Pompa ciepła Frenetta: budowa i zasada działania + czy można zbudować samodzielnie?

Miłośnicy majsterkowania zawsze znajdą zastosowanie dla własnych sił, cierpliwości i materiałów odpadowych. Z praktycznie darmowych komponentów z łatwością skonstruują niezwykle przydatny w gospodarstwie domowym przedmiot.

Na przykład będą w stanie wykonać efektywną pompę ciepła Frenetta własnoręcznie, nic nie wydając. Za to poszerzą bagaż wiedzy i zasób umiejętności, a to jest bezcenne, prawda?

Przedstawione informacje pomogą zrozumieć zasadę działania agregatu. Z naszą pomocą będą Państwo mogli określić konstrukcję i dowiedzieć się, jak wykonywany jest model. Jasne instrukcje dotyczące produkcji tego typu pompy ciepła będą skuteczną pomocą dla samodzielnych domowych majsterkowiczów.

Przedstawiamy praktyczne zalecenia dotyczące wykonania wydajnej samodzielnie wykonanej pompy oraz porady dotyczące eksploatacji takiego urządzenia.

Zasada działania urządzenia

Tym, którzy zetknęli się z kwestiami ekonomicznie opłacalnego ogrzewania, nazwa „pompa ciepła” jest dobrze znana. Zwłaszcza w połączeniu z terminami takimi jak „ziemia-woda”, „woda-woda”, lub „powietrze-woda” i tp.

Taka pompa ciepła z urządzeniem Frenetta nie ma praktycznie nic wspólnego. Poza nazwą i końcowym rezultatem w postaci energii cieplnej, którą ostatecznie wykorzystuje się do ogrzewania.

Pompy ciepła działające na zasadzie Carnota są bardzo popularne zarówno jako ekonomicznie opłacalny sposób organizacji ogrzewania, jak i jako ekologicznie bezpieczny system.

Działanie takiego zespołu urządzeń wiąże się z magazynowaniem energii niskiego potencjału zawartej w zasobach naturalnych (ziemi, wodzie, powietrzu) i przekształcaniem jej w energię cieplną o wysokim potencjale.

Wynalazek Eugeniusza Frenetta jest skonstruowany i działa zupełnie inaczej.

Zasada działania tego urządzenia opiera się na wykorzystaniu energii cieplnej, która wydziela się podczas tarcia. Podstawą konstrukcji są powierzchnie metalowe, umieszczone nie bezpośrednio obok siebie, ale w pewnej odległości. Przestrzeń między nimi wypełniona jest cieczą.

Części urządzenia obracają się względem siebie za pomocą silnika elektrycznego, a ciecz znajdująca się wewnątrz obudowy i stykająca się z obracającymi się elementami nagrzewa się.

Uzyskane ciepło można wykorzystać do podgrzewania czynnika grzewczego. Niektóre źródła zalecają stosowanie tej cieczy bezpośrednio w systemie grzewczym. Najczęściej do domowej roboty pompy Frenette'a podłącza się zwykły grzejnik.

Jako czynnika grzewczego systemu ogrzewania specjaliści stanowczo zalecają stosowanie oleju, a nie wody.

W trakcie pracy pompy ciecz ta ma tendencję do bardzo silnego nagrzewania się. Woda w takich warunkach może po prostu zagotować się. Gorąca para w zamkniętej przestrzeni wytwarza nadciśnienie, co zwykle prowadzi do rozerwania rur lub obudowy. Używanie oleju w takiej sytuacji jest o wiele bezpieczniejsze, ponieważ jego temperatura wrzenia jest znacznie wyższa.

Do wykonania pompy ciepła Frenette'a potrzebny będzie silnik, grzejnik, kilka rur, stalowa zasuwa tarczowa, stalowe tarcze, metalowy lub plastikowy pręt, metalowy cylinder oraz zestaw kluczy (+)

Krąży opinia, że sprawność takiego generatora ciepła przekracza 100%, a nawet może wynosić 1000%. Z punktu widzenia fizyki i matematyki nie jest to do końca poprawne stwierdzenie.

Sprawność odzwierciedla straty energii poniesione nie na ogrzewanie, ale na samą pracę urządzenia. Raczej fenomenalne twierdzenia o niewiarygodnie wysokiej sprawności pompy Frenette'a odzwierciedlają jej efektywność, która rzeczywiście robi wrażenie. Koszty energii elektrycznej na pracę urządzenia są znikome, natomiast ilość uzyskanego ciepła jest bardzo odczuwalna.

Podgrzanie czynnika grzewczego do takich samych temperatur za pomocą grzałki grzewczej, na przykład, wymagałoby znacznie większej ilości energii elektrycznej, być może kilkadziesiąt razy więcej. Domowy grzejnik przy takim zużyciu prądu nawet by się nie nagrzał.

Dlaczego więc takie urządzenia nie są zainstalowane we wszystkich bez wyjątku pomieszczeniach mieszkalnych i przemysłowych? Przyczyny mogą być różne.

Po pierwsze, woda jest prostszym i wygodniejszym czynnikiem grzewczym niż olej. Nie nagrzewa się do tak wysokich temperatur, a usunięcie skutków wycieków wody jest łatwiejsze niż sprzątnięcie rozlanego oleju.

Po drugie, w momencie wynalezienia pompy Frenette'a centralny system ogrzewania już istniał i skutecznie funkcjonował. Jego demontaż w celu zastąpienia go generatorami ciepła kosztowałby zbyt dużo i sprawiłby masę niedogodności, dlatego nikt nawet poważnie nie rozważał takiej opcji. Jak to mówią, lepsze jest wrogiem dobrego.

Zalecenia dotyczące użytkowania przyrządu

Warto zauważyć, że jednak istnieją warianty pompy Eugeniusza Frenetta wykorzystujące wodę jako czynnik grzewczy. Zwykle są to jednak duże modele przemysłowe, które są używane w wyspecjalizowanych zakładach.

Działanie takich urządzeń jest ściśle kontrolowane za pomocą specjalnych przyrządów. Zapewnienie podobnego poziomu bezpieczeństwa w warunkach domowych jest praktycznie niemożliwe.

Ogólny schemat przemysłowego generatora ciepła, opracowanego przez naukowców z Chabarowska: 1 — zbiornik; 2 — rura wlotowa; 3 — rura wylotowa; 4 — podgrzewacz wody; 5 — wał łożyskowy. Jako czynnik grzewczy używana jest woda.

Najpopularniejszą wersją pompy Frenetta, w której zamiast oleju jako czynnik grzewczy używana jest woda, jest urządzenie opracowane przez naukowców z Chabarowska: Natalię Iwanownę Nazyrową, Michaiła Pawłowicza Leonowa i Aleksandra Wasiljewicza Siarga. W tej grzybkowatej konstrukcji woda jest specjalnie doprowadzana do wrzenia i zamieniana w parę.

Następnie wykorzystuje się siłę odrzutu pary, aby zwiększyć prędkość przepływu ciekłego czynnika grzewczego w kanałach pompy do 135 m/min. W rezultacie zużycie energii na przemieszczanie czynnika grzewczego jest minimalne, a wydajność w postaci energii cieplnej bardzo wysoka.

Jednak taki agregat musi być wyjątkowo wytrzymały, a jego pracę należy stale kontrolować, aby uniknąć awarii.

Co zatem zrobić, jeśli za pomocą pompy Frenetta planuje się zorganizować ogrzewanie dużego pomieszczenia lub całego domu? Woda – tradycyjny czynnik grzewczy, większość systemów grzewczych jest na nią zaprojektowana. Ponadto napełnienie całego systemu grzewczego odpowiednim olejem płynnym może okazać się kosztowne.

Kwestię tę rozwiązuje się bardzo prosto. Należy dodatkowo zbudować zwykły wymiennik ciepła, w którym rozgrzany olej będzie ogrzewał wodę krążącą w systemie grzewczym. Przy tym stracona zostanie pewna ilość ciepła, ale ogólny efekt pozostanie wystarczająco odczuwalny.

Pompę ciepła Frenetta można z powodzeniem stosować w połączeniu z systemami wodnego ogrzewania podłogowego. Zamiast wody należy jednak wlać do rur płynny olej.

Ciekawym pomysłem może być użycie pompy Frenetta w połączeniu z systemem ogrzewania podłogowego. Czynnik grzewczy jest wówczas puszczany przez wąskie plastikowe rury ułożone w wylewce betonowej.

Taki system ogrzewania działa tak samo, jak zwykłe wodne ogrzewanie podłogowe. Oczywiście projekt tego typu można zrealizować tylko w domu jednorodzinnym, ponieważ w wysokich budynkach wielorodzinnych dozwolone jest wyłącznie elektryczne ogrzewanie podłogowe.

Praktyczny i wygodny sposób zastosowania takiego urządzenia – ogrzewanie niewielkiego pomieszczenia: garażu, szopy, warsztatu itp. Pompa Frenetta pozwala skutecznie i szybko rozwiązać problem autonomicznego ogrzewania w takich miejscach.

Koszty energii elektrycznej do jego pracy są niewielkie w porównaniu z uzyskiwanym przy tym efektem cieplnym, a zbudowanie takiego agregatu nie jest trudne z najprostszych materiałów.

Warianty konstrukcji pompy Frenetta

Jewgienij Frenett nie tylko wynalazł urządzenie nazwane jego imieniem, ale także wielokrotnie je udoskonalał, wymyślając coraz to nowsze, bardziej efektywne warianty urządzenia.

W pierwszej pompie, którą wynalazca opatentował w 1977 roku, użyto tylko dwóch cylindrów:

• zewnętrzny – pusty cylinder o większej średnicy i znajduje się w stanie statycznym
• wewnętrzny – średnica pojemnika jest nieco mniejsza niż wymiary wnęki cylindra zewnętrznego.

W powstałą wąską przestrzeń między ściankami dwóch cylindrów wynalazca wlał ciekły olej. Oczywiście ta część konstrukcji, w której znajdował się ten ciekły nośnik ciepła, została starannie uszczelniona, aby zapobiec wyciekom oleju.

To jest schemat najwcześniejszej wersji pompy ciepła Frenetta. Obracający się wał znajduje się poziomo, nośnik ciepła umieszczony jest w wąskiej przestrzeni między dwoma cylindrami roboczymi (+)

Cylinder wewnętrzny łączy się z wałem silnika elektrycznego w taki sposób, aby zapewnić jego szybki obrót względem nieruchomego dużego cylindra. Na przeciwległym końcu konstrukcji umieszczono wentylator z wirnikiem.

Podczas pracy olej nagrzewał się i przekazywał ciepło powietrzu otaczającemu urządzenie. Wentylator pozwalał szybko rozprowadzić ciepłe powietrze po całej objętości pomieszczenia.

Ponieważ konstrukcja ta nagrzewała się dość mocno, dla wygodnego i bezpiecznego użytkowania została ukryta w obudowie ochronnej. Oczywiście w obudowie wykonano otwory do cyrkulacji powietrza.

Przydatnym uzupełnieniem konstrukcji był termostat, za pomocą którego pracę pompy Frenetta można było zautomatyzować do pewnego stopnia.

Oś centralna w takim modelu pompy ciepła znajduje się pionowo. Silnik znajduje się na dole, następnie zamontowane są cylindry włożone jeden w drugi, a na górze znajduje się wentylator. Później pojawił się model z poziomym ułożeniem osi centralnej.

Model pompy ciepła Frenetta z poziomo zorientowanym obracającym się wałem został użyty wraz z grzejnikiem, wewnątrz którego krążył nagrzany olej (+)

To właśnie takie urządzenie zostało po raz pierwszy użyte w połączeniu nie z wentylatorem, ale z grzejnikiem. Silnik umieszczony jest z boku, a wał wirnika przechodzi przez obracający się bęben i wychodzi na zewnątrz.

W urządzeniu tego typu nie ma wentylatora. Czynnik grzewczy z pompy przemieszcza się rurami do grzejnika. W podobny sposób ogrzany olej można skierować do innego wymiennika ciepła lub bezpośrednio do rur grzewczych.

Później konstrukcja pompy ciepła Frenette została znacznie zmodyfikowana. Wał wirnika pozostał w pozycji poziomej, ale część wewnętrzna została wykonana z dwóch obracających się bębnów i umieszczonego między nimi wirnika. Jako czynnik grzewczy ponownie stosuje się tutaj ciekły olej.

W tej wersji pompy ciepła Frenette dwa cylindry obracają się obok siebie, oddzielone wirnikiem o specjalnej konstrukcji wykonanym z bardzo wytrzymałego metalu (+)

Podczas obrotu tej konstrukcji olej dodatkowo się nagrzewa, ponieważ przepływa przez specjalne otwory wykonane w wirniku, a następnie dostaje się do wąskiej szczeliny między ściankami obudowy pompy a jej wirnikiem. W ten sposób efektywność pompy Frenette została znacznie zwiększona.

Na krawędziach wirnika pompy ciepła Frenette wykonane są małe otwory. Czynnik grzewczy szybko i efektywnie nagrzewa się, przepływając przez nie (+)

Należy jednak zaznaczyć, że ten typ pompy nie jest zbyt odpowiedni do wykonania w warunkach domowych. Na początek trzeba znaleźć wiarygodne rysunki lub samodzielnie obliczyć konstrukcję, a to jest możliwe tylko dla doświadczonego inżyniera.

Następnie trzeba znaleźć specjalny wirnik z otworami o odpowiednim rozmiarze. Ten element pompy ciepła pracuje przy podwyższonych obciążeniach, dlatego musi być wykonany z bardzo wytrzymałych materiałów.

Samodzielne wykonanie urządzenia

Przegląd wariantów urządzenia pompy Frenette pozwala zrozumieć, że zasady jej działania z różnym stopniem efektywności mogą być wykorzystane w konstrukcjach różnych typów i rodzajów. Główna idea pozostaje ta sama: wąska przestrzeń między elementami metalowymi wypełniona olejem i obrót za pomocą silnika elektrycznego.

Na schemacie przedstawiono wariant pompy ciepła Frenette, który jest zwykle używany do samodzielnego wykonania urządzenia. Podstawą konstrukcji są metalowe dyski przedzielone nakrętkami (+)

W warunkach domowych najczęściej wykonuje się pompę Frenette składającą się z szeregu metalowych płytek przedzielonych wąską szczeliną.

Aby wykonać takie urządzenie, należy przygotować niezbędne materiały:

• pusty cylinder metalowy;
• zestaw identycznych stalowych krążków z otworem w środku;
• zestaw nakrętek o wysokości 6 mm;
• stalowy pręt gwintowany:
• silnik elektryczny z wydłużonym wałem;
• łożysko;
• rury łączące.

Rozmiary pompy mogą być większe lub mniejsze. Ale odległość między krążkami należy zachować dokładnie – 6 mm. Jako separatorów używa się standardowych nakrętek, a stalowy pręt jest środkiem konstrukcji.

Jego grubość musi odpowiadać średnicy nakrętki. Jeśli pręt gwintowany nie był pod ręką, trzeba będzie po prostu nagwintować go.

Metalowe krążki pompy ciepła Frenetta powinny być nieco mniejsze od średnicy cylindrycznej obudowy, aby zapewnić swobodne obracanie i skuteczniejsze nagrzewanie czynnika grzewczego

Oczywiście otwór w krążkach również musi być taki, aby można było je swobodnie nasunąć na oś. Zewnętrzna średnica krążków powinna być o kilka milimetrów mniejsza od obudowy. Jeśli gotowych elementów nie ma pod ręką, krążki wycina się samodzielnie z blachy lub zleca tę pracę tokarzowi.

Stalowe krążki do pompy ciepła Frenetta można wyciąć w warunkach domowych, jeśli dysponuje się odpowiednim sprzętem.

Cylindryczną obudowę można zrobić ze starego metalowego pojemnika o odpowiedniej konfiguracji lub spawać z metalu. Nadaje się również kawałek szerokiej metalowej rury.

Do czołowych ścian cylindra przyspawa się ścianki. Obudowa musi być szczelna, aby olej nie wyciekał. W górnym i dolnym końcu obudowy należy zrobić dodatkowe otwory: na wlot i wylot rur grzewczych prowadzących do grzejnika.

Oczywiście wszystkie miejsca połączeń rur należy uszczelnić. Do połączeń gwintowanych używa się specjalnych uszczelniaczy: taśmy FUM, lnu itp. Jeśli zdecydowano się zastosować rury polipropylenowe, potrzebne będą specjalne złączki i ewentualnie lutownica do montażu takich rur.

Do pracy pompy Frenetta nie jest potrzebny silnik elektryczny o wysokiej wydajności. Wystarczy urządzenie zdjęte ze starego lub zepsutego sprzętu AGD, na przykład ze zwykłego wentylatora.

Głównym zadaniem silnika elektrycznego jest obracanie wału. Zbyt szybkie obracanie może spowodować nieprawidłowe działanie urządzenia. Im szybciej obraca się konstrukcja, tym bardziej nagrzewa się czynnik grzewczy.

Niewielki silnik do obracania wału pompy ciepła Frenetta można zdjąć ze zepsutego sprzętu AGD lub kupić w sklepie.

Aby wał obracał się swobodnie, potrzebne jest odpowiednie łożysko standardowych rozmiarów. Gdy wszystkie elementy są przygotowane, można rozpocząć montaż urządzenia. Najpierw w dolnej części wewnątrz obudowy montuje się centralną oś z łożyskiem. Następnie na oś nakręca się nakrętkę dystansową, potem nakłada się tarczę, ponownie – nakrętkę, ponownie – tarczę itd.

Tarcze i nakrętki naprzemiennie umieszcza się, aż obudowa zostanie wypełniona po brzegi. Już na etapie przygotowania można dokonać wstępnych obliczeń dotyczących liczby potrzebnych tarcz i nakrętek.

Należy do grubości nakrętki (6 mm) dodać grubość tarczy. Wysokość obudowy podzielić przez tę liczbę. Otrzymana liczba da informację o potrzebnej liczbie par „nakrętka+tarcza”. Na końcu montuje się nakrętkę.

Gdy obudowa jest wypełniona tymi ruchomymi elementami, wypełnia się ją płynnym olejem. Rodzaj oleju nie ma znaczenia, można użyć mineralnego, bawełnianego, rzepakowego lub dowolnego innego oleju, który dobrze znosi nagrzewanie i nie tężeje. Następnie konstrukcję przykrywa się górną pokrywą i starannie ją zaspawa.

W tym momencie rury grzejnika są już zazwyczaj podłączone do pokryw. Dla wygody podczas dalszego montażu i obsługi urządzenia na rurach można zamontować dwa zawory odcinające. Teraz do wału silnika należy podłączyć oś pompy ciepła.

System podłącza się do sieci, sprawdza się obecność wycieków, ocenia się parametry pracy urządzenia.

Wykonaną własnoręcznie pompę ciepła Frenette'a można podłączyć do zwykłego żeliwnego lub bimetalicznego grzejnika, który zapewni niezbędny efekt grzewczy.

Jeśli wszystko jest wykonane prawidłowo, oś z tarczami zacznie się obracać, nagrzewając znajdujący się wewnątrz urządzenia olej. Gorący nośnik ciepła będzie przemieszczać się przez górny otwór rurą do grzejnika. Ochłodzony olej będzie wracać do obudowy pompy ciepła dolną rurą w celu ponownego nagrzania.

Aby zautomatyzować pracę systemu, można zastosować specjalny przekaźnik z czujnikiem temperatury, który rejestruje nagrzewanie obudowy pompy ciepła i wyłącza silnik lub włącza go w razie potrzeby. Pozwoli to zapobiec przegrzaniu systemu, uszkodzeniu silnika elektrycznego i ogólnie zwiększy żywotność urządzenia.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Interesujący wariant pompy Frenette'a przedstawiono w tym materiale wideo:

Niestety, pompa Frenette'a nie zyskała szerokiego uznania w dziedzinie ogrzewania. Takie urządzenie produkowane przemysłowo na potrzeby domowe trudno znaleźć w sklepach z techniką domową. Jednak wielu majsterkowiczów z powodzeniem wykorzystało opracowania tego naukowca i zastosowało je w swoich domach, łaźniach, garażach itp.

Być może to właśnie Pan/Pani jest tym majsterkowiczem, któremu udało się zrealizować pomysł Frenette'a? Proszę podzielić się swoim doświadczeniem – zostawić komentarz do artykułu i dodać zdjęcia swoich wyrobów. Formularz kontaktowy znajduje się poniżej.