Многоступенчатый тепловой насос Российский патент 2024 года по МПК F25B30/02 F25B7/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к области тепловых насосов, и может быть использовано, например, для теплоснабжения зданий и сооружений, когда требуются источники теплоты одновременно двух и более температурных уровней или нагрев теплоносителя, значительно изменяющего свою температуру в процессе нагрева.

Известны одноступенчатые тепловые насосы, которые позволяют использовать теплоту грунта, воды или воздуха окружающей среды, повышающие температурный уровень до необходимого с помощью одного компрессора, например, Теплонасосная установка для отопления и горячего водоснабжения [RU 2206026 C1, МПК F24D 15/04, F25B 29/00, опубл. 10.06.2003 г.], содержащая компрессор, первый бак-аккумулятор, конденсатор, состоящий из двух секций, испаритель, первый циркуляционный насос и пиковый подогреватель, она снабжена земляным трубопроводом, воздушным трубопроводом, блоком адаптивной температурной селекции, испарительно-конденсаторным агрегатом, вторым циркуляционным насосом, вторым баком-аккумулятором и двумя датчиками реле температуры, причем воздушный теплообменник и земляной трубопровод через блок адаптивной температурной селекции и первый циркуляционный насос соединены соответствующими трубопроводами с испарительно-конденсаторным агрегатом, который через второй циркуляционный насос соответствующими трубопроводами соединен с первым баком-аккумулятором, в верхней части которого размещен второй бак-аккумулятор, соединенный с трубопроводами холодной воды и горячего водоснабжения, в средней части первого бака-аккумулятора размещены два датчика реле температуры, первый из которых соединен электрически с компрессором, а второй - с пиковым подогревателем, размещенным в нижней части первого бака-аккумулятора, соединенного с трубопроводами холодной воды и отопительных приборов.

Недостатком данного технического решения является малый коэффициент трансформации теплоты при использовании теплового насоса.

Известна теплонасосная установка [RU 2808026 C1, МПК F25B 30/02, опубл. 22.11.2023 г.], которая содержит в своем составе включенные в замкнутый циркуляционный контур рабочего тела компрессор, конденсатор воздушного охлаждения, дроссель, испаритель, четырехходовой клапан, соединительные трубопроводы, теплообменник воздушного охлаждения, расположенный перед конденсатором по ходу потока воздуха, обратные клапаны на основной и обводной линии трубопроводов холодильного агента. Теплообменник воздушного охлаждения соединен с линией теплового насоса обводной линией. После теплообменника воздушного охлаждения на обводной линии трубопроводов холодильного агента расположен дополнительный дроссель для дросселирования холодильного агента в режиме теплового насоса.

Недостатками этого технического решения является малый коэффициент трансформации теплоты при использовании теплового насоса:

1. для нескольких потребителей, требующих разные температурные уровни, так как рабочее тело нагревается до температуры, подходящей потребителю с максимальной температурой, а единственный компрессор совершает избыточную работу, перегревая рабочее тело выше температуры остальных потребителей;

2. для нагрева теплоносителя, который сильно меняет свою температуру по мере нагрева, так как рабочее тело необходимо нагревать до температуры несколько большей максимальной температуры теплоносителя.

Известны однокомпрессорные тепловые насосы, работающие на сверхкритических параметрах, которые позволяют последовательно снижать температуру рабочего тела в каскаде теплообменников для различных нужд, например, многоцелевая теплонасосная установка [RU 2519895 C2, МПК F25D 11/00, опубл. 20.06.2014 г.], работающая на низкотемпературном рабочем теле - диоксиде углерода по циклу Лоренца, включающая компрессор, приводной электрический или газотурбинный двигатель, теплообменники для выработки теплоносителей, испаритель рабочего тела и низкопотенциальный источник теплоты, при этом компрессор осуществляет многоступенчатое сжатие рабочего тела, которое после каждой ступени сжатия частично отводится из компрессора и с помощью теплообменников используется для независимого нагрева теплоносителей, а охлажденные в теплообменниках потоки рабочего тела, имеющего разные давления, включаются в единый поток, поступающий в испаритель теплонасосной установки, что обеспечивается выравниванием давлений с помощью дроссельных вентилей.

Их недостатком является применение рабочего тела в сверхкритических параметрах, что отдаляет термодинамический цикл от идеального обратного цикла Карно, поэтому коэффициент трансформации теплоты будет всегда ниже, чем у прочих парокомпрессионных циклов, работающих при докритических параметрах. Кроме того, применение диоксида углерода в качестве рабочего тела связано с высокими давлениями, порядка 50-80 атм, что требует особых мер по предотвращению разрыва трубопроводов, теплообменников и прочих элементов системы.

Существуют каскадные тепловые насосы, содержащие в себе последовательно соединенные одноступенчатые тепловые насосы с независимыми контурами. Например, известен тепловой насос (варианты) [RU 2749080 C1, МПК F25B 30/02, F28D 20/00, F25B 7/00, F25B 27/00, F25B 30/06, опубл. 03.06.2021 г.], который содержит два испарителя, два компрессора, конденсатора и дроссельных вентиля, трехходовой кран, солнечный коллектор, аккумулятор низкопотенциального тепла, четырехходовой клапан, аккумулятор высокопотенциального тепла, соединенный с указанным еще одним жидкостным конденсатором с обеспечением возможности нагрева теплоносителя в аккумуляторе высокопотенциального тепла. Солнечный коллектор, соединенный с аккумулятором низкопотенциального тепла с возможностью дополнительного нагрева теплоносителя в аккумуляторе низкопотенциального тепла, дополнительно соединен с аккумулятором высокопотенциального тепла с возможностью переключения подачи теплоносителя солнечного коллектора с аккумулятора низкопотенциального тепла в аккумулятор высокопотенциального тепла при достижении температуры теплоносителя в солнечном коллекторе заданного значения. При этом обеспечена возможность отключения указанного компрессора с последующим включением указанного еще одного компрессора при нагреве теплоносителя в аккумуляторе низкопотенциального тепла до заданной температуры.

Недостатком таких технических решений является наличие перепада температур между испарителем последующей ступени и конденсатором предыдущей, обусловленным наличием промежуточного теплообменника, а иногда и теплоносителя.

Известны каскадные двух и многоступенчатые тепловые насосы, например, «Многоступечатая теплонасосная установка» [RU 2705696 C2, МПК F25B 30/02, F25B 1/10, опубл. 11.11.2019 г.], которая содержит датчик уровня жидкой фракции хладагента сепаратора первой ступени и один исполнительный механизм, при этом выход датчика сообщен с входом исполнительного механизма, подключенного к дросселю первой ступени, и дроссели каждой ступени выполнены с возможностью обеспечения расходов хладагента.

Недостатком этого технического решения является избыточная сложность схемы.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является «Многоступечатая теплонасосная установка» [RU 140197 U1, МПК F25B 30/00, опубл. 10.05.2014 г.], которая позволяет постепенно нагревать теплоноситель в каскаде ступеней или отдавать теплоту разных потенциальных уровней для разных потребителей, используя парокомпрессионный цикл.

Недостатком этого технического решения является избыточная сложность и наличие большого количества теплообменных аппаратов.

Технической задачей предлагаемого изобретения является упрощение схемы многоступенчатой теплонасосной установки.

Технический результат изобретения заключается в увеличении надежности, уменьшении количества элементов системы и уменьшении числа трубопроводов.

Это достигается тем, что многоступенчатый тепловой насос, содержащий по крайней мере две ступени с компрессорами и конденсаторами, соединенными через сепараторы, терморегулирующие вентили, согласно изобретению в первой ступени испаритель соединен выходом по пару со входом компрессора первой ступени, выход по пару от компрессора первой ступени соединен со входом конденсатора первой ступени, конденсатор первой ступени выходом по пароконденсатной смеси соединен с сепаратором первой ступени, выход по конденсату из сепаратора первой ступени соединен со входом в терморегулирующий вентиль первой ступени, выход которого по пароконденсатной смеси соединен со входом испарителя, в последней ступени сепаратор соединен выходом по пару со входом последнего компрессора, выход по пару от последнего компрессора соединен со входом последнего конденсатора, который выходом по конденсату соединен со входом последнего терморегулирующего вентиля, выход которого по пароконденсатной смеси соединен со входом сепаратора предыдущей ступени, при необходимости снабжают по меньшей мере одной промежуточной ступенью, в промежуточной ступени сепаратор соединен выходом по пару со входом компрессора промежуточной ступени, выход по пару от компрессора промежуточной ступени соединен со входом конденсатора промежуточной ступени, который выходом по пароконденсатной смеси соединен с сепаратором промежуточной ступени, выход по конденсату из сепаратора промежуточной ступени соединен со входом в терморегулирующий вентиль промежуточной ступени, выход которого по пароконденсатной смеси соединен со входом сепаратора предыдущей ступени.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, где представлена схема двухступенчатого теплового насоса, где соединены последовательно через сепаратор две ступени теплового насоса и приняты следующие обозначения:

1 - испаритель,

2 - компрессор первой ступени,

3 - конденсатор первой ступени,

4 - сепаратор первой ступени,

5 - терморегулирующий вентиль первой ступени,

6 - компрессор второй ступени,

7 - конденсатор второй ступени,

8 - терморегулирующий вентиль второй ступени,

9 - низкопотенциальный источник,

10, 11 - теплоноситель потребителя.

На фиг. 2 - трёхступенчатый тепловой насос, где представлены соединенные вместе первая, промежуточная и последняя ступени и приняты следующие обозначения:

12 - испаритель,

13 - компрессор первой ступени,

14 - конденсатор первой ступени,

15 - сепаратор первой ступени,

16 - терморегулирующий вентиль первой ступени,

17 - компрессор промежуточной ступени,

18 - конденсатор промежуточной ступени,

19 - сепаратор промежуточной ступени,

20 - терморегулирующий вентиль промежуточной ступени,

21 - компрессор последней ступени,

22 - конденсатор последней ступени,

23 - терморегулирующий вентиль последней ступени,

24 - низкопотенциальный источник,

25, 26 - теплоноситель потребителя.

Многоступенчатый тепловой насос можно разделить на три вида ступеней: первая, промежуточная и последняя. Минимальный набор элементов каждой ступени содержит: компрессор, конденсатор и терморегулирующий вентиль. Предыдущая с последующей ступени между собой соединяются через сепаратор.

На фиг. 1 представлены соединенные вместе первая и последняя ступени. В первой ступени испаритель 1 соединен выходом по пару со входом компрессора 2, выход по пару от компрессора 2 соединен со входом конденсатора 3, конденсатор 3 выходом по пароконденсатной смеси соединен с сепаратором 4, выход по конденсату из сепаратора 4 соединен со входом в терморегулирующий вентиль 5, выход с терморегулирующего вентиля 5 по пароконденсатной смеси соединен со входом испарителя 1. В последней ступени сепаратор 4 соединен выходом по пару со входом компрессора 6, выход по пару от компрессора 6 соединен со входом конденсатора 7, конденсатор 7 выходом по конденсату соединен со входом в терморегулирующий вентиль 8, выход с терморегулирующего вентиля 8 по пароконденсатной смеси соединен со входом сепаратора 4.

Устройство, представленное на фиг. 1, в работает следующим образом: фреон вскипает в испарителе 1 от низкопотенциального источника 9, сжимается и нагревается в компрессоре 2, частично конденсируется в конденсаторе 3, отдавая теплоту нагреваемому теплоносителю потребителя 10, пар отделяется от конденсата в сепараторе 4, конденсат отправляется в терморегулирующий вентиль 5 и снова в испаритель, пар из сепаратора отправляется в компрессор второй ступени 6, затем конденсируется в конденсаторе 7, отдавая теплоту нагреваемому теплоносителю потребителя 11, откуда конденсат направляется в терморегулирующий вентиль второй ступени, а затем в сепаратор 4.

На фиг. 2 представлены соединенные вместе первая, промежуточная и последняя ступени. Первая и последняя ступени имеют ту же последовательность соединений, что и на фиг. 1, а именно: в первой ступени испаритель 12 соединен выходом по пару со входом компрессора 13, выход по пару от компрессора 13 соединен со входом конденсатора 14, конденсатор 14 выходом по пароконденсатной смеси соединен с сепаратором 15, выход по конденсату из сепаратора 15 соединен со входом в терморегулирующий вентиль 16, выход с терморегулирующего вентиля 16 по пароконденсатной смеси соединен со входом испарителя 12, в последней ступени сепаратор 19 соединен выходом по пару со входом компрессора 21, выход по пару от компрессора 21 соединен со входом конденсатора 22, конденсатор 22 выходом по конденсату соединен со входом в терморегулирующий вентиль 23, выход с терморегулирующего вентиля 23 по пароконденсатной смеси соединен со входом сепаратора 19; а в промежуточной ступени сепаратор 15 соединен выходом по пару со входом компрессора 17, выход по пару от компрессора 17 соединен со входом конденсатора 18, конденсатор 18 выходом по пароконденсатной смеси соединен с сепаратором 19, выход по конденсату из сепаратора 19 соединен со входом в терморегулирующий вентиль 20, выход с терморегулирующего вентиля 20 по пароконденсатной смеси соединен со входом сепаратора 15.

Представленный на фиг. 2 трехступенчатый тепловой насос, может быть использован для постепенного подогрева теплоносителя в трех ступенях, например, для горячего водоснабжения или для подогрева воздуха в системе вентиляции. Фреон вскипает в испарителе 12 от низкопотенциального источника 24, сжимается и нагревается в компрессоре 13, частично конденсируется в конденсаторе 14, отдавая теплоту нагреваемому теплоносителю (от низкого температурного уровня теплоносителя потребителя 25), пар отделяется от конденсата в сепараторе 15, конденсат отправляется в терморегулирующий вентиль 16 и снова в испаритель, пар из сепаратора отправляется в компрессор второй ступени 17, затем частично конденсируется в конденсаторе 18, отдавая теплоту нагреваемому теплоносителю, пар отделяется от конденсата в сепараторе 19, конденсат отправляется в терморегулирующий вентиль 20 и сепаратор 15, пар из сепаратора 18 отправляется в компрессор третьей ступени 21, затем конденсируется в конденсаторе 22, отдавая теплоту нагреваемому теплоносителю (до высокого температурного уровня теплоносителя потребителя 26 и отдается потребителю), конденсат проходит терморегулирующий вентиль третьей ступени 23 и поступает в сепаратор 19.

Многоступенчатый тепловой насос может быть применен, когда необходимо получить два и более температурных потенциала от одного низкопотенциального источника, например, одновременно для систем отопления (позиция 10 на фиг. 1) и горячего водоснабжения (позиция 11 на фиг. 1), имеющими разные температурные уровни. Также многоступенчатый тепловой насос может быть применен для подогрева одного теплоносителя от низких температур до высокой постепенно в нескольких ступенях, что более эффективно, чем в одноступенчатом тепловом насосе, так как компрессор первой ступени пропускает через себя весь расход фреона и совершает бόльшую работу, чем более высокотемпературные ступени, через которые проходит малый расход, а в одноступенчатых тепловых насосах - весь расход фреона проходит нагрев в одном компрессоре от малой температуры до высокой.

Отказ теплового насоса происходит при выходе из строя одного и более элементов системы. Как следует из теории надежности вероятность безотказной работы P_ТН равна произведению вероятностей безотказной работы всех элементов системы. P_ТН = , где P_ТН - вероятность безотказной работы теплового насоса, P_i - вероятность безотказной работы i-го элемента, k - число элементов. Вероятность безотказной работы элементов P_i лежит в диапазоне от 0 до 1 и выражается в долях, поэтому вероятность безотказной работы теплового насоса также лежит в диапазоне от 0 до 1. Вероятность отказа теплового насоса выражается формулой Q_ТН = 1 - P_ТН = 1 - , откуда следует, что уменьшение числа элементов k приводит к уменьшению вероятности отказа, т.е. к увеличению надежности. Поэтому схема многоступенчатого теплового насоса, не содержащая переохладители, будет являться более надежной. Учитывается также то, что компрессоры, конденсаторы и испаритель работают в близких режимах, а значит и близкую вероятность безотказной работы, а терморегулирующий вентиль и сепаратор имеют значительно большую вероятность безотказной работы, чем компрессор. Таким образом, достижение технического результата о повышении надежности подтверждается упрощением схемы многоступенчатого теплового насоса, заключающееся в уменьшении числа элементов по сравнению с аналогичными схемами.

Использование изобретения позволяет упростить схему многоступенчатого теплового насоса, увеличить надежность за счёт уменьшения количества элементов системы и уменьшения числа трубопроводов.

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к области тепловых насосов, и может быть использовано для теплоснабжения зданий и сооружений, когда требуются источники теплоты одновременно двух и более температурных уровней или нагрев теплоносителя, значительно изменяющего свою температуру в процессе нагрева. Многоступенчатый тепловой насос содержит по крайней мере две ступени с компрессорами и конденсаторами, соединенными через сепараторы, терморегулирующие вентили. В первой ступени испаритель соединен выходом по пару со входом компрессора первой ступени. Выход по пару от компрессора первой ступени соединен со входом конденсатора первой ступени. Конденсатор первой ступени выходом по пароконденсатной смеси соединен с сепаратором первой ступени. Выход по конденсату из сепаратора первой ступени соединен со входом в терморегулирующий вентиль первой ступени, выход которого по пароконденсатной смеси соединен со входом испарителя. В последней ступени сепаратор соединен выходом по пару со входом последнего компрессора. Выход по пару от последнего компрессора соединен со входом последнего конденсатора, который выходом по конденсату соединен со входом последнего терморегулирующего вентиля, выход которого по пароконденсатной смеси соединен со входом сепаратора предыдущей ступени. При необходимости тепловой насос снабжают промежуточной ступенью. В промежуточной ступени сепаратор соединен выходом по пару со входом компрессора промежуточной ступени. Выход по пару от компрессора промежуточной ступени соединен со входом конденсатора промежуточной ступени, который выходом по пароконденсатной смеси соединен с сепаратором промежуточной ступени. Выход по конденсату из сепаратора промежуточной ступени соединен со входом в терморегулирующий вентиль промежуточной ступени, выход которого по пароконденсатной смеси соединен со входом сепаратора предыдущей ступени. Технический результат заключается в увеличении надежности, уменьшении количества элементов системы и уменьшении числа трубопроводов. 2 ил.

Многоступенчатый тепловой насос, содержащий по крайней мере две ступени с компрессорами и конденсаторами, соединенными через сепараторы, терморегулирующие вентили, отличающийся тем, что в первой ступени испаритель соединен выходом по пару со входом компрессора первой ступени, выход по пару от компрессора первой ступени соединен со входом конденсатора первой ступени, конденсатор первой ступени выходом по пароконденсатной смеси соединен с сепаратором первой ступени, выход по конденсату из сепаратора первой ступени соединен со входом в терморегулирующий вентиль первой ступени, выход которого по пароконденсатной смеси соединен со входом испарителя, в последней ступени сепаратор соединен выходом по пару со входом последнего компрессора, выход по пару от последнего компрессора соединен со входом последнего конденсатора, который выходом по конденсату соединен со входом последнего терморегулирующего вентиля, выход которого по пароконденсатной смеси соединен со входом сепаратора предыдущей ступени, при необходимости снабжают по меньшей мере одной промежуточной ступенью, в промежуточной ступени сепаратор соединен выходом по пару со входом компрессора промежуточной ступени, выход по пару от компрессора промежуточной ступени соединен со входом конденсатора промежуточной ступени, который выходом по пароконденсатной смеси соединен с сепаратором промежуточной ступени, выход по конденсату из сепаратора промежуточной ступени соединен со входом в терморегулирующий вентиль промежуточной ступени, выход которого по пароконденсатной смеси соединен со входом сепаратора предыдущей ступени.