Tepelné čerpadlo Frenette: konstrukce a princip činnosti + lze si ho sestavit svépomocí?

Milovníci kutění vždy najdou uplatnění pro své síly, trpělivost a odpadové materiály. Z prakticky bezplatných součástek snadno sestrojí velmi užitečnou věc do domácnosti.

Například dokáží vyrobit účinné tepelné čerpadlo Frenetta vlastnoručně, aniž by cokoli utratili. Zato si doplní zásobu znalostí a dovedností, což je k nezaplacení, že?

Prezentované informace pomohou pochopit princip činnosti zařízení. S naší pomocí se budete moci rozhodnout o konstrukci a zjistit, jak se model vyrábí. Jasné pokyny pro výrobu tohoto typu tepelného čerpadla poskytnou účinnou pomoc domácím kutilům.

Uvádíme praktická doporučení pro výrobu výkonného domácího výrobku a rady pro provoz takového zařízení.

Princip činnosti zařízení

Těm, kdo se setkali s otázkami ekonomicky výhodného vytápění, je název „tepelné čerpadlo“ dobře známý. Zejména v kombinaci s termíny jako „země-voda“, „voda-voda“ nebo „vzduch-voda“ atd.

Takové tepelné čerpadlo nemá s Frenettovým zařízením prakticky nic společného. Kromě názvu a konečného výsledku v podobě tepelné energie, kterou nakonec použijí k vytápění.

Tepelná čerpadla pracující na Carnotově principu jsou velmi oblíbená jak jako ekonomicky výhodný způsob organizace vytápění, tak jako ekologicky bezpečný systém.

Práce takového komplexu zařízení souvisí s akumulací nízkopotenciální energie obsažené v přírodních zdrojích (zemi, vodě, vzduchu) a jejím přeměněním na tepelnou energii s vysokým potenciálem.

Vynález Jevgenije Frenetta je konstruován a funguje zcela jinak.

Princip fungování tohoto zařízení je založen na využití tepelné energie, která se uvolňuje při tření. Základem konstrukce jsou kovové povrchy, které nejsou umístěny těsně u sebe, ale v určité vzdálenosti. Prostor mezi nimi je vyplněn kapalinou.

Části zařízení se vůči sobě otáčejí pomocí elektromotoru, kapalina uvnitř tělesa, která je v kontaktu s rotujícími prvky, se zahřívá.

Získané teplo lze použít k ohřevu teplonosné látky. Některé zdroje doporučují tuto kapalinu používat přímo pro topný systém. Nejčastěji se k vlastnoručně vyrobenému Frenettovu čerpadlu připojuje běžný radiátor.

Jako teplonosnou látku topného systému odborníci důrazně doporučují používat olej, nikoliv vodu.

Během provozu čerpadla má tato kapalina tu vlastnost, že se velmi silně zahřívá. Voda může za těchto podmínek jednoduše vařit. Horká pára v uzavřeném prostoru vytváří nadměrný tlak, což obvykle vede k prasknutí trubek nebo tělesa. Použití oleje je v takové situaci mnohem bezpečnější, protože jeho bod varu je výrazně vyšší.

K výrobě Frenettova tepelného čerpadla bude zapotřebí motor, radiátor, několik trubek, ocelový diskový uzávěr, ocelové disky, kovová nebo plastová tyč, kovový válec a sada matic (+)

Panuje názor, že účinnost takového tepelného generátoru přesahuje 100 % a může dokonce dosahovat 1000 %. Z hlediska fyziky a matematiky to není zcela správné tvrzení.

Účinnost odráží ztráty energie, které nebyly vynaloženy na vytápění, ale na samotný provoz zařízení. Spíše fenomenální tvrzení o neuvěřitelně vysoké účinnosti Frenettova čerpadla odrážejí jeho efektivitu, která je skutečně působivá. Náklady na elektřinu pro provoz zařízení jsou zanedbatelné, zatímco množství získaného tepla je velmi znatelné.

Ohřev teplonosné látky na stejné teploty pomocí topného tělesa (TEN) by například vyžadoval podstatně větší množství elektřiny, možná desetkrát více. Domácí ohřívač by při takové spotřebě elektřiny ani nezačal topit.

Proč tedy nejsou všechny obytné a průmyslové prostory vybaveny takovými zařízeními? Důvody mohou být různé.

Za prvé, voda je jednodušší a pohodlnější teplonosná látka než olej. Neohřívá se na tak vysoké teploty a odstranit následky úniků vody je snazší než uklidit rozlitý olej.

Za druhé, v době vynálezu Frenettova čerpadla již existoval centralizovaný topný systém a úspěšně fungoval. Její demontáž a nahrazení tepelnými generátory by byla příliš nákladná a způsobila by mnoho nepříjemností, takže tuto možnost nikdo ani vážně nezvažoval. Jak se říká, lepší je nepřítelem dobrého.

Doporučení pro použití přístroje

Stojí za zmínku, žemodifikace Frenettova čerpadla Jevgenije Frenetta s použitím vody jako teplonosného média přesto existují. Obvykle se však jedná o velké průmyslové modely, které se používají ve specializovaných podnicích.

Činnost takových zařízení je přísně kontrolována pomocí speciálních přístrojů. Zajistit podobnou úroveň bezpečnosti v domácích podmínkách je prakticky nemožné.

Celkové schéma průmyslového tepelného generátoru vyvinutého chabarovskými vědci: 1 – nádrž; 2 – vstupní hrdlo; 3 – výstupní hrdlo; 4 – ohřívač vody; 5 – ložiskový hřídel. Jako teplonosné médium se používá voda.

Nejpopulárnější verze Frenettova čerpadla, ve které se jako teplonosné médium používá voda, nikoli olej, je zařízení vyvinuté vědci z Chabarovsku: Nataljou Ivanovnou Nazyrovou, Michailem Pavlovičem Leonovem a Alexandrem Vasiljevičem Sjargem. V této houbovité konstrukci je voda záměrně přivedena k varu a mění se v páru.

Poté se využívá reaktivní síla páry ke zvýšení rychlosti pohybu kapalného teplonosného média kanály čerpadla až na 135 m/min. Výsledkem je, že náklady na energii na pohyb teplonosného média jsou minimální, zatímco výdej ve formě tepelné energie je velmi vysoký.

Takový agregát však musí být mimořádně pevný a jeho provoz by měl být neustále kontrolován, aby nedošlo k nehodě.

Co dělat, pokud se pomocí Frenettova čerpadla plánuje vytápění velké místnosti nebo celého domu? Voda je tradiční teplonosné médium, většina topných systémů je na ni dimenzována. A naplnění celého topného systému vhodným kapalným olejem může být nákladnou záležitostí.

Tento problém se řeší velmi jednoduše. Je třeba dodatečně postavit běžný výměník tepla, ve kterém bude ohřátý olej ohřívat vodu cirkulující v topném systému. Určité množství tepla se přitom ztratí, ale celkový efekt zůstane dostatečně znatelný.

Frenettovo tepelné čerpadlo lze úspěšně používat v kombinaci se systémy vodního podlahového topení. Místo vody je však třeba do trubek nalít kapalný olej.

Zajímavým nápadem může být použití Frenettova čerpadla v kombinaci se systémem podlahového topení. Teplonosné médium se přitom vede úzkými plastovými trubkami uloženými v betonové mazanině.

Takový systém vytápění funguje stejně jako běžné vodní podlahové vytápění. Samozřejmě, tento typ projektu lze realizovat pouze v rodinném domě, protože pro výškové bytové domy je povoleno používat výhradně elektrické podlahové vytápění.

Praktický a pohodlný způsob použití takového zařízení – vytápění malé místnosti: garáže, kůlny, dílny apod. Frenettovo čerpadlo umožňuje efektivně a rychle vyřešit problém autonomního vytápění na takových místech.

Náklady na elektřinu pro jeho provoz jsou malé ve srovnání s dosaženým tepelným efektem, a sestavit takové zařízení není obtížné z těch nejjednodušších materiálů.

Varianty konstrukce čerpadla Frenetta

Jevgenij Frenett nejen vynalezl zařízení pojmenované po něm, ale také jej opakovaně zdokonaloval, vymýšlejíc stále nové, účinnější varianty přístroje.

V úplně prvním čerpadle, které vynálezce patentoval v roce 1977, byly použity pouze dva válce:

• vnější – dutý válec s větším průměrem a je ve statickém stavu
• vnitřní – průměr nádoby je o něco menší než rozměry dutiny vnějšího válce.

Do vzniklého úzkého prostoru mezi stěnami dvou válců vynálezce nalil tekutý olej. Samozřejmě, ta část konstrukce, ve které se nacházela tato tekutá teplonosná látka, byla pečlivě utěsněna, aby se zabránilo únikům oleje.

Toto je schéma úplně první varianty Frenettova tepelného čerpadla. Rotující hřídel je umístěn vodorovně, teplonosná látka je umístěna v úzkém prostoru mezi dvěma pracovními válci (+)

Vnitřní válec je spojen s hřídelí elektromotoru tak, aby bylo zajištěno jeho rychlé otáčení vůči nehybnému velkému válci. Na opačném čele konstrukce byl umístěn ventilátor s lopatkami.

Během provozu se olej zahříval a předával teplo vzduchu obklopujícímu zařízení. Ventilátor umožňoval rychle rozšířit teplý vzduch po celém objemu místnosti.

Protože se tato konstrukce zahřívala poměrně silně, byla z důvodu pohodlného a bezpečného použití skryta v ochranném krytu. Samozřejmě, v krytu byly vytvořeny otvory pro cirkulaci vzduchu.

Užitečným doplňkem konstrukce se stal termostat, pomocí kterého bylo možné práci Frenettova čerpadla do určité míry automatizovat.

Centrální osa v takovém modelu tepelného čerpadla je umístěna svisle. Motor je dole, poté jsou instalovány do sebe vložené válce a nahoře je ventilátor. Později se objevil model s vodorovným umístěním centrální osy.

Model tepelného čerpadla Frenetta s horizontálně orientovanou rotující hřídelí byl použit spolu s radiátorem topení, uvnitř kterého cirkuloval ohřátý olej (+)

Právě takové zařízení bylo poprvé použito v kombinaci nikoli s ventilátorem, nýbrž s radiátorem topení. Motor je umístěn na boku a hřídel rotoru prochází rotačním bubenem a vystupuje ven.

V zařízení tohoto typu ventilátor chybí. Tepelné médium z čerpadla je potrubím dopravováno do radiátoru. Podobným způsobem lze ohřátý olej odvést i na jiný výměník tepla nebo přímo do topných trubek.

Později byla konstrukce tepelného čerpadla Frenetta podstatně změněna. Hřídel rotoru zůstala v horizontální poloze, ale vnitřní část byla vyrobena ze dvou rotačních bubnů a mezi nimi umístěného oběžného kola. Jako tepelné médium je zde opět použit tekutý olej.

V této variantě tepelného čerpadla Frenetta se dva válce otáčejí vedle sebe, oddělené oběžným kolem zvláštní konstrukce z velmi pevného kovu (+)

Při otáčení této konstrukce se olej dodatečně zahřívá, protože prochází speciálními otvory vyrobenými v oběžném kole a poté proniká do úzké dutiny mezi stěnami tělesa čerpadla a jeho rotorem. Tím byla účinnost čerpadla Frenetta podstatně zvýšena.

Po okrajích oběžného kola pro tepelné čerpadlo Frenetta jsou vyrobeny malé otvory. Tepelné médium se při průchodu jimi rychle a účinně zahřívá (+)

Je však třeba poznamenat, že tento typ čerpadla není příliš vhodný pro domácí výrobu. Nejprve bude potřeba najít spolehlivé výkresy nebo vypočítat konstrukci samostatně, a to je schopen pouze zkušený inženýr.

Poté bude potřeba najít speciální oběžné kolo s otvory vhodné velikosti. Tento prvek tepelného čerpadla pracuje při zvýšeném zatížení, proto musí být vyroben z velmi pevných materiálů.

Samostatná výroba zařízení

Přehled variant zařízení čerpadla Frenetta umožňuje pochopit, že principy jeho práce mohou být s větší či menší účinností použity v konstrukcích různých typů a druhů. Hlavní myšlenka zůstává stejná: úzký prostor mezi kovovými prvky, vyplněný olejem, a rotace pomocí elektromotoru.

Na schématu je uvedena varianta tepelného čerpadla Frenetta, která se obvykle používá pro vlastní výrobu zařízení. Základ konstrukce – kovové disky oddělené maticemi (+)

V domácích podmínkách se nejčastěji vyrábí čerpadlo Frenetta, které se skládá z řady kovových desek oddělených úzkou mezerou.

K výrobě takového zařízení je třeba připravit potřebné materiály:

• dutý válec z kovu;
• sada stejných ocelových disků s otvorem uprostřed;
• sada matic o výšce 6 mm;
• ocelová tyč se závitem:
• elektromotor s prodlouženým hřídelem;
• ložisko;
• spojovací trubky.

Rozměry čerpadla mohou být větší nebo menší. Ale vzdálenost mezi disky musí být přesná – 6 mm. Jako oddělovače se používají standardní matice a ocelová tyč je středem konstrukce.

Jeho tloušťka by měla odpovídat průměru matice. Pokud není po ruce tyč se závitem, bude nutné závit jednoduše nařezat.

Kovové disky pro tepelné čerpadlo Frenetta by měly být o něco menší než průměr válcového tělesa, aby byl zajištěn volný otáčení a účinnější ohřev teplonosné látky.

Je zřejmé, že i otvor v discích musí být takový, aby je bylo možné volně nasadit na osovou tyč. Vnější průměr disků by měl být o několik milimetrů menší než těleso. Pokud nejsou po ruce hotové prvky, disky se vyříznou samostatně z plechu nebo se tato práce zadá soustružníkovi.

Ocelové disky pro tepelné čerpadlo Frenetta lze vyříznout v domácích podmínkách, pokud je k dispozici vhodné vybavení.

Válcové těleso lze vyrobit ze staré kovové nádoby vhodné konfigurace nebo svařit z kovu. Hodí se i odřezek široké kovové trubky.

Ke koncům válce se přivaří stěny. Těleso musí být utěsněné, aby olej neprotékal. V horním a dolním konci tělesa je třeba vytvořit další otvory: pro vstup a výstup topných trubek vedoucích k radiátoru.

Samozřejmě, všechna místa spojení trubek by měla být utěsněna. Pro závitové spoje se používají speciální těsnění: FUM pásku, len apod. Pokud je rozhodnuto použít polypropylenové trubky, budou potřeba speciální fitinky a případně páječka pro montáž takových trubek.

Pro provoz čerpadla Frenetta není potřeba vysoce výkonný elektromotor. Postačí zařízení odebrané ze starého nebo rozbitého domácího spotřebiče, například z obyčejného ventilátoru.

Hlavním účelem elektromotoru je otáčet hřídel. Příliš rychlé otáčení může vést k nesprávné funkci zařízení. Čím rychleji se konstrukce otáčí, tím více se zahřívá teplonosné médium.

Malý motor pro otáčení hřídele tepelného čerpadla Frenette lze sejmout z poškozeného domácího spotřebiče nebo zakoupit v obchodě.

Aby se tyč otáčela volně, je zapotřebí vhodného ložiska standardních rozměrů. Jakmile jsou všechny prvky připraveny, lze začít s montáží zařízení. Nejprve se na spodní část uvnitř tělesa instaluje centrální osa s ložiskem. Poté se na osu našroubuje dělicí matice, poté se nasadí disk, opět – matice, opět – disk atd.

Disky s maticemi se střídají, dokud není těleso zcela naplněno. Již ve fázi přípravy lze provést předběžné výpočty počtu potřebných disků a matic.

K tloušťce matice (6 mm) je třeba přičíst tloušťku disku. Výšku tělesa vydělte tímto číslem. Získané číslo poskytne informaci o potřebném počtu párů „matice+disk“. Jako poslední se instaluje matice.

Poté, co je těleso naplněno těmito pohyblivými prvky, je naplněno tekutým olejem. Typ oleje není důležitý, lze použít minerální, bavlníkový, řepkový nebo jakýkoli jiný olej, který dobře snáší zahřívání a netuhne. Poté je konstrukce zakryta horním víkem a opatrně svařena.

V tomto okamžiku jsou trubky radiátoru obvykle již připojeny k víkům. Pro pohodlí při další montáži a údržbě zařízení lze na trubky nainstalovat dva uzavírací ventily. Nyní je třeba k hřídeli motoru připojit osu tepelného čerpadla.

Systém se připojí k síti, zkontrolují se úniky a posoudí se provozní charakteristiky zařízení.

Ručně vyrobené tepelné čerpadlo Frenette lze připojit k běžnému litinovému nebo bimetalickému radiátoru, který zajistí potřebný topný účinek.

Pokud je vše provedeno správně, začne se osa s disky otáčet a zahřívat olej uvnitř zařízení. Horké teplonosné médium se začne pohybovat horním otvorem potrubím do topného radiátoru. Ochlazený olej se bude vracet do tělesa tepelného čerpadla spodním potrubím k opětovnému ohřevu.

Pro automatizaci provozu systému lze použít speciální relé s teplotním čidlem, které snímá zahřívání tělesa tepelného čerpadla a podle potřeby motor vypíná nebo zapíná. Tím se zabrání přehřátí systému, poškození elektromotoru a celkově se prodlouží životnost zařízení.

Závěry a užitečné video k tématu

Zajímavá varianta Frenettova čerpadla je představena v tomto videu:

Bohužel, Frenettovo čerpadlo nezískalo široké uznání v oblasti vytápění. Takové průmyslově vyráběné zařízení pro domácí potřeby je obtížné najít v obchodech s domácí technikou. Mnoho lidových kutilů však úspěšně využilo poznatky tohoto vědce a aplikovalo je ve svých obydlích, lázních, garážích atp.

Možná jste právě vy ten kutil, kterému se podařilo zrealizovat Frenettův nápad? Prosím, podělte se o své zkušenosti – zanechte komentáře k článku a přidejte fotky svých výrobků. Kontaktní formulář je umístěn níže.