Топлинна помпа на Френет: устройство и принцип на работа + може ли да се сглоби сам?

Любителите да майсторят винаги ще намерят приложение на собствените си сили, търпение и отпадъчни материали. От почти безплатни компоненти те лесно ще изработят изключително полезна в бита вещ.

Например, ще могат да направят ефективна топлинна помпа на Френетта със собствените си ръце, без да похарчат нищо. Пък ще попълнят багажа от знания и запас от умения, а това е безценно, нали така?

Представената информация ще помогне да разберете принципа на действие на агрегата. С наша помощ ще можете да се определите с конструкцията и да научите как се изработва моделът. Ясни инструкции за производството на този вид топлинна помпа ще окажат ефективна помощ на самостоятелните домашни майстори.

Ние даваме практически препоръки за изработка на производително домашно изобретение и съвети за експлоатация на такова оборудване.

Принцип на работа на устройството

На тези, които са се сблъсквали с въпросите на икономически изгодното отопление, името “топлинна помпа” е добре познато. Особено в съчетание с термини като “земя-вода”, “вода-вода”, или “въздух-вода” и т.н.

Такава топлинна помпа с устройството на Френетта няма практически нищо общо. Освен името и крайния резултат под формата на топлинна енергия, която в крайна сметка се използва за отопление.

Топлинните помпи, работещи на принципа на Карно, са много популярни и като икономически изгоден начин за организиране на отопление, и като екологично безопасна система.

Работата на такъв комплекс от устройства е свързана с натрупване на нископотенциална енергия, съдържаща се в природните ресурси (земя, вода, въздух), и преобразуването ѝ в топлинна енергия с висок потенциал.

Изобретението на Евгени Френетта е устроено и работи съвсем различно.

Принципът на действие на този уред се основава на използването на топлинна енергия, която се отделя при триене. В основата на конструкцията са метални повърхности, разположени не плътно една до друга, а на известно разстояние. Пространството между тях се запълва с течност.

Частите на устройството се въртят една спрямо друга с помощта на електродвигател, а течността, намираща се вътре в корпуса и контактуваща с въртящите се елементи, се нагрява.

Получената топлина може да се използва за нагряване на топлоносителя. Някои източници препоръчват тази течност да се използва директно за отоплителната система. Най-често към самоделната помпа на Френет се присъединява обикновен радиатор.

Като топлоносител на отоплителната система специалистите настоятелно препоръчват да се използва масло, а не вода.

В процеса на работа на помпата тази течност има свойството да се нагрява много силно. Водата в такива условия може просто да заври. Горещата пара в затворено пространство създава излишно налягане, а това обикновено води до разкъсване на тръби или корпуса. Използването на масло в такава ситуация е много по-безопасно, тъй като температурата му на кипене е значително по-висока.

За изработването на топлинна помпа на Френет ще са необходими двигател, радиатор, няколко тръби, стоманен дисков затвор, стоманени дискове, метален или пластмасов прът, метален цилиндър и комплект гайки (+)

Съществува мнение, че КПД на такъв топлинен генератор надвишава 100% и дори може да достигне 1000%. От гледна точка на физиката и математиката това не е съвсем коректно твърдение.

КПД отразява загубите на енергия, изразходвани не за отопление, а за самата работа на уреда. По-скоро феноменалните твърдения за невероятно високия КПД на помпата на Френет отразяват нейната ефективност, която наистина впечатлява. Разходите за електроенергия за работа на уреда са нищожни, а количеството получена в резултат топлина е доста осезаемо.

Нагряването на топлоносителя до същите температури с помощта на нагревател за отопление например би изисквало значително по-голямо количество електроенергия, вероятно в десетки пъти повече. Домашен нагревател при такъв разход на електричество дори не би се нагрел.

Защо тогава всички жилищни и промишлени помещения не са оборудвани с такива уреди? Причините могат да бъдат различни.

Първо, водата е по-прост и удобен топлоносител от маслото. Тя не се нагрява до толкова високи температури и отстраняването на последствията от течове на вода е по-лесно, отколкото почистването на разлято масло.

Второ, до момента на изобретяването на помпата на Френет централизираната отоплителна система вече съществуваше и успешно функционираше. Нейният демонтаж за замяна с топлогенератори би струвал твърде скъпо и би причинил редица неудобства, затова никой дори не разглеждаше сериозно този вариант. Както се казва, по-доброто е враг на доброто.

Препоръки за използване на уреда

Трябва да се отбележи, че вариации на помпата на Евгени Френет, използващи вода като топлоносител, все пак съществуват. Но обикновено това са големи промишлени модели, които се използват в специализирани предприятия.

Работата на такива устройства се контролира строго с помощта на специални уреди. Да се осигури подобно ниво на безопасност в домашни условия е практически невъзможно.

Обща схема на промишления топлогенератор, разработен от учени от Хабаровск: 1 — резервоар; 2 — входен патрубок; 3 — изходен патрубок; 4 — бойлер; 5 — лагерен вал. Като топлоносител се използва вода

Най-популярната версия на помпата на Френет, в която като топлоносител се използва вода, а не масло, е устройството, разработено от учени от Хабаровск: Назирова Наталия Ивановна, Леонов Михаил Павлович и Сярг Александър Василиевич. В тази гъбовидна конструкция водата специално се довежда до кипене и се превръща в пара.

След това се използва реактивната сила на парата, за да се повиши скоростта на движение на течния топлоносител по каналите на помпата до 135 м/мин. В резултат разходите за енергия за преместване на топлоносителя са минимални, а отдаването под формата на топлинна енергия е много високо.

Обаче такъв агрегат трябва да бъде изключително здрав, и работата му трябва постоянно да се контролира, за да се избегне авария.

Какво да се прави, ако с помощта на помпата на Френет се предполага да се организира отоплението на голямо помещение или на цяла къща? Водата е традиционен топлоносител, повечето отоплителни системи са проектирани именно за нея. А и пълненето на цяла отоплителна система с подходящо течно масло може да се окаже скъпо удоволствие.

Този въпрос се решава много просто. Необходимо е допълнително да се изгради обикновен топлообменник, в който загрятото масло ще загрява водата, циркулираща в отоплителната система. Известно количество топлина ще бъде загубено, но общият ефект ще остане доста осезаем.

Топлинната помпа на Френет може да се използва успешно в комбинация със системи за воден топъл под. Но вместо вода в тръбите трябва да се напълни течно масло.

Интересна идея може да бъде използването на помпата на Френет в комбинация с система за топъл под. Топлоносителят при това се пуска по тесни пластмасови тръби, положени в бетонна замазка.

Тази отоплителна система функционира по същия начин като обикновения воден топъл под. Разбира се, този тип проект може да се реализира само в частна къща, тъй като за високите многофамилни сгради се разрешава използването единствено на електрически топъл под.

Практичен и удобен начин за прилагане на такъв уред – отопление на малко помещение: гараж, навес, работилница и т.н. Помпата на Френет позволява ефективно и бързо да се реши проблемът с автономното отопление в такива места.

Разходите за електроенергия за неговата работа са малки в сравнение с получения топлинен ефект, а изграждането на такъв агрегат не е трудно от най-простите материали.

Варианти на конструкцията на помпата на Френетта

Евгений Френет не само изобрети устройството, наречено на неговото име, но и многократно го усъвършенства, измисляйки все нови, по-ефективни варианти на уреда.

В най-първата помпа, която изобретателят патентова през 1977 г., бяха използвани само два цилиндъра:

• външен – кух цилиндър с по-голям диаметър и е в статично състояние
• вътрешен – диаметърът на съда е малко по-малък от размерите на кухината на външния цилиндър.

В полученото тясно пространство между стените на двата цилиндъра изобретателят изля течно масло. Разбира се, тази част от конструкцията, в която се намираше този течен топлоносител, беше внимателно запечатана, за да се предотвратят течове на масло.

Това е схема на най-първия вариант на топлинната помпа на Френет. Въртящият се вал е разположен хоризонтално, топлоносителят е поставен в тясното пространство между двата работни цилиндъра (+).

Вътрешният цилиндър се свързва с вала на електродвигателя по такъв начин, че да се осигури бързото му въртене спрямо неподвижния голям цилиндър. На противоположния край на конструкцията беше поставен вентилатор с перка.

По време на работа маслото се загряваше и предаваше топлината на въздуха, който обграждаше устройството. Вентилаторът позволяваше бързо да се разпространи топлият въздух в целия обем на помещението.

Тъй като тази конструкция се нагряваше доста силно, за удобно и безопасно използване, конструкцията беше скрита в защитен корпус. Разбира се, в корпуса бяха направени отвори за циркулация на въздуха.

Полезно допълнение към конструкцията стана термостатът, с помощта на който работата на помпата на Френет можеше да се автоматизира до известна степен.

Централната ос в такъв модел на топлинната помпа е разположена вертикално. Двигателят се намира отдолу, след това са монтирани цилиндри, вложени един в друг, а отгоре се намира вентилаторът. По-късно се появи модел с хоризонтално разположение на централната ос.

Модел на топлинната помпа на Френет с хоризонтално ориентиран въртящ се вал беше използван заедно с отоплителен радиатор, вътре в който циркулираше нагрято масло (+)

Именно такова устройство беше използвано за първи път в комбинация не с вентилатор, а с отоплителен радиатор. Двигателят е поставен отстрани, а валът на ротора преминава през въртящия се барабан и излиза навън.

В устройството от този тип вентилатор липсва. Топлоносителят от помпата по тръбите се премества към радиатора. По подобен начин нагрятото масло може да се отведе и към друг топлообменник или направо към отоплителните тръби.

По-късно конструкцията на топлинната помпа на Френет беше съществено променена. Валът на ротора остана в хоризонтално положение, а вътрешната част беше направена от два въртящи се барабана и поставена между тях крилчатка. Като топлоносител тук отново се използва течно масло.

В този вариант на топлинната помпа на Френет два цилиндъра се въртят един до друг, те са разделени от крилчатка със специална конструкция от много здрав метал (+)

При въртене на тази конструкция маслото допълнително се нагрява, тъй като преминава през специални отвори, направени в крилчатката, а след това прониква в тясна кухина между стените на корпуса на помпата и нейния ротор. Така ефективността на помпата на Френет беше съществено повишена.

По краищата на крилчатката за топлинната помпа на Френет са направени малки отвори. Топлоносителят бързо и ефективно се нагрява, преминавайки през тях (+)

Трябва обаче да се отбележи, че за изработка в домашни условия този тип помпа не е много подходящ. За начало ще са необходими достоверни чертежи или да се изчисли конструкцията самостоятелно, а това е по силите само на опитен инженер.

След това ще е необходима специална крилчатка с отвори с подходящ размер. Този елемент на топлинната помпа работи при повишени натоварвания, затова той трябва да бъде изработен от много здрави материали.

Самостоятелно изработване на устройството

Прегледът на вариантите на устройството на помпата на Френет позволява да се разбере, че принципите на нейната работа с по-голяма или по-малка ефективност могат да се използват в конструкции от различен тип и вид. Основната идея остава същата: тясно пространство между метални елементи, запълнено с масло, и въртене с помощта на електродвигател.

На схемата е представен вариант на топлинната помпа на Френет, която обикновено се използва за самостоятелно изработване на устройството. Основата на конструкцията – метални дискове, разделени с гайки (+)

В домашни условия най-често се изработва помпата на Френет, състояща се от ред метални пластини, разделени с тесен просвет.

За да се изработи такова устройство, трябва да се подготвят необходимите материали:

• кух цилиндър от метал;
• набор от еднакви стоманени дискове с отвор в центъра;
• набор от гайки с височина 6 мм;
• стоманен прът с резба:
• електродвигател с удължен вал;
• лагер;
• съединителни тръби.

Размерите на помпата могат да бъдат по-големи или по-малки. Но разстоянието между дисковете трябва да се спази точно – 6 мм. Като разделители се използват стандартни гайки, а стоманеният прът е центърът на конструкцията.

Неговата дебелина трябва да съответства на диаметъра на гайката. Ако прът с резба не е под ръка, ще трябва просто да се нареже.

Металните дискове за топлинната помпа на Френет трябва да са малко по-малки от диаметъра на цилиндричния корпус, за да осигурят свободно въртене и по-ефективно нагряване на топлоносителя.

Очевидно е, че и отворът в дисковете трябва да бъде такъв, че да могат да се надяват свободно на осовия прът. Външният диаметър на дисковете трябва да е с няколко милиметра по-малък от корпуса. Ако готови елементи не са налични, дисковете се изрязват самостоятелно от листов метал или тази работа се възлага на стругар.

Стоманените дискове за топлинната помпа на Френет могат да се изрежат в домашни условия, ако е налично подходящо оборудване.

Цилиндричният корпус може да се направи от стара метална съд с подходяща конфигурация или да се завари от метал. Ще свърши работа и отрез от широка метална тръба.

Към краищата на цилиндъра се заваряват стени. Корпусът трябва да е херметичен, за да не изтича масло. В горния и долния край на корпуса трябва да се направят допълнителни отвори: за входа и изхода на отоплителните тръби, водещи към радиатора.

Разбира се, всички места на съединение на тръбите трябва да се запечатат. За резбови съединения се използват специални уплътнители: ФУМ лента, лен и др. Ако е решено да се използват полипропиленови тръби, ще са необходими специални фитинги и, евентуално, поялник за монтажа на такива тръби.

За работата на помпата на Френет не е необходим високопроизводителен електродвигател. Ще свърши работа устройство, свалено от стара или счупена битова техника, например от обикновен вентилатор.

Основното предназначение на електродвигателя – да върти вала. Прекалено бързото въртене може да доведе до неправилна работа на устройството. Колкото по-бързо се върти конструкцията, толкова повече се нагрява топлоносителят.

Малък двигател за въртене на вала на топлинната помпа на Френетта може да се свали от повредена битова техника или да се закупи в магазин.

За да се върти прътът свободно, е необходим подходящ лагер със стандартни размери. Когато всички елементи са подготвени, може да се започне сглобяването на устройството. Първо в долната част вътре в корпуса се монтира централна ос с лагер. След това на оста се завива разделителна гайка, след това се поставя диск, отново – гайка, отново – диск и т.н.

Дисковете с гайки се редуват, докато корпусът не се запълни догоре. Още на етапа на подготовка могат да се направят предварителни изчисления за броя на необходимите дискове и гайки.

Трябва към дебелината на гайката (6 mm) да се прибави дебелината на диска. Височината на корпуса да се раздели на тази цифра. Полученото число ще даде информация за необходимия брой двойки „гайка+диск“. Последна се монтира гайката.

След като корпусът е запълнен с тези подвижни елементи, той се запълва с течно масло. Видът на маслото няма значение, може да се вземе минерално, памучно, рапично или всяко друго масло, което понася добре нагряването и не се втвърдява. След това конструкцията се покрива с горния капак и внимателно се заварява.

До този момент тръбите на радиатора вече обикновено са присъединени към капаците. За удобство по време на по-нататъшния монтаж и обслужване на устройството на тръбите могат да се поставят два спирателни крана. Сега към вала на двигателя трябва да се присъедини оста на топлинната помпа.

Системата се включва в мрежата, проверява се за наличие на течове, оценяват се характеристиките на работа на устройството.

Изработеният саморъчно топлинен помпа на Френетта може да се свърже към обикновен чугунен или биметален радиатор, който ще осигури необходимия отоплителен ефект.

Ако всичко е направено правилно, оста с дисковете ще започне да се върти, загрявайки намиращото се вътре в устройството масло. Горещият топлоносител ще започне да се придвижва през горния отвор по тръбата към радиатора за отопление. Охладеното масло ще се връща в корпуса на топлинната помпа по долната тръба за повторно нагряване.

За да се автоматизира работата на системата, може да се използва специално реле с термодатчик, който отчита нагряването на корпуса на топлинната помпа и изключва двигателя или го включва при необходимост. Това ще позволи да се предотврати прегряване на системата, повреда на електродвигателя и като цяло ще увеличи ресурса на работа на устройството.

Изводи и полезно видео по темата

Интересен вариант на помпата на Френетта е представен в този видеоматериал:

За съжаление, помпата на Френе не намери широко признание в сферата на отоплението. Такова устройство от промишлено производство за битови нужди трудно се намира в магазините за домашна техника. Но немалко народни майстори успешно използваха разработките на този учен и ги приложиха в своите жилища, бани, гаражи и т.н.

Може би точно вие сте оня майстор, който успя да осъществи идеята на Френе? Моля, споделете своя опит – оставете коментари към статията и добавете снимки на вашите изделия. Формата за връзка се намира по-долу.