УСТРОЙСТВО СЖАТИЯ ПАРА Российский патент 2022 года по МПК F25B49/02 F25B13/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к устройству сжатия пара, в котором промежуточный тепловой аккумулятор выполнен с возможностью высвобождения энергии (т.е. отдачи энергии) заряда и/или накопления энергии и тем самым регулировки температуры источника тепла или температуры теплоотвода в цикле сжатия пара.

В частности, настоящее изобретение относится к устройству сжатия пара, в котором тепловой аккумулятор расположен между испарителем и конденсатором, и устройство сжатия пара содержит материал с фазовым переходом (МФП), который выполнен с возможностью высвобождения энергии а (т.е. отдачи энергии) заряда и/или накопления энергии и тем самым регулировки температуры источника тепла и/или температуры теплоотвода в цикле сжатия пара в различных системах охлаждения и/или нагрева, включая: кондиционирование воздуха как для бытовых, так и для промышленных нужд; транспортировку продуктов/материалов на транспортных средствах, поездах, воздушных судах и т.д. Настоящее изобретение также относится к методу выбора материалов с фазовым переходом и/или хладагентов для устройства сжатия пара.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В известном уровне техники существует потребность в обеспечении улучшенного регулирования температуры в ряде систем, включая кондиционирование воздуха, как для бытовых, так и для промышленных нужд; транспортировку продуктов/материалов на транспортных средствах, поездах, воздушных судах и т.д.

Для систем известного уровня техники характерны такие недостатки, как ненадлежащая и неэффективная регулировка температуры и сложность систем, которые оказались ненадежными из-за регулярных поломок. В дополнение, системы известного уровня техники, имеющие сложные конструкции, являются очень тяжелыми, что неблагоприятно сказывается при транспортировке систем, а также затрудняет установку.

Задача, по меньшей мере, одного аспекта настоящего изобретения заключается в устранении или, по меньшей мере, минимизации одной или более вышеупомянутых проблем.

Дополнительная задача, по меньшей мере, одного аспекта настоящего изобретения заключается в обеспечении улучшенного устройства сжатия пара.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предложено устройство сжатия пара, содержащее:

насосную установку, используемую для нагнетания хладагента;

конденсатор, способный конденсировать хладагент;

испаритель, способный испарять хладагент,

тепловой аккумулятор, содержащий материал с фазовым переходом (МФП);

по меньшей мере, один или группу датчиков температуры и/или давления, способных отслеживать температуру и/или давление материала с фазовым переходом (МФП) в тепловом аккумуляторе;

в котором тепловой аккумулятор выполнен с возможностью подсоединения к конденсатору и/или испарителю для высвобождения энергии (т.е. отдачи энергии) заряда и/или накопления энергии, так что тепловой аккумулятор способен регулировать температуру источника тепла и/или температуру теплоотвода в цикле сжатия пара.

Поэтому, настоящее изобретение относится к устройству сжатия пара, в котором промежуточный тепловой аккумулятор между испарителем и конденсатором способен высвобождать энергию (т.е. отдавать энергию) заряда и/или накопления энергии и тем самым регулировать температуру источника тепла или температуру теплоотвода в цикле сжатия пара. Это обеспечивает высокоэффективную систему, которая является более совершенной по сравнению с любыми системами, известными в уровне техники.

Данное изобретение поэтому может относиться к устройству сжатия пара с регулируемыми температурой и/или давлением.

Может использоваться хладагент любого подходящего типа. Температура и/или давление хладагента также могут измеряться и/или отслеживаться наряду с направлением потока хладагента.

Следовательно, устройство в соответствии с настоящим изобретением может обеспечивать высокоэффективный способ регулирования потока хладагента в устройстве для обеспечения максимальной эффективности.

Физическое состояние и/или условия теплового аккумулятора могут тщательно отслеживаться, например, посредством измерений температуры и/или давления в реальном времени, проводимых в отношении материала с фазовым переходом (МФП). Альтернативно измерения температуры и/или давления могут проводиться постоянно и/или непрерывно, с перерывами или периодически, например, каждые 30 секунд или каждую минуту. Эту функцию может выполнять система управления регулированием.

Насосная установка в предпочтительных вариантах осуществления может представлять собой компрессор любого подходящего типа. Например, могут использоваться известные холодильные компрессоры.

Поэтому устройство сжатия пара имеет, по меньшей мере, один или группу датчиков температуры и/или давления, способных отслеживать и регулировать температуру и/или давление материала с фазовым переходом (МФП) в тепловом аккумуляторе.

Датчики температуры и/или давления могут быть расположены в любой части или могут быть составной частью теплового аккумулятора, например, на любой поверхности теплового аккумулятора, например, на верхней поверхности аккумулятора.

По меньшей мере, один или группа датчиков температуры и/или давления могут быть погружены в материал с фазовым переходом (МФП) для обеспечения диапазона измерений температуры и/или давления. С использованием этих измерений можно отслеживать и/или регулировать физическое состояние и/или условия материала с фазовым переходом (МФП). Например, для максимизации эффективности устройства сжатия пара в целом может проводиться серия измерений температуры и/или давления.

Было обнаружено, что получение измерений температуры и/или давления и определение температуры и/или давления обеспечивают точное отслеживание энергии заряда, удерживаемого материалом с фазовым переходом (МФП). Это позволяет осуществлять полную регулировку в устройстве в соответствии с настоящим изобретением в реальном времени.

Настоящее изобретение, поэтому может обеспечивать точное измерение состояния и физических условий теплового аккумулятора в реальном времени, включая энергию заряд, удерживаемую тепловым аккумулятором.

Измерение температуры и/или давление может проводиться с использованием любых подходящих устройств измерения температуры и давления, известных в уровне техники. Это позволяет проводить измерения температуры и/или давления материала с фазовым переходом (МФП), расположенного в тепловом аккумуляторе, в реальном времени. Особое техническое преимущество этого заключается в возможности отслеживания и/или измерения давления и/или температуры в тепловом аккумуляторе. Это позволяет эффективно управлять всей системой, а системе, быть полностью управляемой.

Также можно осуществлять переключение потока хладагента, и очень точно регулировать его с использованием измерений температуры и/или давления для обеспечения высокоэффективной системы.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения испаритель может быть расположен вертикально ниже или по существу вертикально ниже конденсатора.

Тепловой аккумулятор может быть расположен в промежуточном положении между конденсатором и испарителем. Следовательно, настоящее изобретение обеспечивает промежуточную ступень между источником тепла и/или теплоотводом и окружающей средой с регулируемой температурой. Следовательно, тепловой аккумулятор, содержащий материал с фазовым переходом (МФП), может функционировать в качестве промежуточного теплообменника в устройстве. Поэтому тепловой аккумулятор способен высвобождать энергию (т.е. отдавать энергию) заряда и/или накапливать энергию и тем самым регулировать температуру источника тепла или температуру теплоотвода в устройстве сжатия пара.

Поэтому устройство в соответствии с настоящим изобретением может иметь дополнительную функциональную возможность, благодаря которой оно не зависит от времени между первым этапом и вторым этапом теплообмена. Такая независимость достигается за счет использования материала с фазовым переходом (МФП), поскольку энергия может высвобождаться в любое время. Первый этап может называться предварительным охлаждением или предварительным нагревом, а второй этап может называться охлаждением при отдаче энергии или нагревом при отдаче энергии.

Может быть обеспечена группа и/или сеть труб, соединяющих различные компоненты, например, насосную установку (например, компрессор), конденсатор, испаритель, тепловой аккумулятор, в устройстве, которые регулируются, например, с помощью клапанов, таких как расширительные клапаны, запорные клапаны и т.д. Это рассмотрено более подробно ниже.

Материал с фазовым переходом (МФП) может функционировать в качестве среды для передачи тепла, например, в теплообменник с хладагентом, т.е. испаритель и/или конденсатор.

Устройство может быть расположено в по существу вертикальной ориентации, в которой резервуар для жидкости может быть расположен предпочтительно выше компрессора. Как правило, резервуар для жидкости может быть расположен вертикально или по существу вертикально между испарителем и конденсатором.

Резервуар для жидкости может быть расположен после конденсатора и может иметь размеры, позволяющие ему вмещать запас жидкого хладагента. Поэтому резервуар для жидкости может функционировать в качестве емкости, служащей в качестве резервуара для некоторого количества жидкого хладагента.

Компрессор может использоваться для сжатия и/или повышения давления хладагента в системе и/или сети труб устройства.

В ситуации, когда устройство используется для предварительного охлаждения при отдаче энергии или предварительного нагрева, поток хладагента движется сверху вниз в вертикально или по существу вертикально ориентированном устройстве. Это можно рассматривать как первый этап охлаждения/нагрева в настоящем изобретении.

В ситуации, когда устройство используется для предварительного охлаждения или нагрева при отдаче энергии, поток хладагента движется снизу вверх в вертикально или по существу вертикально ориентированном устройстве.

Поток хладагента в устройстве может быть реверсирован без потери функциональности.

Может быть использован материал с фазовым переходом (МФП) любого подходящего типа, включая любой из следующих материалов или их сочетание:

парафиновый материал, такой как декан, например, образующий МФП с температурой фазового перехода от около -25°C до около -35°C или около -30°C, при необходимости, с дополнительными присадками для улучшения нуклеации, скорости кристаллизации и/или циклируемости;

эвтектика соль-вода, такая как хлорид натрия и вода, например, образующая МФП с температурой фазового перехода от около -20°C до около -25°C или около -22°C, при необходимости, с дополнительными присадками для улучшения нуклеации, скорости кристаллизации и/или циклируемости;

эвтектика соль-вода, такая как сульфат магния и вода, например, образующая МФП с температурой фазового перехода от около -10°C до около 0°C или около -5°C, при необходимости, с дополнительными присадками для улучшения нуклеации, скорости кристаллизации и/или циклируемости;

эвтектика соль-вода, такая как сульфат натрия и вода, например, образующая МФП с температурой фазового перехода от около -5°C до около +5°C или около -1°C, при необходимости, с дополнительными присадками для улучшения нуклеации, скорости кристаллизации и/или циклируемости;

органический сложный эфир, такой как метиллаурат, например, образующий МФП с температурой фазового перехода от около 0°C до около 10°C или около 5°C, с возможными присадками для улучшения нуклеации, скорости кристаллизации и/или циклируемости;

клатратный гидрат, такой как тетрагидрофуран (THF) и вода, например, образующий МФП с температурой фазового перехода от около 0°C до около 10°C или около 5°C, при необходимости, с дополнительными присадками для улучшения нуклеации, скорости кристаллизации и/или циклируемости;

сложный эфир, такой как диметилсукцинат, например, образующий МФП с температурой фазового перехода от около 15°C до около 25°C или около 18°C, при необходимости, с дополнительными присадками для улучшения нуклеации, скорости кристаллизации и/или циклируемости;

жирный спирт, такой как додеканол, например, образующий МФП с температурой фазового перехода от около 15°C до около 25°C или около 22°C, при необходимости, с дополнительными присадками для улучшения нуклеации, скорости кристаллизации и/или циклируемости;

гидрат соли, такой как декагидрат сульфата натрия, например, образующий МФП с температурой фазового перехода от около 25°C до 35°C или около 32°C, при необходимости, с дополнительными присадками для улучшения нуклеации, скорости кристаллизации и/или циклируемости;

гидрат соли, такой как тригидрат ацетата натрия, например, образующий МФП с температурой фазового перехода от около 0°C до около 10°C или около 5°C, при необходимости, с дополнительными присадками для улучшения нуклеации, скорости кристаллизации и/или циклируемости;

полиол с фазовым переходом из твердой фазы в твердую фазу, такой как триметилолэтан, например, образующий МФП с температурой фазового перехода от около 70°C до около 95°C или около 81°C, при необходимости, с дополнительными для улучшения нуклеации, скорости кристаллизации и/или циклируемости; и

полиол, такой как эритрит, например, образующий МФП с температурой фазового перехода от около 100°C до около 150°C или около 121°C, с возможными присадками для улучшения нуклеации, скорости кристаллизации и/или циклируемости.

Может быть выбран материал с фазовым переходом (МФП), который имеет температуру фазового перехода на около 1°C-20°C или предпочтительно около 10°C-15°C выше температуры, до которой требуется осуществить охлаждение (например, наименьшей температуры), и/или температуру фазового перехода, которая вызывает конденсацию хладагента при давлении на 1-10 бар (изб.) или предпочтительно около 1-5 бар (изб.) выше требуемого давления испарения. Кроме того, может быть выбран материал с фазовым переходом (МФП), который имеет температуру фазового перехода на около 1°C-20°C или предпочтительно на около 10°C-15°C выше температуры (например, минимальной температуры) окружающих условий, в которых тепловой насос получает свою тепловую энергию, и/или температуру фазового перехода, которая вызывает испарение хладагента при давлении на около 1-10 бар (изб.) или предпочтительно около 1-5 бар (изб.) выше давления, при котором хладагент будет испаряться, например, при заданной минимальной окружающей температуре из расчетных условий.

Хладагент может быть выбран из одного или более следующих хладагентов: гидрофторуглероды; и углеводороды.

Типичные хладагенты на основе углеводородов включают в себя один или более следующих хладагентов: изобутан и пропан.

Другие подходящие хладагенты включают в себя диоксид углерода и аммиак.

Ниже приведены подходящие хладагенты для настоящего изобретения, которые могут использоваться самостоятельно или в любом сочетании:

Токсичность хладагента: классификация ISO 817 A3 B3 Высокая воспламеняемость A2 B2 Воспламеняющийся A2L B2L Низкая воспламеняемость A1 B1 Невоспламеняющийся Низкая токсичность Высокая токсичность

Предпочтительны невоспламеняющиеся хладагенты с низкой токсичностью

Хладагент ПГП* Класс P_пара (бар (абс.))
при -20°C P_жид (бар (абс.))
при 0°C P_жид,
бар (абс.)
при +60°C Области применения Гидрофтор-углероды R404A 3922 A1 3,00 6,10 28,85 охлаждение замороженных продуктов, технологическое охлаждение R452A 2140 A1 2,62 6,09 28,73 R407F 1824 A1 2,46 6,29 30,35 R449A 1397 A1 2,25 5,72 27,54 R454A 238 A2L 2,17 5,36 25,71 R454C 146 A2L 1,90 4,55 22,24 R134a 1430 A1 1,33 2,93 16,82 системы охлаждения супермаркетов, технологическое охлаждение, бытовое охлаждение, системы кондиционирования воздуха в жилых домах, мобильные системы кондиционирования R513A 631 A1 1,42 3,06 16,61 R1234ze 6 A2L 0,97 2,17 12,77 R1234yf 4 A2L 1,51 3,16 16,42 R410A 2088 A1 3,99 8,01 38,42 медицинские морозильники, сжижение СПГ, системы кондиционирования воздуха в жилых домах R32 675 A2L 4,06 8,13 39,33 R452B 676 A2L 3,09 7,20 34,30 Углеводороды Изобутан 3 A3 0,72 1,57 8,69 торговые автоматы, охлаждение при транспортировке (CO2), промышлен-ное охлаждение (аммиак) пропан 3 A3 2,45 4,74 21,17 диоксид углерода 1 A1 19,70 34,85 Сверх-критическое ниже 31,1°C аммиак 0 B2L 1,90 4,29 26,16

*ПГП - Потенциал глобального потепления

Хладагенты, перечисленные выше, могут быть выбраны для различных температурных диапазонов.

В тепловом аккумуляторе могут быть расположены группы труб. Трубы могут содержать ребра, изоляцию и внешний кожух. Любой подходящий тип или ориентация труб могут использоваться, чтобы оказать содействие распределению энергии от материала с фазовым переходом (МФП) или к материалу с фазовым переходом.

С внешней стороны (например, на верхней поверхности) теплового аккумулятора, при необходимости, дополнительно могут быть расположены датчики температуры и/или давления, например, обеспечивающие измерения температуры и/или давления. Датчики температуры и/или давления могут быть погружены в материал с фазовым переходом (МФП) в тепловом аккумуляторе.

Необходимо отметить, что в настоящем изобретении было обнаружено, что давление хладагента и/или температура материала с фазовым переходом (МФП) могут указывать состояние и физические условия теплового аккумулятора. Энергию заряда, удерживаемую материалом с фазовым переходом (МФП), также можно измерять и/или отслеживать с использованием измерений температуры и/или давления.

Испаритель может представлять собой змеевиковый испаритель с вентиляторным обдувом. Испаритель может быть расположен ниже или по существу ниже конденсатора. Испаритель в случае, когда он должен использоваться для охлаждения, может использоваться для охлаждения пространства, предназначенного для охлаждения. Альтернативно испаритель может использоваться для нагрева от пространства, которое предназначено для нагрева.

Выше испарителя может быть расположен конденсатор, который может представлять собой, например, змеевиковый конденсатор с вентиляторным обдувом. Конденсатор может использоваться в окружающих условиях, в которых отводится тепло. Альтернативно конденсатор может использоваться для нагрева пространства, предназначенного для нагрева. Это обеспечивает поток хладагента в устройстве сверху вниз. Однако направление потока может быть изменено на обратное.

Поэтому функция, выполняемая испарителя и конденсатора, может быть изменена на обратную, и они могут заменять друг друга в разных циклах.

Кроме того, испаритель и конденсатор могут быть заменены другими теплообменниками, известными в уровне техники, например, пластинчатыми теплообменниками. Следовательно, устройство в соответствии с настоящим изобретением, легко адаптируется к разным ситуациям.

Устройство может содержать реверсивный клапан для реверсирования потока хладагента. В конкретном варианте осуществления может использоваться четырехходовой реверсивный клапан.

В устройство также могут быть встроены реверсивный клапан и электромагнитные клапаны для переключения между накоплением энергии и/или отдачей энергии и оттаиванием горячими парами теплообменников.

Переключение может происходить вручную или электронным средством и зависит от измеренных температуры и/или давления и необходимости переключения. Например, при необходимости нагрева хладагент может течь из теплового аккумулятора, а при необходимости охлаждения хладагент может течь в тепловой аккумулятор. Переключение потока может осуществляться, при необходимости, для максимизации эффективности устройства.

Устройство также может содержать расширительный клапан, который может быть подсоединен к испарителю, когда он функционирует в качестве действующего испарителя. Расширительный клапан может представлять собой электронный или термостатический клапан.

Может быть установлен дополнительный клапан, который также может использоваться в качестве запорного клапана. Запорный клапан может представлять собой электронный или управляемый вручную запорный клапан. Запорный клапан может быть подсоединен к реверсивному клапану и тепловому аккумулятору.

К конденсатору может быть подсоединен дополнительный клапан, который, например, функционирует в качестве обратного клапана. Обратный клапан также может быть подсоединен к резервуару для жидкости.

В предпочтительном варианте осуществления резервуар для жидкости может быть расположен выше компрессора и ниже конденсатора.

Устройство также может содержать осушитель, например, фильтр-влагоотделитель, который, при необходимости, дополнительно расположен предпочтительно вертикально ниже резервуара для жидкости.

Устройство также может, дополнительно содержать смотровое окно, например, смотровое стекло.

Устройство также может содержать расширительные устройства (например, расширительные клапаны), которые могут использоваться для предварительного охлаждения. В случае, когда расширительный клапан является электронным, дополнительные соленоиды не требуются.

Как правило, устройство также может содержать по меньшей мере один электромагнитный клапан, расположенный между тепловым аккумулятором и реверсивным клапаном. Электромагнитный клапан может использоваться для отключения теплового аккумулятора, если требуется.

Электромагнитные клапаны могут использоваться с возможностью замены любым управляемым зональным клапаном.

Устройство также может содержать аккумулятор на всасывающем трубопроводе, который может использоваться для расширения хладагента и обеспечения возврата только паров в компрессор.

Устройство также может содержать регулятор давления в картере. Регулятор давления в картере предпочтительно может работать, например, при давлении около 2 бар с таким хладагентом, как R449A. Однако могут быть использованы хладагенты любого другого подходящего типа.

Также может быть установлен дополнительный электромагнитный клапан, соединенный с тепловым аккумулятором и резервуаром для жидкости.

Дополнительно может быть установлен электромагнитный клапан, который может использоваться для оттаивания горячими парами.

В альтернативных вариантах осуществления устройство также может содержать встроенную капиллярную трубку.

В дополнительных вариантах осуществления устройство также может содержать встроенный приемник жидкости и капиллярную трубку.

Устройство также может содержать встроенный микроканальный теплообменник, используемый для конденсации хладагента и накопления энергии в тепловом аккумуляторе. Перегретые пары хладагента могут попадать в микроканальный теплообменник через входное отверстие, конденсироваться в каналах и выходить в виде жидкости через выходное отверстие.

Особый аспект и преимущество настоящего изобретения заключаются в том, что одно устройство может использоваться как для нагрева, так и для охлаждения с обратимыми циклами. Это означает, что может быть предоставлено устройство, которое может использовать один компрессор и хладагент, как для накопления энергии, так и для охлаждения, что снижает стоимость таких систем для конечного пользователя.

В цикле отдачи энергии устройству необходимо передавать тепловую энергию между промежуточным теплообменником (т.е. тепловым аккумулятором) и окружающей средой с регулируемой температурой.

Устройство работает посредством потока хладагента, приводимого в движение за счет перепада давления в насосной установке (например, компрессоре). Именно этот перепад давления переносит тепло в устройстве. Перепад давления зависит от температуры, при которой хладагент испаряется в испарительном змеевике в испарителе, и температуры, при которой он конденсируется в конденсирующем змеевике в конденсаторе.

В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предлагается устройство сжатия пара, содержащее:

насосную установку, которая используется для нагнетания хладагента;

конденсатор, способный конденсировать хладагент;

испаритель, способный испарять хладагент,

тепловой аккумулятор, содержащий материал с фазовым переходом (МФП);

в котором тепловой аккумулятор выполнен с возможностью подсоединения к конденсатору и/или испарителю для высвобождения энергии заряда (т.е. отдачи энергии) и/или накопления энергии, так что тепловой аккумулятор способен регулировать температуру источника тепла и/или температуру теплоотвода в цикле сжатия пара.

Устройство в соответствии со вторым аспектом может содержать любой из признаков, определенных для первого аспекта, и любую их комбинацию.

В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения представлен способ регулирования температуры источника тепла и/или температуры теплоотвода в цикле сжатия пара с использованием устройства в соответствии с любым из первого и второго аспектов.

Способ может включать в себя этап, на котором предоставляют:

насосную установку, которая используется для нагнетания хладагента;

конденсатор, способны конденсировать хладагент хладагент;

испаритель, способный испарять хладагент;

тепловой аккумулятор, содержащий материал с фазовым переходом (МФП);

по меньшей мере, один или группу датчиков температуры и/или давления, способных отслеживать температуру и/или давление материала с фазовым переходом (МФП) в тепловом аккумуляторе;

в котором тепловой аккумулятор выполнен с возможностью подсоединения к конденсатору и/или испарителю для высвобождения заряда энергии (т.е. отдачи энергии) и/или накопления энергии, причем тепловой аккумулятор способен регулировать температуру источника тепла и/или температуру теплоотвода в цикле сжатия пара.

В соответствии с четвертым аспектом настоящего изобретения представлен метод выбора материалов с фазовым переходом (МФП) и/или хладагентов для устройства сжатия пара, содержащая этапы, на которых:

выбирают законодательно разрешенные хладагенты с наименьшим потенциалом глобального потепления (ПГП) и выбирают потенциальный хладагент;

определяют диапазон давлений выбранного потенциального хладагента;

определяют, при каких температурах испаряется и конденсируется потенциальный хладагент относительно заданной температуры отделения (ЗТО) и минимальной температуры окружающей среды (миним. ТОС);

для каждого из списка материалов с фазовым переходом (МФП) с температурами фазового перехода (TФП) в диапазоне от ЗТО до миним. ТОС оценивают давление хладагента, которое возникает при температуре фазового перехода;

редактируют список, исключая все потенциальные варианты, которые имеют недостаточный перепад давления для осуществления потока хладагента между испарением и конденсацией в цикле охлаждения от ТФП МФП до миним ТОС и/или до ЗТО в цикле охлаждения МФП;

с использованием таблиц насыщения хладагента вычисляют термодинамическое состояние хладагента во множестве точек (например, в 2-10 или предпочтительно в 4 точках) цикла охлаждения для испарения и конденсации в цикле охлаждения от ТФП МФП до миним. ТОС и/или до ЗТО в цикле охлаждения МФП:

- состояние хладагента на входе в компрессор,

- состояние хладагента на выходе из компрессора,

- состояние хладагента на выходе из конденсатора,

- состояние хладагента на выходе из испарителя,

вычисляют тепловую нагрузку (кВт) на испаритель и/или конденсатор и работу (кВт) компрессора для каждого цикла охлаждения;

с использованием этой информации определяют коэффициент полезного действия (ЛПД) для нагрева и/или охлаждения для каждой пары хладагента и МФП;

С использованием вышеописанного метода можно использовать любой подходящий материал с фазовым переходом (МФП) и/или хладагент, как рассмотрено выше в данной заявке в любом из предыдущих аспектов.

Кроме того, во время вычисления термодинамического состояния хладагента может быть проанализировано любое подходящее количество точек.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение будет описано ниже исключительно в качестве примера со ссылкой на чертежи, на которых:

Фиг. 1 представляет изображение устройства сжатия пара в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения в фазе охлаждения при отдаче энергии.

Фиг. 2 представляет изображение устройства, показанного на фиг. 1, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения в фазе предварительного охлаждения.

Фиг. 3 представляет изображение устройства, показанного на фигурах 1 и 2, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения в фазе обычного резервирования.

Фиг. 4 представляет изображение устройства, показанного на фигурах 1, 2 и 3, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения в фазе оттаивания горячими парами.

Фиг. 5 представляет изображение устройства, показанного на фигурах 1-4, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения в фазе цикла охлаждения при отдаче энергии.

Фиг. 6 представляет увеличенный вид теплового аккумулятора, показанного на фиг. 5, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 7 представляет изображение альтернативного варианта осуществления, в котором установлен тепловой аккумулятор с встроенной капиллярной трубкой, и устройство используется в качестве испарителя в системе без возможности обратимости в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 8 представляет изображение дополнительного варианта осуществления, в котором показанное устройство содержит встроенный приемник жидкости и капиллярную трубку, причем устройство используется в фазе обратимой системы в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 9 представляет изображение еще одного дополнительного варианта осуществления, в котором устройство содержит тепловой аккумулятор со встроенным микроканальным теплообменником, используемым для конденсации хладагента и накопления энергии в тепловом аккумуляторе в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг 10 представляет изображение накопления энергии в материале с фазовым переходом (МФП) при охлаждении с температурой фазового перехода материала с фазовым переходом (МФП) в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 11 представляет изображение отдачи энергии теплового аккумулятора с использованием материала с температурой фазового перехода (ТФП) материала с фазовым переходом (МФП) около -5°C.

Фиг. 12 представляет методику, которая позволяет выбрать материал с фазовым переходом (МФП) и/или хладагент для конкретного использования, например, в устройстве, показанном на фигурах 1-9, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Настоящее изобретение относится к устройству сжатия пара, в котором промежуточный тепловой аккумулятор выполнен с возможностью высвобождения энергии заряда (т.е. отдачи энергии) и/или накопления энергии и тем самым регулирования температуры источника тепла или температуры теплоотвода в цикле сжатия пара. По меньшей мере, один или группа датчиков температуры и/или давления могут отслеживать в реальном времени температуру и/или давление материала с фазовым переходом (МФП) в тепловом аккумуляторе, что позволяет управлять тепловым аккумулятором и обеспечивает высокоэффективную систему для устройства сжатия пара.

В настоящем изобретении в промежуточном тепловом аккумуляторе, который расположен между конденсатором и испарителем используется материал с фазовым переходом (МФП). Материал с фазовым переходом (МФП) служит в качестве среды для передачи тепла, например, в теплообменник с хладагентом, т.е. испаритель и/или конденсатор. Материал с фазовым переходом (МФП) представляет собой альтернативную среду теплообмена в виде накопителя энергии. Материал с фазовым переходом (МФП) может использоваться для образования теплового аккумулятора, как описано ниже.

Назначение промежуточного теплового аккумулятора в устройстве в соответствии с настоящим изобретением заключается в обеспечении промежуточной ступени между источником тепла и/или теплоотводом и окружающей средой с регулируемой температурой. Фактически, устройство в соответствии с настоящим изобретением имеет дополнительную функциональную возможность, благодаря которой оно не зависит от времени между первым этапом и вторым этапом теплообмена. Такая независимость достигается за счет использования материала с фазовым переходом (МФП), поскольку энергия может высвобождаться в любое время. Первый этап может называться предварительным охлаждением или предварительным нагревом, а второй этап может называться охлаждением при отдаче энергии или нагревом при отдаче энергии.

Фиг. 1 представляет изображение устройства сжатия пара в соответствии с настоящим изобретением. На фиг. 1 устройство используется в фазе охлаждения при отдаче энергии, в которой можно увидеть, как хладагент тычет из теплового аккумулятора 4 в резервуар 13 для жидкости и вниз в испаритель 7.

На фиг. 1 устройство сжатия пара показано в вертикальной или по существу вертикальной ориентации, в которой резервуар 13 для жидкости расположен предпочтительно выше компрессора 1. Кроме того, испаритель 7 расположен ниже конденсатора 8.

Резервуар 13 для жидкости расположен после конденсатора 8 и имеет размеры, позволяющие ему вмещать запас жидкого хладагента. Поэтому резервуар 13 для жидкости функционирует в качестве приемника, служащего в качестве резервуара для некоторого количества жидкого хладагента. От резервуара 13 для жидкости до входа расширительного клапана проходит жидкостный трубопровод, который спроектирован так, чтобы обеспечивать надлежащую подачу жидкого хладагента и, следовательно, способствовать контролируемому массовому расходу хладагента.

Устройство ориентировано так, чтобы наилучшим образом обеспечивать эффект термосифона, согласно которому разность плотностей хладагента в жидком или газообразном состоянии, как правило, приводит к тому, что газообразный хладагент является более плавучим. Этот эффект оптимизируется за счет обеспечения наиболее эффективного вертикального или по существу вертикального пути потока между компонентами и/или пути потока в компонентах, показанных на фиг. 1.

Нагнетательный трубопровод компрессора немного поднимается до конденсатора 8 или теплового аккумулятора 4, подавая перегретые пары хладагента. Затем трубопровод для жидкости проходит вниз или по существу вниз в направлении резервуара 13 для жидкости, подавая переохлажденный сконденсированный жидкий хладагент.

Путь от резервуара 13 для жидкости до расширительного клапана 16 или 17 проходит вниз или по существу вниз, предпочтительно подавая переохлажденный сконденсированный жидкий хладагент. Хладагент испытывает падение давления при прохождении через отверстие расширительного клапана, и общий путь потока проходит вертикально вверх или по существу вверх до выхода испарителя 7.

Путь потока от испарителя 7 до компрессора 8 является конструктивным решением для конкретного применения. Необходимо рассмотреть два момента:

1) Ориентация пути потока немного вниз для облегчения возврата циркулирующего компрессорного масла в компрессор 8, поскольку хладагент является менее плотным для переноса капель масла.

2) Ориентация пути потока немного вверх для использования естественной тенденции хладагента к подъему, когда он становится менее плотным.

Поэтому устройство ориентировано так, чтобы наилучшим образом облегчать циркуляцию компрессорного масла в системе, смотри вышеописанный пункт (1). Таким образом, было обнаружено, что наилучшей ориентацией устройства, показанного на фиг. 1, является вертикальная или по существу вертикальная ориентация.

Размеры трубопроводов и путь потока устройства выбраны таким образом, чтобы облегчать циркуляцию компрессорного масла в устройстве. Диаметры трубопроводов выбраны таким образом, чтобы оптимизировать скорость потока хладагента и минимизировать падение давления, испытываемое потоком хладагента. Например, хладагент должен течь со скоростью потока паров около 1-5 м/с или предпочтительно около 2,5 м/с.

От резервуара 13 для жидкости до входа расширительного клапана 16, 17 проходит жидкостный трубопровод, который спроектирован так, чтобы обеспечивать надлежащую подачу жидкого хладагента во вход и, следовательно, способствовать контролируемому массовому расходу хладагента.

Ниже будет описано более подробно устройство сжатия пара. Необходимо также отметить, что сплошные линии между различными компонентами на фиг. 1 показывают активный путь потока. В дополнение, пунктирные линии показывают неактивный путь потока. Направление потока хладагента (т.е. энергии) показано стрелками.

Устройство сжатия пара содержит компрессор 1. Компрессор 1 может представлять собой компрессор любого подходящего типа или альтернативно насосную установку любого типа. Однако, как указано выше, в предпочтительных вариантах осуществления резервуар 13 для жидкости расположен выше компрессора 1. Размещение резервуара 13 для жидкости выше компрессора 1 обеспечивает преимущество, заключающееся в большей эффективности активного пути потока.

В ситуации, когда устройство используется для предварительного охлаждения при отдаче энергии или предварительного нагрева, поток хладагента движется сверху вниз, как показано стрелкой 2, в устройстве, показанном на фиг. 1. Это можно рассматривать как первый этап охлаждения/нагрева в настоящем изобретении.

В ситуации, когда устройство используется для предварительного охлаждения или нагрева при отдаче энергии, поток хладагента движется снизу вверх в устройстве, показанном на фиг. 1. Это показано стрелкой 3 в устройстве.

Направление потока, показанное стрелками 2, 3, может быть изменено на обратное без потери функциональности устройства. Однако предпочтительное направление на фиг. 1 показано стрелками 2, 3.

Тепловой аккумулятор 4 используется для размещения материала 5 с фазовым переходом (МФП). Может быть выбран материал 5 с фазовым переходом (МФП) любого подходящего типа, например:

парафиновый материал, такой как декан, например, образующий МФП с температурой фазового перехода от около -25°C до около -35°C или около -30°C при необходимости, с дополнительными возможными присадками для улучшения нуклеации, скорости кристаллизации и/или циклируемости;

эвтектика соль-вода, такая как хлорид натрия и вода, например, образующая МФП с температурой фазового перехода от около -20°C до около -25°C или около -22°C, при необходимости, с дополнительными присадками для улучшения нуклеации, скорости кристаллизации и/или циклируемости;

эвтектика соль-вода, такая как сульфат магния и вода, например, образующая МФП с температурой фазового перехода от около -10°C до около 0°C или около -5°C, при необходимости, с дополнительными присадками для улучшения нуклеации, скорости кристаллизации и/или циклируемости;

эвтектика соль-вода, такая как сульфат натрия и вода, например, образующая МФП с температурой фазового перехода от около -5°C до около +5°C или около -1°C, при необходимости, с дополнительными присадками для улучшения нуклеации, скорости кристаллизации и/или циклируемости;

органический сложный эфир, такой как метиллаурат, например, образующий МФП с температурой фазового перехода от около 0°C до около 10°C или около 5°C, при необходимости, с дополнительными присадками для улучшения нуклеации, скорости кристаллизации и/или циклируемости;

клатратный гидрат, такой как тетрагидрофуран (THF) и вода, например, образующий МФП с температурой фазового перехода от около 0°C до около 10°C или около 5°C, при необходимости, с дополнительными присадками для улучшения нуклеации, скорости кристаллизации и/или циклируемости;

сложный эфир, такой как диметилсукцинат, например, образующий МФП с температурой фазового перехода от около 15°C до около 25°C или около 18°C, при необходимости, с дополнительными присадками для улучшения нуклеации, скорости кристаллизации и/или циклируемости;

жирный спирт, такой как додеканол, например, образующий МФП с температурой фазового перехода от около 15°C до около 25°C или около 22°C, при необходимости, с дополнительными присадками для улучшения нуклеации, скорости кристаллизации и/или циклируемости;

гидрат соли, такой как декагидрат сульфата натрия, например, образующий МФП с температурой фазового перехода от около 25°C до 35°C или около 32°C, при необходимости, с дополнительными присадками для улучшения нуклеации, скорости кристаллизации и/или циклируемости;

гидрат соли, такой как тригидрат ацетата натрия, например, образующий МФП с температурой фазового перехода от около 0°C до около 10°C или около 5°C, при необходимости, с дополнительными присадками для улучшения нуклеации, скорости кристаллизации и/или циклируемости;

полиол с твердофазным изменением, такой как триметилолэтан, например, образующий МФП с температурой фазового перехода от около 70°C до около 95°C или около 81°C, при необходимости, с дополнительными присадками для улучшения нуклеации, скорости кристаллизации и/или циклируемости; и

полиол, такой как эритрит, например, образующий МФП с температурой фазового перехода от около 100°C до около 150°C или около 121°C, при необходимости, с дополнительными присадками для улучшения нуклеации, скорости кристаллизации и/или циклируемости.

Выбирают материал с фазовым переходом (МФП), который имеет температуру фазового перехода на около 1°C-20°C или предпочтительно на около 10°C-15°C выше температуры, до которой требуется осуществить охлаждение (например, наименьшей температуры), и/или температуру фазового перехода, которая вызывает конденсацию хладагента при давлении на 1-10 бар (изб.) или предпочтительно на около 1-5 бар (изб.) выше требуемого давления испарения. Кроме того, выбирают материал с фазовым переходом (МФП), который имеет температуру фазового перехода на около 1°C-20°C или предпочтительно на около 10°C-15°C выше температуры (например, минимальной температуры) окружающих условий, в которых тепловой насос получает свою тепловую энергию, и/или температуру фазового перехода, которая вызывает испарение хладагента при давлении на около 1-10 бар (изб.) или предпочтительно на около 1-5 бар (изб.) выше давления, при котором хладагент будет испаряться при заданной минимальной окружающей температуре из проектных условий.

Поэтому для различных целей и применений из списка известных материалов с фазовым переходом (МФП) может быть выбран конкретный материал с фазовым переходом (МФП). Следовательно, система и устройство, предложенные в настоящем изобретении, легко адаптируются к диапазону условий и сред, для которых характерен широкий диапазон климатических условий, температур и влажности. Это обеспечивает преимущество, заключающееся в том, что аналогичные устройства можно продавать по всему миру, при этом необходимо лишь адаптировать и заменять материал с фазовым переходом (МФП) в соответствии с местной окружающей средой. Следовательно, устройство, предложенное в настоящем изобретении, обеспечивает коммерчески выгодный и весьма привлекательный подход для снижения затрат на изготовление устройства сжатия пара.

Внутри теплового аккумулятора 4 расположена группа труб 6. Трубы могут содержать ребра, изоляцию и внешний кожух (не показаны). Для содействия распределению энергии материала с фазовым переходом (МФП) могут использоваться трубы 6 любого подходящего типа и ориентации.

Как показано на фиг. 1, на верхней поверхности теплового аккумулятора 4 дополнительно могут быть расположены датчики 23 температуры и/или давления, например, обеспечивающие измерения T1, T2 и T3 температуры и измерения давления. Датчики температуры и/или давления могут быть погружены в материал 5 с фазовым переходом (МФП) в тепловом аккумуляторе 4.

Необходимо отметить, что в настоящем изобретении обнаружено, что давление хладагента и/или температура материала с фазовым переходом (МФП) могут указывать состояние и физические условия теплового аккумулятора 4, включая заряд энергии, удерживаемый материалом 5 с фазовым переходом (МФП). Например, обнаружено, что в холодном состоянии давление является низким, например, для температуры -10°C при использовании материала R449A, известного в уровне техники, обеспечивается давление 3,6 бар; для температуры +60°C при использовании материала R449A, известного в уровне техники, обеспечивается давление 27,06 бар.

Поэтому тепловой аккумулятор 4, содержащий материал 5 с фазовым переходом (МФП), может функционировать в качестве промежуточного теплообменника в устройстве. Следовательно, тепловой аккумулятор 4 выполнен с возможностью высвобождения заряда энергии (т.е. отдачи энергии) и/или накопления энергии и тем самым регулирования температуры источника тепла или температуры теплоотвода в устройстве сжатия пара. В известном уровне техники отсутствует такое устройство регулирования.

Фиг. 1 также показывает испаритель 7 (например, змеевиковый испаритель вентиляторным обдувом). Испаритель 7 расположен ниже конденсатора 8. В ситуации, когда испаритель 7 используется для охлаждения, он может использоваться для охлаждения пространства, предназначенного для охлаждения. Альтернативно испаритель 7 может использоваться для нагрева от пространства, предназначенного для нагрева.

Выше испарителя 7 расположен конденсатор 8 (например, змеевиковый конденсатор с вентиляторным обдувом). Конденсатор 8 может использоваться в окружающих условиях, в которых отводится тепло. Альтернативно конденсатор 8 может использоваться для нагрева пространства, предназначенного для нагрева. Это обеспечивает поток хладагента сверху вниз в устройстве, показанном на фиг. 1. Однако, как рассмотрено ниже, направление потока может быть изменено на обратное.

Поэтому функции, выполняемые испарителем 7 и конденсатором 8, могут быть изменены на обратные, и они могут заменять друг друга в разных циклах.

Кроме того, испаритель 7 и конденсатор 8 могут быть заменены другими теплообменниками, известными в уровне техники, например, пластинчатыми теплообменниками. Поэтому устройство в соответствии с настоящим изобретением, легко адаптируется к разным ситуациям.

Клапан 9 в варианте осуществления, показанном на фиг. 1, представляет собой реверсивный клапан. Реверсивный клапан 9, показанный на фиг. 1, представляет собой, например, четырехходовой реверсивный клапан. Реверсивный клапан 9 используется для реверсирования потока при необходимости переключения между отдачей энергии и/или оттаиванием горячими парами. Разумеется, в пределах объема настоящего изобретения предусмотрены альтернативы, и устройство может быть переконфигурировано (т.е. перенастроено) для обеспечения переключения накопления энергии/отдачи энергии с использованием реверсивного клапана. Переключение может происходить вручную или электронным образом и может зависеть от измеренных температуры и/или давления. Следовательно, переключение потока хладагента может происходить при необходимости и/или по сигналу. Например, при необходимости нагрева хладагент может течь из теплового аккумулятора 4, а при необходимости охлаждения поток хладагента может быть переключен на поток в тепловой аккумулятор 4.

Устройство также содержит запорный клапан 10, который подсоединен к конденсатору 8. Запорный клапан 10 может представлять собой электронный или управляемый вручную запорный клапан.

Также имеется дополнительный клапан 11, который может использоваться в качестве запорного клапана. Запорный клапан 11 может представлять собой электронный или управляемый вручную запорный клапан. Запорный клапан 11 подсоединен к реверсивному клапану 9 и тепловому аккумулятору 4.

К конденсатору 8 подсоединен дополнительный клапан 12, который, например, функционирует в качестве обратного клапана. Обратный клапан 12 также подсоединен к резервуару 13 для жидкости.

Как показано на фиг. 1, резервуар 13 для жидкости расположен выше компрессора 1 и ниже конденсатора 8. Ориентацию устройства, показанного на фиг. 1, необходимо рассматривать как вертикальную или по существу вертикальную.

Фиг. 1 также иллюстрирует осушитель 14, например, фильтр-влагоотделитель, который предпочтительно расположен ниже резервуара 13 для жидкости.

Устройство также может, дополнительно, содержать смотровое окно, например, смотровое стекло 15.

Устройство также содержит расширительное устройство 16 (например, расширительный клапан), которое может использоваться для предварительного охлаждения. В случае если расширительный клапан является электронным, дополнительный соленоид 16A, показанный на фиг. 1, не требуется.

Клапан 17 также представляет собой расширительное устройство и аналогичен расширительному клапану 16. Однако расширительный клапан 17 используется для охлаждения при отдаче энергии. В случае если расширительный клапан 17 является электронным, дополнительный соленоид 17A не требуется.

На фиг. 1 также показан электромагнитный клапан 18, расположенный между тепловым аккумулятором 4 и реверсивным клапаном 9. Электромагнитный клапан 18 используется для отключения теплового аккумулятора 4 при необходимости.

Вышеописанные электромагнитные клапаны могут использоваться с возможностью замены любым управляемым зональным клапаном.

Также имеется всасывающий накопитель 19, который может использоваться для расширения хладагента и обеспечения возврата только паров в компрессор.

Также имеется регулятор 20 давления в картере. Регулятор 20 давления в картере предпочтительно может работать, например, при давлении около 2 бар с таким хладагентом, как R449A.

Имеется дополнительный электромагнитный клапан 21, подсоединенный к тепловому аккумулятору 4 и резервуару 13 для жидкости.

Дополнительно имеется электромагнитный клапан 22, который может использоваться для оттаивания горячими парами.

Группа датчиков температуры и/или давления может выполнять измерения температуры и/или давления в местах, обозначенных ссылочными позициями 24 и 25. Измерение температуры и/или давления может проводиться с использованием любых подходящих устройств измерения температуры и давления, известных в уровне техники, например, датчиков измерения температуры и/или давления. Это позволяет проводить измерение температуры и/или давления материала 5 с фазовым переходом (МФП), расположенного в тепловом аккумуляторе 4. Основное техническое преимущество этого заключается в возможности отслеживания и измерения давления и/или температуры в тепловом аккумуляторе 4. Это обеспечивает обратную связь с расширительным клапаном, который регулирует массовый расход хладагента, и позволяет эффективно управлять всей системой и полностью контролировать систему. Поэтому переключение потока хладагента может осуществляться в точное время для максимальной энергоэффективности.

Особый аспект и преимущество настоящего изобретения заключаются в том, что одно и то же устройство, показанное на фиг. 1, может использоваться как для нагрева, так и для охлаждения за счет реверсивных циклов. Это означает, что может быть обеспечено устройство, которое может использовать один компрессор и хладагент, как для накопления энергии, так и для охлаждения, что снижает стоимость таких систем для конечного пользователя. Это также означает, что устройство может использоваться и может быть выполнено с меньшими размерами, чем устройства, известного уровня техники, за счет использования компрессора меньшего размера и меньшей мощности. Это связано с тем, что часть работы в устройстве выполняется за счет внешнего питания. Это является особым преимуществом настоящего изобретения.

В цикле отдачи энергии устройству необходимо передать тепловую энергию между промежуточным теплообменником (т.е. тепловым аккумулятором 5) и окружающей средой с регулируемой температурой.

Устройство, показанное на фиг. 1, работает за счет потока хладагента, приводимого в движение благодаря перепаду давления в компрессоре 1. Именно этот перепад давления переносит тепло в устройстве. Перепад давления зависит от температуры, при которой хладагент испаряется в испарительном змеевике в испарителе 7, и от температуры, при которой он конденсируется в конденсирующем змеевике в конденсаторе 8.

Пример работы устройства, показанного на фиг. 1, приведен ниже в Таблице 1, в которой показана работа устройства на этапах охлаждения и накопления энергии.

Таблица 1

Срабатывание клапана
(В верхней строке указаны компоненты на схеме) 9 17 16 11 10 18 21 22 Охлаждение отделения Конденсация в 4 (охлаждение при отдаче энергии МФП) 0 1 0 1 0 0 1 0 Конденсация в 8 (обычный холодильник с резервированием) 0 1 0 0 1 0 0 0 Накопление энергии в тепловом аккумуляторе Конденсация в 7 (оттаивание горячими парами) 1 0 1 1 0 0 0 1 Конденсация в 8 (предварительное охлаждение МФП) 0 0 1 0 1 1 0 0

Приведенная выше Таблица 1 может использоваться для настройки электрического и/или механического управления клапанами управления потоком хладагента в настоящем изобретении, как указано в верхней строке. Ссылочные позиции в верхней строке относятся к компонентам, показанным на фигурах 1-5. Для каждого компонента, указанного в строке, ниже приведено бинарное указание того, какое положение клапана требуется для данного режима работы системы. В этом примере «1» означает открытое положение, а «0» означает закрытое положение.

Фиг. 2 представляет собой изображение устройства, показанного на фиг. 1, на этапе предварительного охлаждения. Поэтому для одних и тех же компонентов ссылочные позиции, используемые на фиг. 2, идентичны ссылочным позициям, используемым на фиг. 1.

На фиг. 2 путь потока в системе отрегулирован так, чтобы тепловой аккумулятор 4 мог охлаждаться за счет испарения хладагента, и так, чтобы поглощаемое тепло отводилось в окружающий воздух в конденсаторе 8. Это показано активным путем потока и соответствующими стрелками. Такой режим работы называется предварительным охлаждением, так как он охлаждает материал с фазовым переходом (МФП) до подходящей температуры заряда перед тем, как от системы потребуется активное охлаждение отделения с регулируемой температурой.

Фиг. 3 представляет устройство, показанного на фигурах 1 и 2, в режиме работы, который называется фазой обычной системы с резервированием. Поэтому для одних и тех же компонентов ссылочные позиции, используемые на фиг. 3, такие же, что и ссылочные позиции, используемые на фигурах 1 и 2.

На фиг. 3 путь потока в системе отрегулирован так, чтобы испаритель 7 мог охлаждать отделение с регулируемой температурой так, чтобы поглощаемое тепло отводилось в окружающий воздух в конденсаторе 8. Такой режим работы называется обычной системой с резервированием, так как он действует в качестве отказоустойчивого режима работы в тех случаях, когда тепловой аккумулятор 4 разряжается.

Фиг. 4 представляет изображение устройства, показанного на фигурах 1-3, в режиме работы, называемом оттаиванием горячими парами. Поэтому для одних и тех же компонентов ссылочные позиции, используемые на фиг. 4, такие же, что и ссылочные позиции, используемые на фигурах 1-3.

На фиг. 4 путь потока в системе отрегулирован так, чтобы испаритель 7 мог нагреваться горячими парами, выпускаемыми компрессором 1. Такой режим работы называется оттаиванием горячими парами, поскольку он активируется с целью растапливания скопившегося льда на внешних ребрах испарителя 7 или на кожухе.

Фиг. 5 представляет изображение устройства, показанного на фигурах 1-4, в цикле охлаждения при отдаче энергии. Поэтому для одних и тех же компонентов ссылочные позиции, используемые на фиг. 5, идентичны ссылочным позициям, используемым на Фигурах 1-4. Кроме того, фиг. 5 иллюстрирует, что в тепловом аккумуляторе 4 находится встроенное отделение 26 для приема жидкости. Отделение 26 для приема жидкости расположено в нижней части теплового аккумулятора 4 или вблизи нее.

Фиг. 5 иллюстрирует устройство и компоненты, используемые только в качестве конденсатора в системе без возможности реверсирования.

В приведенной ниже Таблице 2 показана работа устройства, показанного на фиг. 5, при использовании только в качестве конденсатора.

Таблица 2

Срабатывание клапана
(В верхней строке указаны компоненты, показанные на фиг. 5) 9 17 16 11 10 18 21 22 Охлаждение отделения Конденсация в 4 (охлаждение при отдаче энергии МФП) 0 1 0 1 0 0 1 0 Конденсация в 8 (охлаждение окружающей среды) 0 1 0 0 1 0 0 0 Накопление энергии в тепловом аккумуляторе Конденсация в 7 (оттаивание горячими парами) 1 0 1 1 0 0 0 1 Конденсация в 8 (предварительное охлаждение МФП) 0 0 1 0 1 1 0 0

Как описано выше, «1» означает открытое положение, а «0» означает закрытое положение, когда речь идет о различных компонентах в системе.

Фиг. 6 представляет увеличенный вид теплового аккумулятора 4, показанного на фиг. 5, при использовании устройства только в качестве конденсатора в системе без возможности реверсирования. На фигуре показан материал 5 с фазовым переходом (МФП), расположенный в аккумуляторе, группа труб 6 и датчики 23 температуры и/или давления. Тепловой аккумулятор 4 также находится в вертикальном или по существу вертикальном положении.

Фиг. 7 представляет изображение альтернативного варианта осуществления, в котором тепловой аккумулятор 4 имеет встроенную капиллярную трубку 27. Устройство, показанное на фиг. 7, используется только в качестве испарителя в системе без возможности реверсирования.

Фиг. 8 представляет изображение варианта осуществления, в котором показанное устройство содержит встроенный приемник 26 жидкости и капиллярную трубку 27. Устройство и компоненты показаны для реверсивной системы. Показаны клапаны 28, 29, 30, 31, которые могут использоваться для обеспечения необходимого потока хладагента.

Фиг. 9 представляет изображение теплового аккумулятора 4 со встроенным микроканальным теплообменником 32, используемым для конденсации хладагента и накопления энергии в тепловом аккумуляторе 4. Перегретые пары хладагента попадают в микроканальный теплообменник через отверстие 33, конденсируются в каналах и выходят в виде жидкости через отверстие 34.

Оптимизация конструкции устройства в соответствии с настоящим изобретением заключается в учете разницы температур между требуемой регулируемой температурой и выбранным материалом с фазовым переходом (МФП). За счет выбора подходящего материала с фазовым переходом (МФП) перепад давления на компрессоре будет одновременно:

1) достаточно большим, чтобы способствовать потоку хладагента по всему контуру устройства. Он полностью зависит от падений давления, связанных с длинами, диаметрами, ориентацией трубопроводов и геометрией линейных компонентов.

2) достаточно малым, чтобы минимизировать работу, которую необходимо выполнять компрессору для сжатия хладагента до требуемого давления конденсации.

В качестве примера для иллюстрации настоящего изобретения рассмотрим два цикла сжатия пара:

1. Система охлаждения.

2. Бытовой тепловой насос.

Для системы охлаждения устройство в соответствии с настоящим изобретением будет использовать предварительно охлажденный тепловой аккумулятор, который впоследствии обеспечивает охлаждение при отдаче энергии. Предварительное охлаждение может быть достигнуто, например, за счет механических или термоэлектрических средств охлаждения, естественных источников холода. Эффект охлаждения при отдаче энергии может использоваться для охлаждения отделений и промышленных процессов.

При предварительном охлаждении с использованием цикла охлаждения теплообменник погружают в материал с фазовым переходом (МФП), и он действует в качестве испарителя во время этапа предварительного охлаждения.

Материал с фазовым переходом (МФП) может быть охлажден до области сухого тепла на около 10°C ниже температуры затвердевания. Например, материал с фазовым переходом (МФП), который замерзает при температуре около -5°C, может быть охлажден до температуры около -15°C в качестве подходящей заданной температуры предварительного охлаждения в зависимости от конкретных рабочих условий.

Когда устройство работает на этапе охлаждения при отдаче энергии, например, для хранения продуктов, змеевик теплообменника с хладагентом действует в качестве конденсатора. В качестве конденсатора теплообменник отводит тепло хладагента в материал с фазовым переходом (МФП).

Емкость теплового аккумулятора в соответствии с настоящим изобретением зависит от массы используемого материала с фазовым переходом (МФП), таким образом, теплоотвод будет продолжать поглощать тепло в результате цикла охлаждения до тех пор, пока температура этой массы не поднимется.

Тепловой аккумулятор разряжается (истощается), когда материал с фазовым переходом (МФП) расплавляется, и его температура повышается приблизительно до окружающей температуры. Однако проектировщик может настроить конкретное управление охлаждением для ограничения температурных границ предварительного охлаждения и охлаждения при отдаче энергии с использованием стандартных датчиков температуры для запуска и остановки системы охлаждения.

Ограничивающим фактором в отношении циклов охлаждения, в которых в качестве теплоотвода используется окружающий воздух, является то, что давление конденсации зависит от климата. Если максимальные летние температуры в тропическом климате варьируются от около 30°C до около 40°C, это оказывает существенное влияние на производительность системы охлаждения, поскольку системе необходимо сжимать хладагент до давления, достаточно высокого для отвода тепла при температуре конденсации приблизительно 35°C-45°C.

Окружающие условия в тропическом климате ограничивают проектировщика с точки зрения выбора компонентов компрессора, так как:

1. Температура нагнетания компрессора становится опасной при высоких температурах, типичный компрессор имеет максимально допустимую температуру около 120°C-130°C.

2. Работа компрессора пропорциональна разнице давлений между его входом и выходом. Размер компрессора, как правило, выбирают исходя из его способности компенсировать потери тепла в охлаждаемом отделении. В связи с этим в качестве минимального требования выбранный компрессор должен обеспечивать охлаждение в диапазоне условий окружающего воздуха, в которых будет работать система.

Частично преимущество использования теплового аккумулятора в качестве промежуточного накопителя, как показано на фигурах 1-5, в тропическом климате заключается в том, что предварительное охлаждение теплового аккумулятора может осуществляться в ночное время, когда окружающая температура является минимальной. Затем днем, когда имеется потребность в охлаждении, может осуществляться охлаждение при отдаче энергии.

Такой подход к циклической работе теплового аккумулятора днем/ночью предпочтителен для множества областей применения. Например, в грузовиках для продуктов питания с электрическим охлаждением цикл предварительного охлаждения может осуществляться ночью, когда грузовик находится на складе. Для осуществления цикла предварительного охлаждение может использоваться внешнее питание, а для охлаждения при отдаче энергии может использоваться тяговый аккумулятор транспортного средства. В этом примере преимущество достигается за счет уменьшения разрядки тягового аккумулятора транспортного средства и, как следствие, обеспечения большего количества энергии для приведения в движение транспортного средства.

Выбор материала с фазовым переходом (МФП) имеет решающее значение для достижения подходящих проектных рабочих условий. При выборе материала проектировщик должен учитывать заданную температуру холодильного отделения, доступный выбор материалов с фазовым переходом (МФП) и таблицы относительного насыщения, включающие давления, необходимые для используемых хладагентов.

Ближайшим аналогом в известном уровне техники является замена воздушного теплообменника водяным резервуаром. Фактически, водяной резервуар может быть предварительно охлажден и может обеспечивать охлаждение при отдаче энергии с использованием цикла охлаждения.

Фиг. 10 представляет накопление энергии для охлаждения материала с фазовым переходом (МФП) с температурой фазового перехода МФП около -5°C. Фазовый переход характеризуется областью скрытого тепла для материала, инициированной переохлаждением материала с фазовым переходом (МФП) при температуре на около 3°C-15°C ниже или на около 5°C ниже его ТФП и завершающейся температурным пиком, когда наблюдается повышение температуры на около 2°C-6°C или на около 3°C-4°C перед затвердеванием материала вокруг датчика температуры.

Эти температурные явления обеспечивают очень надежный способ определения накопления энергии в тепловом аккумуляторе.

На фиг. 10 начало накопления энергии в тепловом аккумуляторе обозначено буквой A при 0 кДж накопленной энергии. Фактически, за счет наблюдения за накопленной энергией общего значения МФП при 5200 кДж можно определить индикацию температуры переохлаждения в процентах для точек B-F следующим образом:

B - Переохлаждение МФП при около 900 кДж, следовательно, накопленная энергия составляет около 17,3%.

C - Температурный пик нижнего датчика при около 2400 кДж, следовательно, накопленная энергия составляет около 46%.

D - Температурный пик нижнего датчика при около 3500 кДж, следовательно, накопленная энергия составляет около 67%.

E - Температурный пик нижнего датчика при около 4400 кДж, следовательно, накопленная энергия составляет около 85%.

F - Заданная температура МФП, достигнутая при накопленной энергии около 100%.

Другой способ отслеживания накопленной энергии в тепловом аккумуляторе заключается в измерении давления хладагента из теплового аккумулятора при испарении. На фиг. 10 конечное давление, достигнутое при накоплении энергии в элементе, составляет, например, около 1,5 бар (изб.). Это давление может быть измерено путем установки преобразователя давления на выходе теплового аккумулятора 4. Может быть использован стандартный радиометрический преобразователь давления 0-5 Вольт постоянного тока, 0-34,5 бар (абс.).

Фиг. 11 иллюстрирует отдачу энергии теплового аккумулятора с использованием материала с температурой фазового перехода МФП материала около -5°C.

Предполагается, что расчетное давление конденсации хладагента составляет приблизительно 5 бар (изб.) для хладагента R449a, тогда как соответствующая температура конденсации хладагента составляет около 0°C.

Во время этого испытания измерение T_МФП_cold_cell_top вручную переключили на T_МФП_cold_cell_mid в момент времени 2500 секунд.

Давление индикации отдачи энергии может быть полезно для предупреждения пользователя о двух условиях.

Когда тепловой аккумулятор работает в области скрытого тепла конденсации, например, около 5 бар (изб.)

Когда тепловой аккумулятор полностью разряжен, например, около 10 бар (изб.).

Пример 1 - Конкретный случай охлаждения: охлаждение отделения

С использованием устройства, показанного на фиг. 1, разработали цикл сжатия пара для предварительного охлаждения материала с фазовым переходом (например, сульфата магния) ниже температуры фазового перехода -5°C с выбранной конечной температурой предварительного охлаждения около -20°C. Затем систему реверсировали для обеспечения охлаждения отделения с регулируемой температурой до температуры около -20°C при отдаче энергии. В этом исследовании тепловой аккумулятор разрядился, когда температура конденсации достигла окружающей температуры.

Использование алгоритма выбора материала с фазовым переходом (МФП ) и/или хладагента

Далее обратимся к фиг. 12, которая представляет метод (т.е. алгоритм), который позволяет выбрать материал с фазовым переходом (МФП) и/или хладагент для конкретного применения. Метод разделен на две страницы фигур: 13/14 и 14/14, и их следует рассматривать в совокупности.

Фиг. 12 иллюстрирует этапы выбора, через которые необходимо пройти пользователю для выбора наилучшего материала с фазовым переходом (МФП) и/или хладагента для использования в устройстве сжатия пара, показанном на фигурах 1-9.

Как показано на фиг. 12, первый этап заключается в составлении списка законодательно разрешенных хладагентов и приоритизации их по наименьшему потенциалу глобального потепления (ПГП). Также следует учитывать аспекты безопасности хладагента.

Затем пользователь составляет список температур испарения и конденсации для каждого хладагента относительно заданной температуры (ЗТО) отделения и минимальной окружающей температуры (миним. ТОС) с использованием таблиц насыщения хладагента.

Затем пользователь составляет список материалов с фазовым переходом (МФП) с температурой фазового перехода (ТФП) в диапазоне от заданной целевой температуры отделения (ЗТО) до минимальной окружающей температуры (миним. ТОС). Во время этого процесса пользователь также убеждается, что материал с фазовым переходом (МФП) подходит для применения с соответствующими температурами фазового перехода. Также следует учесть аспекты безопасности. Например, пользователь учитывает выбор материала с фазовым переходом (МФП), имеющего температуру фазового перехода (ТФП), который работает при максимально возможных температурах конденсации и испарения и температурах плавления или немного ниже их. В качестве примера для обеспечения горячей воды может быть выбран материал с фазовым переходом (МФП), который имеет температуру фазового перехода (ТФП) немного ниже 50°C.

Затем с использованием устройства, показанного на фигурах 1-9, пользователь оценивает давление хладагента, которое возникает в материале с фазовым переходом (МФП), и соответствующую температуру фазового перехода (ТФП) в тепловом аккумуляторе 4 для испарения и/или конденсации. Это может быть реализовано с использованием таблиц насыщения хладагента. Например, давление хладагента в тепловом аккумуляторе может быть измерено с использованием вышеописанных датчиков давления. При необходимости давление хладагента также может быть измерено в любой другой части устройства сжатия пара.

Следующий этап процесса включает принятие решения, имеет ли хладагент достаточный перепад давления для осуществления потока хладагента между испарением и/или конденсацией при температуре фазового перехода (ТФП) материала с фазовым переходом (МФП) в тепловом аккумуляторе 4 до минимальной окружающей температуры (миним. ТОС) в конденсаторе 8 и/или при заданной температуре (ЗТО) отделения (ЗТО) в испарителе 7 до температуры фазового перехода материала с фазовым переходом (МФП) в тепловом аккумуляторе 4. В случае ответа «НЕТ», хладагент удаляют из списка как неподходящий выбор. В случае ответ «ДА», процесс, показанный на фиг. 12, продолжается.

Следующий этап процесса включает использование таблиц насыщения хладагента и вычисление термодинамического состояния хладагента в точках цикла охлаждения для испарения и конденсации при температуре фазового перехода (ТФП) материала с фазовым переходом (МФП) до минимальной окружающей температуры (миним. ТОС) во время цикла охлаждения и/или при заданной температуре (ЗТО) отделения до цикла охлаждения материала с фазовым переходом (МФП):

состояние хладагента на входе в компрессор,

состояние хладагента на выходе из компрессора,

состояние хладагента на выходе из конденсатора,

состояние хладагента на входе в испаритель.

Например, процесс, показанный на фиг. 12, включает выбор материала с фазовым переходом (МФП) и хладагента для системы нагрева, в которой контур нагрева должен работать при температуре от X до Y, например, около 30-60°C, выбранной исходя из компенсации погодных условий, выбор МФП, который находится в диапазоне от X до Y или ниже X, осуществляют с использованием замкнутого цикла процесса, в соответствии с которым делают первоначальный выбор для каждого из МФП и хладагента, а затем выполняют этап итерации путем изменения одного или другого. Также может быть использован генетический алгоритм.

Поэтому процесс, показанный на фиг. 12, может быть использован для выбора материала с фазовым переходом (МФП) и хладагента для системы охлаждения, которая содержит контур охлаждения с холодным отделением при температуре X (например, от около -10°C до около -30°C или около -20°C) и горячую окружающую среду, в которую должно отводиться тепло, температура которой варьируется от A до B, например, около 10°C-45°C.

Хладагент должен представлять собой доступный хладагент с цепочкой поставок хладагента и сопутствующего оборудования, например, компрессоров, расширительных клапанов и т.д.

Хладагенты также приоритизируют в соответствии с их доступностью в будущем в связи с законодательными требованиями по снижению потенциала глобального потепления (ПГП) хладагентов на рынке, подпадающих под действие правил по фторсодержащим газам.

Хладагент выбирают для испарения во время охлаждения при отдаче энергии при температуре на около 2°C-10°C ниже или обычно на около 5°C ниже заданной температуры отделения (ЗТО) в испарителе 7 и конденсации в тепловом аккумуляторе 4 при температуре на 2°C-10°C выше или обычно на около 5°C выше температуры фазового перехода (ТФП) выбранного материала с фазовым переходом (МФП) (для МФП с фазовым переходом из твердой фазы в жидкую фазу это температура плавления/замерзания; для МФП с фазовым переходом из твердой фазы в твердую фазу это температура, при которой происходит фазовый переход в твердую кристаллическую фазу). Испарение должно происходить при давлении более 3 бар (абс.) или 1,5 бар (абс.) и менее 10 бар (абс.) или менее 5 бар (абс.), что ограничивает выбор хладагента. Такой выбор позволяет избежать нехватки хладагента в компрессоре или попадания жидкого хладагента в компрессор.

Во время предварительного охлаждения хладагент, как правило, испаряется в тепловом аккумуляторе 4 при температуре на около 2°C-10°C ниже или обычно на около 5°C ниже температуры фазового перехода (ТФП) выбранного материала (МФП) и, как правило, конденсируется в теплообменнике с окружающей средой (например, в змеевике с вентиляторным обдувом) при температуре на около 2°C-10°C выше или обычно на около 5°C выше текущей окружающей температуры.

Диапазон от ЗТО, которая составляет менее чем около 2°C-10°C или обычно менее чем около 5°C, до температуры макс. ТОС более чем около 2°C-10°C или более чем около 5°C. Все должно находиться в пределах допустимого диапазона для одного хладагента в случае одной системы с компрессором, тепловым аккумулятором и реверсивным клапаном, например, в данном случае от около -25°C до около +50°C. Осуществимость ограничена максимальным рабочим давлением системы, а также выбором теплообменника, компрессора, затратами, технологичностью и безопасностью, обусловленными давлением. В связи с этим максимальное рабочее давление обычно не превышает около 30 бар (абс.) для недорогой системы и около 200 бар (абс.) для промышленной системы. Это сильно ограничивает количество хладагентов, которые могут быть выбраны.

Дополнительным фактором является то, что температура фазового перехода (ТФП) материала с фазовым переходом (МФП) обычно выбирается на основе доступных материалов с фазовым переходом (МФП), имеет приемлемо высокую скрытую теплоту и должна находиться между ЗТО и миним. ТОС.

Применяются дополнительные ограничения, основанные на необходимости обеспечения минимального потока хладагента, это означает, что должен быть перепад давлений, например, около 2-10 бар или около 5 бар или другое значение, которое может определить специалист в данной области техники.

Снова обратимся к фиг. 12, следующий этап процесса заключается в вычислении тепловой нагрузки (Q) на испаритель 7, показанный на фигурах 1-5, и/или конденсатор в тепловом аккумуляторе 4 и конденсатор 8 и/или испаритель 7 и тепловой аккумулятор 4 наряду с относительной работой (W) компрессора для цикла охлаждения. Могут быть использованы следующие формулы:

Q=mΔh,

W=mΔh.

Для иллюстрации процесса вычисления тепловой нагрузки (Q) обратимся к нижеизложенному.

При испарении и конденсации при относительной целевой температуре (ЗТО) отделения в испарителе 7 и температуре фазового перехода (ТФП) материала с фазовым переходом (МФП) в тепловом аккумуляторе 4 нагрузку (Q₇) при охлаждении и/или нагрузку (Q₄) при нагреве вычисляют следующим образом.

Сначала на основе проектных условий, указанных для системы охлаждения, необходимо определить общие тепловые потери в отделении. Нагрузка (Q₇) при охлаждении в испарителе должна как минимум компенсировать эти тепловые потери. Например, за счет эффективности изоляции отделения с регулируемой температурой тепловые потери могут составлять, например, около 1 кВт. Нагрузка при охлаждении в испарителе может составлять, например, как минимум около 1 кВт. Фактическая нагрузка при охлаждении, которую должен выбрать проектировщик, может быть определена с учетом дополнительных факторов, например, требуемой скорости охлаждения отделения, ожидаемого количества открываний двери во время работы.

Затем с использованием таблиц насыщения хладагента вычисляют термодинамическое состояние хладагента в точках цикла охлаждения для испарения и конденсации в цикле охлаждения от ЗТО до температуры фазового перехода МФП.

- Состояние хладагента на входе в компрессор.

- Состояние хладагента на выходе из компрессора.

- Состояние хладагента на выходе из конденсатора.

- Состояние хладагента на выходе из испарителя.

Для этих состояний хладагента находят в таблицах насыщения относительные значения энтальпии для:

- состояния хладагента на входе в компрессор (h₁).

- состояния хладагента на выходе из компрессора (h₂),

- состояния хладагента на выходе из конденсатора (h₃),

- состояния хладагента на выходе из испарителя (h₄).

Ниже приведена формула для вычисления нагрузки при охлаждении/нагреве на компонент:

Q = m*Δh

В связи с этим, поскольку нагрузка при охлаждении для испарителя 7 уже определена, может быть вычислен массовый расход хладагента через испаритель 7:

m₇ = Q₇/(h₄ - h₁).

Зная массовый расход для цикла охлаждения, можно вычислить последующую нагрузку (Q₄) при нагреве в тепловом аккумуляторе 4 и работу (W₁) компрессора 1.

При испарении и конденсации при относительной температуре фазового перехода МФП в тепловом аккумуляторе 4 и миним. ТОС в конденсаторе 8 нагрузку (Q₄) при охлаждении и/или нагрузку (Q₈) при нагреве вычисляют следующим образом.

Сначала проектировщик выбирает нагрузку (Q₈) при охлаждении в тепловом аккумуляторе 4 на основе требуемой скорости охлаждения для теплового аккумулятора.

Затем с использованием таблиц насыщения хладагента он вычисляет термодинамическое состояние хладагента в точках цикла охлаждения для испарения и конденсации в цикле охлаждения от температуры фазового перехода МФП до миним. ТОС.

Состояние хладагента на входе в компрессор.

Состояние хладагента на выходе из компрессора.

Состояние хладагента на выходе из конденсатора.

Состояние хладагента на выходе из испарителя.

Для этих состояний хладагента находит в таблицах насыщения относительные значения энтальпии для:

- состояния хладагента на входе в компрессор (h₁).

- состояния хладагента на выходе из компрессора (h₂),

- состояния хладагента на выходе из конденсатора (h₃),

- состояния хладагента на выходе из испарителя (h₄).

Ниже приведена формула для вычисления нагрузки при охлаждении/нагреве на компонент:

Q = m*Δh.

В связи с этим, поскольку нагрузка при охлаждении для теплового аккумулятора 4 уже определена, может быть вычислен массовый расход хладагента через тепловой аккумулятор 4:

m₄ =Q₄/(h₄-h₁).

Зная массовый расход для цикла охлаждения, можно вычислить последующую нагрузку (Q₈) при нагреве в конденсаторе 8 и работу (W₁) компрессора 1.

Снова обратимся к фиг. 12, далее пользователь вычисляет коэффициент полезного действия (КПД) для нагрева и/или охлаждения путем деления относительной тепловой нагрузки конденсатора и/или испарителя на работу компрессора.

Затем данные о хладагенте и материале с фазовым переходом (МФП) могут быть добавлены в итоговый обзорный документ.

Наконец, могут быть проведены эксперименты с подходящими комбинациями хладагента и материала с фазовым переходом (МФП), приоритизированными по наименьшему потенциалу глобального потепления (ПГП) хладагента.

Ниже приведен конкретный пример.

1. Выбирают законодательно разрешенные хладагенты с наименьшим ПГП и выбирают потенциальный вариант.

2. Определяют диапазон давления потенциального варианта.

3. Определяют температуры, при которых он испаряется и конденсируется относительно ЗТО и миним. ТОС.

4. Для каждого из списка МФП с температурами фазового перехода в диапазоне от ЗТО до миним. ТОС оценивают давление хладагента, которое возникает при температуре фазового перехода.

5. Редактируют список, исключая все потенциальные варианты, которые имеют недостаточный перепад давления для осуществления потока хладагента между испарением и конденсацией в цикле охлаждения от температуры фазового перехода МФП до миним ТОС и/или до ЗТО в цикле охлаждения МФП.

6. Затем с использованием таблиц насыщения хладагента вычисляют термодинамическое состояние хладагента в четырех точках цикла охлаждения для испарения и конденсации в цикле охлаждения от температуры фазового перехода МФП до миним. ТОС и/или до ЗТО в цикле охлаждения МФП:

- состояние хладагента на входе в компрессор,

- состояние хладагента на выходе из компрессора,

- состояние хладагента на выходе из конденсатора,

- состояние хладагента на выходе из испарителя.

7. Вычисляют тепловую нагрузку (кВт) на испаритель и/или конденсатор и работу (кВт) компрессора для каждого цикла охлаждения, определенного в пункте 6. С использованием этой информации определяют коэффициент полезного действия (КПД) для нагрева и/или охлаждения для каждой пары хладагента и МФП.

Для выбора комбинации МФП и хладагента для конкретного случая нагрева может быть использован алгоритм, в соответствии с которым сначала рассматривают требование к нагреву в конденсаторе, обеспечивающем нагрев пространства и/или горячей воды и/или теплового аккумулятора. Требование к нагреву должно быть указано в проектных спецификациях системы или установлено по выбору проектировщика. Например, для обеспечения накопления энергии в тепловом аккумуляторе со скоростью, например, около 2 кВт, и в случае температуры МФП, например, около 58°C, необходима температура конденсации хладагента около 63°C. На основе этой информации на последующих этапах алгоритма могут быть определены термодинамические состояния хладагента в цикле нагрева и массовый расход хладагента в этом цикле. Затем может быть определен выбор МФП для низкотемпературного теплового аккумулятора путем перебора доступных материалов и хладагентов.

Хотя выше описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения, необходимо понимать, что отклонения от описанных вариантов осуществления могут находиться в пределах объема настоящего изобретения. Например, могут быть использованы компрессор, конденсатор, испаритель и тепловой аккумулятор, содержащий материал с фазовым переходом, любого подходящего типа. Кроме того, для соединения устройств с целью решения задач настоящего изобретения может быть использована трубопроводная сеть любого подходящего типа. Кроме того, может быть использован материал с фазовым переходом (МФП) любого подходящего типа.

Изобретение относится к устройствам сжатия пара. Промежуточный тепловой аккумулятор выполнен с возможностью высвобождения энергии (т.е. отдачи энергии) заряда и/или накопления энергии и тем самым регулирования температуры источника тепла или температуры теплоотвода в цикле сжатия пара. В устройстве сжатия пара промежуточный тепловой аккумулятор содержит материал с фазовым переходом (МФП), выполненный с возможностью высвобождения энергии заряда и/или накопления энергии и тем самым регулирования температуры источника тепла и/или температуры теплоотвода в цикле сжатия пара в различных системах охлаждения и/или нагрева. Настоящее изобретение также относится к способу выбора материалов с фазовым переходом (МФП) и/или хладагентов для устройства сжатия пара. Техническим результатом является обеспечение возможности отслеживания давления и/или температуры в тепловом аккумуляторе, что позволяет эффективно управлять всей системой. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Устройство сжатия пара, содержащее:

насосную установку, используемую для нагнетания хладагента;

конденсатор, способный конденсировать хладагент;

испаритель, способный испарять хладагент,

тепловой аккумулятор, содержащий материал с фазовым переходом (МФП);

по меньшей мере один или группу датчиков температуры и/или давления, способных отслеживать температуру и/или давление материала с фазовым переходом (МФП) в тепловом аккумуляторе;

в котором тепловой аккумулятор выполнен с возможностью подсоединения к конденсатору и/или испарителю для высвобождения энергии заряда и/или накопления энергии, так что тепловой аккумулятор способен регулировать температуру источника тепла и/или температуру теплоотвода в цикле сжатия пара;

причем имеется группа датчиков температуры и/или давления, погруженных в материал с фазовым переходом (МФП), выполненных с возможностью индикации физического состояния и физических условий теплового аккумулятора в реальном времени и индикации необходимости переключения потока хладагента.

2. Устройство сжатия пара по п. 1, в котором датчики температуры и/или давления выполнены с возможностью постоянного и/или непрерывного или периодического, например каждые 30 секунд или каждую минуту, проведения измерений и обеспечения измерений температуры и/или давления в реальном времени, что позволяет отслеживать температуру и давление материала с фазовым переходом (МФП) наряду с измерением уровня энергии заряда в материале с фазовым переходом (МФП).

3. Устройство сжатия пара по любому из предыдущих пунктов, в котором тепловой аккумулятор, содержащий материал с фазовым переходом (МФП), расположен в промежуточном положении между конденсатором и испарителем и в котором тепловой аккумулятор обеспечивает промежуточную ступень между конденсатором и испарителем, которые функционируют в качестве источника тепла и/или теплоотвода.

4. Устройство сжатия пара по любому из предыдущих пунктов, в котором тепловой аккумулятор функционирует в качестве промежуточного теплообменника.

5. Устройство сжатия пара по любому из предыдущих пунктов, в котором во время первого этапа тепловой аккумулятор предварительно охлаждается или предварительно нагревается, а во время второго этапа тепловой аккумулятор отдает энергию, осуществляя охлаждение, или отдает энергию, осуществляя нагрев.

6. Устройство сжатия пара по любому из предыдущих пунктов, которое находится в вертикальной или по существу вертикальной ориентации, в которой резервуар для жидкости, содержащий хладагент, расположен выше или по существу выше компрессора и резервуар для жидкости расположен вертикально или по существу вертикально между испарителем и конденсатором.

7. Устройство сжатия пара по любому из предыдущих пунктов, в котором насосная установка представляет собой компрессор, который используется для сжатия и/или повышения давления хладагента в системе труб устройства.

8. Устройство сжатия пара по любому из предыдущих пунктов, в котором используемый материал с фазовым переходом (МФП) включает в себя любой из следующих материалов или их сочетание:

парафиновый материал, такой как декан, например, образующий МФП с температурой фазового перехода от около -25°C до около -35°C или около -30°C, при необходимости, с дополнительными присадками для улучшения нуклеации, скорости кристаллизации и/или циклируемости;

эвтектика соль-вода, такая как хлорид натрия и вода, например, образующая МФП с температурой фазового перехода от около -20°C до около -25°C или около -22°C, при необходимости, с дополнительными присадками для улучшения нуклеации, скорости кристаллизации и/или циклируемости;

эвтектика соль-вода, такая как сульфат магния и вода, например, образующая МФП с температурой фазового перехода от около -10°C до около 0°C или около -5°C, при необходимости, с дополнительными присадками для улучшения нуклеации, скорости кристаллизации и/или циклируемости;

эвтектика соль-вода, такая как сульфат натрия и вода, например, образующая МФП с температурой фазового перехода от около -5°C до около +5°C или около -1°C, при необходимости, с дополнительными присадками для улучшения нуклеации, скорости кристаллизации и/или циклируемости;

органический сложный эфир, такой как метиллаурат, например, образующий МФП с температурой фазового перехода от около 0°C до около 10°C или около 5°C, при необходимости, с дополнительными присадками для улучшения нуклеации, скорости кристаллизации и/или циклируемости;

клатратный гидрат, такой как тетрагидрофуран (THF) и вода, например, образующий МФП с температурой фазового перехода от около 0°C до около 10°C или около 5°C, при необходимости, с дополнительными присадками для улучшения нуклеации, скорости кристаллизации и/или циклируемости;

сложный эфир, такой как диметилсукцинат, например, образующий МФП с температурой фазового перехода от около 15°C до около 25°C или около 18°C, при необходимости, с дополнительными присадками для улучшения нуклеации, скорости кристаллизации и/или циклируемости;

жирный спирт, такой как додеканол, например, образующий МФП с температурой фазового перехода от около 15°C до около 25°C или около 22°C, при необходимости, с дополнительными присадками для улучшения нуклеации, скорости кристаллизации и/или циклируемости;

гидрат соли, такой как декагидрат сульфата натрия, например, образующий МФП с температурой фазового перехода от около 25°C до 35°C или около 32°C, при необходимости, с дополнительными присадками для улучшения нуклеации, скорости кристаллизации и/или циклируемости;

гидрат соли, такой как тригидрат ацетата натрия, например, образующий МФП с температурой фазового перехода от около 0°C до около 10°C или около 5°C, при необходимости, с дополнительными присадками для улучшения нуклеации, скорости кристаллизации и/или циклируемости;

полиол с фазовым переходом из твердой фазы в твердую фазу, такой как триметилолэтан, например, образующий МФП с температурой фазового перехода от около 70°C до около 95°C или около 81°C, при необходимости, с дополнительными присадками для улучшения нуклеации, скорости кристаллизации и/или циклируемости; и

полиол, такой как эритрит, например, образующий МФП с температурой фазового перехода от около 100°C до около 150°C или около 121°C, с возможными присадками для улучшения нуклеации, скорости кристаллизации и/или циклируемости.

9. Устройство сжатия пара по любому из предыдущих пунктов, в котором материал с фазовым переходом (МФП) выбран из диапазона температур не таких низких, как температура, до которой пользователь желает осуществить охлаждение, и не таких высоких, как температура, до которой пользователь желает осуществить отвод тепла; или

в котором выбран материал с фазовым переходом (МФП), который имеет температуру фазового перехода на около 1°C-20°C или около 10°C-15°C выше температуры, до которой требуется осуществить охлаждение, являющейся наименьшей температурой, и/или температуру фазового перехода, которая вызывает конденсацию хладагента при давлении на 1-10 бар (изб.) или предпочтительно на около 1-5 бар (изб.) выше требуемого давления испарения, или

котором выбран материал с фазовым переходом (МФП), который имеет температуру фазового перехода на около 1°C-20°C или около 10°C-15°C выше температуры, являющейся минимальной температурой окружающих условий, в которых тепловой насос получает свою тепловую энергию, и/или температуру фазового перехода, которая вызывает испарение хладагента при давлении на около 1-10 бар (изб.) или около 1-5 бар (изб.) выше давления, при котором хладагент будет испаряться при заданной минимальной окружающей температуре из проектных условий.

10. Устройство сжатия пара по любому из предыдущих пунктов, в котором в тепловом аккумуляторе расположена группа трубок и испаритель представляет собой змеевиковый испаритель с вентиляторным обдувом.

11. Устройство сжатия пара по любому из предыдущих пунктов, в котором функции, выполняемые испарителем и конденсатором, выполнены с возможностью реверсирования во время разных циклов.

12. Устройство сжатия пара по любому из предыдущих пунктов,

содержащее реверсивный клапан для реверсирования потока хладагента при необходимости и переключения между накоплением энергии заряда и/или отдачей энергии, и в котором переключение происходит вручную или электронным средством и зависит от измеренной температуры и/или давления и необходимости переключения, и

в котором при необходимости нагрева хладагент течет из теплового аккумулятора, а при необходимости охлаждения хладагент течет в тепловой аккумулятор, и

в котором к конденсатору и резервуару для жидкости подсоединен дополнительный клапан, который функционирует в качестве обратного клапана.

13. Устройство сжатия пара по любому из предыдущих пунктов, также содержащее осушитель, такой как фильтр-влагоотделитель, который, дополнительно, расположен вертикально ниже резервуара для жидкости,

смотровое окно,

расширительные устройства, такие как расширительные клапаны, которые используются для предварительного охлаждения;

по меньшей мере один электромагнитный клапан, расположенный между тепловым аккумулятором и реверсивным клапаном, который используется для отключения теплового аккумулятора при необходимости; и

всасывающий накопитель, который используется для направления потока хладагента.

14. Устройство сжатия пара по любому из предыдущих пунктов, в котором электромагнитный клапан подсоединен к тепловому аккумулятору и резервуару для жидкости, который используется для оттаивания горячими парами.

15. Способ регулирования температуры источника тепла и/или температуры теплоотвода в цикле сжатия пара с использованием устройства по любому из первого и второго аспектов, включающего в себя:

насосную установку, используемую для нагнетания хладагента;

конденсатор, способный конденсировать хладагент;

испаритель, способный испарять хладагент,

тепловой аккумулятор, содержащий материал с фазовым переходом (МФП);

по меньшей мере один или группу датчиков температуры и/или давления, способных отслеживать температуру и/или давление материала с фазовым переходом (МФП) в тепловом аккумуляторе;

в котором тепловой аккумулятор выполнен с возможностью подсоединения к конденсатору и/или испарителю для высвобождения энергии заряда и/или накопления энергии, так что тепловой аккумулятор способен регулировать температуру источника тепла и/или температуру теплоотвода в цикле сжатия пара.