ТЕПЛОВОЙ НАСОС Российский патент 2024 года по МПК F25B30/02 F24T10/13 

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к тепловым установкам, используемых для отопления и охлаждения помещений.

На рынке России присутствуют геотермальные тепловые насосы Danfoss модели DHP-S ECO (https://www.pea.ru/docs/equipment/heating/teplovye-nasosy/danfoss/dhp-s-eco/), содержащий спиральный компрессор, три теплообменника из нержавеющей стали (выполненные по микроканальной технологии), встроенные циркуляционные насосы с частотным преобразованием, электронный дросселирующий клапан холодильного контура, погодозависимый контроллер, графический дисплей, использующий хладагент R410A.

Недостатком указанного технического решения является сложность конструкции и эксплуатации.

На рынке России присутствуют тепловые насосы марки "Mitsubishi Electric" серии ZUBADAN Inverter (https://www.mitsubishi-aircon.ru/images/downloads/product_catalogue_2020/ME_ProductCatalogue2020_part08.pdf), в котором жидкий хладагент, выходит из конденсатора (теплообменник внутреннего блока), и через расширительный вентиль (LEV B) поступает в ресивер, где осуществляется обмен теплотой с газообразным хладагентом низкого давления, за счет чего температура жидкого хладагента понижается, и он поступает на выход ресивера. Далее некоторое количество жидкого хладагента ответвляется через другой расширительный вентиль (LEV С) в цепь инжекции - теплообменник, где часть жидкого хладагента испаряется, а температура образующейся парожидкостной смеси понижается, за счет этого охлаждается основной поток жидкого хладагента, проходящий через этот теплообменник. Далее основной поток жидкого хладагента через третий расширительный вентиль (LEV А) поступает в испаритель (теплообменник наружного блока), где за счет низкой температуры испарения тепло передается от наружного воздуха к хладагенту, и он полностью испаряется. В результате прохода через трубу низкого давления в ресивере, перегрев газообразного хладагента увеличивается, и он поступает в компрессор. Часть жидкого хладагента, ответвленная от основного потока в цепи инжекции, превращается в парожидкостную смесь среднего давления. При этом температура смеси понижается, и она подается через специальный штуцер инжекции в компрессор, осуществляя полное промежуточное охлаждение хладагента в процессе сжатия. Расширительный вентиль (LEV B) задает величину переохлаждения хладагента в конденсаторе. Вентиль (LEV A) определяет перегрев в испарителе, а (LEV C) поддерживает температуру перегретого пара на выходе компрессора около 90°С. Регулируя состав парожидкостной смеси, можно контролировать температуру нагнетания компрессора (температура на выходе из компрессора).

Недостатком указанного технического решения является сложность конструкции и эксплуатации.

Тепловой насос "Mitsubishi Electric" серии ZUBADAN Inverter (https://www.mitsubishi-aircon.ru/images/downloads/product_catalogue_2020/ME_ProductCatalogue2020_part08.pdf), выбран в качестве прототипа.

Технический результат, достигаемый изобретением – обеспечение стабильной производительности теплового насоса, снижение риска возникновения аварийных ситуаций, упрощение конструкции.

Заявляемый технический результат достигается за счет того, что в тепловом насосе, содержащем размещенные и закрепленные в корпусе компрессор, теплообменник-конденсатор, отделитель жидкости, циркуляционный насос и контроллер, отделитель жидкости снабжен окошком для контроля уровня жидкого фреона, компрессор с одной стороны сообщен со входом теплообменника-конденсатора, а с другой сторонысообщен с отделителем жидкости, выполненным с возможностью сообщения с другойстороны с выходами геотермальных зондов, первый выход теплообменника-конденсатора
сообщен со входом циркуляционного насоса, который, в свою очередь, выполнен свозможностью сообщения с контуром теплоносителя системы отопления, теплообменник-конденсатор содержит второй выход, предназначенный для сообщения со входамигеотермальных зондов через нерегулируемые расширительные клапаны, кроме того, теплообменник-конденсатор содержит второй вход, предназначенный для сообщенияпосредством обратного трубопровода с контуром теплоносителя системы отопления, контроллер соединен с компрессором и циркуляционным насосом, причем контроллер выполнен с возможностью в случае, если при изменении давления на выходе компрессорасохраняется допустимый уровень жидкого фреона в отделителе жидкости, изменять скорость циркуляционного насоса, а в случае, если при изменении давления также повышается уровень фреона, останавливать циркуляционный насос.

Допустимый уровень жидкого фреона в отделителе жидкости может составлять не более 10% от высоты внутреннего объема отделителя жидкости.

Заявляемое изобретение поясняется фигурой.

Позиции на фигуре:

1 - геотермальные зонды;

2 - компрессор;

3 - теплообменник-конденсатор;

4 - отделитель жидкости;

4.1 – окошко в отделителе жидкости;

5 - циркуляционный насос;

6 - нерегулируемые расширительные клапаны;

7 - контроллер;

8 – система отопления.

Заявляемый тепловой насос содержит размещенные и закрепленные в корпусе компрессор 2, теплообменник-конденсатор 3, отделитель 4 жидкости, циркуляционный насос 5 и контроллер 7; отделитель 4 жидкости снабжен окошком 4.1 для контроля уровня жидкого фреона; компрессор 2 с одной стороны сообщен со входом теплообменника-конденсатора 3, а с другой стороны сообщен с отделителем 4 жидкости, выполненным с возможностью сообщения с другой стороны с выходами геотермальных зондов 1; первый выход теплообменника-конденсатора 3 сообщен со входом циркуляционного насоса 5, который, в свою очередь, выполнен с возможностью сообщения с контуром теплоносителя системы 8 отопления; теплообменник-конденсатор 3 содержит второй выход, предназначенный для сообщения со входами геотермальных зондов 1 через нерегулируемые расширительные клапаны 6; кроме того, теплообменник-конденсатор 3 содержит второй вход, предназначенный для сообщения посредством обратного трубопровода с контуром теплоносителя системы 8 отопления; контроллер 7 соединен с компрессором 2 и циркуляционным насосом 5; причем контроллер 7 выполнен с возможностью в случае, если при изменении давления на выходе компрессора 2 сохраняется допустимый уровень жидкого фреона в отделителе 4 жидкости, изменять скорость циркуляционного насоса 5, а в случае, если при изменении давления также повышается уровень фреона, останавливать циркуляционный насос 5.

Допустимый уровень жидкого фреона в отделителе жидкости составляет не более 10% от высоты внутреннего объема отделителя жидкости и определяется количеством фреона в холодильном контуре теплового насоса, и температурой (давлением) конденсации при стабильной работе теплового насоса.

На вход отделителя 4 жидкости фреон поступает из геотермальных зондов 1 в виде смеси жидкого и газообразного фреона. При нормальной работе теплового насоса уровень жидкого фреона в отделителе жидкости должен составлять не более 10% от высоты внутреннего объема отделителя 4 жидкости. В этом случае на вход компрессора 2 поступает только газообразный фреон. Измеряют давление на входе и выходе компрессора 2, которое для конкретного теплового насоса, работающего в конкретных условиях, всегда должно быть постоянно. При постоянстве давлений на входе и выходе компрессора 2 обеспечивается постоянная производительность теплового насоса в целом, а также стабильность работы циркуляционного насоса. При этом обеспечивается адекватное регулирование скорости циркуляционного насоса 5 в зависимости от требуемой температуры теплоносителя для потребителя.

При понижении температуры теплоносителя при неизменной скорости циркуляционного насоса 5 падает температура (давление) конденсации или давление на выходе из компрессора 2. При падении давления на выходе компрессора 2, возрастает его производительность, поскольку давление на входе компрессора 2 определяется постоянной температурой кипения фреона в геотермальном контуре, повышается уровень жидкого фреона в отделителе 4 жидкости. Для исключения попадания жидкого фреона на вход компрессора 2 контроллер 7, в зависимости от величины давления на выходе из компрессора 2, уменьшает скорость циркуляционного насоса 5, тем самым увеличивая температуру конденсации или давление на выходе из компрессора 2.

Изменение давления на выходе компрессора 2 свидетельствует о том, что в него попал жидкий фреон, или свидетельствует о том, что такое попадание жидкого фреона в компрессор возможно, что недопустимо, т.к. при превышении в компрессоре 2 критического количества жидкого фреона возможно возникновение аварийной ситуации вследствие гидравлического удара в компрессоре 2. Кроме того, при наличии жидкого фреона в компрессоре 2 нарушается производительная работа теплового насоса в целом, а также нарушается возможность адекватного регулирования скорости циркуляционного насоса 5 в зависимости от требуемой температуры теплоносителя.

Для исключения попадания жидкого фреона в компрессор 2 контролируют (например, визуально) уровень жидкого фреона в отделителе 4 жидкости и посредством контроллера 7 контролируют давление на его выходе. Как только уровень жидкого фреона в отделителе 4 жидкости превысил допустимый уровень (более 10% от высоты внутреннего объема отделителя 4 жидкости), давление на выходе компрессора 2 изменилось, с выхода контроллера на циркуляционный насос 5 поступает команда на изменение его скорости с тем, чтобы изменить давление на выходе компрессора 2 до требуемого уровня. Гидравлический удар в этом случае можно избежать за счет того, что работа компрессора 2 регулируется до того, как жидкий фреон поступил в компрессор 2. Такая регулировка работы компрессора обеспечивается контроллером 7, который дает команду циркуляционному насосу 5 на изменение скорости его работы с тем, чтобы давление на выходе компрессора 2 вернулось к требуемому значению.

Если же жидкий фреон в каком-то количестве все-таки поступил в компрессор 2, посредством контроллера 7 мгновенно корректируется скорость циркуляционного насоса 5 до момента возникновения гидравлического удара. Тепловой насос в этом случае может быть остановлен до удаления жидкого фреона из компрессора 2.

Заявляемый тепловой насос работает следующим образом.

На вход отделителя 4 жидкости из геотермальных зондов 1 фреон поступает в виде смеси газообразного фреона и не до конца выкипевшего фреона. За счет резкого увеличения объема (объем отделителя жидкости больше, чем объем труб геотермальных зондов 1) в отделителе 4 жидкости происходит докипание жидкого фреона. В самом лучшем случае в отделителе 4 жидкости вообще не должно остаться жидкого фреона, но в любом случае, его количество не должно превышать уровень 10% от высоты внутреннего объема отделителя 4 жидкости.

С выхода отделителя 4 жидкости газообразный фреон поступает на вход компрессора 2. Давление на входе компрессора измеряют, при нормальной работе теплового насоса это давление всегда должно быть постоянным. В компрессоре 2 газообразный фреон сжимается и через нагнетающий трубопровод поступает в теплообменник-конденсатор 3. При нормальной работе теплового насоса давление на выходе компрессора 2 всегда должно быть постоянным. Постоянство давлений на входе и выходе компрессора 2 обеспечивает постоянную производительность теплового насоса, стабильность работы циркуляционного насоса 5, а также адекватность регулирования посредством циркуляционного насоса 5 температуры теплоносителя для потребителя (системы отопления 8).

В теплообменнике-конденсаторе 3 происходит теплообмен между газообразным фреоном и теплоносителем из обратного трубопровода системы отопления 8, при котором газообразный фреон отдает свое тепло теплоносителю системы отопления 8, в результате происходит конденсация (охлаждение) газообразного фреона и он переходит в жидкое состояние, а нагретый теплоноситель посредством циркуляционного насоса 5 перемещается из теплообменника-конденсатора 3 на линию подачи системы отопления 8.

Из теплообменника-конденсатора 3 жидкий фреон по линии трубопровода поступает в геотермальные зонды 1 через расширительные клапаны 6 (например, капиллярные трубки).

Жидкий фреон через нерегулируемые расширительные клапаны 6, расширяясь на выходе из них, поступает в геотермальные зонды 1, которые выполняют функцию испарителя. Концы геотермальных зондов 1 объединяются в коллекторе 9, который может находиться внутри корпуса теплового насоса, что позволяет сократить занимаемое пространство при соединении заявляемого теплового насоса с геотермальными зондами и подключении к системе отопления 8. В геотермальных зондах 1 происходит закипание жидкого фреона, в результате которого образуется парожидкостная смесь (то есть жидкий фреон и газообразный фреон, образующийся при кипении), которая через коллектор 9 подается в расположенный перед входом в компрессор 2 отделитель 4 жидкости, где происходит докипание жидкого фреона и его переход в газообразное состояние, после чего газообразный фреон поступает на вход в компрессор 2.

В процессе работы теплового насоса осуществляют визуальный контроль уровня жидкого фреона в отделителе 4 жидкости, с тем чтобы оценить возможность попадания жидкого фреона в компрессор 2), а также посредством контроллера 7 контролируют давление на выходе компрессора 2 и при изменении указанного давления (при сохранении количества жидкого фреона в отделителе 4 жидкости на допустимом уровне), с контроллера 7 на циркуляционный насос 5 поступает команда на изменение скорости насоса 5 с тем, чтобы вернуть давление на выходе компрессора 2 до требуемого уровня.

Если одновременно имеет место повышение количества жидкого фреона в отделителе 4 жидкости и изменение давления на выходе компрессора 2, то это может свидетельствовать о попадании жидкого фреона в компрессор 2. В этом случае с выхода контроллера 7 поступает команда на остановку работы теплового насоса (остановку циркуляционного насоса 5), т.к. давление на выходе компрессора 2 в такой ситуации изменится критически, на большее значение, чем при отсутствии жидкого фреона в компрессоре 2. Таким образом предотвращается аварийная ситуация, связанная с возможным гидравлическим ударом и повреждением компрессора 2.

Таким образом, контроль давления на выходе компрессора 2 осуществляется с целью исключения попадания жидкого фреона в компрессор 2 или же для остановки работы теплового насоса в случае, если жидкий фреон все-таки попал в компрессор 2.

Как правило, при попадании жидкого фреона в компрессор 2 (или же при возникновении ситуации, при которой жидкий фреон может попасть в компрессор 2), давление на выходе компрессора 2 падает. Посредством корректировки скорости циркуляционного насоса 5 (снижения его скорости), давление на выходе компрессора 2 поднимают.

Однако могут быть ситуации, когда давление на выходе компрессора повышается (например, при гидравлическом ударе или же при отсутствии жидкого фреона в компрессоре 2 только за счет повышения давления газообразного фреона), в этом случае, с контроллера 7 поступает команда на циркуляционный насос на увеличение скорости его работы. В результате давление на выходе компрессора 2 снизится до требуемого уровня.

В известных аналогах поддержание необходимого режима работы компрессора обеспечивается за счет регулируемых клапанов, которые либо открываются, либо закрываются в зависимости от температуры и давления на входе в компрессор. При этом работа регулируемых клапанов также контролируется посредством контроллеров.

В заявленном изобретении нет необходимости в использовании специальных регулируемых клапанов. Возможность регулировки режима работы компрессора 2 в заявляемом тепловом насосе обеспечивается непосредственно циркуляционным насосом, присутствующим во всех тепловых насосах. Команда на изменение скорости его работы поступает от контроллера (также присутствующим во всех тепловых насосах). Только в заявляемом тепловом насосе контроллер управляет не работой регулируемых клапанов, а управляет скоростью циркуляционного насоса в зависимости от контролируемого параметра – давления на выходе компрессора 2.

Таким образом, в результате осуществления заявленного изобретения, упрощается конструкция и эксплуатация теплового насоса, а также повышается надежность в работе теплового насоса. Стабильная производительность заявляемого насоса также способствует повышению его надежности, безаварийности. Указанные надежность и стабильность обеспечиваются простыми средствами. При этом обеспечивается стабильная безаварийная работа теплового насоса без необходимости использования дополнительных регулируемых клапанов.

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к тепловым установкам, используемым для отопления и охлаждения помещений. Тепловой насос содержит размещенные и закрепленные в корпусе компрессор, теплообменник-конденсатор, отделитель жидкости, циркуляционный насос и контроллер. Отделитель жидкости снабжен окошком для контроля уровня жидкого фреона. Компрессор с одной стороны сообщен со входом теплообменника-конденсатора, а с другой стороны сообщен с отделителем жидкости, выполненным с возможностью сообщения с другой стороны с выходами геотермальных зондов. Первый выход теплообменника-конденсатора сообщен со входом циркуляционного насоса, который, в свою очередь, выполнен с возможностью сообщения с контуром теплоносителя системы отопления. Теплообменник-конденсатор содержит второй выход, предназначенный для сообщения со входами геотермальных зондов через нерегулируемые расширительные клапаны. Теплообменник-конденсатор содержит второй вход, предназначенный для сообщения посредством обратного трубопровода с контуром теплоносителя системы отопления. Контроллер соединен с компрессором и циркуляционным насосом. Контроллер выполнен с возможностью в случае, если при изменении давления на выходе компрессора сохраняется допустимый уровень жидкого фреона в отделителе жидкости, изменять скорость циркуляционного насоса, а в случае, если при изменении давления также повышается уровень фреона, останавливать циркуляционный насос. Технический результат – обеспечение стабильной производительности теплового насоса, снижение риска возникновения аварийных ситуаций, упрощение конструкции. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Тепловой насос, содержащий размещенные и закрепленные в корпусе компрессор, теплообменник-конденсатор, отделитель жидкости, циркуляционный насос и контроллер, отделитель жидкости снабжен окошком для контроля уровня жидкого фреона, компрессор с одной стороны сообщен со входом теплообменника-конденсатора, а с другой стороны сообщен с отделителем жидкости, выполненным с возможностью сообщения с другой стороны с выходами геотермальных зондов, первый выход теплообменника-конденсатора сообщен со входом циркуляционного насоса, который, в свою очередь, выполнен с возможностью сообщения с контуром теплоносителя системы отопления, теплообменник-конденсатор содержит второй выход, предназначенный для сообщения со входамигеотермальных зондов через нерегулируемые расширительные клапаны, кроме того, теплообменник-конденсатор содержит второй вход, предназначенный для сообщения
посредством обратного трубопровода с контуром теплоносителя системы отопления, контроллер соединен с компрессором и циркуляционным насосом, причем контроллер выполнен с возможностью в случае, если при изменении давления на выходе компрессора сохраняется допустимый уровень жидкого фреона в отделителе жидкости, изменять скорость циркуляционного насоса, а в случае, если при изменении давления также повышается уровень фреона, останавливать циркуляционный насос.

2. Тепловой насос по п. 1, отличающийся тем, что допустимый уровень жидкого фреона в отделителе жидкости составляет не более 10% от высоты внутреннего объема отделителя жидкости.