ТЕПЛОНАСОСНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2001 года по МПК F24H1/08 F25B29/00 F04F1/04 

Предлагаемое изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано для отопления помещений, например индивидуальных домов, коттеджей, теплиц и выработки горячей воды для бытовых нужд.

Известна установка для отопления и горячего водоснабжения, содержащая бак-аккумулятор, компрессор, конденсатор, воздушный испаритель и др. /патент РФ N 1809263 от 05.07.90, МКИ F 25 B 29/00, опубл. бюл. N 14, 15.04.93/. Недостаток такой установки в ее сложности, что затрудняет ее использование в бытовых условиях.

Известна автономная система горячего водоснабжения, содержащая баки-аккумуляторы, установленные на трубопроводах, тепловой насос с испарителем и конденсатором, гелеоустановку и др. /патент РФ N 1818507 от 28.02.90, МКИ F24D 17/00, опубл. бюл. N 20, 30.05.93/. Недостаток такой системы в сложности ее исполнения и ограниченности климатических зон ее использования (применения), а также ограниченности ее применения в индивидуальных строениях, где отсутствует центральное водоснабжение.

Известна котловая водогрейная система и устройство для управления ее работой, содержащая теплообменную камеру (с камерой воспламенения, топочной камерой, водяной камерой со змеевиком и вытяжной трубой), бак для добавления воды, циркуляционный насос, устройство горячего водоснабжения (с линией подвода холодной воды и отвода горячей воды), горелку (с двигателем, всасывающей трубой для подачи воздуха в зону горения, трансформатором зажигания и распылителем) и устройство управления работой этой системы (с главным элементом - блоком управления для приема сигналов с периферийного оборудования, распознавания этих сигналов и выдачи управляющих сигналов в соответствующие функциональные узлы). Недостаток такой водогрейной системы в ее сложности, относительной громоздкости, возможности утечек вредных компонентов, используемых в ее работе, что ограничивает ее использование в бытовых условиях, /патент РФ N 2092744 от 20.04.92, МКИ F 24 H 1/08, опубл. бюл. N 28, 10.10.97/.

В качестве прототипа принимаем тепловой насос, содержащий резервуар для жидкости с накопительной магистралью, на которой последовательно установлены нагреватель, холодильник и обратный клапан, и основную камеру переменного объема, подключенную между резервуаром и нагревателем, дополнительную камеру переменного объема, подключенную между холодильником и обратным клапаном, подвижная крышка которой снабжена пружиной и кинематически связана при помощи штанги с крышкой основной камеры переменного объема. Кроме того, на магистрали размещены дополнительно два клапана - один между резервуаром и основной камерой, другой за дополнительной камерой /а.с. СССР N 892031 от 25.07.77, МКИ F 04 F 1/18, опубл. бюл. N 47, 23.12.81/.

Недостатками такой системы является относительно низкий КПД нагрева жидкости из-за наружного расположения нагревателя в обогреваемом объекте, выдача только определенной порции нагретой жидкости в систему потребления, строго определенное геометрическое положение основной камеры относительно дополнительной камеры, а также наличие механических движущихся элементов вызывает дополнительную сложность в обеспечении их надежной герметизации и отсутствие устройства, регулирующего тепловой режим, что приводит к излишним затратам электроэнергии.

Решаемая техническая задача заключается в разработке компактной и относительно простой по конструкции теплонасосной установки с обеспечением возможности повышения КПД, подачи необходимого количества прокачиваемой горячей жидкости в зависимости от объема отапливаемого помещения, повышения надежности работы установки, экономии потребляемой электроэнергии, отсутствия специального обслуживающего персонала, повышения безопасности для окружающих при эксплуатации.

Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая установка, заключается в уменьшении тепловых потерь при работе нагревателя путем размещения его внутри основной емкости, в возможности регулировки количества прокачиваемой жидкости, в повышении надежности и оптимизации габаритов из-за отсутствия движущихся механических элементов, в наличии термоэлектродатчика с блоком управления, в котором имеется терморегулятор, в наличии дополнительной емкости, соединенной с основной и сообщающейся с атмосферой, что обеспечивает работу установки при достаточно низком давлении (не превышающем 0,1 МПа (1 кгс/см²)).

Достижение технического результата обеспечивается тем, что в теплонасосной установке, содержащей основную емкость для жидкости, обратный клапан, дополнительную емкость, сообщенную с основной, нагреватель, основная емкость выполнена в виде герметичного бака постоянного объема, внутри которого установлен датчик уровня жидкости, размещен нагреватель, и снабжена двумя патрубками, причем выходной размещен в ее верхней части, а входной - в нижней, при этом нижний торец выходного патрубка расположен ниже крышки герметичного бака и установлен с возможностью регулирования его положения относительно датчика уровня жидкости, клапан работает на открытие выходного патрубка, дополнительная емкость выполнена в виде бака постоянного объема, сообщающегося с атмосферой.

Теплонасосная установка снабжена блоком управления, связанным с датчиком уровня жидкости, нагревателем и термодатчиком на входе в основную емкость.

Теплонасосная установка работает по замкнутому циклу, магистраль соединяет дополнительную емкость с обогревательными элементами, а входной патрубок основной емкости с магистралью, выходящей из обогревательных элементов.

Дополнительная емкость размещена не ниже основной емкости для жидкости.

Обогревательные элементы подсоединены параллельно, при этом режим нагрева обогревательных элементов устанавливается с помощью электротермодатчика и механических регулирующих устройств, например вентилей.

Теплонасосная установка имеет второй клапан, работающий на закрытие входного патрубка.

Размещение нагревателя внутри основной емкости позволит уменьшить тепловые потери и затраты электроэнергии при нагреве жидкости.

Размещение выходного патрубка в основной емкости ниже уровня крышки с возможностью его регулировки относительно датчика уровня жидкости обеспечит подачу необходимого количества прокачиваемой горячей жидкости в зависимости от объема отапливаемого помещения, кроме того, возможность регулировки взаиморасположения выходного патрубка относительно датчика уровня жидкости позволит обеспечить плавность подачи порции горячей жидкости из основной емкости в дополнительную, сообщающуюся с атмосферой, что в свою очередь в сочетании с ее относительно низком уровне расположения обеспечивает работу установки при достаточно низком давлении (менее 0,1 МПа (1 кгс/см²)), что повышает безопасность эксплуатации установки.

Наличие электротермодатчика на входе в основную емкость в сочетании с механическими регулирующими устройствами позволит установить оптимальный режим работы теплонасосной установки, что повысит ее КПД.

Блок управления, связанный с датчиком уровня жидкости, нагревателем и термодатчиком, отрегулированным на определенные терморежимы отапливаемого помещения, обеспечивает автоматическое отключение нагревателя в случае достижения на входе в основную емкость терморежима, установленного по термодатчику, и при достижении уровня жидкости в основной емкости по датчику уровня, что позволяет экономить потребляемую электроэнергию и повысить безопасность работы установки.

При обслуживании блока управления требуется нажатие двух кнопок - сеть, нагреватель и поворот ручки на необходимый терморежим. Таким образом, специального обслуживающего персонала не потребуется.

В конструкции теплонасосной установки отсутствуют механические движущиеся элементы, что позволяет повысить надежность ее работы и оптимизировать габариты.

Сопоставительный анализ предлагаемой теплонасосной установки с прототипом показывает, что заявляемый объект соответствует критерию изобретения "новизна".

Заявляемая установка соответствует и критерию "изобретательский уровень", т.к. не выявлено источников известности, где был бы описан технический результат, достигаемый предлагаемой установкой.

На чертеже представлена схема заявляемой установки.

Теплонасосная установка состоит из герметичной емкости (бака) 1, нагревателя 2, датчика уровня жидкости 3 для защиты нагревателя 2 от перегрева при понижении уровня жидкости, расположенных внутри емкости 1, входного патрубка 5, расположенного в нижней части бака 1, выходного патрубка 4, расположенного в верхней части (крышке) бака 1, причем нижний торец выходного патрубка 4 расположен ниже крышки бака с возможностью регулирования его положения относительно датчика уровня жидкости 3, дополнительной емкости, сообщающейся с атмосферой 6, расположенной не ниже уровня основной емкости 1, обратного клапана 7, установленного на входе в дополнительную емкость, обратного клапана 12, установленного за дополнительной емкостью, обогревательного элемента 10, механического регулирующего устройства 11, расположенного в подающей (напорной) магистрали, блока управления 8. Для автоматического управления теплоустановкой в оптимальном режиме отопления она снабжена электротермодатчиком 9, закрепляемым на обратной магистрали (перед входным патрубком 5) и связанным с блоком управления 8.

Теплонасосная установка работает следующим образом.

Систему и бак 1 заполняют водой, включают нагреватель 2, и вода в баке 1 доходит до кипения. При появлении пара резко возрастает давление в баке 1 и вода из него под действием давления пара вытесняется через выходной патрубок 4 и клапан 7 в дополнительную емкость 6. Регулируемый выходной патрубок 4 установлен относительно датчика уровня жидкости 3, так что после отключения от сети давление пара продолжает вытеснять воду и сам пар успевает пройти через выходной патрубок 4 в дополнительную емкость 6, где конденсируется в воде. Поскольку пар ушел, давление в баке 1 упало, происходит резкая конденсация остатков пара и образование вакуума.

Под действием вакуума в баке 1 он быстро заполняется водой, вытесняемой из дополнительной емкости 6 через входной патрубок 5, при этом датчик 3 включает нагреватель 2. Далее цикл повторяется.

Отсутствие в предлагаемой установке движущихся механических элементов, специальных холодильников для конденсации пара позволяет выполнить установку достаточно компактной, простой в конструктивном исполнении и надежной в работе.

Размещение нагревателя внутри основной емкости в сочетании с наличием электротермодатчика, механических регулирующих устройств и возможностью регулировки уровня выходного патрубка относительно расположения датчика уровня жидкости позволит повысить КПД работы установки.

Обслуживание установки, заключающееся в нажатии двух кнопок на пульте блока управления (сеть, нагреватель) и повороте ручки регулятора температуры на необходимый терморежим позволит обойтись без специального обслуживающего персонала.

Относительно низкое давление (менее 0,1 МПа (1 кгс/см²)) при работе системы позволит повысить безопасность для потребителя.

Выполнен опытный образец теплонасосной установки с объемом основной емкости V = 10 л.

Предварительные испытания экспериментальной установки подтверждают заявляемые положительные технические качества, например, при стабильной циклической прокачке определенного количества горячей жидкости через систему, давление в основной емкости (котле) не превышало 0,03 МПа (0,3 кгс/см²).

По оценкам экспериментальная теплонасосная установка с емкостью котла 10 л сможет обогреть жилое помещение 150-200 м³, т.е. 2-, 3-комнатную современную квартиру.

Установка предназначена для отопления помещений, например индивидуальных домов, коттеджей, теплиц, и выработки горячей воды для бытовых нужд. Установка содержит основную емкость для жидкости, обратный клапан, дополнительную емкость, сообщенную с основной, нагреватель. Основная емкость выполнена в виде герметичного блока с крышкой, внутри которого установлен датчик уровня жидкости, размещен нагреватель, и снабжена двумя патрубками, причем выходной размещен в ее верхней части, а входной - в нижней, при этом нижний торец выходного патрубка расположен ниже крышки герметичного бака и установлен с возможностью регулирования его положения относительно датчика уровня жидкости, клапан работает на открытие выходного патрубка, дополнительная емкость выполнена в виде бака, сообщающегося с атмосферой. Установка снабжена блоком управления, связанным с датчиком уровня жидкости, нагревателем и термодатчиком на входе в основную емкость. Изобретение позволяет уменьшить тепловые потери и затраты электроэнергии при нагреве жидкости, повысить КПД, надежность работы и оптимизировать габариты. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Теплонасосная установка, содержащая основную емкость для жидкости, обратный клапан, дополнительную емкость, сообщенную с основной, нагреватель, отличающаяся тем, что основная емкость выполнена в виде герметичного блока постоянного объема с крышкой, внутри которого установлен датчик уровня жидкости и размещен нагреватель, и снабжена двумя патрубками, причем выходной размещен в ее верхней части, а входной - в нижней, при этом нижний торец выходного патрубка расположен ниже крышки герметичного бака и установлен с возможностью регулирования его положения относительно датчика уровня жидкости, клапан работает на открытие выходного патрубка, дополнительная емкость выполнена в виде бака постоянного объема, сообщающегося с атмосферой. 2. Теплонасосная установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена блоком управления, связанным с датчиком уровня жидкости, нагревателем и термодатчиком на входе в основную емкость. 3. Теплонасосная установка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что она работает по замкнутому циклу, магистраль соединяет дополнительную емкость с обогревательными элементами, а входной патрубок основной емкости - с магистралью, выходящей из обогревательных элементов. 4. Теплонасосная установка по пп.1 - 3, отличающаяся тем, что дополнительная емкость размещена не ниже основной емкости для жидкости. 5. Теплонасосная установка по пп.1 - 4, отличающаяся тем, что обогревательные элементы подсоединены параллельно, при этом режим нагрева обогревательных элементов устанавливается с помощью электротермодатчика и механических регулирующих устройств, например вентилей. 6. Теплонасосная установка по пп.1 - 5, отличающаяся тем, что она имеет второй клапан, работающий на закрытие входного патрубка.