Toplotna črpalka Frenetta: naprava in princip delovanja + ali jo lahko naredite sami?

Ljubitelji ustvarjanja bodo vedno našli uporabo za svoje moči, potrpežljivost in odpadne materiale. Iz skoraj brezplačnih sestavnih delov bodo brez težav izdelali izjemno uporaben pripomoček za dom.

Na primer, lahko izdelajo učinkovito toplotno črpalko Frenetta z lastnimi rokami, ne da bi za to kaj porabili. Zato bodo obogatili svoje znanje in veščine, kar je neprecenljivo, kajne?

Predstavljene informacije vam bodo pomagale razumeti načelo delovanja agregata. Z našo pomočjo se boste lahko odločili za konstrukcijo in izvedeli, kako se izdeluje model. Jasna navodila za izdelavo te vrste toplotne črpalke bodo učinkovito pomagala samostojnim domačim mojstrom.

Navajamo praktična priporočila za izdelavo učinkovitega domačega izdelka in nasvete za uporabo takšne opreme.

Načelo delovanja naprave

Tistim, ki so se srečali z vprašanji ekonomsko ugodnega ogrevanja, je ime “toplotna črpalka” dobro znano. Še posebej v kombinaciji z izrazi, kot so “zemlja-voda”, “voda-voda” ali “zrak-voda” in podobno.

Takšna toplotna črpalka z napravo Frenetta nima praktično nič skupnega. Razen imena in končnega rezultata v obliki toplotne energije, ki jo na koncu uporabijo za ogrevanje.

Toplotne črpalke, ki delujejo na Carnotovem principu, so zelo priljubljene tako kot ekonomsko ugoden način organizacije ogrevanja kot tudi kot okoljsko varen sistem.

Delovanje takšnega sklopa naprav je povezano z akumulacijo nizko potencialne energije, ki je vsebovana v naravnih virih (zemlja, voda, zrak), in njeno pretvorbo v toplotno energijo z visokim potencialom.

Izum Jevgenija Frenetta je zasnovan in deluje popolnoma drugače.

Delovanje te naprave temelji na uporabi toplotne energije, ki se sprošča pri trenju. Osnova konstrukcije so kovinske površine, ki niso nameščene tesno druga ob drugi, ampak na določeni razdalji. Prostor med njimi je napolnjen s tekočino.

Deli naprave se vrtijo drug glede na drugega s pomočjo elektromotorja. Tekočina, ki je v ohišju in je v stiku z vrtečimi se deli, se segreva.

Pridobljeno toploto lahko uporabite za ogrevanje prenosnika toplote. Nekateri viri priporočajo uporabo te tekočine neposredno v ogrevalnem sistemu. Najpogosteje je na doma narejeno črpalko Frenetta priključen običajni radiator.

Kot prenosnik toplote ogrevalnega sistema strokovnjaki močno priporočajo uporabo olja namesto vode.

Med delovanjem črpalke se ta tekočina lahko zelo segreje. Voda v takih razmerah lahko preprosto zavre. Vroča para v zaprtem prostoru ustvarja previsok tlak, kar običajno povzroči razpok cevi ali ohišja. Uporaba olja v takšni situaciji je veliko varnejša, saj je njegovo vrelišče znatno višje.

Za izdelavo toplotne črpalke Frenetta boste potrebovali motor, radiator, več cevi, jekleno diskovno zapiralo, jeklene diske, kovinsko ali plastično palico, kovinski valj in komplet ključev (+)

Obstaja mnenje, da izkoristek takega toplotnega generatorja presega 100 % in lahko celo doseže 1000 %. S stališča fizike in matematike to ni povsem pravilna trditev.

Izkoristek odraža izgube energije, ki niso porabljene za ogrevanje, ampak za samo delo naprave. Prej fenomenalne trditve o neverjetno visokem izkoristku črpalke Frenetta odražajo njeno učinkovitost, ki je resnično impresivna. Stroški električne energije za delovanje naprave so zanemarljivi, količina pridobljene toplote pa je zelo opazna.

Ogrevanje prenosnika toplote na enake temperature z uporabo grelnega telesa (na primer za ogrevanje) bi zahtevalo bistveno več električne energije, morda desetkrat več. Gospodinjski grelec pri taki porabi elektrike sploh ne bi segrel.

Zakaj pa vsi stanovanjski in industrijski prostori niso opremljeni s takšnimi napravami? Razlogi so lahko različni.

Prvič, voda je preprostejši in udobnejši prenosnik toplote kot olje. Ne segreva se do tako visokih temperatur, odpravljanje posledic puščanja vode pa je lažje kot čiščenje razlitega olja.

Drugič, v času izuma črpalke Frenetta je centralni ogrevalni sistem že obstajal in uspešno deloval. Njegova demontaža in zamenjava s toplotnimi generatorji bi bila predraga in bi povzročila veliko neprijetnosti, zato te možnosti nihče ni resno obravnaval. Kot pravijo, boljše je sovražnik dobrega.

Priporočila za uporabo naprave

Omeniti velja, da vendarle obstajajo različice črpalke Evgenija Frenetta, ki kot toplotni nosilec uporabljajo vodo. Vendar so to običajno veliki industrijski modeli, ki se uporabljajo v specializiranih podjetjih.

Delovanje takšnih naprav je strogo nadzorovano s pomočjo posebnih instrumentov. Zagotoviti podobno raven varnosti v domačih razmerah je skoraj nemogoče.

Splošna shema industrijskega toplotnega generatorja, ki so ga razvili habarovski znanstveniki: 1 – rezervoar; 2 – vstopni priključek; 3 – izstopni priključek; 4 – grelnik vode; 5 – ležajna gred. Kot toplotni nosilec se uporablja voda.

Najbolj priljubljena različica Frenettove črpalke, ki kot toplotni nosilec uporablja vodo in ne olje, je naprava, ki so jo razvili znanstveniki iz Habarovska: Nazyrova Natalija Ivanovna, Leonov Mihail Pavlovič in Syarg Aleksander Vasiljevič. V tej gobasti konstrukciji vodo namerno zavrejo in spremenijo v paro.

Nato se uporabi reaktivna sila pare, da se hitrost gibanja tekočega toplotnega nosilca po kanalih črpalke poveča na 135 m/min. Posledično je poraba energije za premikanje toplotnega nosilca minimalna, izkoristek v obliki toplotne energije pa zelo visok.

Vendar mora biti tak agregat izjemno trden, njegovo delovanje pa je treba nenehno nadzorovati, da bi se izognili nesreči.

Kaj pa storiti, če naj bi s Frenettovo črpalko organizirali ogrevanje velikega prostora ali celotne hiše? Voda – tradicionalni toplotni nosilec, večina ogrevalnih sistemov je zasnovanih prav zanjo. In polnjenje celotnega ogrevalnega sistema s primernim tekočim oljem je lahko drago opravilo.

To vprašanje se reši zelo preprosto. Potrebno je dodatno zgraditi običajen toplotni izmenjevalec, v katerem bo segreto olje ogrevalo vodo, ki kroži po ogrevalnem sistemu. Pri tem se bo izgubilo nekaj toplote, vendar bo skupni učinek ostal precej opazen.

Frenettovo toplotno črpalko je mogoče uspešno uporabljati v kombinaciji s sistemi vodnega talnega gretja. Vendar je treba v cevi namesto vode naliti tekoče olje.

Zanimiva ideja je lahko uporaba Frenettove črpalke v kombinaciji s sistemom talnega gretja. Toplotni nosilec se pri tem spušča po ozkih plastičnih ceveh, položenih v betonski estrih.

Tak ogrevalni sistem deluje enako kot običajno vodno talno gretje. Seveda je projekt te vrste mogoče izvesti le v zasebni hiši, saj je v večnadstropnih stanovanjskih stavbah dovoljena uporaba izključno električnega talnega gretja.

Praktičen in priročen način uporabe takšne naprave – ogrevanje majhnega prostora: garaže, lope, delavnice ipd. Frenettova črpalka omogoča učinkovito in hitro reševanje problema avtonomnega ogrevanja v takšnih prostorih.

Stroški električne energije za njegovo delovanje so majhni v primerjavi s toplotnim učinkom, ki ga pri tem pridobimo, sestaviti takšen agregat pa ni težko iz najpreprostejših materialov.

Različice konstrukcije črpalke Frenetta

Evgenij Frenett ni le izumil naprave, poimenovane po njem, ampak jo je tudi večkrat izboljšal, pri čemer je izumljal vedno nove, učinkovitejše različice naprave.

V prvi črpalki, ki jo je izumitelj patentiral leta 1977, sta bila uporabljena samo dva cilindra:

• zunanji – votel cilinder večjega premera in je v statičnem stanju
• notranji – premer posode je nekoliko manjši od mer votline zunanjega cilindra.

V nastalo ozko režo med stenama dveh cilindrov je izumitelj vlil tekoče olje. Seveda je bil tisti del konstrukcije, v katerem se je nahajalo to tekoče hladilno sredstvo, skrbno zatesnjen, da ne bi prišlo do puščanja olja.

To je shema prve različice Frenettove toplotne črpalke. Vrtljiva gred je nameščena vodoravno, hladilno sredstvo je nameščeno v ozko režo med dvema delovnima cilindroma (+)

Notranji cilinder povežejo z gredjo elektromotorja tako, da se omogoči njegovo hitro vrtenje glede na nepremični veliki cilinder. Na nasprotnem čelnem delu konstrukcije je bil nameščen ventilator z rotorjem.

Med delovanjem se je olje segrevalo in prenašalo toploto zraku, ki je obdajal napravo. Ventilator je omogočal hitro razširjanje toplega zraka po celotnem prostoru.

Ker se je ta konstrukcija precej močno segrevala, je bila zaradi udobne in varne uporabe skrita v zaščitno ohišje. Seveda so bile v ohišju narejene odprtine za kroženje zraka.

Koristen dodatek k konstrukciji je bil termostat, s pomočjo katerega je bilo mogoče delovanje Frenettove črpalke do neke mere avtomatizirati.

Centralna os je v takšnem modelu toplotne črpalke nameščena navpično. Motor je spodaj, nato so nameščeni cilindri, vloženi drug v drugega, zgoraj pa je ventilator. Kasneje se je pojavil model z vodoravno lego centralne osi.

Model Frenettove toplotne črpalke z vodoravno usmerjeno vrtljivo gredjo je bil uporabljen skupaj z radiatorjem za ogrevanje, v katerem je krožilo segreto olje (+)

Prav takšna naprava je bila prvič uporabljena v kombinaciji ne z ventilatorjem, temveč z radiatorjem ogrevanja. Motor je nameščen ob strani, gred rotorja pa poteka skozi vrteči se boben in izhaja ven.

V napravi te vrste ventilator ni prisoten. Toplotni nosilec iz črpalke po ceveh potuje v radiator. Na podoben način lahko segreto olje odvedete tudi na drugi toplotni izmenjevalec ali pa naravnost v cevi za ogrevanje.

Kasneje je bila zasnova toplotne črpalke Frenetta bistveno spremenjena. Gred rotorja je še vedno ostala v vodoravnem položaju, notranji del pa je bil sestavljen iz dveh vrtečih se bobnov in med njima nameščene lopatice. Kot toplotni nosilec se tu ponovno uporablja tekoče olje.

V tej različici toplotne črpalke Frenetta se dva cilindra vrtita drug ob drugem, ločena sta z lopatico posebne zasnove iz zelo trpežne kovine (+)

Pri vrtenju te konstrukcije se olje dodatno segreva, saj prehaja skozi posebne odprtine, narejene v lopatici, nato pa prodira v ozko votlino med stenami ohišja črpalke in njenim rotorjem. Tako je bila učinkovitost črpalke Frenetta bistveno povečana.

Ob robovih lopatice za toplotno črpalko Frenetta so narejene majhne odprtine. Toplotni nosilec se hitro in učinkovito segreva, ko prehaja skozi njih (+)

Vendar je treba poudariti, da ta vrsta črpalke ni preveč primerna za izdelavo v domačih pogojih. Najprej bo treba najti zanesljive načrte ali pa konstrukcijo izračunati samostojno, kar pa je kos le izkušenemu inženirju.

Nato bo treba najti posebno lopatico z odprtinami ustrezne velikosti. Ta element toplotne črpalke deluje pri povečanih obremenitvah, zato mora biti izdelan iz zelo trpežnih materialov.

Samostojna izdelava naprave

Pregled različic zasnove črpalke Frenetta nam omogoča razumeti, da lahko načela njenega delovanja z različno stopnjo učinkovitosti uporabimo v konstrukcijah različnih tipov in oblik. Glavna zamisel ostaja enaka: ozek prostor med kovinskimi elementi, napolnjen z oljem, in vrtenje s pomočjo elektromotorja.

Na shemi je prikazana različica toplotne črpalke Frenetta, ki se običajno uporablja za samostojno izdelavo naprave. Osnova konstrukcije – kovinske plošče, ločene z maticami (+)

V domačih pogojih se najpogosteje izdeluje črpalka Frenetta, sestavljena iz vrste kovinskih plošč, ločenih z ozko špranjo.

Za izdelavo takšne naprave je treba pripraviti potrebne materiale:

• votel kovinski valj;
• komplet enakih jeklenih diskov z odprtino na sredini;
• komplet matic višine 6 mm;
• jeklena palica z navojem:
• elektromotor s podaljšano gredjo;
• ležaj;
• povezovalne cevi.

Mere črpalke so lahko večje ali manjše. Vendar je treba razdaljo med diski natančno vzdrževati – 6 mm. Kot ločilci se uporabljajo standardne matice, jeklena palica pa je središče konstrukcije.

Njegova debelina mora ustrezati premeru matice. Če palice z navojem ni pri roki, jo bo treba preprosto narezati navoje.

Kovinski diski za toplotno črpalko Frenetta morajo biti nekoliko manjši od premera cilindričnega ohišja, da omogočijo prosto vrtenje in učinkovitejše segrevanje grelnega medija.

Očitno je, da mora biti tudi odprtina v diskih takšna, da jih je mogoče prosto namestiti na osno palico. Zunanji premer diskov mora biti za nekaj milimetrov manjši od ohišja. Če gotovih elementov ni pri roki, diske izrežete sami iz pločevine ali to delo zaupate strugarju.

Jeklene diske za toplotno črpalko Frenetta lahko izrežete doma, če imate na voljo ustrezno opremo.

Cilindrično ohišje lahko naredite iz stare kovinske posode ustrezne konfiguracije ali pa ga zavarite iz kovine. Primeren je tudi odrezek široke kovinske cevi.

Na čela cilindra privarite stene. Ohišje mora biti tesnjeno, da olje ne izteka. Na zgornjem in spodnjem čelu ohišja je treba narediti dodatne odprtine: za vhod in izhod ogrevalnih cevi, ki vodijo do radiatorja.

Seveda je treba vsa mesta povezav cevi zatesniti. Za navojne spoje se uporabljajo posebna tesnila: FUM trak, lan in podobno. Če se odločite za uporabo polipropilenskih cevi, boste potrebovali posebne fittinge in morda spajkalnik za montažo takšnih cevi.

Za delovanje črpalke Frenetta ni potreben visokozmogljiv elektromotor. Primerna je naprava, vzeta iz stare ali pokvarjene gospodinjske opreme, na primer iz običajnega ventilatorja.

Glavni namen elektromotorja je obračati gred. Prehitro vrtenje lahko povzroči nepravilno delovanje naprave. Hitreje kot se konstrukcija vrti, bolj se segreva grelni medij.

Majhen motor za obračanje gredi toplotne črpalke Frenetta lahko vzamete s pokvarjene gospodinjske opreme ali kupite v trgovini.

Da se palica prosto vrti, je potreben ustrezen ležaj standardnih dimenzij. Ko so vsi elementi pripravljeni, lahko začnete s sestavljanjem naprave. Najprej na spodnji del znotraj ohišja namestite osrednjo os z ležajem. Nato na os privijte ločilno matico, nato nataknite disk, spet – matico, spet – disk in tako naprej.

Diski in matice se izmenjujejo, dokler ohišje ni napolnjeno do vrha. Še v fazi priprave lahko naredite predhodne izračune glede potrebnega števila diskov in matic.

Treba je debelini matice (6 mm) prišteti debelino diska. Višino ohišja delite s to številko. Dobljeno število bo dalo podatke o potrebnem številu parov "matica+disk". Nazadnje namestite matico.

Ko je ohišje napolnjeno s temi premičnimi elementi, ga napolnite s tekočim oljem. Vrsta olja ni pomembna, lahko vzamete mineralno, bombažno, repično ali katero koli drugo olje, ki dobro prenaša segrevanje in se ne strdi. Nato konstrukcijo pokrijete z zgornjim pokrovom in ga previdno zavarite.

Do tega trenutka so cevi radiatorja običajno že pritrjene na pokrove. Za udobje med nadaljnjo montažo in vzdrževanjem naprave lahko na cevi namestite dva zaporna ventila. Zdaj je treba na gred motorja priključiti os toplotne črpalke.

Sistem priključite na električno omrežje, preverite morebitna puščanja in ocenite značilnosti delovanja naprave.

Ročno izdelano toplotno črpalko Frenetta lahko priključite na običajen litoželezni ali bimetalni radiator, ki bo zagotovil potreben ogrevalni učinek.

Če je vse narejeno pravilno, se bo os z diski začela vrteti in segrevati olje v napravi. Vroč toplotni medij se bo začel premikati skozi zgornjo odprtino po cevi v ogrevalni radiator. Ohlajeno olje se bo po spodnji cevi vračalo v ohišje toplotne črpalke za ponovno segrevanje.

Za avtomatizacijo delovanja sistema lahko uporabite poseben rele s termičnim senzorjem, ki beleži segrevanje ohišja toplotne črpalke in po potrebi izklaplja ali vklaplja motor. To bo preprečilo pregrevanje sistema, okvaro elektromotorja in na splošno podaljšalo življenjsko dobo naprave.

Zaključki in koristen video na to temo

Zanimiva različica črpalke Frenetta je predstavljena v tem video posnetku:

Žal črpalka Frenetta ni dosegla širokega priznanja na področju ogrevanja. Tako industrijsko izdelano napravo za gospodinjske potrebe je težko najti v trgovinah s tehnično opremo za dom. Vendar je veliko domačih mojstrov uspešno uporabilo dosežke tega znanstvenika in jih uporabilo v svojih stanovanjih, kopalnicah, garažah in podobno.

Morda ste prav vi tisti domači mojster, ki mu je uspelo uresničiti Frenettovo idejo? Prosimo, delite svoje izkušnje – pustite komentarje k članku in dodajte fotografije svojih izdelkov. Obrazec za stik se nahaja spodaj.