ТЕПЛОВОЙ НАСОС Российский патент 2003 года по МПК F25B30/00 F25B49/00 

Изобретение относится к области теплотехники, может быть использовано в трансформаторах тепла (в тепловых насосах и холодильных установках) и предназначено:
- для отопления и горячего водоснабжения жилых, хозяйственных, производственных и других помещений,
- кондиционирования указанных помещений в летнее время года,
- для применения в промышленных целях.

Из литературы известно много способов реализации теплового насоса, представляющего собой установку, в которой осуществляется обратный цикл Карно и которая переносит тепловую энергию от теплоотдатчика с низкой температурой (обычно окружающей среды) к теплопередатчику с высокой температурой за счет затраты энергии (см. Политехнический словарь, издание 3. М.: Советская энциклопедия, 1989). Существующие тепловые насосы используют температуру охлаждаемой среды, в основном, геотермальных вод (10-40^oС), грунта и грунтовой воды (2-5^oС), пресной и морской воды (3-7^oС), воздуха (от -5^oС и выше), сточных вод и тепловых сбросов (от +5^oС и выше).

Первой важной проблемой создания тепловых насосов (ТН) является повышение его отопительного коэффициента, обеспечивающего удешевление трансформации тепла при высокой экологичности и экономичности установки.

Второй проблемой является создание теплового насоса, использующего отбор тепловой энергии охлаждаемой среды, имеющей отрицательную температуру (-10^oС) и ниже (например, воздуха, как наиболее доступного источника низкопотенциального тепла).

Известен способ достижения максимального отопительного коэффициента тепловых насосов и установка для его осуществления, основанные на использовании тепла рабочего тела (РТ), приведенного в критическое состояние перед сжатием, тепло передается от охлаждаемой среды в нагреваемую, причем установка включает сжатие и расширение рабочего тела в одном сосуде, смежном с сосудом цилиндра компрессора, рабочий объем которого равен половине объема рабочего тела в сосуде (заявка RU 2153133 7 F 25 D 29/00, 30/00).

К недостаткам данного устройства, осуществляющего известный способ, относится, во-первых, невозможность использования остаточной энергии сжатого охлажденного рабочего тела (как тепловой, так и механической), во-вторых, для отвода и подвода тепла в одном цилиндре размещены два независимых теплообменника, что снижает эффективную площадь теплопередачи, в-третьих, в установке рассмотрен частный случай соотношения сложных сосудов. Кроме того, последовательность процессов подвода тепловой энергии к рабочему телу и отвода в нагреваемую среду сопровождается задержкой передачи тепла, не позволяющей обеспечить плавность подачи тепла в нагреваемую среду.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение отопительного коэффициента теплового насоса, повышение степени использования остаточной тепловой и механической энергии охлажденного и расширяемого рабочего тела, возможность использования теплового насоса при отрицательных температурах охлаждаемой среды, увеличение плавности передачи тепловой энергии от охлаждаемой среды к нагреваемой.

Поставленная цель в устройстве достигается тем, что тепловой насос снабжен теплообменным контуром с теплообменником и с охлаждаемой средой и теплообменным контуром с теплообменником и с нагреваемой средой, а также блоком управления тепловым насосом, блоком создания давления в емкостях с рабочим телом и блоком управления тепловыми потоками, причем теплообменники, размещенные в емкостях, связаны с теплообменником контура охлаждаемой среды и теплообменником контура нагреваемой среды, а также между собой посредством блока управления тепловыми потоками, вход которого соединен с выходом блока управления теплового насоса, другой выход которого соединен с входом блока создания давления, один вход которого связан с одной емкостью с рабочим телом, а второй - с другой емкостью с рабочим телом, при этом входы блока управления теплового насоса связаны с блоками управления тепловыми потоками, создания давления в емкостях и емкостями с рабочим телом.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 представлена блок-схема устройства;
- на фиг.2 представлена функциональная схема блока управления тепловым насосом;
- на фиг. 3 представлена температурная циклограмма передачи тепловой энергии в устройстве;
- на фиг. 4 представлена схема перераспределения механической энергии сжимаемой и расширяемой порции рабочего тела;
- на фиг. 5 показано устройство 1, реализующее установку с двумя независимыми поршнями;
- на фиг.6 представлена схема устройства 2, реализующая установку с двумя поршнями, расположенными на одном штоке.

Тепловой насос содержит емкости 1 и 2 с рабочим телом (см. фиг.1), внутри которых размещены теплообменники 3 и 4 соответственно, теплообменник 5 в охлаждаемой среде, а теплообменник 6 в нагреваемой среде, блок управления тепловыми потоками 7, блок управления тепловым насосом 8 и блок создания давления 9.

Теплообменник 3 связан с теплообменниками 4, 5, 6 через насос 60 (фиг.5) и блок управления тепловыми потоками 7. Теплообменник 4 связан с теплообменниками 3, 5 и 6 через насос 64 (фиг.5) и блок управления тепловыми потоками 7, один вход которого связан с выходом блока управления тепловым насосом 8, другой выход которого соединен с входом блока создания давления 9, один выход которого связан с емкостью с рабочим телом 1, а другой - с емкостью с рабочим телом 2. Входы блока управления тепловым насосом 8 связаны с блоком управления тепловыми потоками 7, емкостями 1 и 2 и блоком создания давления 9.

Теплообменники выбираются из стандартных, типовых устройств в зависимости от географической среды применения, от типов охлаждаемой и нагреваемой сред, системы отопления или кондиционирования помещений, условий производственных процессов.

В табл. 1 приведен состав теплообменных контуров устройства, из которой видно, что теплообменники переключаются на соответствующую среду в зависимости от состояния рабочего тела в емкостях 1 и 2, причем один и тот теплообменник может работать в разных контурах в соответствии с командами блока управления тепловыми потоками 7.

В табл. 2 приведен перечень команд, вырабатываемых в блоке управления тепловыми потоками 7, из которой видна последовательность включения/выключения теплообменных контуров в устройстве, причем в качестве дополнительной информации используются сигналы измерительного блока 47 (по температуре, давлению, влажности и т.п.).

Емкости для рабочего тела представляют собой типовые сосуды (цилиндры сжатия), или иные какие-либо объемные пространства, позволяющие обеспечить сжатие и расширение порции РТ при выбранных проектировщиком температурах, давлениях и плотностях рабочего тела.

Рабочее тело выбирается исходя из условий функционирования теплового насоса, требований безопасности, надежности и экологичности установки (например, фреон, азот, двуокись углерода, ксенон и др.).

Блок управления тепловыми потоками может быть реализован с помощью вентильных устройств, либо магнитных переключателей, либо каким-либо иным устройством, обеспечивающим переключение потоков теплоносителя от различных теплообменников в соответствующие контура. В блок управления тепловыми потоками 7 (фиг.5, 6) могут входить клапаны переливные 61 и 62, насосы с регулируемой производительностью реверсивным потоком 60 и 64, переключатель контуров 62.

Блок создания давления в сосудах может представлять собой любое техническое устройство изменения объема РТ (например, с помощью типового масляного насоса). На фиг.5 и 6 блок создания давления в сосудах 9 включает насос шестереночный 69, клапан 70, гидроклапан "ИЛИ" 68.

Вход 10 блока управления тепловыми потоками 7 соединен с выходом 11 теплообменника 3, а выход 12 - с входом 13 теплообменника 3, вход 14 блока управления тепловыми потоками 7 соединен с выходом 15 теплообменника 5, выход 16 блока 7 соединен с входом 17 теплообменника 5; вход 18 блока управления 7 соединен с выходом 19 теплообменника 6, а выход 20 блока 7 - с входом 21 теплообменника 6.

Вход 22 блока 7 соединен с выходом 23 теплообменника 4, а выход 24 блока 7 - с входом 25 теплообменника 4. Вход 26 блока управления 7 соединен с выходом 27 блока управления тепловым насосом 8, выход 28 блока 8 - с входом 29 блока создания давления 9.

Вход 32 блока 9 соединен с выходом 33 емкости 1, выход 30 блока 9 - с входом 31 емкости 1. Вход 36 блока 9 соединен с выходом 37 емкости 2, выход 34 блока 9 - с входом 35 емкости 2.

Входы 38, 40, 42, 44 блока 8 соединены с выходами 39 блока 9, 41 - блока 7, 43 - емкости 1, 45 - емкости 2, соответственно.

Для реализации функций управления тепловым насосом может быть применен блок 8 (фиг.2), который состоит из измерительного блока 47, решающего устройства 46, блока команд 48, блока начальных условий 49 и блока изменения режима работы теплового насоса 50.

Вход 51 соединен с входами 38, 40, 42, 44 блока 8, выход 52 измерительного блока 47 соединен с входом 53 решающего устройства 46, выход 54 которого соединен с входом 55 блока команд 48; входы решающего устройства 57 и 59 соединены с выходами блока начальных условий 49 и блока изменения циклограммы работы теплового насоса 50.

Выход 54 соединен с выходами 27, 28 (см. фиг.1), которые соединены с входами 26 блока 7 и 29 блока 9.

Блок управления тепловым насосом может быть реализован (фиг.2) в виде вычислительного устройства (например, процессора), соединенного через модемы и платы цифроаналогового преобразования и аналого-цифрового преобразования сигналов (ЦАП/АЦП) с блоками 7 и 9 (фиг.1). Может быть аналоговая и механическая схемы реализации.

Измерительный блок включает в себя датчики температуры, давления, временных параметров, влажности, а при необходимости, объема РТ, требуемых параметров охлаждаемой и нагреваемой сред.(фиг.5 и 6, позиции 66, 67, 72, 73).

Блоки начальных условий и изменения режима работы теплового насоса представляют собой базы данных по рабочему телу, характеристикам теплообменников, емкостей, режимов работы ТН.

Устройство работает следующим образом (фиг.5).

В исходном состоянии или начале цикла РТ в емкости 1 находится в расширенном состоянии, а в емкости 2 - в сжатом состоянии.

По команде от блока 8 блок создания давления в емкостях 9 осуществляет сжатие РТ в емкости 1 совместно с расширением РТ в емкости 2. После завершения указанных циклов сжатия и расширения, блок 8 подает команду блоку управления тепловыми потоками 7 на включение:
- теплообменного контура из теплообменников 3,6 для отбора тепловой энергии от РТ в емкости 1 и передаче в нагреваемую среду;
- теплообменного контура из теплообменников 4,5 для отбора тепла от охлаждаемой среды и передачи к РТ в емкость 2.

По информации от измерительного блока 47 блок 46 вырабатывает команду блоку 48 на отключение перечисленных теплообменных контуров и на включение
- теплообменного контура из теплообменников 3, 4 для передачи тепловой энергии из емкости 1 к РТ в емкость 2.

После установления теплового баланса температур по информации измерительного блока 47 блок 46 дает команды блоку 48 на отключение теплообменного контура между емкостями 1 и 2 и блоку 9, который осуществляет сжатие РТ в емкости 2 совместно с расширением РТ в емкости 1.

После завершения указанных циклов сжатия и расширения блок 8 подает команду блоку управления тепловыми потоками 7 на включение
- теплообменного контура из теплообменников 4, 6 для отбора тепловой энергии от РТ в емкости 2 и передачи в нагреваемую среду;
- теплообменного контура из теплообменников 3, 5 для отбора тепла от охлаждаемой среды и передачи к РТ в емкость 1.

По информации от измерительного блока 47 блок 46 (фиг.2) дает команду блоку 48 на отключение перечисленных теплообменных контуров и на включение
- теплообменного контура из теплообменников 3,4, для передачи тепловой энергии из емкости 2 к РТ в емкость 1.

После установления теплового баланса температур, по информации измерительного блока 47 блок 46 дает команды блоку 48 на отключение теплообменного контура между емкостями 1 и 2 и блоку 9, который осуществляет сжатие РТ в емкости 1 совместно с расширением РТ в емкости 2.

После этого цикл повторяется.

Повышение отопительного коэффициента предлагаемого теплового насоса следует из фиг.3. Действительно, для прототипа ТН (см. фиг.3а) РТ с температурой T₁ сжимается и приобретает температуру Т2. Затем, отдавая часть тепловой энергии, охлаждается до температуры Т₃. После чего расширяется и приобретает температуру Т₄. Затем нагревается охлаждаемой средой до T₁, после чего заново сжимается.

В предлагаемом ТН (см. фиг.3б) охлаждение РТ от температуры Т₃ до Т₃', которое не может быть использовано в однокамерных ТН, используется в многокамерной системе (в частном случае, 2-х камерной) для нагревания РТ от температуры T₁ до Т₁', при этом получаем, что разность ΔТ_ст=Т₂-T₁ заменяется на ΔТ_н= Т₂-T₁'. Согласно теории термодинамики коэффициент ТН равен К = Т_mах/(Т_mах-Т_min). В нашем случае для прототипа: Т_mах=Т₂; T_min=T₁, т.е. К_cт= Т₂/ΔТ_ст; для предлагаемого ТН: Т_max=Т₂; T_min=T₁', т.е. К_н=Т₂/ΔТ_н. Из фиг.3 видно, что ΔТ_н меньше ΔТ_ст, и, соответственно, получим, что К_н больше К_cт.

Следует иметь в виду, что отбор и передача неиспользованной тепловой энергии осуществляется между порциями РТ, находящимися в соседних емкостях.

Такая схема установки позволяет расширить возможности применения РТ от температуры Т₄ (см. фиг.3а) до температуры Т₄' (см.фиг.3б), что позволяет применять ТН при отрицательной температуре окружающей среды (-10^oС...-20^oС и ниже), при этом ТН работает при низких температурах окружающей среды без существенного изменения отопительного коэффициента.

В прототипе, основанном на однокамерной схеме, использование остаточной механической энергии расширяемого РТ затруднено, т.к. необходимо вводить дополнительное устройство, позволяющее осуществить это использование.

В предлагаемом изобретении этот эффект достигается за счет многокамерности ТН, т.е. любые две емкости осуществляют этот режим.

Использование механической энергии расширяемой порции РТ позволяет повысить отопительный коэффициент ТН, т. к. сокращает затраты механической энергии на сжатие РТ, что пояснено на фиг.4. Заштрихованная область S₁ представляет собой выигрыш работы по сжатию РТ от состояния Р₂ до P₄ с использованием механической энергии расширяемой порции РТ от Р₃ до P₁. Выигрыш S₁ равен разности работ, совершаемой РТ в емкости 1 (площадь CDEFG) и РТ в емкости 2 (площадь ABDEF).

Для обеспечения непрерывности функционирования предлагаемого ТН осуществляется контроль отбора тепловой энергии сжатой порции РТ таким образом, что за ее счет восстанавливается тепловая энергия расширенной порции РТ в другой емкости.

Эта же схема может быть также реализована для случая размещения поршней обоих емкостей на общем штоке 74 (фиг.6). В этом случае при сжатии РТ в одной емкости расширение осуществляется не только совместно, но одновременно с движением штока поршня на фиг.6. Таким образом, признак "совместно" является в данном изобретении общим признаком, включающим в себя признак "одновременно", который реализуется за счет добавления общего штока, при этом формула изобретения и техническое описание остаются без изменения.

Работа этой установки аналогична описанному выше. Отличие состоит в том, что за счет штока осуществляется принудительное движение поршней в емкостях. Такая схема обеспечивает надежность движения поршней.

Еще один способ реализации изобретения состоит в отказе от емкости для рабочего вещества и использовании механической энергии сжатого рабочего тела для расширения РТ в этой емкости и сжатия в другой.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в трансформаторах тепла. В тепловом насосе, содержащем одну емкость с теплообменником, в которой происходит сжатие рабочего тела, и другую емкость с теплообменником, в которой происходит расширение рабочего тела, размещены теплообменный контур с охлаждаемой средой и с теплообменником, теплообменный контур с нагреваемой средой и с теплообменником, а также блок управления тепловым насосом, блок создания давления в емкостях с рабочим телом и блок управления тепловыми потоками. Причем теплообменники, установленные в емкостях, связаны с теплообменником контура охлаждаемой среды и теплообменником контура нагреваемой среды, а также между собой посредством блока управления тепловыми потоками, вход которого соединен с выходом блока управления теплового насоса, другой выход которого соединен с входом блока создания давления, один вход которого связан с одной емкостью с рабочим телом, а второй - с другой емкостью с рабочим телом. Входы блока управления теплового насоса связаны с блоками управления тепловыми потоками, создания давления в емкостях и емкостями с рабочим телом. Использование изобретения позволит повысить отопительный коэффициент теплового насоса и использовать тепловой насос при отрицательных температурах охлаждаемой среды. 2 табл., 6 ил.

Тепловой насос, содержащий емкость с теплообменником, в которой происходит сжатие рабочего тела, и емкость с теплообменником, в которой происходит расширение рабочего тела, отличающийся тем, что тепловой насос снабжен теплообменным контуром с теплообменником и с охлаждаемой средой и теплообменным контуром с теплообменником и с нагреваемой средой, а также блоком управления тепловым насосом, блоком создания давления в емкостях с рабочим телом и блоком управления тепловыми потоками, причем теплообменники, размещенные в емкостях, связаны с теплообменником контура охлаждаемой среды и теплообменником контура нагреваемой среды, а также между собой посредством блока управления тепловыми потоками, вход которого соединен с выходом блока управления теплового насоса, другой выход которого соединен с входом блока создания давления, один вход которого связан с одной емкостью с рабочим телом, а второй - с другой емкостью с рабочим телом, при этом входы блока управления теплового насоса связаны с блоками управления тепловыми потоками, создания давления в емкостях и емкостями с рабочим телом.