Toplinska pumpa Frenetta: uređaj i princip rada + može li se samostalno sastaviti?

Ljubitelji majstorisanja uvijek će pronaći primjenu vlastitim snagama, strpljenju i otpadnim materijalima. Od gotovo besplatnih komponenti lako će izraditi iznimno korisnu stvar za kućanstvo.

Na primjer, moći će izraditi učinkovitu Frenetteovu toplinsku crpku vlastitim rukama, ništa ne potrošivši. Zato će obogatiti svoje znanje i vještine, a to je neprocjenjivo, zar ne?

Prikazane informacije pomoći će Vam razumjeti princip rada uređaja. Uz našu pomoć moći ćete odrediti konstrukciju i saznati kako se model izrađuje. Jasne upute za proizvodnju ove vrste toplinske crpke pružit će učinkovitu pomoć samostalnim kućnim majstorima.

Mi dajemo praktične preporuke za izradu produktivne samogradnje i savjete za rad takve opreme.

Princip rada uređaja

Onima koji su se susreli s pitanjima ekonomski isplativog grijanja, naziv 'toplinska crpka' je dobro poznat. Posebno u kombinaciji s terminima tipa 'zemlja-voda', 'voda-voda' ili 'zrak-voda' i sl.

Takva toplinska crpka s Frenetteovim uređajem nema praktički ništa zajedničko. Osim naziva i konačnog rezultata u obliku toplinske energije koja se na kraju koristi za grijanje.

Toplinske crpke koje rade na Carnotovom principu vrlo su popularne, kako kao ekonomski isplativ način organizacije grijanja, tako i kao ekološki siguran sustav.

Rad takvog sklopa uređaja povezan je s akumulacijom niskopotencijalne energije sadržane u prirodnim resursima (tlo, voda, zrak) i pretvaranjem iste u toplinsku energiju visokog potencijala.

Izum Eugena Frenettea uređen je i radi potpuno drugačije.

Princip rada ovog uređaja temelji se na korištenju toplinske energije koja se oslobađa trenjem. U osnovi konstrukcije su metalne površine smještene ne jedna uz drugu, već na određenoj udaljenosti. Prostor između njih ispunjen je tekućinom.

Dijelovi uređaja rotiraju jedan u odnosu na drugi pomoću elektromotora, a tekućina koja se nalazi unutar kućišta i dolazi u dodir s rotirajućim elementima zagrijava se.

Dobivenu toplinu moguće je iskoristiti za zagrijavanje toplinskog medija. Neki izvori preporučuju korištenje ove tekućine izravno za sustav grijanja. Najčešće se na domaću Frenettinu pumpu priključuje obični radijator.

U svojstvu toplinskog medija sustava grijanja stručnjaci izričito preporučuju korištenje ulja, a ne vode.

Tijekom rada pumpe ova tekućina ima svojstvo da se jako zagrijava. Voda u takvim uvjetima može jednostavno prokuhati. Vruća para u zatvorenom prostoru stvara prekomjerni tlak, što obično dovodi do pucanja cijevi ili kućišta. Korištenje ulja u takvoj situaciji mnogo je sigurnije jer je njegovo vrelište znatno više.

Za izradu Frenettine toplinske pumpe bit će potrebni: motor, radijator, nekoliko cijevi, čelični disk zatvarač, čelični diskovi, metalna ili plastična šipka, metalni cilindar i set ključeva (+).

Postoji mišljenje da učinkovitost takvog toplinskog generatora premašuje 100%, a može čak iznositi i 1000%. Sa stajališta fizike i matematike to nije sasvim točna tvrdnja.

Učinkovitost odražava gubitke energije koji nisu utrošeni na grijanje, već na sam rad uređaja. Prije bi se moglo reći da fenomenalne tvrdnje o nevjerojatno visokoj učinkovitosti Frenettine pumpe odražavaju njegovu djelotvornost, koja je doista impresivna. Potrošnja električne energije za rad uređaja zanemariva je, dok je količina dobivene topline vrlo osjetna.

Zagrijavanje toplinskog medija na iste temperature pomoću grijaćeg elementa za grijanje, na primjer, zahtijevalo bi znatno veću količinu električne energije, možda desetke puta više. Kućanski grijač pri takvoj potrošnji električne energije ne bi se ni zagrijao.

Zašto onda takvim uređajima nisu opremljene sve stambene i industrijske prostorije? Razlozi mogu biti različiti.

Prvo, voda je jednostavniji i praktičniji toplinski medij od ulja. Ne zagrijava se do tako visokih temperatura, a uklanjanje posljedica curenja vode jednostavnije je nego čišćenje prolivenog ulja.

Drugo, u trenutku izuma Frenettine pumpe centralizirani sustav grijanja već je postojao i uspješno je funkcionirao. Njegova demontaža radi zamjene toplinskim generatorima bila bi preskupa i donijela bi mnogo neugodnosti, stoga tu mogućnost nitko nije ni ozbiljno razmatrao. Kako se kaže, bolje je neprijatelj dobrog.

Preporuke za korištenje uređaja

Valja napomenuti da inačice pumpe Evgenije Frenetta koje koriste vodu kao toplinski nositelj ipak postoje. No obično su to veliki industrijski modeli koji se koriste u specijaliziranim poduzećima.

Rad takvih uređaja strogo se kontrolira pomoću posebnih instrumenata. Osigurati takvu razinu sigurnosti u kućnim uvjetima gotovo je nemoguće.

Opća shema industrijskog toplinskog generatora kojeg su razvili habarovski znanstvenici: 1 – spremnik; 2 – ulazna cijev; 3 – izlazna cijev; 4 – bojler; 5 – ležajno vratilo. Kao toplinski nositelj koristi se voda.

Najpopularnija inačica pumpe Frenetta u kojoj se kao toplinski nositelj koristi voda, a ne ulje, jest uređaj koji su razvili znanstvenici iz Habarovska: Nazyrova Natalija Ivanovna, Leonov Mihail Pavlovič i Sjarh Aleksandar Vasiljevič. U ovoj gljivolikoj konstrukciji voda se namjerno dovodi do vrenja i pretvara u paru.

Zatim se koristi reaktivna snaga pare kako bi se povećala brzina kretanja tekućeg toplinskog nositelja kroz kanale pumpe na 135 m/min. Kao rezultat, potrošnja energije za kretanje toplinskog nositelja je minimalna, a učinak u obliku toplinske energije vrlo je visok.

Međutim, takav agregat mora biti iznimno čvrst, a njegov rad treba stalno nadzirati kako bi se izbjegla nesreća.

Što učiniti ako se pomoću pumpe Frenetta planira organizirati grijanje velike prostorije ili cijele kuće? Voda je tradicionalni toplinski nositelj, većina sustava grijanja projektirana je upravo za nju. Osim toga, punjenje cijelog sustava grijanja odgovarajućim tekućim uljem može se pokazati skupim poslom.

Ovo se pitanje rješava vrlo jednostavno. Potrebno je dodatno izgraditi običan izmjenjivač topline u kojem će zagrijano ulje grijati vodu koja cirkulira kroz sustav grijanja. Neka količina topline pritom će se izgubiti, ali ukupni učinak ostat će dovoljno osjetan.

Toplinska pumpa Frenetta može se uspješno koristiti u kombinaciji sa sustavima vodenog toplog poda. No umjesto vode u cijevi treba uliti tekuće ulje.

Zanimljiva ideja može biti korištenje pumpe Frenetta u kombinaciji sa sustavom toplog poda. Toplinski nositelj pritom se pušta kroz uske plastične cijevi položene u betonsku estrihu.

Takav sustav grijanja funkcionira isto kao i obični vodeni topli pod. Naravno, projekt ove vrste može se realizirati samo u privatnoj kući, jer se u visokim višestambenim zgradama dopušta korištenje isključivo električnog toplog poda.

Praktičan i udoban način primjene ovog uređaja – grijanje male prostorije: garaže, šupe, radionice i sl. Frenettova pumpa omogućuje učinkovito i brzo rješavanje problema autonomnog grijanja na takvim mjestima.

Troškovi električne energije za njegov rad su mali u usporedbi s dobivenim toplinskim učinkom, a izgraditi takav agregat nije teško od najjednostavnijih materijala.

Varijante konstrukcije Frenetteove crpke

Evgenij Frenett nije samo izumio uređaj nazvan po njemu, već ga je i više puta usavršavao, smišljajući sve nove, učinkovitije inačice uređaja.

U prvoj pumpi, koju je izumitelj patentirao 1977. godine, korištena su samo dva cilindra:

• vanjski – šuplji cilindar većeg promjera i nalazi se u statičkom stanju
• unutarnji – promjer posude nešto je manji od dimenzija šupljine vanjskog cilindra.

U uski prostor koji je nastao između stijenki dvaju cilindara, izumitelj je ulio tekuće ulje. Naravno, dio konstrukcije u kojem se nalazio taj tekući toplinski medij bio je pažljivo zatvoren kako bi se spriječilo curenje ulja.

Ovo je shema prve inačice Frenettove toplinske pumpe. Rotirajuća osovina smještena je vodoravno, a toplinski medij smješten je u uski prostor između dva radna cilindra (+)

Unutarnji cilindar povezuje se s osovinom elektromotora na način da se osigura njegova brza rotacija u odnosu na nepomični veliki cilindar. Na suprotnom kraju konstrukcije smješten je ventilator s lopaticama.

Tijekom rada ulje se zagrijavalo i prenosilo toplinu zraku koji okružuje uređaj. Ventilator je omogućio brzo širenje toplog zraka po cijelom volumenu prostorije.

Budući da se ova konstrukcija prilično jako zagrijavala, radi praktičnog i sigurnog korištenja bila je skrivena u zaštitno kućište. Naravno, na kućištu su napravljeni otvori za cirkulaciju zraka.

Korisni dodatak konstrukciji bio je termostat, pomoću kojeg se rad Frenettove pumpe mogao donekle automatizirati.

Središnja osovina u takvom modelu toplinske pumpe smještena je okomito. Motor se nalazi na dnu, zatim su postavljeni cilindri umetnuti jedan u drugi, a na vrhu se nalazi ventilator. Kasnije se pojavio model s vodoravnim položajem središnje osovine.

Model Frenettove toplinske pumpe s vodoravno orijentiranom rotirajućom osovinom korišten je zajedno s radijatorom grijanja, unutar kojeg je cirkuliralo zagrijano ulje (+)

Upravo takav uređaj prvi je put korišten u kombinaciji ne s ventilatorom, već s radijatorom grijanja. Motor je postavljen sa strane, a osovina rotora prolazi kroz rotirajući bubanj i izlazi van.

U uređaju ovog tipa ventilator ne postoji. Toplinska tekućina iz pumpe kroz cijevi premješta se u radijator. Na sličan način zagrijano ulje može se izvesti i na drugi izmjenjivač topline ili izravno u cijevi grijanja.

Kasnije je konstrukcija toplinske pumpe Frenette bitno izmijenjena. Osovina rotora i dalje je ostala u vodoravnom položaju, a unutarnji dio je napravljen od dva rotirajuća bubnja i smještenog između njih impelera. Kao toplinska tekućina ovdje se opet koristi tekuće ulje.

U ovoj varijanti toplinske pumpe Frenette dva cilindra rotiraju jedan do drugog, razdvojena su impelerom posebne konstrukcije od vrlo čvrstog metala (+)

Pri rotaciji ove konstrukcije ulje se dodatno zagrijava jer prolazi kroz posebne otvore napravljene u impeleru, a zatim prodire u usku šupljinu između stijenki kućišta pumpe i njenog rotora. Na taj način, učinkovitost pumpe Frenette je bitno povećana.

Na rubovima impelera za toplinsku pumpu Frenette napravljeni su mali otvori. Toplinska tekućina brzo i učinkovito se zagrijava prolazeći kroz njih (+)

Međutim, valja napomenuti da ovaj tip pumpe nije previše prikladan za izradu u kućnim uvjetima. Za početak će biti potrebno pronaći pouzdane nacrte ili samostalno izračunati konstrukciju, a to je u stanju samo iskusni inženjer.

Zatim će biti potrebno pronaći poseban impeler s otvorima odgovarajuće veličine. Ovaj element toplinske pumpe radi pod povećanim opterećenjima, stoga mora biti izrađen od vrlo čvrstih materijala.

Samostalna izrada uređaja

Pregled varijanti uređaja pumpe Frenette omogućuje razumijevanje da se principi njezinog rada s većom ili manjom učinkovitošću mogu koristiti u konstrukcijama različitih tipova i vrsta. Osnovna ideja ostaje ista: uski prostor između metalnih elemenata, ispunjen uljem, i rotacija pomoću elektromotora.

Na shemi je prikazana varijanta toplinske pumpe Frenette koja se obično koristi za samostalnu izradu uređaja. Osnova konstrukcije – metalni diskovi razdvojeni maticama (+)

U kućnim uvjetima najčešće se izrađuje pumpa Frenette koja se sastoji od niza metalnih ploča razdvojenih uskim razmakom.

Za izradu takvog uređaja potrebno je pripremiti potrebne materijale:

• šuplji metalni cilindar;
• set identičnih čeličnih diskova s rupom u sredini;
• set matica visine 6 mm;
• čelična šipka s navojem:
• elektromotor s produženom osovinom;
• ležaj;
• spojne cijevi.

Dimenzije pumpe mogu biti veće ili manje. No razmak između diskova treba točno održati – 6 mm. Kao odstojnici koriste se standardne matice, a čelična šipka je središte konstrukcije.

Njegova debljina mora odgovarati promjeru matice. Ako šipka s navojem nije pri ruci, navoj će se jednostavno morati izrezati.

Metalni diskovi za Frenetteovu toplinsku pumpu trebaju biti nešto manji od promjera cilindričnog kućišta kako bi se osiguralo slobodno okretanje i učinkovitije zagrijavanje nositelja topline.

Očito je da i rupa u diskovima mora biti takva da se mogu slobodno staviti na osovinsku šipku. Vanjski promjer diskova treba biti nekoliko milimetara manji od promjera kućišta. Ako gotovih elemenata nema pri ruci, diskovi se samostalno izrezuju iz lima ili se taj posao povjerava tokaru.

Čelični diskovi za Frenetteovu toplinsku pumpu mogu se izrezati kod kuće ako je dostupna odgovarajuća oprema

Cilindrično kućište može se izraditi od stare metalne posude odgovarajuće konfiguracije ili zavariti od metala. Poslužit će i komad široke metalne cijevi.

Na krajeve cilindra zavaruju se stijenke. Kućište mora biti nepropusno kako ulje ne bi curilo. Na gornjem i donjem kraju kućišta treba napraviti dodatne rupe: za ulaz i izlaz cijevi za grijanje koje vode do radijatora.

Naravno, sva mjesta spajanja cijevi treba zabrtviti. Za navojne spojeve koriste se posebni brtvili: FUM traka, lan i sl. Ako je odlučeno koristiti polipropilenske cijevi, bit će potrebni posebni fitinzi i, možda, lemilica za montažu takvih cijevi.

Za rad Frenetteove pumpe nije potreban visokoučinkovit elektromotor. Poslužit će uređaj skinut sa starog ili pokvarenog kućanskog aparata, na primjer, s običnog ventilatora.

Glavna svrha elektromotora je okretanje osovine. Pretjerano brzo okretanje može dovesti do nepravilnog rada uređaja. Što se konstrukcija brže okreće, to se više zagrijava nositelj topline.

Mali motor za okretanje osovine Frenetteove toplinske pumpe može se skinuti s pokvarenog kućanskog aparata ili kupiti u trgovini

Da bi se osovina slobodno okretala, potreban je odgovarajući ležaj standardnih dimenzija. Kada su svi elementi pripremljeni, može se započeti montaža uređaja. Prvo se na donji dio unutar kućišta postavlja središnja osovina s ležajem. Zatim se na osovinu navrne razdjelna matica, zatim se stavlja disk, opet – matica, opet – disk itd.

Diskovi i matice se izmjenjuju sve dok kućište nije ispunjeno do vrha. Još u fazi pripreme mogu se napraviti preliminarni proračuni potrebnog broja diskova i matica.

Potrebno je debljini matice (6 mm) dodati debljinu diska. Visinu kućišta podijeliti s tim brojem. Dobiveni broj daje podatke o potrebnom broju parova “matica+disk”. Posljednja se postavlja matica.

Nakon što je kućište ispunjeno tim pokretnim elementima, puni se tekućim uljem. Vrsta ulja nije važna, može se uzeti mineralno, pamučno, repičino ili bilo koje drugo ulje koje dobro podnosi zagrijavanje i ne stvrdnjava se. Nakon toga se konstrukcija prekriva gornjim poklopcem i pažljivo zavaruje.

Do tog su trenutka cijevi radijatora obično već spojene na poklopce. Radi praktičnosti tijekom daljnje montaže i održavanja uređaja, na cijevi se mogu postaviti dva zaporna ventila. Sada je potrebno na osovinu motora spojiti osovinu toplinske pumpe.

Sustav se uključuje u mrežu, provjerava se curenje, procjenjuju se karakteristike rada uređaja.

Ručno izrađena toplinska pumpa Frenet može se spojiti na obični radijator od lijevanog željeza ili bimetalni radijator, koji će osigurati potreban učinak grijanja.

Ako je sve ispravno napravljeno, osovina s diskovima počet će se okretati, zagrijavajući ulje unutar uređaja. Vrući nosač topline počet će se kretati kroz gornji otvor cijevi u radijator grijanja. Ohlađeno ulje vraćat će se u kućište toplinske pumpe kroz donju cijev radi ponovnog zagrijavanja.

Za automatizaciju rada sustava može se koristiti poseban relej s termo senzorom koji bilježi zagrijavanje kućišta toplinske pumpe i isključuje motor ili ga uključuje po potrebi. To će spriječiti pregrijavanje sustava, kvar elektromotora i općenito povećati radni vijek uređaja.

Zaključci i koristan video na temu

Zanimljiva verzija pumpe Frenet prikazana je u ovom video materijalu:

Nažalost, pumpa Frenet nije naišla na široko priznanje u području grijanja. Takav industrijski proizveden uređaj za kućne potrebe teško je pronaći u trgovinama kućne tehnike. No, mnogi su domaći majstori uspješno koristili radove ovog znanstvenika i primijenili ih u svojim domovima, kupatilima, garažama i sl.

Možda ste upravo vi onaj majstor kojem je uspjelo ostvariti ideju Freneta? Molimo vas, podijelite svoje iskustvo – ostavite komentare na članak i dodajte fotografije svojih proizvoda. Obrazac za kontakt nalazi se u nastavku.