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

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к установкам отопления и охлаждения помещений с использованием низкопотенциальных источников тепла.

Известно изобретение RU2738527C1, в котором теплонасосная установка для отопления и охлаждения помещений, включает в себя внутренний теплообменник с вентилятором, соединенный одним трубопроводом с четырехходовым клапаном, другим с капилляром-дросселем; наружный теплообменник с вентилятором, соединенный одним трубопроводом с четырехходовым клапаном, другим с капилляром-дросселем; компрессор с электроприводом, соединенный обоими трубопроводами с четырехходовым клапаном; четырехходовой клапан; капилляр-дроссель; трубопроводы, связывающие названные агрегаты в единую установку, заполненную рабочим телом - фреоном, с возможностью реверсирования её работы благодаря четырехходовому клапану; отличающаяся тем, что она имеет в своем составе устройство для отбора тепла грунта - грунтовый зонд в виде пластиковых труб, наполненных жидким незамерзающим теплохладоносителем, помещенных попарно в вертикальные скважины с U–образным соединением пары труб в нижней точке скважины; дополнительный теплообменник, соединенный одним фреоновым трубопроводом с четырехходовым клапаном, другим с капилляром-дросселем, связывающий грунтовый зонд непосредственно с контуром фреона установки; циркуляционный насос, прогоняющий теплохладоноситель через грунтовый зонд; четыре соленоидных клапана, управляемые наружным термостатом, позволяющие отсечь от установки в процессе работы внешний либо дополнительный теплообменник.

Недостатком указанного технического решения является сложность теплонасосной установки, необходимость использования большого количества фреона, высокие потери фреона, ненадежность установки.

На рынке России присутствуют геотермальные тепловые насосы прямого испарения марки "Sundue" серия "DROID"-SDU -INV (https://sundue.ru/catalog/seriya-droid), содержащий скролл-компрессор, маслоотделяющий сепаратор, регенеративный теплообменник – влагоотделитель (задача которого заключается в догревании паров френа перед всасыванием в компрессор), воздушные внешние блоки с большой теплообменной поверхностью и шагом ламелей, контроллер (обеспечивающий контроль работы внешних теплообменных контуров, в том числе контур прямого испарения - DX-контур, а также контроль линий питания и различных режимов, в том числе температурных). Испарительный контур указанного технического решения, выполнен из меди в ПВХ оболочке (https://sundue.ru/instr/011.pdf), которая служит для борьбы с коррозией медного зонда (https://sundue.ru/news/podklyuchenie-dh-geotermalnogo-kontura-teplopreobrazovatelya-sundue-sdu-droid).

Недостатком указанного технического решения является необходимость использования большой площади под геотермальный контур, т.к. устройство не позволяет использовать вертикальные геотермальные зонды, повышенное использование фреона.

Геотермальный тепловой насос прямого испарения марки "Sundue" серия "DROID"-SDU -INV (https://sundue.ru/catalog/seriya-droid) выбран в качестве прототипа.

Технический результат, достигаемый изобретением – обеспечение работоспособности геотермального теплового насоса с фреоном, содержащего холодильный контур, объединенный с геотермальными зондами, и контур системы отопления, при глубоких зондах (до 150 м), уменьшение площади, необходимой для использования устройства, уменьшение количества фреона.

Заявляемый технический результат достигается за счет того, что в геотермальном тепловом насосе, содержащем теплонасосную установку и геотермальные зонды, теплонасосная установка содержит компрессор, маслоотделитель, теплообменник-конденсатор, отделитель жидкости, при этом выход компрессора сообщен со входом маслоотделителя, первый выход которого сообщен со входом теплообменника-конденсатора, а второй выход маслоотделителя сообщен со входом компрессора, при этом вход компрессора также сообщен с выходом отделителя жидкости, первый выход теплообменника-конденсатора сообщен со входом циркуляционного насоса системы отопления, а второй выход теплообменника-конденсатора через электромагнитный клапан сообщен со входами нерегулируемых расширительных клапанов, сообщенных, в свою очередь с геотермальными зондами, при этом один нерегулируемый расширительный клапан сообщен с одним геотермальным зондом, выходы геотермальных зондов объединены в коллекторе, выход которого через обратный клапан сообщен со входом отделителя жидкости, геотермальные зонды выполнены вертикальными из полимерных труб, разница между температурой Тн на входе в теплообменник-конденсатор и температурой конденсации фреона составляет не менее 20ºС, при этом температура Тн на входе в теплообменник-конденсатор составляет не более 95 ºС, теплонасосная установка снабжена контроллером, который выполнен с возможностью обеспечения отключения электромагнитного клапана при отключении компрессора, а также с возможностью обеспечения контроля температуры на входе в теплообменник-конденсатор и обеспечения контроля разницы температур на входе в теплообменник-конденсатор и температурой конденсации фреона.

Нерегулируемые расширительные клапаны выполнены в виде капиллярных трубок.

Высота геотермальных зондов составляет до 100 м.

Заявляемое изобретение поясняется фигурой.

Позиции на фигуре:

1 - геотермальные зонды;

2 - компрессор;

3 - маслоотделитель;

4 - маслоотвод;

5 - теплообменник-конденсатор;

6 - отделитель жидкости;

7 - циркуляционный насос;

8 - электромагнитный клапан;

9 - нерегулируемые расширительные клапаны;

10 - коллектор;

11 - обратный клапан;

12 – контроллер;

13 – система отопления.

Геотермальный тепловой насос, содержащий теплонасосную установку и геотермальные зонды 1, теплонасосная установка содержит компрессор 2, маслоотделитель 3, теплообменник-конденсатор 5, отделитель жидкости 6, при этом выход компрессора 2 сообщен со входом маслоотделителя 3, первый выход которого сообщен со входом теплообменника-конденсатора 5, а второй выход маслоотделителя 3 сообщен со входом компрессора 2, при этом вход компрессора 2 также сообщен с выходом отделителя жидкости 6, первый выход теплообменника-конденсатора 5 сообщен со входом циркуляционного насоса 7 системы отопления, а второй выход теплообменника-конденсатора 5 через электромагнитный клапан 8 сообщен со входами нерегулируемых расширительных клапанов 9, сообщенных, в свою очередь с геотермальными зондами 1, при этом один нерегулируемый расширительный клапан 9 сообщен с одним геотермальным зондом 1, выходы геотермальных зондов 1 объединены в коллекторе 10, выход которого через обратный клапан 11 сообщен со входом отделителя жидкости 6, геотермальные зонды 1 выполнены вертикальными из полимерных труб, разница между температурой Тн на входе в теплообменник-конденсатор 5 и температурой конденсации фреона составляет не менее 20ºС, при этом температура Тн на входе в теплообменник-конденсатор 5 составляет не более 95ºС, теплонасосная установка снабжена контроллером 12, который выполнен с возможностью обеспечения отключения электромагнитного клапана 8 при отключении компрессора 2, а также с возможностью обеспечения контроля температуры на входе в теплообменник-конденсатор 5 и обеспечения контроля разницы температур на входе в теплообменник-конденсатор 5 и температурой конденсации фреона.

Заявляемое изобретение работает следующим образом.

Компрессор 2 перекачивает из отделителя жидкости 6 газообразный фреон, сжимает его и через нагнетающий трубопровод направляет его в поплавковый маслоотделитель 3. На выходе из компрессора 2 газообразный фреон частично содержит смазочное масло, которое он увлекает за собой из компрессора 2. В маслоотделителе 3 происходит процесс отделения масла, содержащегося в газообразном фреоне. В маслоотделителе 3 масло накапливается и при достижении заданного в устройстве маслоотделителя 3 уровня, контролируемого поплавком, возвращается на вход компрессора 2 через маслоотвод 4 (посредством которого соединен второй выход маслоотделителя и вход компрессора), чтобы обеспечить режим постоянной смазки компрессора 2. Газообразный фреон из маслоотделителя 3 направляется по нагнетающему трубопроводу в теплообменник-конденсатор 5, где происходит теплообмен между газообразным фреоном и теплоносителем системы отопления 13, при котором газообразный фреон отдает свое тепло теплоносителю, в результате происходит конденсация газообразного фреона и он переходит в жидкое состояние. Из системы отопления 13 теплоноситель возвращается в теплообменник-конденсатор 5.

Теплообменник-конденсатор 5 может быть выполнен как выносным, так и размещаться в корпусе теплонасосной установки. Из теплообменника-конденсатора 5 жидкий фреон по линии трубопровода направляется через управляемый посредством контроллера 12 электромагнитный клапан 8 и поступает на сужающее устройство, функцию которого выполняют нерегулируемые расширительные клапаны (например, капиллярные трубки) 9. Нерегулируемые расширительные клапаны 9 соединены с вертикальными зондами геотермального контура (геотермальные зонды 1), при этом один нерегулируемый расширительный клапан 9 соединен с одним соответствующим геотермальным зондом 1.

Жидкий фреон через нерегулируемые расширительные клапаны 9, расширяясь на выходе из них, поступает в геотермальные зонды 1, которые выполняют функцию испарителя. В качестве геотермального зонда 1 используется труба из пластика (например, из полиэтилена низкого давления) длиной до 100 метров и диаметром от 16 до 32 мм. Концы геотермальных зондов 1 объединяются в коллекторе 10, который может находиться внутри корпуса теплонасосной установки, что позволяет уменьшить габариты заявляемого геотермального теплового насоса. В геотермальных зондах 1 происходит закипание жидкого фреона. Использование в качестве материала геотермальных зондов 1 полимера (например, пластика) обусловлено тем, что, полимер (пластик), в отличие от металла, обладает меньшей теплопроводностью, в связи с чем, процесс отбора тепла от грунта происходит более медленно (чем при использовании металла). В результате использования полимерных (пластиковых) труб для геотермальных зондов 1 закипание жидкого фреона обеспечивается постепенно и равномерно с одной и той же температурой -5°С по всей длине соответствующего геотермального зонда 1, что в свою очередь позволяет уменьшить количество используемого фреона во фреонном контуре в 5 раз и снизить количество используемых геотермальных зондов 1 в 2,5 раза. В то же время в металлических трубах отбор тепла возникает быстро, в связи с чем кипение фреона происходит сразу, более интенсивно и неравномерно (не по всей длине с одинаковой температурой), что требует использования большего количество фреона. В результате закипания жидкого фреона в полимерных (пластиковых) геотермальных зондах 1 образуется парожидкостная смесь (то есть жидкий фреон, образующийся при кипении), которая через обратный клапан 11 подается в отделитель жидкости 6, где происходит докипание фреона до газообразного состояния, который затем откачивается компрессором 2. Причём, если до докипателя (отделителя жидкости 6) доходит жидкий фреон, то он однозначно несёт в себе растворенное в нём масло, которое не смог удалить маслоотделитель 3, установленный после компрессора 2, не позволяя маслу накапливаться в зонде 1.

Подача фреона в жидком состоянии в отделитель жидкости 6 обеспечивается за счет поддержания разницы между температурой нагнетания компрессора 2 (на входе в теплообменник-конденсатор 5) и температурой конденсации фреона (внутри теплообменника-конденсатора 5) не менее 20°С. Температура конденсации определяется опосредованно через давление конденсации Рк (на входе в конденсатор) по известным зависимостям (https://www.xiron.ru/content/view/10/27/). При этом верхняя граница температуры нагнетания (температура на входе в теплообменник-конденсатор 5) должна быть не более 95°С, поскольку превышение данной границы приведет к преждевременному закипанию фреона, в связи с чем возникнет нехватка фреона, и он не дойдет в жидком состоянии до отделителя жидкости 6, в результате чего возникнет аварийная ситуация, и система остановится.

Если разница между температурой нагнетания компрессора 2 (температура на входе в теплообменник-конденсатор 5) и температурой конденсации фреона внутри теплообменника-конденсатора 5 будет менее 20°С, то находящийся в системе отопления циркуляционный насос 7 отключится, что приведет к повышению температуры конденсации фреона, за счет отсутствия отдачи тепла теплоносителю. Кроме того, если указанная температурная разница будет менее 20°С, то это также приведет к недостаточному испарению жидкого фреона, который при попадании в компрессор 2 может вывести его из строя за счет разжижения масла в компрессоре 2, а также может вызвать гидравлический удар в нем. Указанная разница между температурой нагнетания компрессора 2 и температурой конденсации фреона контролируется контроллером 12, который может быть как выносным, так и размещаться в корпусе теплонасосной установки.

Контроллер 12 также обеспечивает управление движением фреона по всей системе следующим образом. При отключении компрессора 2 жидкий фреон стремится перетечь в самую холодную часть системы - в геотермальные зонды 1 и скапливаться в их нижней части, что приводит к сбою в системе в связи с тем, что при нормальных режимах работы геотермального теплового насоса жидкий фреон невозможно поднять из геотермальных зондов 1. Чтобы предотвратить перетекание жидкого фреона в геотермальные зонды 1 используется электромагнитный клапан 8 на входе в геотермальные зонды 1 (перед нерегулируемыми расширительными клапанами 9) и обратный клапан 11 на выходе из геотермальных зондов 1. При включенном компрессоре 2 указанные клапаны обеспечивают пропускание фреона в одном заданном направлении, а при отключении компрессора 2, электромагнитный клапан 8 запирается, т.к. обратный клапан 11 не дает возможности для обратного потока жидкого фреона (по направлению к геотермальным зондам 1).

Таким образом фреон сохраняется в верхней части геотермального теплового насоса – в теплонасосной установке, а не в самом холодном месте (геотермальных зондах 1).

В заявленном изобретении отключение компрессора 2 происходит при достижении заданной температуры теплоносителя или заданной температуры отапливаемого (охлаждаемого) помещения, при этом достижение указанных температурных режимов также контролируются контроллером 12.

Таким образом, в результате осуществления заявленного изобретения, снижается количество фреона (по сравнению с металлическими зондами), обеспечивается работоспособность геотермального теплового насоса при глубоких зондах и при меньшем количестве фреона, сокращается количество используемых геотермальных зондов в 2,5 раза, а также обеспечивается управление движением фреона и предотвращение его миграции в самое холодное место (геотермальные зонды) при отключении компрессора.

Снижение количества фреона, обеспечение работоспособности при глубоких зондах и сокращение количества геотермальных зондов достигаются также за счет использования геотермальных зондов из полимерных (пластиковых) труб, которые, обладая меньшей теплопроводностью по сравнению с металлом, и при посадке зондов на глубину более 20 метров без использования маслоподъемных петель, позволяют обеспечить закипание жидкого фреона в геотермальных зондах постепенно и равномерно с одной и той же температурой -5°С по всей длине соответствующего геотермального зонда с одновременным поддержанием разницы между температурой нагнетания компрессора и температурой конденсации фреона не менее 20°С посредством контроллера.

Управление движением фреона и предотвращение его миграции в геотермальные зонды при отключении компрессора обеспечивается за счет размещения регулируемых электромагнитного клапана на входе в зонды и обратного клапана на выходе из зондов, при котором в момент отключения компрессора, электромагнитный клапан запирается, фреон перенаправляется от одного клапана до другого и сохраняется в корпусе теплового насоса, а не в зондах.

Таким образом, заявляемое изобретение обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в обеспечении работоспособности геотермального теплового насоса при глубоких зондах при меньшем количестве фреона.

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к установкам отопления и охлаждения помещений с использованием низкопотенциальных источников тепла. Геотермальный тепловой насос содержит теплонасосную установку и геотермальные зонды. Теплонасосная установка содержит компрессор, маслоотделитель, теплообменник-конденсатор, отделитель жидкости. Выход компрессора сообщен со входом маслоотделителя, первый выход которого сообщен со входом теплообменника-конденсатора, а второй выход – со входом компрессора. Вход компрессора также сообщен с выходом отделителя жидкости. Первый выход теплообменника-конденсатора сообщен со входом циркуляционного насоса системы отопления, а второй выход теплообменника-конденсатора через электромагнитный клапан сообщен со входами нерегулируемых расширительных клапанов, сообщенных, в свою очередь с геотермальными зондами. Каждый нерегулируемый расширительный клапан сообщен с геотермальным зондом. Выходы геотермальных зондов объединены в коллекторе, выход которого через обратный клапан сообщен со входом отделителя жидкости. Геотермальные зонды выполнены вертикальными из полимерных труб, разница между температурой на входе в теплообменник-конденсатор и температурой конденсации фреона составляет не менее 20°С, при этом температура на входе в теплообменник-конденсатор составляет не более 95°С. Теплонасосная установка снабжена контроллером, который выполнен с возможностью обеспечения отключения электромагнитного клапана при отключении компрессора, а также с возможностью обеспечения контроля температуры на входе в теплообменник-конденсатор и обеспечения контроля разницы температур на входе в теплообменник-конденсатор и температурой конденсации фреона. Технический результат – обеспечение работоспособности системы при глубоких зондах (до 150 м), уменьшение площади, необходимой для использования устройства, уменьшение количества фреона. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Геотермальный тепловой насос, содержащий теплонасосную установку и геотермальные зонды, насосная установка содержит компрессор, маслоотделитель, теплообменник-конденсатор, отделитель жидкости, при этом выход компрессора сообщен со входом маслоотделителя, первый выход которого сообщен со входом теплообменника-конденсатора, а второй выход маслоотделителя сообщен со входом компрессора, при этом вход компрессора также сообщен с выходом отделителя жидкости, первый выход теплообменника-конденсатора сообщен со входом циркуляционного насоса системы отопления, а второй выход теплообменника-конденсатора через электромагнитный клапан сообщен со входами нерегулируемых расширительных клапанов, сообщенных, в свою очередь с геотермальными зондами, при этом один нерегулируемый расширительный клапан сообщен с одним геотермальным зондом, выходы геотермальных зондов объединены в коллекторе, выход которого через обратный клапан сообщен со входом отделителя жидкости, геотермальные зонды выполнены вертикальными из полимерных труб, разница между температурой на входе в теплообменник-конденсатор и температурой конденсации фреона составляет не менее 20°С, при этом температура на входе в теплообменник-конденсатор составляет не более 95°С, теплонасосная установка снабжена контроллером, который выполнен с возможностью обеспечения отключения электромагнитного клапана при отключении компрессора, а также с возможностью обеспечения контроля температуры на входе в теплообменник-конденсатор и обеспечения контроля разницы температур на входе в теплообменник-конденсатор и температурой конденсации фреона.

2. Геотермальный тепловой насос по п. 1, отличающийся тем, что нерегулируемые расширительные клапаны выполнены в виде капиллярных трубок.

3. Геотермальный тепловой насос по п. 1, отличающийся тем, что высота геотермальных зондов составляет до 100 м.