ТЕПЛОВОЙ НАСОС Российский патент 2000 года по МПК F25B43/02 F25B30/02 

Изобретение относится к холодильной технике, в частности к установкам с винтовыми компрессорами, и касается тепловых насосов с использованием маслозаполненных винтовых компрессоров.

При расчетах теоретических циклов и принципиальных схем парокомпрессионных холодильных машин известно, что при повышении температуры конденсации рабочего вещества увеличивается степень повышения давления P_к/P₀ и разность давлений (P_к-P₀) (где P_к, P₀ - давление в конденсаторе и испарителе соответственно), что ведет к ухудшению объемных и энергетических коэффициентов компрессоров, что, в свою очередь, увеличивает капитальные и эксплуатационные затраты на получение холода. Кроме того, с ростом P_к/P₀ увеличиваются потери при дросселировании и потери, связанные с отводом теплоты перегрева рабочего вещества. Образовавшийся при дросселировании пар, попадая вначале в испаритель, а затем в компрессор, требует на его сжатие дополнительно затраченную работу. Кроме того, чем больше разность температур (T_к-T₀), тем больше пара образуется при дросселировании, а значит, растет доля работы, затрачиваемой на сжатие пара. Поэтому дросселирование целесообразно осуществлять, разделяя перепад давлений от конденсатора P_к до испарителя P₀ на несколько частей, причем после каждой ступени дросселирования необходим отбор пара и сжатие его в компрессоре. Исследовано, что работа, затрачиваемая на сжатие пара от многократного дросселирования при его ступенчатом отводе и сжатии, меньше работы, затрачиваемой на сжатие пара, образовавшегося при однократном дросселировании.

Известен тепловой насос, содержащий компрессор, конденсатор, переохладитель, дроссель, испаритель и регенеративный теплообменник, который устанавливается при высоких разностях температур (T_к-T₀). Однако применение регенеративного теплообменника приводит к увеличению работы сжатия в компрессоре. Применяются также многоступенчатые и каскадные тепловые насосы, в которых парообразное рабочее тело сжимается последовательно, по меньшей мере, в двух компрессорах с невысокими значениями P_к/P₀, а затем охлаждается в конденсаторе, разделенном на два участка. При этом дросселирование рабочего тела в обеих ступенях сопровождается меньшими суммарными потерями (Е.И.Янтовский, Ю. В. Пустовалов /Парокомпрессионные теплонасосные установки. Издательство "Энергоиздат", М, 1982, с.7-27).

Известна холодильная установка с маслозаполненным винтовым компрессором, в которой снижение потерь достигается за счет двухступенчатого дросселирования с отсосом пара при промежуточном давлении. Конструкция отличается наличием теплообменника и двух дроссельных вентилей вместо одного. Образовавшийся в результате первого дросселирования пар проходит из теплообменника в компрессор. Жидкий переохлажденный хладагент (основной поток) после теплообменника дросселируется и поступает в испаритель, откуда после испарения засасывается компрессором. Обязательным условием является поступление в компрессор сухого насыщенного или перегретого пара, т.к. при всасывании влажного пара из-за больших коэффициентов теплоотдачи влажного пара во всасывающем трубопроводе и во всасывающем тракте компрессора, по которым движется влажный пар, возникает интенсивный теплообмен с окружающей средой, приводящий к ухудшению энергетических характеристик компрессора (Под ред. И.А.Сакуна /Холодильные машины. Издательство "Машиностроение", 1985, с.52-82).

Недостатком указанных установок является большая металлоемкость и большие теплопотери во всех элементах теплового насоса.

Известен тепловой насос, содержащий циркуляционный контур хладагента, в котором установлены винтовой маслозаполненный компрессор, конденсатор, дросселирующий орган и испаритель. Контур циркуляции масла содержит две параллельные магистрали, одна из которых, в частности подачи масла в компрессор в полость сжатия на стороне нагнетания, включает маслоотделитель, масляный насос, маслоохладитель, соединенный с компрессором, причем маслоохладитель по теплоносителю соединен с источником низкопотенциального тепла (ав.св. SU 1783260, кл. F 25 B 43/02, 1992). В высокотемпературных тепловых насосах, когда температура конденсации превышает 80^oC, возникают большие перепады давления P_к/P₀, что приводит, как уже указывалось, к большим тепловым потерям и нестабильной работе теплового насоса из-за перегрева паромасляной смеси хладагента и масла на выходе из компрессора, температура которых достигает порядка 100^oC.

В основу изобретения поставлена задача создания высокоэффективных систем циркуляции хладагента и масла, обеспечивающих эксплуатационную надежность и экономичность теплового насоса.

Эта задача решается тем, что в тепловом насосе, содержащем последовательно соединенные по хладагенту винтовой маслозаполненный компрессор, маслоотделитель, конденсатор, переохладитель, дросселирующий орган, испаритель и контур циркуляции масла, содержащий две магистрали, одна из которых, в частности, соединенная с линией подвода масла в полость сжатия компрессора на стороне нагнетания, включает маслоотделитель, дополнительный маслоохладитель, масляный насос, маслоохладитель, соединенный с компрессором, а также линии подвода и отвода теплоносителя в конденсатор, дополнительный маслоохладитель, соединенные с контуром теплофикационной воды, и переохладитель, испаритель, соединенные с источником низкопотенциального тепла, согласно изобретению в насосе дополнительно установлены дросселирующий орган и последовательно размещенный за переохладителем теплообменник-испаритель, межтрубное пространство которого соединено трубопроводами с межтрубным пространством маслоохладителя, которое, в свою очередь, соединено через дополнительный трубопровод с компрессором.

Включение в схему теплового насоса дополнительного теплообменника-испарителя позволяет снизить температуру жидкого хладагента, поступающего на основной испаритель теплового насоса, а также снизить температуру масла, поступающего в компрессор за счет паров, поступающих из межтрубного пространства теплообменника-испарителя в компрессор, и одновременно осушить этот пар, что, в конечном счете, позволит создать условия работы теплового насоса в оптимальном режиме за счет улучшения режимов работы компрессора, а значит, повысить надежность работы теплового насоса и его теплопроизводительность.

В дальнейшем изобретение поясняется чертежом, на котором представлена схема предлагаемого теплового насоса.

Тепловой насос содержит последовательно соединенные по хладагенту испаритель 1, компрессор 2, маслоотделитель 3, конденсатор 4, переохладитель 5, первый дросселирующий орган 6, теплообменник-испаритель 7, второй дросселирующий орган 8 и контур циркуляции масла в виде двух магистралей, одна из которых, в частности, подключенная к линии подвода масла в полость сжатия компрессора 2 на стороне нагнетания для смазки подшипников, содержит маслоотделитель 3, дополнительный маслоохладитель 9, масляный насос 10, маслоохладитель 11, выполненный в виде кожухотрубного теплообменника, по трубам которого циркулирует масло, а межтрубное пространство соединено трубопроводами с дополнительным теплообменником-испарителем 7 и компрессором 2. По теплоносителю конденсатор 4 соединен с контуром циркуляции теплофикационной воды 12, а дополнительный маслоохладитель 9 подключен к нему параллельно, при этом утилизируется тепло, выделяющееся из этого узла. На линии циркуляции воды в дополнительном маслоохладителе 9 установлен регулирующий орган 13, связанный с температурным датчиком 14. Испаритель и переохладитель по теплоносителю связаны с источниками низкопотенциального тепла,
Тепловой насос работает следующим образом. Пары хладагента от испарителя 1 вместе с впрыскиваемым в компрессор 2 маслом и маслом, поступающим из подшипниковых камер компрессора 2, сжимаются в нем и затем подаются в маслоотделитель 3, где происходит отделение сконденсированного масла от паров хладагента, которые после этого поступают в конденсатор 4. В конденсаторе 4 хладагент конденсируется, а затем жидкий хладагент поступает в переохладитель 5. После переохладителя 5 жидкий хладагент делится на два потока: меньшая его часть дросселируется в дополнительном дросселирующем органе 6 и поступает в межтрубное пространство теплообменника-испарителя 7, а большая его часть идет по трубам теплообменника-испарителя 7 и охлаждается в результате теплообмена с кипящим в межтрубном пространстве хладагентом. Охлажденный жидкий хладагент дросселируется в основном дросселирующем органе 8 и поступает в испаритель 1. Горячее масло, выходя из маслоотделителя 3, поступает в дополнительный маслоохладитель 9 и насосом 10 нагнетается в маслоохладитель 11 и далее в компрессор 2. Межтрубное пространство маслоохладителя 11 соединено с межтрубным пространством теплообменника-испарителя 7, в котором образуется пар от кипения в нем хладагента после дросселирования его в дополнительном дросселирующем органе 6. Пар при прохождении межтрубного пространства маслоохладителя 11 охлаждает в результате теплообмена проходящее по трубам масло, одновременно осушается и становится перегретым, а затем поступает в компрессор 2. При этом исключается необходимость в установке теплообменника для осушения паров хладагента.

Данное изобретение позволяет применять винтовые маслозаполненные компрессоры в высокотемпературных тепловых насосах, используемых в системах отопления и горячего водоснабжения, при высокой их теплопроизводительности и надежности в работе.

Тепловой насос содержит контур хладагента, включающий компрессор, маслоотделитель, конденсатор, переохладитель, дросселирующий орган, испаритель и магистраль циркуляции масла, включающую маслоотделитель, дополнительный маслоохладитель, масляный насос и маслоохладитель, соединенный с компрессором. Для повышения теплопроизводительности теплового насоса и обеспечения надежности его работы в контуре хладагента теплового насоса дополнительно установлены дросселирующий орган и последовательно размещенный за переохладителем теплообменник-испаритель, межтрубное пространство которого соединено трубопроводами с межтрубным пространством маслоохладителя, которое, в свою очередь, соединено с компрессором. 1 ил.

Тепловой насос, содержащий контур хладагента, включающий винтовой маслозаполненный компрессор, маслоотделитель, конденсатор, дросселирующий орган, испаритель, дополнительный дроссель и маслоотделитель, а также контур циркуляции масла, содержащий магистраль, соединенную с линией подвода масла в полость сжатия компрессора на стороне нагнетания, маслоотделитель и маслоохладитель, соединенный с компрессором, отличающийся тем, что контур циркуляции масла снабжен второй параллельной магистралью, масляным насосом и дополнительным маслоохладителем, тепловой насос снабжен линиями подвода и отвода теплоносителя в конденсатор и дополнительный маслоохладитель, соединенными с контуром теплофикационной воды, а также последовательно размещенными переохладителем и теплообменником-испарителем, межтрубное пространство которого соединено трубопроводами с межтрубным пространством маслоохладителя, которое, в свою очередь, соединено через дополнительный трубопровод с компрессором, при этом переохладитель и испаритель соединены с источником низкопотенциального тепла.