ТЕПЛОНАСОСНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1995 года по МПК F25B11/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к сфере отопления, вентиляции и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий, промышленных объектов с использованием парокомпрессионных тепловых насосов.

Изобретение направлено на решение проблемы обеспечения потребителей двумя потоками теплоносителей с различными температурами.

Известен двухконтурный тепловой насос, предназначенный для нагрева двух потоков теплоносителей, один из которых предназначен для отопления, а другой для получения теплой воды в технологических и бытовых целях.

Указанный тепловой насос имеет следующие недостатки:
при нагревании теплоносителей в широком диапазоне температур, например, для горячего водоснабжения от 10 до 50^оС и для отопления от 40 до 95^оС в конденсаторах теплового насоса имеются значительные эксергетические потери, что увеличивает расход энергии на привод компрессоров;
используются два компрессора, что удорожает тепловой насос;
в качестве рабочего тела применяется озоноопасный фреон.

Целью изобретения является снижение эксергетических потерь в процессе передачи теплоты от рабочего тела к теплоносителю и на этой основе повышение энергетической эффективности теплового насоса; повышение экологической безопасности теплового насоса путем применения в качестве рабочего тела неозоноопасного вещества.

Указанная цель достигается тем, что в теплонасосной установке применено озонобезопасное рабочее тело, например диоксид углерода, рабочее тело после сжатия в компрессоре находится в сверхкритическом состоянии и отдает теплоту при монотонно понижающейся температуре (без участка конденсации); каждый из нагревателей обоих контуров теплоносителей выполнен в виде двухступенчатых теплообменников, соединенных последовательно по ходу теплоносителей, причем линия нагнетания после компрессора подключена к теплообменнику второй ступени высокотемпературного контура, например, предназначенного для отопления, после которого она разделяется на две ветки так, что одна ветвь подключена к теплообменнику первой ступени того же контура, а другая к теплообменнику второй ступени низкотемпературного контура, например, предназначенного для горячего водоснабжения, причем на выходе из упомянутых теплообменников обе ветви линии нагнетания соединяются и подключены к теплообменнику первой ступени низкотемпературного контура, кроме того, между выходом (по рабочему телу) теплообменника второй ступени высокотемпературного контура и входом теплообменника второй ступени низкотемпературного контура установлена перемычка с дроссельным органом, а также перемычки установлены между выходом низкотемпературного и входом высокотемпературного теплоносителей, выходом высокотемпературного теплоносителя и входом потребителя низкотемпературного контура, что позволяет при отсутствии потребности в высокотемпературном теплоносителе, например, отключении сезонной нагрузки отопления подключить теплообменники высокотемпературного контура к низкотемпературному, увеличив тем самым поверхность теплообмена и снизив эксергетические потери при теплопередаче.

Этими факторами и определяется отличие от прототипа.

Предложенные схемы нагревателей при использовании диоксида углерода позволяют производить нагрев двух потоков теплоносителей наиболее оптимальным образом, при этом коэффициент преобразования теплонасосной установки превосходит коэффициент преобразования прототипа.

На фиг.1 изображена принципиальная схема предлагаемой теплонасосной установки; на фиг.2 изображена "Т-s" диаграмма цикла теплонасосной установки на диоксиде углерода; на фиг.3 изображен процесс отдачи теплоты рабочим телом в теплообменнике-нагревателе в координатах "Т-q".

Предлагаемая теплонасосная установка работает следующим образом.

Компрессор 1 сжимает пар рабочего тела до сверхкритического состояния. Далее рабочее тело охлаждается в теплообменнике-нагревателе (2-3-4-5), отдавая теплоту потокам теплоносителей, сначала в нагревателе второй ступени высокотемпературного контура 2, затем одновременно в нагревателе первой ступени того же контура 3 и нагревателе второй ступени низкотемпературного контура 4, включенных параллельно по рабочему телу, и затем в нагревателе первой ступени низкотемпературного контура 5. Затем рабочее тело охлаждается в регенеративном теплообменнике 6, расширяется в дроссельном устройстве 7, при этом его давление снижается до критического и поступает в испаритель 8, где отбирает теплоту от внешнего низкопотенциального источника теплоты (вода, воздух и пр.). Образовавшийся здесь пар рабочего тела после подогрева в регенеративном теплообменнике поступает в компрессор 1. Цикл замыкается. Проходящие последовательно через соответствующие ступени независимые потоки теплоносителей нагреваются и поступают к своим потребителям 9 и 10.

При отключении потребителя высокотемпературного контура, например, в летнее время, рабочее тело протекает последовательно через нагреватели 2, 3, перемычку 11, нагреватели 4 и 5, низкотемпературный теплоноситель в обратном порядке через нагреватели 5, 4, перемычку 12, нагреватели 3, 2, перемычку 13 к потребителю 10.

На фиг. 2 изображены следующие процессы и состояния рабочего тела: 1-2 изэнтропное сжатие диоксида углерода; точка 3 соответствует действительному состоянию рабочего тела на выходе из реального компрессора; 3-4 охлаждение рабочего тела в теплообменнике-нагревателе; 4-5 и 7-1 соответствуют регенеративному переносу теплоты внутри цикла, осуществляемого в регенеративном теплообменнике 6; точки 5 и 6 соответствуют состоянию диоксида углерода до и после расширения в дроссельном устройстве 7; 6-7 кипение в испарителе 8.

На фиг. 2 также условно нанесены изобары состояния теплоносителей низкотемпературного "а-b" и высокотемпературного "с-d" контуров теплоносителей, различный наклон которых отвечает разным значениям соответствующих расходов, температуры в точках а, b, с, d соответствуют начальной и конечной температурам низко- и высокотемпературного теплоносителей соответственно, а площади под линиями "а-b" и "c-d" отвечают величинам их теплот.

На фиг. 3 под q понимается количество теплоты на 1 кг (диоксида углерода), поступившего из компрессора. Для определенности приняты следующие параметры теплоносителей: входная и выходная температуры низкотемпературного контура 10 и 50^оС; то же для высокотемпературного контура 40 и 95^оС; давление на выходе компрессора 12 МПа. Состояние рабочего тела в точках 3 и 4 на фиг. 3 соответствуют одноименным точкам на фиг.2, изобары "а-b" и "с-d" на фиг.3 соответствующим изобарам на фиг.2. Изобары 3-8, 8-10¹, 8¹-10, и 10-4 на фиг. 3 отвечают охлаждению рабочего тела соответственно в нагревателях 2 и 1 ступеней высокотемпературного контура, 2 и 1 ступеней низкотемпературного контура. При этом изобара 3-8-9-10-4 отвечает состоянию рабочего тела в диаграмме "температура-удельная энтальпия".

На фиг. 3 видно, что при использовании теплонасосного цикла с рабочим телом закритических параметров удается сблизить соответствующие изобары нагрева теплоносителей и охлаждения рабочего тела, что приводит к снижению эксергетических потерь при теплопередаче и к увеличению энергетической эффективности установки в целом.

Нужно отметить, что преимущества теплонасосной установки с закритическими параметрами проявляется при нагреве теплоносителей в достаточно широком диапазоне температур, порядка нескольких десятков градусов, что обычно и требуется. Например, для горячего водоснабжения теплоноситель нагревается от 10-15^оС до 50-60^оС, для отопления от 40-50^оС до 70-95^оС, для систем вентиляции от (-25) (+10)^оС до 40-50^оС, процессов сушки до 60-90^оС. Важно также отметить, что зачастую потребителям теплоты требуются теплоносители для разных целей: отопления, вентиляции, горячего водоснабжения, сушки. Причем температуры и расходы теплоносителей могут значительно отличаться, и поэтому они обычно обеспечиваются разными источниками тепла котельными, тепловыми насосами разного типа и пр. Предлагаемое изобретение позволяет решить данную задачу с помощью одной теплонасосной установки. При этом проявляются не только компоновочные преимущества, но и появляется возможность дополнительного улучшения энергетических характеристик установки за счет снижения эксергетических потерь путем увеличения поверхности теплообмена, обеспечивающей круглогодичную тепловую нагрузку (горячее водоснабжение, сушка) за счет подключения к ней теплообменников, обеспечивавших сезонную нагрузку отопления, вентиляции.

В таблице приведены результаты сравнительного расчета предлагаемой теплонасосной установки с диоксидом углерода и прототипа с фреоном-12.

При расчете сделаны следующие допущения:
температура испарения в обоих случаях одинакова и равна 0^оС;
минимальные температурные напоры в теплообменниках равны 5^оС;
внутренний относительный КПД компрессоров обеих установок равен 0,8, а электромеханический КПД 0,9.

Таким образом, величина экономии приводной энергии составляет около 8%
Кроме того, величина дополнительной экономии приводной энергии в период отключения высокотемпературной нагрузки может быть оценена следующим образом.

Согласно приведенным в таблице долям теплопроизводительностей площади поверхности теплообменников 2 и 3 примерно в 1,5 раза больше, чем у теплообменников 4 и 5. Соответственно при их объединении температурный напор снизится в 2,5 раза, и если принять за исходный уровень среднелогарифмический температурный напор, равный 10^оС, то после объединения теплообменников он будет равен 4^оС, т.е. снизится на 6^оС, что означает увеличение коэффициента преобразования примерно на 8% или примерно такая же по величине экономия энергии на привод.

Использование: в теплоснабжении с тепловыми насосами. Сущность изобретения: в контуре теплового насоса применен диоксид углерода, находящийся после сжатия в компрессоре в сверхкритическом состоянии, а каждый из нагревателей обоих контуров теплоносителей выполнен в виде двухступенчатых теплообменников, соединенных последовательно по ходу теплоносителей, а линия нагнетания после компрессора подключена к теплообменнику второй ступени высокотемпературного контура, после которого она разветвлена на две ветви, одна из которых подключена к теплообменнику первой ступени того же контура, а другая - к теплообменику второй ступени низкотемпературного контура, причем на выходе из упомянутых теплообменников обе ветви соединены и подключены к теплообменнику первой ступени низкотемпературного контура. Кроме того, могут быть дополнительно установлены перемычки с запорными устройствами между выходом по рабочему телу теплообменника второй ступени высокотемпературного контура и входом теплообменника второй ступени низкотемпературного контура, а также между выходом низкотемпературного теплоносителя и входом высокотемпературного теплоносителя и между выходом высокотемпературного теплоносителя и входом низкотемпературного потребителя. Цель изобретения - обеспечение потребителей двумя потоками теплоносителей с различной температурой, уменьшение затрат энергии на привод теплового насоса при одновременном повышении экологической безопасности. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

1. ТЕПЛОНАСОСНАЯ УСТАНОВКА, представляющая контур с компрессором, линия высокого давления которого подключена противотоком к нагревателям высоко- и низкотемпературного контуров теплоносителей, регенеративным теплообменником, дроссельным устройством и испарителем, отличающаяся тем, что контур заполнен рабочим телом диоксидом углерода, находящимся в линии высокого давления в сверхкритическом состоянии, а каждый из нагревателей выполнен в виде двухступенчатых теплообменников, соединенных последовательно, причем линия высокого давления после компрессора подключена к теплообменнику второй ступени высокотемпературного контура, выход которого подсоединен к параллельно установленным теплообменнику первой ступени этого контура и теплообменнику второй ступени низкотемпературного контура, выходы теплообменников подключены к входу теплообменника первой ступени низкотемпературного контура. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит перемычки с запорными устройствами, первая из которых установлена в контуре по рабочему телу между выходом из теплообменника второй ступени высокотемпературного контура и входом теплообменника второй ступени низкотемпературного контура, вторая в контуре по теплоносителю между выходом теплообменника второй ступени высокотемпературного контура и выходом теплообменника второй ступени низкотемпературного контура, а третья между входом теплообменника первой ступени высокотемпературного контура и выходом теплообменника второй ступени низкотемпературного контура.