Френетта.
Конструкция и принцип работы
Согласно информации из патента № US 4143639 A, выданного 22 августа 1977, в основе работы тепловой установки лежит практическое применение повышения температуры жидкости при ее интенсивном движении.
Конструкция состоит из 2-х цилиндров, установленных друг в друга. Меньший из них находится на валу, который проходит через всю конструкцию и имеет привод к двигателю.
Он также заполнен маслом, которое при вращении нагревается о стенки цилиндра. С помощью конвекции воздуха, проходящего через прослойку между цилиндрами передается тепловая энергия.
Вентилятор обеспечивает быстрый отток нагретых воздушных масс в помещение.
Судя по сообщениям в прессе, изобретатель неоднократно совершенствовал свою конструкцию. Самый распространенный и известный вариант показан на рисунке.
В новой конструкции был убран вентилятор и внутренний цилиндр. Вместо него на ось установлены стальные диски, которые многократно увеличивают площадь контакта с жидкостью.
Путем вращения достигается эффект нагрева масла, которое из-за возникшего вихревого потока начинает поступать в верхний патрубок и дальше по системе отопления.
- Закрытая циркуляция теплоносителя.
- Отсутствие теплообменника как такового.
- Энергия нагрева превышает в 10 раз мощность приводного двигателя, т.е. КПД – 1000%.
В качестве доказательства приводится совместная работа хабаровских ученых, которые долгие годы совершенствовали конструкцию теплового насоса Френетта.
В качестве основной емкости взята коническая конструкция, внутри которой располагаются диски. При их вращении жидкость начинает стремительное передвижение через отверстия, в результате чего создаются вакуумные зоны. Причем значение температуры в локальных граничных областях может достигать 10000°С.
В зависимости от скорости вращения, жидкость может переходить в следующие состояния:
| Обороты двигателя/мин | Описание состоянии жидкости |
| 7600-8000 | Вода нагревается до 100°С |
| 8000-10000 | Образование пара |
| 10000-13000 | Парообразование с температурой 450°С |
| 15000 и выше | Разложение воды на составляющие элементы (кислород и водород) с понижением температуры до -60°С |
Звучит очень заманчиво. Тем более, что в сети Интернет можно найти как минимум 1 видеоролик, демонстрирующий рабочую модель теплового насоса Френетта, сделанного своими руками (смотрите в конце статьи).
Мощность двигателя
При увеличении площади контакта жидкости с дисками возрастает коэффициент сопротивления, что требует большей энергии для вращения вала. При средних оборотах стандартных электродвигателей 1000-1500 достичь эффекта нагрева воды без увеличения потребляемой энергии невозможно.
Частота вращения вала
Для третей схемы установки необходимая частота вращения вала должна быть не меньше 7000 об/мин. Такие параметры возможны лишь для специальных установок, которые изготавливаются под заказ. Финансовая целесообразность их закупки равна нулю.
Группа ученых из Хабаровска
Описание 3-е модели теплового насоса является лишь частичными выдержками из патента № RU2204089, выданного в ФГУ ФИПС 26 июля 2001г.
В нем упоминается лишь об увеличении эффективности получения горячей воды или пара для коммунальных или промышленных служб. О совершенствовании теплового насоса Френетта не говорится ничего, так же как и о показателях КПД выше 100%.
Интересным становится факт, что данный патент потерял свою силу из-за неуплаты взносов.
Рекомендации по использованию прибора
Стоит отметить, что вариации насоса Евгения Френетта с использованием воды в качестве теплоносителя все же существуют. Но обычно это большие промышленные модели, которые используются на специализированных предприятиях.
Работа таких устройств строго контролируется с помощью специальных приборов. Обеспечить подобный уровень безопасности в домашних условиях практически невозможно.
Самая популярная версия насоса Френетта, в котором в качестве теплоносителя используется вода, а не масло, это устройство, разработанное учеными из Хабаровска: Назыровой Натальей Ивановной, Леоновым Михаилом Павловичем и Сярг Александром Васильевичем. В этой грибовидной конструкции вода специально доводится до кипения и превращается в пар.
Затем используется реактивная сила пара, чтобы повысить скорость перемещения жидкого теплоносителя по каналам насоса до 135 м/мин. В результате затраты энергии на перемещение теплоносителя минимальны, а отдача в виде тепловой энергии очень высокая.
Однако такой агрегат должен быть исключительно прочным, и его работу следует постоянно контролировать, чтобы избежать аварии.
Что же делать, если с помощью насоса Френетта предполагается организовать обогрев большого помещения или целого дома? Вода – традиционный теплоноситель, большинство отопительных систем рассчитаны именно на него. Да и заполнение целой отопительной системы подходящим жидким маслом может оказаться делом затратным.
Решается этот вопрос очень просто. Нужно дополнительно соорудить обычный теплообменник, в котором разогретое масло будет обогревать воду, циркулирующую по отопительной системе. Некоторое количество тепла будет при этом потеряно, но общий эффект останется достаточно ощутимым.
Интересной идеей может стать использование насоса Френетта в сочетании с системой теплого пола. Теплоноситель при этом пускают по узким пластиковым трубам, уложенным в бетонную стяжку.
Функционирует такая система обогрева так же, как и обычный водяной теплый пол. Разумеется, проект этого типа можно реализовать только в частном доме, поскольку для высотных многоквартирных домов разрешается использовать исключительно электрический теплый пол.
Практичный и удобный способ применения такого прибора – отопление небольшого помещения: гаража, сарая, мастерской и т.п. Насос Френетта позволяет эффективно и быстро решить проблему автономного отопления в таких местах.
Затраты электроэнергии для его работы невелики по сравнению с получаемым при этом тепловым эффектом, а соорудить такой агрегат не сложно из самых простых материалов.
Преимущества тепловых насосов
К преимуществам систем обогрева с тепловыми насосами относят такие:
- Экономическая эффективность. При затратах 1 кВт электрической энергии можно получить 3-4 кВт тепловой. Это усредненные показатели, т.к. коэффициент преобразования тепла зависит от типа оборудования и особенностей конструкции.
- Экологическая безопасность. При работе тепловой установки в окружающую среду не попадают продукты сгорания или другие потенциально опасные вещества. Оборудование озонобезопасно. Его применение позволяет получить тепло без малейшего вреда для экологии.
- Универсальность применения. При установке систем отопления, работающих от традиционных источников энергии, владелец дома попадает в зависимость от монополистов. Солнечные батареи и ветрогенераторы не всегда рентабельны. Зато тепловые насосы можно устанавливать где угодно. Главное – правильно выбрать тип системы.
- Многофункциональность. В холодное время года установки отапливают дом, а в летнюю жару способны работать в режиме кондиционеров. Оборудование применяют в системах ГВС, подключают к контурам теплых полов.
- Безопасность эксплуатации. Теплонасосам не требуется топливо, при их работе не выделяются токсичные вещества, а предельная температура узлов оборудования не превышает 90 градусов. Эти отопительные системы не опаснее холодильников.
Идеальных приборов не существует. Тепловые насосы надежны, долговечны и безопасны, но их стоимость напрямую зависит от мощности.
Качественное оборудование для полноценного обогрева и горячего водоснабжения дома 80 м.кв. обойдется примерно в 8000-10000 евро. Самоделки маломощны, их можно использовать для отопления отдельных комнат или подсобных помещений.
Эффективность установки зависит от теплопотерь дома. Оборудование имеет смысл устанавливать только в тех зданиях, где обеспечен высокий уровень изоляции, а показатели теплопотерь не выше 100 Вт/м.кв.
Оборудование надежно и редко ломается
Если оно самодельное, то важно подобрать качественный компрессор, лучше всего – от холодильника или кондиционера проверенной марки
Виды теплонасосов: нюансы работы теплообменника фреон-вода
Природный источник энергии может представлять собой систему скважинного типа, грунтового или водоемного. Каждый вариант уникальный. Отличается принцип работы и монтаж.
Когда источником энергии является скважина, необходимо пробурить соответствующее отверстие в земли. В 1 м источника можно добыть 50-60 Вт энергии. Для нормальной работы теплонасоса потребуется 20 м.
Особенности получения энергии со скважины:
- Главные плюсы – компактность и большая теплоотдача;
- Минус – сложности при бурении скважины.
Когда источником тепла выступает грунт, то труба залегает на глубину ниже уровня промерзания земли. Для укладки трубы можно вырыть котлован или траншею.
Если поблизости размещены водоемы, то можно положить трубу в источник воды. Главное требование – достаточная глубина. В 1 кв м воды можно получить 30 Вт энергии. Для фиксации труб на глубине к ним прикрепляется груз.
В некоторых случаях в качестве источника используют воздух. Такой насос содержит хладагент. В этом случае подходит фреон из холодильника. Вещество забирает тепло из воздуха и отдает помещению.
Использование старого холодильника
Устройство теплонасоса из холодильника
Итак, чтобы собрать отопительную систему в загородном доме, необходимо иметь тепловой насос.
Сегодня такие агрегаты стоят недешево, это объясняется высокими техническими характеристиками и кропотливой работой по их сборке. Но, при желании собрать теплонасос можно своими руками.
Соорудить простой теплонасос можно из бытового холодильника. Особенность техники заключается в том, что в нем есть два основных компонента теплового насоса – конденсатор и компрессор. Это позволит значительно ускорить сборку теплонасоса своими руками.
Итак, сборка насоса из старого холодильника осуществляется следующим образом:
Сборка конденсатора. Элемент выполняется в виде змеевика. В холодильники он чаще всего устанавливается сзади. Эта всем известная решетка и является конденсатором, с помощью которого происходит отдача тепла хладагентом. Конденсатор устанавливается в емкость, которая обладает высокой прочностью и способна выдерживать высокие температуры. Чтобы в процессе монтажа не повредить змеевик, эксперты рекомендуют разрезать емкость и установить в нее конденсатор. После этого емкость сваривается. Далее на емкость крепится компрессор. Изготовить агрегат в домашних условиях практически невозможно. Поэтому лучше взять его со старого холодильника
При этом стоит обратить внимание на то, чтобы он был в исправном состоянии. В качестве испарителя можно использовать обычную пластиковую бочку
После того как все элементы системы будут готовы, они соединяются между собой. Для подключения агрегата к отопительной системе используют пластиковые трубы.
Таким образом, можно соорудить тепловой насос из старого бытового холодильника. Если понадобится закачка фреона в систему, то для этого нужно вызвать мастера. Такую работу можно выполнить только с помощью специального оборудования.
Возьмите на заметку: тепловые насосы из холодильника часто используют для обогрева небольших помещений и строений бытового назначения. Это может быть гараж или небольшой сарай.
Первый канал будет запускать в морозилку воздух, а второй выпускать. При этом происходят физические процессы, которые заставляют конденсатор нагреваться.
Возможно, Вам будет также интересна статья о том, как сделать своими руками тепловой насос Френетта.
О тепловых насосах Игоря Савостьянова Henk System Вы можете прочитать здесь.
Принцип работы устройства
Тем, кто соприкасался с вопросами экономически выгодного отопления, название “тепловой насос” хорошо знакомо. Особенно в сочетании с терминами типа “земля-вода”, “вода-вода”, “вода-воздух” и т.п. Такой тепловой насос с устройством Френетта не имеет практически ничего общего, кроме разве что названия и конечного результата в виде тепловой энергии, которую в итоге используют для обогрева.
Тепловые насосы, работающие на принципе Карно, очень популярны и как экономически выгодный способ организации отопления, и как экологически безопасная система. Работа такого комплекса устройств связана с накоплением низкопотенциальной энергии, содержащейся в природных ресурсах (земле, воде, воздухе), и преобразованием ее в тепловую энергию с высоким потенциалом. Изобретение Евгения Френетта устроено и работает совершенно иначе.
Галерея изображений
Фото из
Генерирующую тепло систему, разработанную Е. Френеттом, нельзя безоговорочно отнести к классу тепловых насосов. По конструктивным и технологическим признакам это обогреватель
Агрегат не использует гео- или гелио-источники энергии в своей работе. Находящийся внутри него масляный теплоноситель разогревается от силы трения, создаваемой вращающимися металлическими дисками
Рабочий орган насоса — маслонаполненный цилиндр, внутри которого расположена ось вращения. Это стальной стержень, оснащенный установленными примерно через 6 см параллельными дисками
Центробежная сила выталкивает разогретый теплоноситель в присоединенный к прибору змеевик. Нагретое масло выходит из прибора в верхней точке соединения. Остывший теплоноситель возвращается обратно снизу
Внешний вид теплового насоса Френетта
Разогрев прибора во время работы
Основные конструктивные составляющие
Реальные размеры одной из моделей
Принцип действия этого прибора основан на использовании тепловой энергии, которая выделяется при трении. В основе конструкции — металлические поверхности, расположенные не вплотную друг к другу, а на некотором расстоянии. Пространство между ними заполняют жидкостью. Части устройства вращаются относительно друг друга с помощью электромотора, жидкость, находящаяся внутри корпуса и контактирующая с вращающимися элементами, разогревается.
Полученное тепло можно использовать для нагрева теплоносителя. Некоторые источники рекомендуют использовать эту жидкость непосредственно для отопительной системы. Чаще всего к самодельному насосу Френетта присоединяют обычный радиатор. В качестве жидкости для нагрева специалисты настоятельно рекомендуют использовать масло, а не воду.
В процессе работы насоса этот теплоноситель имеет свойство разогреваться очень сильно. Вода в таких условиях может просто закипеть. Горячий пар в замкнутом пространстве создает избыточное давление, а это обычно приводит к разрыву труб или корпуса. Использовать масло в такой ситуации намного безопаснее, поскольку его температура кипения значительно выше.
Для изготовления теплового насоса Френетта потребуется двигатель, радиатор, несколько труб, стальной дисковый затвор, стальные диски, металлический или пластиковый стержень, металлический цилиндр и гаечный набор (+)
Бытует мнение, что КПД такого теплогенератора превышает 100% и даже может составлять 1000%. С точки зрения физики и математики это не совсем корректное утверждение. КПД отражает потери энергии, затраченные не на обогрев, а собственно на работу прибора. Скорее феноменальные утверждения о невероятно высоком КПД насоса Френетта отражают его эффективность, которая действительно впечатляет.
Затраты электроэнергии на работу прибора ничтожны, а вот количество полученного в результате тепла весьма ощутимы. Нагрев теплоносителя до таких же температур с помощью ТЭНа, например, потребовал бы значительно большего количества электроэнергии, возможно, в десятки раз больше. Бытовой обогреватель при таком расходе электричества даже не нагрелся бы.
Почему же такими приборами не оборудованы все подряд жилые и промышленные помещения? Причины могут быть разными. Все же вода — более простой и удобный теплоноситель, чем масло. Она не нагревается до таких высоких температур, и устранить последствия протечек воды проще, чем убрать разлитое масло.
Еще одна причина может быть в том, что к моменту изобретения насоса Френетта централизованная система отопления уже существовала и успешно функционировала. Ее демонтаж для замены на теплогенераторы обошелся бы слишком дорого и доставил бы массу неудобств, поэтому такой вариант никто всерьез даже не рассматривал. Как говорится, лучшее — враг хорошего.
Что купить — топ-5 лучших насосов
Приобретение теплового насоса — важная и ответственная процедура. Давать какие-либо рекомендации в этой сфере можно только обладая конкретной информацией о размерах дома, материале стен, степени утепленности, конфигурации помещений, типе отопительной системы и т. д. Не обладая этими данными, рассуждать о лучших насосах бессмысленно. Однако, можно рассмотреть наиболее известных производителей, которые поставляют на рынок качественное оборудование и являются лидерами в этой области:
ALTAL GRUP
Компания базируется в Украине, России и Молдове. Производство оборудования ориентировано на условия российских регионов и может использоваться в суровых условиях
NIBE Industrier AB
Шведская фирма, присутствует на рынке с 1949 года и по праву является лидером в своей области. Производство ведется по самым передовым разработкам, используются лучшие материалы и комплектующие
Viessmann Group
Одна из старейших европейских компаний — основание фирмы датируется 1928 годом. Немецкие специалисты наработали огромный опыт и добились высочайшего качества своей продукции
OCHSNER
Австрийская компания, приступившая к серийному изготовлению тепловых насосов одной из первых и получившая признание пользователей благодаря качеству, надежности и долговечности оборудования
Heliotherm
Еще одна австрийская компания, производящая тепловые насосы и другое оборудование. Реализация продукции производится в Европе, отмечается высокое качество, надежность и широкие функциональные возможности отопительных систем
Самостоятельное изготовление устройства
Обзор вариантов устройства насоса Френетта позволяет понять, что принципы его работы с той или иной долей эффективности могут быть использованы в конструкциях различного типа и вида. Основная идея остается прежней: узкое пространство между элементами из металла, заполненное маслом, и вращение с помощью электродвигателя.
На схеме представлен вариант теплового насоса Френетта, который обычно используется для самостоятельного изготовления устройства. Основа конструкции – металлические диски, разделенные гайками (+)
Чтобы изготовить такое устройство надо подготовить необходимые материалы:
- полый цилиндр из металла;
- набор одинаковых стальных дисков с отверстием по центру;
- набор гаек высотой 6 мм;
- стальной стержень с резьбой:
- электродвигатель с удлиненным валом;
- подшипник;
- радиатор отопления;
- соединительные трубы.
Размеры насоса могут быть больше или меньше. Но расстояние между дисками следует выдержать точно – 6 мм. В качестве разделителей используются стандартные гайки, а стальной стержень является центром конструкции.
Его толщина должна соответствовать диаметру гайки. Если стержня с резьбой под рукой не оказалось, ее придется просто нарезать.
Металлические диски для теплового насоса Френетта должны быть чуть меньше диаметра цилиндрического корпуса, чтобы обеспечить свободное вращение и борлее эффективный нагрев теплоносителя
Очевидно, что и отверстие в дисках должно быть таким, чтобы их можно было свободно надеть на осевой стержень. Наружный диаметр дисков должен быть меньше корпуса на несколько миллиметров. Если готовых элементов под рукой не оказалось, диски вырезают самостоятельно из листового металла или поручают эту работу токарю.
Стальные диски для теплового насоса Френетта можно вырезать в домашних условиях, если в наличии имеется подходящее оборудование
Цилиндрический корпус можно сделать из старой металлической емкости подходящей конфигурации или же сварить из металла. Подойдет и обрезок широкой металлической трубы.
К торцам цилиндра приваривают стенки. Корпус должен быть герметичным, чтобы масло не протекало. В верхнем и нижнем торце корпуса следует сделать дополнительные отверстия: для входа и выхода труб отопления, ведущих к радиатору.
Разумеется, все места соединения труб следует загерметизировать. Для резьбовых соединений используют специальные уплотнители: ФУМ-ленту, лен и т.п. Если решено использовать полипропиленовые трубы, понадобятся специальные фитинги и, возможно, паяльник для монтажа таких труб.
Для работы насоса Френетта высокопроизводительный электродвигатель не нужен. Подойдет устройство, снятое со старой или сломанной бытовой техники, например, с обычного вентилятора.
Чтобы стержень вращался свободно, нужен подходящий подшипник стандартных размеров. Когда все элементы подготовлены, можно начинать сборку устройства. Сначала на нижнюю часть внутри корпуса устанавливают центральную ось с подшипником. Затем на ось навинчивают разделительную гайку, затем надевают диск, снова – гайку, снова – диск и т.д.
Диски с гайками чередуют до тех пор, пока корпус не будет заполнен доверху. Еще на этапе подготовки можно сделать предварительные расчеты по количеству необходимых дисков и гаек.
Нужно к толщине гайки (6 мм) прибавить толщину диска. Высоту корпуса разделить на эту цифру. Полученное число даст сведения о нужном количестве пар “гайка+диск”. Последней устанавливают гайку.
После того, как корпус заполнен этими подвижными элементами, его заполняют жидким маслом. Тип масла значения не имеет, можно взять минеральное, хлопковое, рапсовое или любое другое масло, которое хорошо переносит нагрев и не застывает. После этого конструкцию накрывают верхней крышкой и аккуратно ее заваривают.
К этому моменту трубы радиатора уже обычно присоединены к крышкам. Для удобства во время дальнейшего монтажа и обслуживания устройства на трубах можно поставить два запорных крана. Теперь к валу двигателя нужно присоединить ось теплового насоса.
Систему включают в сеть, проверяют наличие протечек, оценивают характеристики работы устройства.
Изготовленный своими руками тепловой насос Френетта можно подключить к обычному чугунному или биметаллическому радиатору, который обеспечит необходимый отопительный эффект
Если все сделано правильно, ось с дисками начнет раскручиваться, разогревая находящееся внутри устройства масло. Горячий теплоноситель станет перемещаться через верхнее отверстие по трубе в радиатор отопления. Остывшее масло будет возвращаться в корпус теплового насоса по нижней трубе для повторного нагрева.
Где можно применять фанкойлы для нагрева
Все производители изготавливают чиллеры как для охлаждения, так и для нагрева воды, т.е., в большинстве случаев, они могут работать как в режиме охлаждения, так и в режиме нагрева воды, при этом температура воды, подаваемая в фанкойл для нагрева воздуха, обычно составляет +40…+55 ℃. Есть отдельные более дешёвые модели, работающие только на охлаждение или только на нагрев. Последние имеют особое название – тепловые насосы. Они устанавливаются в частных домах, коттеджах и обеспечивают нагрев воды не только для отопления, но и для сантехнических и хозяйственных нужд. В качестве внутренних приборов применяются фанкойлы различного типа. Быстрый нагрев воздуха, интенсивная принудительная его циркуляция и бесшумность ставят такие фанкойлы на самый высокий уровень среди всех возможных приборов обогрева. Фанкойлы могут применяться отдельно, независимо от чиллера. Такой вариант возможен, если есть какой-то другой источник нагрева воды (жидкости), которая направляется в фанкойлы. Температура воды (жидкости) в этом случае не должна превышать +70 ℃, иначе произойдет повреждение фанкойла.
Выводы и полезное видео по теме
Интересный вариант насоса Френетта представлен в этом видеоматериале:
К сожалению, насос Френетта не нашел широкого признания в сфере отопления. Такое устройство промышленного изготовления для бытовых нужд сложно найти в магазинах техники для дома. Но немало народных умельцев успешно использовали наработки этого ученого и применили их в своих жилищах, банях, гаражах и т.п.
Возможно именно вы являетесь тем самым самоделкиным, которому удалось воплотить идею Френетта? Пожалуйста, поделитесь своим опытом – оставляете комментарии к статье и добавляете фото своих изделий. Форма для связи расположена ниже.
