ТЕПЛОВОЙ НАСОС, В ЧАСТНОСТИ, ДЛЯ НАГРЕВА ВНУТРЕННЕГО ПРОСТРАНСТВА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА, А ТАКЖЕ СПОСОБ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО НАСОСА Российский патент 2019 года по МПК F25B30/00 B60H1/00 

Изобретение относится к тепловому насосу, в частности, для нагрева внутреннего пространства транспортного средства, согласно родовому понятию пункта 1 формулы изобретения, а также к способу функционирования теплового насоса согласно родовому понятию пункта 5 формулы изобретения.

Для генерации холода и тепла общеизвестен цикл паровой компрессионной холодильной установки (КККР), причем в качестве рабочей среды (охладителя) применяются углеводороды согласно DIN 8962. Для нагрева внутренних пространств транспортных средств, например, пассажирских салонов автобусов или кабин водителей, уже применяются тепловые насосы, в которых реализован обратный (против хода часовой стрелки) цикл паровой компрессионной холодильной установки (КККР). Причем в качестве охладителя часто используется R134a.

В таком цикле теплового насоса друг за другом расположены компрессор, конденсатор, дроссельный клапан и испаритель. Рабочая среда (охладитель) в качестве перегретой текучей среды сжимается в компрессоре и подается в конденсатор, который отдает скрытое и физическое тепло непосредственно во внутреннее пространство транспортного средства или опосредованно во вторичный циркуляционный контур как полезное тепло. После фазового превращения газообразной/жидкой фаз в конденсаторе рабочая среда в последующем дроссельном клапане дросселируется в изоэнтальпийном процессе дросселирования и достигает в конце процесса дросселирования температуры влажного пара. В последующем испарителе происходит фазовое превращение жидкой/газообразной фаз, для чего тепло из окружающей среды подается в испаритель.

Термический КПД этого известного цикла теплового насоса зависит от производительности компрессора и требует относительно высокой энергии привода.

Задачей изобретения является усовершенствовать тепловой насос и способ функционирования теплового насоса таким образом, что потребление энергии привода компрессора становится сравнительно меньшим и тем самым термический КПД повышается.

Эта задача решается признаками независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения раскрываются в ссылающихся на них зависимых пунктах.

В соответствующем изобретению тепловом насосе газообразная рабочая среда в циркуляционном контуре теплового насоса сжимается в компрессоре, и сжатая рабочая среда подается в конденсатор, в котором она конденсируется с отдачей тепла. Возникающее в конденсаторе тепло в качестве полезного тепла подается непосредственно или опосредованно к по меньшей мере одному потребителю, в частности, во внутреннее пространство транспортного средства.

Соответствующий изобретению циркуляционный контур теплового насоса, по сравнению с известным циркуляционным контуром теплового насоса, дополняется другими функциональными элементами и модифицируется. Так, за конденсатором расположен струйный насос, на который через рабочее сопло подается, с одной стороны, поступающая от конденсатора под высоким давлением в значительной степени жидкая рабочая среда в качестве приводной среды. Понятие «струйный насос» в данной заявке означает, например, любое устройство, в котором насосное действие генерируется с помощью струи текучего средства («приводной среды»), которая за счет обмена импульсом засасывает другую среду («засасываемую среду»), ускоряет и сжимает/транспортирует, если она находится под достаточным давлением.

С другой стороны, вытекающая из испарителя с пониженным давлением, в значительной степени газообразная рабочая среда подается в качестве всасываемой среды. При этом в струйном насосе, предпочтительно в диффузоре струйного насоса, вся среда, состоящая из приводной среды и всасываемой среды, сжимается с образованием двухфазной смеси.

На выходе струйного насоса расположен сепаратор, в котором газообразная рабочая среда отделяется от жидкой рабочей среды.

Выход для газа сепаратора соединен с входом компрессора, а выход для жидкости сепаратора соединен с входом дроссельного клапана. В дроссельном клапане в значительной степени жидкая рабочая среда дросселируется и подается на испаритель, где при подводе тепла осуществляется фазовое превращение с получением газообразной рабочей среды, которая в качестве всасываемой среды подается на вход для всасываемой среды струйного насоса.

Соответствующее изобретению применение струйного насоса в цикле сравнительно сокращает работу сжатия компрессора и, тем самым, приводит предпочтительным образом к повышению термического КПД. Незначительное потребление приводной энергии теплового насоса приводит, таким образом, к повышению общего термодинамического КПД в трансмиссии транспортного средства, в частности, автобуса и приводит тем самым к энергосберегающему сокращению потребления топлива и благоприятному для окружающей среды сокращению выбросов СО₂.

Предпочтительный усовершенствованный вариант соответствующего изобретению циркуляционного контура теплового насоса предусматривает промежуточный теплообменник, посредством которого, с одной стороны, рабочая среда направляется из конденсатора к тепловому насосу, а с другой стороны, рабочая среда из сепаратора подается в конденсатор. Связанная с этим генерация тепла приводит предпочтительным образом к сокращению потерь эксергии в циркуляционном контуре.

Для циркуляционного контура теплового насоса уровни давления должны быть заданы таким образом, что наивысший уровень давления определяется выходным давлением компрессора, а самый низкий уровень давления - температурой насыщения в испарителе. Два промежуточных дополнительных уровня давления определяются посредством рабочих давлений после струйного насоса и после дроссельного клапана.

Циркуляционный контур соответствующего изобретению теплового насоса может функционировать предпочтительным образом с рабочей средой, состоящей из двуокиси углерода СО₂ (обозначение R 744). Эта природная рабочая среда является экологичной и экономичной, и позитивные термодинамические свойства двуокиси углерода обеспечивают возможность эффективного ее применения в тепловом насосе. К тому же в возрастающей степени становятся релевантными экологические аспекты (например, директива 2006/40/EG Европейского парламента и Совета), которые могут выполняться благодаря рабочей среде, состоящей из двуокиси углерода СО₂.

Преимущества, достигаемые с помощью соответствующего изобретению способа, характерны также для теплового насоса.

Изобретение поясняется далее со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:

фиг. 1 - схематичное представление теплового насоса на СО₂ с эжектором в качестве струйного насоса и компрессором,

фиг. 2 - Inp-h-диаграмма обратимого циркуляционного контура теплового насоса на СО₂ для теплового насоса согласно фиг. 1,

фиг. 3 - T-s-диаграмма для представления выигрыша в работе сжатия,

фиг. 4 - схема теплового насоса без струйного насоса (уровень техники) и

фиг. 5 - Inp-h-диаграмма обратного циркуляционного контура теплового насоса без струйного насоса для теплового насоса согласно фиг. 4.

На фиг. 4 показана схема обратного (против хода часовой стрелки) цикла паровой компрессионной холодильной установки (КККР) теплового насоса без струйного насоса согласно уровню техники (применяемые ссылочные позиции должны характеризовать как соединительные линии, так и содержащуюся в них рабочую среду с ее текущими состояниями):

Рабочая среда (охладитель) в качестве перегретой текучей среды известным образом сжимается в компрессоре V' (политропное сжатие 1'->2') и подается в конденсатор KON'. Скрытое и физическое тепло текучей среды в конденсаторе KON непосредственно передается во внутреннее пространство транспортного средства, например, в пассажирский салон или кабину или опосредованно передается во вторичный циркуляционный контур среды в качестве полезного тепла (2'->3'). После фазового превращения в конденсаторе KON' рабочая среда дросселируется в последующем дроссельном клапане DV' (изоэнтальпийное дросселирование 3'->4'). В конце процесса дросселирования рабочая среда достигает параметров влажного пара. Затем двухфазная смесь подается в испаритель VER'. В испарителе происходит фазовое превращение, причем подаваемый в окружающую среду тепловой поток передается с высоким термодинамическим потенциалом к рабочей среде в испарителе (4'->1').

Этот известный циркуляционный контур согласно уровню техники представлен на Inp-h-диаграмме на фиг. 5. Уровень давления р_I=р₁=p₄ соответствует давлению в местах 1' и 4', и уровень давления р_II=р₂=p₃ соответствует уровню давления в местах 2' и 3'. Потерями давления в теплообменнике можно пренебречь. На диаграмме показано отводимое тепло q_ab, значение которого соответствует подводимому теплу q_zu, дополненного работой сжатия I_v. Термический КПД зависит от производительности компрессора и при увеличении отношения давлений p_II/p_I возрастает потребность в энергии привода.

Целью изобретения является усовершенствование вышеописанного циркуляционного контура теплового насоса с повышением термического КПД посредством сокращения потребления энергии привода потребителя V. К тому же применяется природная рабочая среда (охладитель) в качестве экологичной, дешевой двуокиси углерода СО₂ (R 744).

На фиг. 1 показана схема соответствующего изобретению теплового насоса на СО₂ с эжектором EJ в качестве струйного насоса и компрессором V. После компрессора V по линии 2 расположен конденсатор KON. Выход конденсатора KON через линию 3 соединен с промежуточным теплообменником ZK, выход которого посредством линии 4 соединен с рабочим соплом 5 эжектора EJ. Выход эжектора EJ на диффузоре 7 ведет посредством линии 8 к сепаратору SEP, выход газа которого по линии 9 ведет к промежуточному теплообменнику ZK и там по линии 1 направляется к входу компрессора V. Выход жидкости сепаратора SEP соединен линией 10 через дроссельный клапан DV и линию 11 с компрессором VER, выход которого посредством линии 12 ведет к входу 6 всасываемой среды эжектора EJ.

Вышеуказанное устройство функционирует следующим образом:

Газообразная рабочая среда СО₂ сжимается в компрессоре V (1->2). Затем рабочая среда СО₂ подается в конденсатор KON, где происходит фазовое превращение (2->3), в котором газообразное текучее средство конденсируется, и возникающее при этом тепло предоставляется в распоряжение в качестве полезного тепла. Оно может передаваться непосредственно в пассажирский салон и/или кабину и/или другое внутреннее пространство транспортного средства. Альтернативно или параллельно полезное тепло может также вводиться в тепловой циркуляционный контур транспортного средства и использоваться косвенным образом.

В промежуточном теплообменнике ZK осуществляется генерация тепла (3->4, 9->1), которая приводит к сокращению потерь эксергии в циркуляционном контуре. При этом массовый поток рабочей среды на выходе конденсатора KON охлаждается в промежуточном теплообменнике ZK, и в свою очередь массовый поток рабочей среды перегревается перед компрессором V.

Из промежуточного теплообменника ZK поступающий из конденсатора массовый поток рабочей среды подается к эжектору EJ у рабочего сопла 5 в качестве приводной среды, где статическое давление рабочей текучей среды снижается. Снижение статического давления в эжекторе EJ повышает скорость рабочей текучей среды в его поперечном сечении и приводит к локальному повышению динамического давления. Тем самым создается эффект струйного насоса, так что посредством приводной среды (потока текучей среды из конденсатора KON или из промежуточного теплообменника ZK) другая среда, в качестве всасываемой среды, всасывается и перекачивается. Всасываемая среда является в данном случае вытекающей из испарителя VER рабочей средой, которая подсоединяется по линии 12 к входу 6 всасываемой среды эжектора EJ. В конце эжектора EJ в его диффузоре 7 вся среда сжимается. Эжектор EJ в качестве насоса имеет простую конструкцию и не содержит подвижных частей, так что он особенно надежен и прост в техническом обслуживании.

Сжатая двухфазная смесь из эжектора EJ подается на сепаратор SEP по линии 8. В сепараторе SEP газообразная среда СО₂ отделяется от жидкой среды СО₂. Газообразная среда СО₂ вытекает из сепаратора SEP по линии 9 к промежуточному теплообменнику ZK и там вновь по линии 1 к компрессору V.

Жидкая среда СО₂ накапливается в сепараторе и по линии 10 через дроссельный вентиль DV и подключенную линию 11 подается на испаритель VER. В испарителе реализуется фазовое превращение жидкой/газообразной фаз, причем к жидкой среде СО₂ подается тепловой поток. Газообразная среда СО₂ протекает из испарителя VER по линии 12 в качестве всасываемой среды к эжектору EJ.

На фиг. 2 цикл детально представлен на Inp-h-диаграмме:

Для реализации цикла СО₂ определены четыре уровня давления. Наивысший уровень давления p_III определяет выходное давление компрессора V, для которого на этапе проектирования теплового насоса устанавливается зависимость от температуры насыщения текучей среды в конденсаторе KON таким образом, что температура насыщения в конденсаторе KON должна быть выше, чем температура теплоприемника. Наименьшее давление р₀ в системе лежит при температуре насыщения в испарителе VER, соответствующей температуре источника тепла. Два промежуточных дополнительных уровня давления p_I и p_II получаются как результирующие рабочие давления после эжектора EJ (сжатие в 8) и после дроссельного клапана DV (в 11). Эти давления зависят от геометрии и конструктивных свойств эжектора EJ.

На фиг. 3 обозначены работы сжатия компрессора V для обоих представленных принципов действия теплового насоса: переход от 1 к 2 представлен для теплового насоса без эжектора соответственно уровню техники согласно фиг. 4 и 5. Переход от 1° к 2 получается для соответствующего изобретению теплового насоса с эжектором EJ. Показано, что работа сжатия для принципа действия теплового насоса с эжектором EJ по сравнению с тепловым насосом без эжектора EJ уменьшается. Выигрыш в работе сжатия обозначен на T-s-диаграмме согласно фиг. 3 штриховкой как площадь 1->1°->b->c.

Перечень ссылочных позиций

V компрессор

KON конденсатор

DV дроссельный клапан

VER испаритель

ZK промежуточный теплообменник

EJ эжектор

SEP сепаратор

1 рабочая среда (линия) между ZK и V

2 рабочая среда (линия) между V и KON

3 рабочая среда (линия) между KON и ZK

4 рабочая среда (линия) между ZK и EJ

5 рабочее сопло

6 вход для всасываемой среды

7 диффузор

8 рабочая среда (линия) между EJ и SEP

9 рабочая среда (линия) между SEP и ZK

10 рабочая среда (линия) между SEP и DV

11 рабочая среда (линия) между DV и VER

12 рабочая среда (линия) между VER и EJ

1' рабочая среда (линия) между VER' и V'

2' рабочая среда (линия) между V' и KON'

3' рабочая среда (линия) между KON' и DV'

4' рабочая среда (линия) между DV' и VER'.

Изобретение относится к устройству и способу работы теплового насоса, в частности, для нагрева внутреннего пространства транспортного средства. Компрессор (V), конденсатор (KON), дроссельный клапан (DV) и испаритель (VER) размещены в циркуляционном контуре теплового насоса рабочей среды. Газообразная рабочая среда является сжимаемой в компрессоре (V), выход компрессора соединен с входом конденсатора (KON). Тепло в качестве полезного тепла подается непосредственно или опосредованно к потребителю, в частности во внутреннее пространство транспортного средства. За конденсатором (KON) расположен струйный насос (EJ), на который подается, с одной стороны, поступающая от конденсатора (KON) жидкая рабочая среда в качестве приводной среды, а с другой стороны, вытекающая из испарителя (VER) газообразная рабочая среда в качестве всасываемой. Приводная среда и всасываемая среда сжимаются в струйном насосе (EJ) с образованием двухфазной смеси, в частности, приводная среда и всасываемая среда сжимаются в диффузоре (7) струйного насоса (EJ) с образованием двухфазной смеси. Выход струйного насоса соединен с входом сепаратора (SEP). Выход для газа сепаратора (SEP) соединен с входом компрессора, а выход для жидкости - с входом дроссельного клапана (DV). Выход дроссельного клапана (DV) соединен с входом испарителя (VER). Для циркуляционного контура теплового насоса заданы четыре уровня давления. Наивысший уровень давления (p_III) определяется выходным давлением компрессора (V). Самый низкий уровень давления (p₀) определяется температурой насыщения в испарителе (VER). Два промежуточных дополнительных уровня давления (p_I, p_II) определяются посредством рабочих давлений после струйного насоса (EJ) и после дроссельного клапана (DV). Техническим результатом является повышение эффективности. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Тепловой насос, в частности, для нагрева внутреннего пространства транспортного средства,

с рабочей средой, которая направляется в циркуляционном контуре теплового насоса, в котором размещены по меньшей мере один компрессор (V), по меньшей мере один конденсатор (KON), по меньшей мере один дроссельный клапан (DV) и по меньшей мере один испаритель (VER),

при этом

газообразная рабочая среда является сжимаемой в компрессоре (V) циркуляционного контура теплового насоса,

выход компрессора соединен с входом конденсатора (KON), в котором рабочая среда конденсируется с отдачей тепла, причем тепло в качестве полезного тепла подается непосредственно или опосредованно к по меньшей мере одному потребителю, в частности во внутреннее пространство транспортного средства,

за конденсатором (KON) расположен струйный насос (EJ), на который подается, с одной стороны, поступающая от конденсатора (KON) жидкая рабочая среда в качестве приводной среды, а с другой стороны, вытекающая из испарителя (VER) газообразная рабочая среда подается в качестве всасываемой среды таким образом, что приводная среда и всасываемая среда сжимаются в струйном насосе (EJ) с образованием двухфазной смеси, в частности приводная среда и всасываемая среда сжимаются в диффузоре (7) струйного насоса (EJ) с образованием двухфазной смеси,

выход струйного насоса соединен с входом сепаратора (SEP), на который подается двухфазная смесь и в котором газообразная рабочая среда отделяется от жидкой рабочей среды,

выход для газа сепаратора (SEP) соединен с входом компрессора, а выход для жидкости сепаратора (SEP) соединен с входом дроссельного клапана (DV), в котором жидкая рабочая среда дросселируется, и

выход дроссельного клапана (DV) соединен с входом испарителя (VER), в котором при подводе тепла осуществляется фазовое превращение с получением газообразной рабочей среды, которая в качестве всасываемой среды подается на вход (6) для всасываемой среды струйного насоса (EJ), отличающийся тем, что

для циркуляционного контура теплового насоса заданы четыре уровня давления таким образом, что

наивысший уровень давления (p_III) определяется выходным давлением компрессора (V),

самый низкий уровень давления (p₀) определяется температурой насыщения в испарителе (VER), и

два промежуточных дополнительных уровня давления (p_I, p_II) определяются посредством рабочих давлений после струйного насоса (EJ) и после дроссельного клапана (DV).

2. Тепловой насос по п. 1, отличающийся тем, что циркуляционный контур теплового насоса содержит промежуточный теплообменник (ZK), посредством которого, предпочтительно в противотоке, с одной стороны, рабочая среда направляется из конденсатора (KON) к струйному насосу (EJ), а с другой стороны, рабочая среда из сепаратора (SEP) направляется к компрессору (V).

3. Тепловой насос по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что в качестве рабочей среды применяется двуокись углерода СО₂ (R 744).

4. Способ функционирования теплового насоса по пп. 1-3,

при котором в циркуляционном контуре теплового насоса рабочей среды размещены по меньшей мере один компрессор (V), по меньшей мере один конденсатор (KON), по меньшей мере один дроссельный клапан (DV) и по меньшей мере один испаритель (VER),

причем

газообразную рабочую среду сжимают в компрессоре (V) циркуляционного контура теплового насоса,

выход компрессора соединен с входом конденсатора (KON), в котором рабочую среду конденсируют с отдачей тепла, причем тепло в качестве полезного тепла подают непосредственно или опосредованно к по меньшей мере одному потребителю, в частности во внутреннее пространство транспортного средства,

за конденсатором (KON) расположен струйный насос (EJ), на который подают, с одной стороны, поступающую от конденсатора (KON) жидкую рабочую среду в качестве приводной среды, а с другой стороны, вытекающую из испарителя (VER) газообразную рабочую среду подают в качестве всасываемой среды таким образом, что приводную среду и всасываемую среду сжимают в струйном насосе (EJ) с образованием двухфазной смеси, в частности приводную среду и всасываемую среду сжимают в диффузоре (7) струйного насоса (EJ) с образованием двухфазной смеси,

выход струйного насоса соединен с входом сепаратора (SEP), на который подают двухфазную смесь и в котором газообразную рабочую среду отделяют от жидкой рабочей среды,

выход для газа сепаратора (SEP) соединен с входом компрессора, а выход для жидкости сепаратора (SEP) соединен с входом дроссельного клапана (DV), и

в дроссельном клапане (DV) жидкую рабочую среду дросселируют, и выход дроссельного клапана (DV) соединен с входом испарителя (VER), в котором при подводе тепла осуществляют фазовое превращение с получением газообразной рабочей среды, которая в качестве всасываемой среды подается на вход (6) для всасываемой среды струйного насоса (EJ),

отличающийся тем, что

для циркуляционного контура теплового насоса задают четыре уровня давления таким образом, что

наивысший уровень давления (p_III) определяется выходным давлением компрессора (V),

самый низкий уровень давления (p_p) определяется температурой насыщения в испарителе (VER), и

два промежуточных дополнительных уровня давления (p_I, p_II) определяются посредством рабочих давлений после струйного насоса (EJ) и после дроссельного клапана (DV).

5. Транспортное средство, в частности, транспортное средство промышленного назначения, с тепловым насосом согласно любому из пп. 1-3.