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 тремя 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. Однако он имеет следующие недостатки:
при нагревании теплоносителей в широком диапазоне температур, например, для целей вентиляции от 0 до 30-40^оС, для горячего водоснабжения от 10 до 50^оС и для отопления от 40-50 до 95^оС в конденсаторах тепловых насосов системы имеются значительные эксергетические потери, что увеличивает расход энергии на привод компрессоров;
используются три компрессора, что удорожает теплонасосную систему;
в качестве рабочего тела обычно применяются озоноопасные фреоны.

Целью изобретения является снижение эксергетических потерь в процессе передачи теплоты от рабочего тела к теплоносителям и на этой основе повышение энергетической эффективности теплонасосной установки, удешевление и повышение ее общей эффективности; повышение экологической безопасности 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 находится в сверхкритическом состоянии и отдает теплоту при монотонно меняющейся температуре без участка конденсации, нагреватели всех трех контуров теплоносителей выполнены в виде высоко- температурного двухступенчатого теплообменника, среднетемпературного трехступенчатого теплообменника и низко- температурного двухступенчатого теплообменника, причем линия нагнетания после компрессора подключена к теплообменнику второй ступени высокотемпературного контура, после которого она разделена на две ветви так, что одна ветвь подключена к теплообменнику первой ступени того же контура, а другая к теплообменнику третьей ступени среднетемпературного контура, причем на выходе из теплообменников обе ветви соединяются и подключены к теплообменнику второй ступени среднетемпературного контура, после которого линия вновь разделяется на две ветви так, что одна ветвь подключена к теплообменнику первой ступени среднетемпературного контура, а другая к теплообменнику второй ступени низкотемпературного контура, причем на выходе из теплообменников обе ветви соединяются и подключены к теплообменнику первой ступени низкотемпературного контура. Предложенная схема нагревателей при использовании диоксида углерода позволяет производить нагрев трех потоков теплоносителей с минимальными эксергетическими потерями при теплообмене между рабочим телом и теплоносителем, что повышает коэффициент преобразования теплонасосной установки и снижает затраты приводной энергии на выработку теплоты. Кроме того, с целью дополнительного повышения энергетической эффективности в период отключения отдельных, например, сезонных видов нагрузки дополнительно установлены перемычки с запорными устройствами на участках между выходом по рабочему телу теплообменника второй ступени высокотемпературного контура и входом теплообменника третьей ступени средне- температурного контура, выходом по рабочему телу теплообменника первой ступени среднетемпературного контура и входом теплообменника второй ступени низкотемпературного контура, выходом по теплоносителю низкотемпературного контура и входом среднетемпературного, выходом по теплоносителю среднетемпературного контура и входом низкотемпературного, выходом по теплоносителю среднетемпе- ратурного контура и входом высоко- температурного, выходом по теплоносителю высокотемпературного контура и входом среднетемпературного потребителя, выходом по теплоносителю высокотемпературного контура и входом низко- температурного потребителя. Перемычки позволяют при отключении сезонной нагрузки, например отопления или (и) вентиляции, подключить теплообменники высоко- или (и) среднетемпературного контура к низкаотемпературному, тем самым увеличить поверхность теплообмена и снизить эксергетические потери при теплообмене, повысив энергоэффективность установки в целом. Отдельно работающие компрессорные установки заменяются одним компрессором, обеспечивающим суммарную теплопроизводительность, что удешевляет установку и повышает КПД компрессорной установки.

Этими факторами и определяется отличие от прототипа.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема предлагаемой теплонасосной установки; на фиг. 2 Т-диаграмма цикла теплонасосной установки; на фиг. 3 проиллюстрирован процесс отдачи теплоты рабочим телом в теплообменнике-нагревателе.

Предлагаемая теплонасосная установка работает следующим образом. Компрессор 1 сжимает пар рабочего тела до давления, превышающего критическое, например, для диоксида углерода выше 7,4 МПа. Далее рабочее тело охлаждается в теплообменнике-нагревателе 2-3-4-5-6-7-8, отдавая теплоту потокам теплоносителей, сначала в нагревателе второй ступени высокотемпературного контура 2, затем одновременно в нагревателе первой ступени того же контура 3 и нагревателе третьей ступени среднетемпературного контура 4, включенных параллельно по рабочему телу, затем в нагревателе второй ступени среднетемпературного контура 5, затем одновременно в нагревателе первой ступени того же контура 6 и нагревателе второй ступени низкотемпературного контура 7, включенных параллельно по рабочему телу, и далее в нагревателе первой ступени низкотемпературного контура 8.

После этого рабочее тело охлаждается в регенеративном теплообменнике 9, расширяется в дроссельном устройстве 10 и поступает в испаритель 11, где отбирает теплоту у внешнего низкопотенциального источника теплоты (вода, воздух и пр.). Образовавшийся здесь пар рабочего тела после подогрева в регенеративном теплообменнике поступает в компрессор и цикл замыкается. Проходящие последовательно через соответствующие ступени потоки теплоносителей нагреваются и поступают к своим потребителям 12, 13 и 14.

При отключении потребителя высокосреднетемпературного контура, например, в летнее время рабочее тело протекает последовательно через нагреватели 2, 3, перемычку 15, нагреватели 4, 5, 6, перемычку 16, высокотемпературный контур задействован по обычной схеме, а далее рабочее тело проходит последовательно через элементы 5, 6, 16, 7, 8, а низкотемпературный теплоноситель через элементы 8, 7, 17, 6, 5, 4, 18 к потребителю 14.

На фиг. 2 также условно нанесены изобары состояния теплоносителей низко "a-b", средне "c-d" и высокотемпературного "e-f" контуров теплоносителей, различный наклон которых отвечает разным значениям соответствующих расходов, температуры в точках a, b, c, d, e, f отвечают начальным и конечным температурам низко-, средне-, и высокотемпературного теплоносителей соответственно, а площади под линиями "a-b", "c-d" и "e-f" отвечают величинам их удельных 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 0 и 40^оС, среднетемпературного контура 10 и 50^оС, высокотемпературного контура 40 и 95^оС; давление на выходе компрессора 12,0 МПа. Состояние рабочего тела в точках 3 и 4 на фиг. 3 соответствуют одноименным точкам на фиг. 2, изобары "a-b" "c-d" и "e-f" соответствующим изобарам на фиг. 2. Изобары 3-8, 8-10¹, 8¹-10, 10-11, 11-13¹, 11¹-13 и 13-4 на фиг. 3 отвечают охлаждению рабочего тела соответственно в нагревателях 2-8. При этом изобара 3-8-9-10-11-12-13-4 отвечает состоянию рабочего тела в диаграмме "температура удельная энтальпия".

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

Нужно отметить, что преимущества теплонасосной установки с закритическими параметрами проявляются 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 до 50-60^оС, для отопления от 40-50 до 70-95^оС, для систем вентиляции от 25-10 до 40-50^оС, процессов сушки до 60-90^оС. Требуемые температуры и расходы теплоносителей могут значительно отличаться, поэтому они обычно обеспечиваются разными источниками тепла котельными, разными тепловыми насосами и пр. Изобретение позволяет решить данную задачу с помощью одной теплонасосной установки. При этом проявляются не только компоновочные и экономические преимущества, но и улучшаются энергетические характеристики установки.

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 5^оС;
внутренний относительный КПД компрессоров обоих вариантов 0,8, а электромеханический КПД 0,9.

Таким образом, величина экономии приводной энергии 7
Величина дополнительной экономии приводной энергии, например, в период отключения высокотемпературной нагрузки может быть рассчитана следующим образом. Согласно приведенным в таблице долям теплопроизводительностей, площади поверхностей теплообменников 2 и 3 примерно равны суммарной площади поверхностей теплообменников 4-8. Соот- ветственно при их объединении при постоянной теплопроизводительности средний температурный напор снизится в 2 раза и если принять за исходный уровень среднелогарифмический температурный напор, равный 10^оС, то после объединения теплообменников он будет равен 5^оС, т. е. снизится на 5^оС, что означает увеличение коэффициента преобразования приблизительно на 7% или примерно такая же по величине экономия приводной энергии.

Использование: в теплоснабжении с использованием тепловых насосов. Изобретение направлено на обеспечение потребителей тремя потоками теплоносителей. Сущность изобретения: уменьшение затрат на привод топливного насоса при одновременном повышении экологической безопасности, которая достигается тем, что в контуре теплового насоса применен, например, диоксид углерода, находящийся после сжатия в компрессоре в сверхкритическом состоянии, а каждый из нагревателей низко- и высокотемпературных контуров теплоносителей выполнен в виде двухступенчатых теплообменников, а нагреватель среднетемпературного контура - в виде трехступенчатого теплообменника, 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 третьей ступени среднетемпературного контура. При этом на выходе из теплообменников обе ветви соединены и подключены к теплообменнику второй ступени среднетемпературного контура, после которого она разделена на две ветви так, что одна ветвь подключена к теплообменнику первой ступени среднетемпературного контура, а другая к теплообменнику второй ступени низкотемпературного контура, причем на выходе из теплообменников обе ветви соединены и подключены к первой ступени низкотемпературного контура. Кроме того, дополнительно установлены перемычки с запорными устройствами между выходом по рабочему телу теплообменника второй ступени высокотемпературного контура и входом теплообменника третьей ступени среднетемпературного контура, а также между выходом по рабочему телу теплообменника первой ступени среднетемпературного контура и входом теплообменника второй ступени низкотемпературного контура, а также между выходом по теплоносителю низкотемпературного контура и входом среднетемпературного, между выходом среднетемпературного теплоносителя и входом низкотемпературного потребителя, между выходом по теплоносителю среднетемпературного контура и входом высокотемпературного, выходом по теплоносителю высокотемпературного контура и входом среднетемпературного потребителя, выходом по теплоносителю высокотемпературного контура и входом низкотемпературного потребителя. 1 з.п.ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. ТЕПЛОНАСОСНАЯ УСТАНОВКА, представляющая контур с компрессором, линия высокого давления которого подключена противотоком к нагревателям высоко-, средне- 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 низко- и высокотемпературных контуров теплоносителей выполнены двухступенчатыми теплообменниками, а нагреватель среднетемпературного контура трехступенчатым теплообменником, причем линия высокого давления после компрессора подключена к теплообменнику второй ступени высокотемпературного контура, выход которого подсоединен к выходу теплообменника первой ступени того же контура и входу последовательно установленных теплообменников третьей, второй и первой ступеней среднетемпературного контура, второй и первой ступенями последовательно установленных теплообменников низкотемпературного контура, при этом выход первой ступени теплообменника высокотемпературного контура подсоединен между выходом теплообменника третьей и входом теплообменника второй ступеней среднетемпературного контура, а выход теплообменника первой ступени того же контура подсоединен между выходом теплообменника второй ступени и входом 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 теплообменника первой ступени высокотемпературного контура и входом теплообменника третьей ступени среднетемпературного контура, вторая в том же контуре между выходом теплообменника первой ступени среднетемпературного контура и входом теплообменника второй ступени низкотемпературного контура, остальные перемычки установлены в контуре по теплоносителю: между выходом низкотемпературного и входом среднетемпературного контуров, выходом среднетемпературного контура и входом низкотемпературного контура, выходом среднетемпературного и входом низкотемпературного контуров, выходом высокотемпературного контура и входом среднетемпературного контура, выходом высокотемпературного контура и входом низкотемпературного контура.