Устройство кондиционирования воздуха раздельного типа с функцией нагрева жидкости Российский патент 2024 года по МПК F24F12/00 F24F3/06 F25B29/00 F25B41/40 F25B31/00 

Область техники

Техническое решение относится к области кондиционирования воздуха и нагрева жидкости, преимущественно воды, и предназначено для использования в жилых, общественных и производственных помещениях.

Предшествующий уровень техники

Известно устройство для кондиционирования воздуха раздельного типа (интернет-ресурс https://masterxoloda.ru/4/shema-kondicionera/ [1]), содержащее компрессор, соединенный с четырехходовым клапаном, который также включен в контур, содержащий последовательно соединенные наружный теплообменник, окруженный фильтрами-осушителями расширительный вентиль и внутренний теплообменник. Устройство предназначено для нагрева или охлаждения воздуха во внутреннем пространстве - в помещении.

При функционировании устройства в режиме охлаждения воздуха во внутреннем пространстве все тепло, поглощаемое внутренним теплообменником, отдается наружному воздуху во внешнем теплообменнике. Это является недостатком известного устройства, приводящим к безвозвратной потере упомянутого тепла.

Указанный недостаток устраняется в системе теплового насоса с функцией подготовки горячей воды (международная публикация WO 2020098263, 2020 [2]). Система содержит компрессор, к которому посредством двух четырехходовых клапанов и четырех вентилей подключены наружный теплообменник, внутренний теплообменник, окруженный фильтрами-осушителями расширительный вентиль и теплообменник для воды. Теплообменник для воды выполнен в виде трубки, навитой вокруг емкости для воды. Система работает в четырех режимах: в режиме подготовки горячей воды без охлаждения внутреннего пространства помещения, в режиме охлаждения внутреннего пространства помещения и использования тепла на подготовку горячей воды; в режиме охлаждения внутреннего пространства помещения без подготовки горячей воды; в режиме обогрева внутреннего пространства помещения без подготовки горячей воды.

Недостатком указанной системы является сложность и материалоемкость конструкции, вызванная наличием дополнительного (второго) четырехходового клапана, вентилей и дополнительных трубопроводов хладагента.

Указанная сложность приводит к невозможности модернизации уже изготовленных устройств для кондиционирования воздуха раздельного типа для придания им функции водонагревания без замены корпуса наружного блока и системы управления устройствами. Выпускаемые устройства для кондиционирования воздуха раздельного типа для сокращения затрат на транспортировку и хранение имеют компактную конструкцию их корпусов, в которых размещаются конструктивные элементы. Дополнение конструкции устройств множеством конструктивных элементов для придания им дополнительной функции водонагревания приводит к тому, что конструкцию корпусов необходимо перепроектировать, чтобы вместить все дополнительные конструктивные элементы. Поэтому модернизация уже изготовленных кондиционеров является сложной и трудоемкой, связанной, как правило, с заменой корпуса наружного блока кондиционера. Управление аналогом [2] отличается от управления известными устройствами для кондиционирования воздуха, поэтому система управления требует замены при вышеупомянутой модернизации.

Аналог [2] является по совокупности существенных признаков наиболее близким аналогом того же назначения к заявляемому техническому решению. Поэтому он принят в качестве прототипа.

Раскрытие заявляемого технического решения

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является обеспечение простого способа модернизации имеющихся устройств кондиционирования воздуха раздельного типа для утилизации выделяемого тепла на нагрев жидкости, преимущественно воды.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым техническим решением, является снижение сложности и материалоемкости конструкции устройства при обеспечении возможности утилизации тепла, выделяемого при охлаждении внутреннего пространства помещения, на нагрев жидкости, преимущественно, воды.

Другим техническим результатом является упрощение способа модернизации готовых устройств для кондиционирования воздуха раздельного типа для придания им функции нагрева жидкости, преимущественно, воды, без замены корпуса наружного блока и системы управления устройств для кондиционирования воздуха.

Сущность заявленного технического решения состоит в том, что устройство кондиционирования воздуха раздельного типа с функцией нагрева жидкости содержит по крайней мере один теплообменник для жидкости, компрессор, к которому через четырехходовой клапан подключены последовательно соединенные наружный теплообменник, расширительный вентиль и внутренний теплообменник. При этом выход четырехходового клапана соединен со входом всасывания компрессора. Отличается тем, что выход нагнетания компрессора соединен со входом теплоносителя по крайней мере одного теплообменника для жидкости, выход по крайней мере одного теплообменника для жидкости соединен со входом четырехходового клапана.

Вышеуказанная сущность является совокупностью существенных признаков заявленного технического решения, обеспечивающих достижение всех заявленных технических результатов.

Размещение теплообменников для жидкости на линии подачи теплоносителя после компрессора, но до четырехходового клапана позволяет значительно упростить схему, исключить лишние краны, клапаны и контуры управления. Такое размещение позволяет обеспечить модернизацию существующих сплит-систем без изменений их заводской конструкции и произвести модернизацию системы прямо на месте установки. Также такой способ модернизации не требует переделки штатной системы управления сплит-системы.

В частных случаях допустимо выполнять техническое решение следующим образом.

Теплообменники для жидкости целесообразно снабжать запорными кранами на своем входе и выходе теплоносителя.

Теплообменники для жидкости желательно снабжать байпасной линией теплоносителя с запорным краном.

Устройство может содержать один теплообменник для жидкости, выполненный с возможностью подготовки горячей воды. Дополнительно к этому теплообменнику устройство может содержать еще один теплообменник для жидкости, выполненный с возможностью подготовки теплого теплоносителя для теплого пола. Теплообменники для жидкости могут быть соединены последовательно, при этом выход нагнетания компрессора соединен с теплообменником подготовки горячей воды, который соединен с теплообменником подготовки теплоносителя теплого пола, который соединен с четырехходовым клапаном. Теплообменники для жидкости могут быть соединены параллельно.

Автором заявленного технического решения изготовлен опытный образец этого решения, испытания которого подтвердили достижение технического результата.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показана схема сущности устройства кондиционирования воздуха раздельного типа с функцией нагрева жидкости; на фиг. 2, 3 - схема устройства в частных случаях исполнения; на фиг. 4 - схема резервуара теплообменника для жидкости.

Варианты осуществления технического решения

Устройство кондиционирования воздуха раздельного типа с функцией нагрева жидкости (фиг. 1) содержит компрессор (1), четырехходовой клапан (2), наружный теплообменник (3), фильтры-осушители (4), расширительный вентиль (5), внутренний теплообменник (6), теплообменник для жидкости (7).

Компрессор (1) предназначен для повышения давления и температуры газообразного теплоносителя в устройстве кондиционирования. Выход нагнетания компрессора (1) соединен со входом теплоносителя теплообменника для жидкости (7).

Теплообменник для жидкости (7) предназначен для получения нагретой жидкости, в частности, для подготовки горячей воды. Он представляет собой резервуар (71) со входом холодной жидкости и выходом горячей жидкости. Внутри резервуара размещена винтовая трубка (72), по которой движется теплоноситель. Трубка (72) закреплена в резервуаре быстросъемным соединением, например, кламповым соединением. Вход холодной жидкости расположен во внутренней области винтовой трубки (72). В верхней части внутри винтовой трубки (72) размещена одна или несколько перегородок (73) (фиг. 4). Эти перегородки создают сопротивление движению холодной жидкости внутри винтовой части.

Резервуар (71) может быть дополнительно снабжен электрическим ТЭНом (74) (фиг. 2). Это позволяет обеспечить резервирование нагрева жидкости в резервуаре теплоносителем. Использование ТЭНа актуально зимой, когда нет необходимости охлаждать помещение сплит-системой, поэтому она не используется и теплоноситель не подается в трубку (72). Также использование ТЭНа актуально и летом, когда сплит-система используется и нагрев жидкости происходит от теплоносителя в трубке (72). В этом случае ТЭН используется для поддержания необходимой температуры жидкости, либо для дополнительного нагрева при интенсивном разборе жидкости из резервуара.

Выход теплоносителя теплообменника для жидкости (7) соединен со входом (21) четырехходового клапана (2).

Вход и выход теплоносителя теплообменника для жидкости (7) могут быть снабжены запорными кранами (8) для обеспечения возможности отключения теплообменника для жидкости (7) для обслуживания и ремонта (фиг.2). Устройство желательно снабжать байпасной линией теплообменника для жидкости с запорным краном (9) для обеспечения возможности функционирования устройства кондиционирования без нагревания жидкости или при отсутствии теплообменника во время обслуживания или ремонта. Запорные краны (8, 9) могут быть с ручным или автоматическим управлением.

Четырехходовой клапан (2) предназначен для изменения направления движения теплоносителя в наружном и внутреннем теплообменниках для переключения между режимами охлаждения и обогрева внутреннего пространства помещения. Выход (22) четырехходового клапана (2) соединен со входом всасывания компрессора (1).

Первый реверсивный порт (23) четырехходового клапана (2) соединен с последовательно соединенными наружным теплообменником (3), одним фильтром-осушителем (4), расширительным вентилем (5), другим фильтром-осушителем (4), внутренним теплообменником (6), который соединен со вторым реверсивным портом (24) четырехходового клапана (2).

Наружный (3) и внутренний (6) теплообменники предназначены для теплопереноса между воздухом и теплоносителем, движущимися по теплообменникам. Для обдува воздухом теплообменники снабжены вентиляторами.

Расширительный вентиль (5) предназначен для понижения давления и охлаждения теплоносителя. Фильтры-осушители (4) предназначены для удаления влаги из теплоносителя перед его попаданием в расширительный вентиль (5).

Компрессор (1), четырехходовой клапан (2), наружный теплообменник (3), фильтры-осушители (4), расширительный вентиль (5) конструктивно размещены в едином корпусе, размещаемом снаружи помещения. Внутренний теплообменник (6) конструктивно размещен в корпусе, размещаемом внутри помещения.

Устройство кондиционирования воздуха может быть снабжено дополнительным теплообменником для жидкости (10) (фиг. 2). Дополнительный теплообменник для жидкости (10) предназначен для получения нагретой жидкости, в частности, для подготовки теплой воды или другой жидкости для системы теплого пола. Дополнительный теплообменник для жидкости (10) содержит трубу (101) со входом холодной жидкости и выходом горячей жидкости. Внутри трубы (101) размещена винтовая трубка (102), по которой движется теплоноситель. Трубка (102) закреплена в резервуаре быстросъемным соединением, например, кламповым соединением.

Дополнительный теплообменник для жидкости (10) может быть подключен последовательно или параллельно теплообменнику для жидкости (7). При последовательном подключении (фиг. 2) выход теплоносителя теплообменника (7) соединен со входом теплоносителя теплообменника (10), а выход теплоносителя теплообменника (10) соединен со входом (21) четырехходового клапана (2). При параллельном подключении (фиг. 3) вход теплоносителя теплообменника (7) соединен со входом теплоносителя теплообменника (10), а выход теплоносителя теплообменника (7) соединен с выходом теплоносителя теплообменника (10).

Вход и выход теплоносителя дополнительного теплообменника для жидкости (10) могут быть снабжены запорными кранами (11) для обеспечения возможности отключения дополнительного теплообменника для жидкости (10) для обслуживания и ремонта. Устройство желательно снабжать байпасной линией дополнительного теплообменника для жидкости с запорным краном (12) для обеспечения возможности функционирования устройства кондиционирования без нагревания жидкости в этом теплообменнике или при отсутствии дополнительного теплообменника во время обслуживания или ремонта. Запорные краны (11, 12) могут быть с ручным или автоматическим управлением.

Устройство кондиционирования воздуха раздельного типа с функцией нагрева жидкости снабжено системой управления, предназначенной для управления конструктивными элементами устройства в зависимости от выбранных параметров. Система управления предпочтительно единая, но может представлять собой совокупность системы управления устройством кондиционирования воздуха раздельного типа и системы управления теплообменниками для жидкости. Система управления имеет интерфейс пользователя, позволяющий ему настраивать систему и контролировать ее параметры как локально (например, через экран системы или блок дистанционного управления), так и удаленно через вычислительные сети и коммуникационные каналы (например, с использованием смартфона).

Описание работы

Устройство кондиционирования воздуха раздельного типа с функцией нагрева жидкости может работать в режимах охлаждения или обогрева внутреннего пространства помещения. При этом в режиме охлаждения помещения может быть включен или выключен подогрев жидкости (подготовка горячей воды и/или теплой воды или жидкости для системы теплого пола).

При включении режима охлаждения помещения вход (21) четырехходового клапана (2) соединяется с портом (23), а порт (24) соединяется с выходом (22). Для обеспечения нагрева жидкости в теплообменниках для жидкости (7, 10) и при наличии запорных клапанов и байпасных линий у этих теплообменников перекрываются запорные краны (9, 12) байпасных линий и открываются запорные краны (8, 11) теплообменников для жидкости.

Таким образом, последовательная цепь направленного движения теплоносителя представляет собой в этом режиме компрессор (1), теплообменники для жидкости (7, 10), четырехходовый клапан (2), внешний теплообменник (3), один фильтр-осушитель (4), расширительный вентиль (5), другой фильтр-осушитель (4), внутренний теплообменник (6), четырехходовый клапан (2).

При включении устройства компрессор (1) приводит в движение газообразный теплоноситель, увеличивая при этом его давление и температуру и направляя в теплообменники для жидкости (7, 10). В теплообменниках для жидкости теплоноситель конденсируется, отдавая свое тепло жидкости и нагревая ее.

Далее жидкий теплоноситель поступает в наружный теплообменник (3), который выполняет в этом случае роль простого транспорта теплоносителя. В зависимости от разницы между температурой теплоносителя на выходе из теплообменников для жидкости и температурой окружающего наружный теплообменник воздуха теплоноситель может дополнительно охлаждаться (это происходит большую часть времени, когда теплообменники для жидкости вышли на режим поддержания температуры) или нагреваться (это происходит в переходный режим работы теплообменников для жидкости, когда жидкости имеют температуру ниже температуры воздуха, окружающего наружный теплообменник).

Из наружного теплообменника (3) теплоноситель через фильтр-осушитель (4) поступает в расширительный вентиль (5), где снижается его давление и температура.

Холодный теплоноситель затем поступает во внутренний теплообменник (6), где он испаряется, поглощая тепло воздуха внутреннего пространства помещения, обдувающего теплообменник (6).

Газообразный теплоноситель поступает затем через четырехходовый клапан (2) на вход всасывания компрессора (1).

При значительном нагреве жидкости в теплообменниках для жидкости (7, 10) теплоноситель проходит через эти теплообменники без конденсации. В этом случае конденсация теплоносителя происходит в наружном теплообменнике (как в известной из [1] сплит-системе). Если жидкость в теплообменниках для жидкости не следует нагревать до температуры теплоносителя, то автоматика системы управления открывает байпасные линии соответствующих теплообменников для жидкости при достижении этой жидкостью заданной температуры, и теплоноситель поступает в наружный теплообменник минуя теплообменник для жидкости. При значительном охлаждении жидкости в теплообменнике для жидкости автоматика перекрывает его байпасную линию и теплоноситель вновь идет через теплообменник для жидкости.

В теплообменник для жидкости (7) холодная жидкость (вода) подается во внутреннюю область, образованную винтовой трубкой (72). Это позволяет достичь эффекта наиболее быстрого нагрева поступающей жидкости за счет увеличения времени контакта холодной жидкости с трубкой (72) при поступлении в резервуар (71).

Перегородки (73) создают сопротивление движению холодной жидкости внутри винтовой части трубки (72), что позволяет обеспечить прохождение воды не только вверх по внутреннему проходу внутри винтовой части, но и через зазоры между витками. Это позволяет увеличить площадь теплообмена при нагреве поступающего потока жидкости.

Промышленная применимость

Заявляемое техническое решение реализовано с использованием промышленно выпускаемых устройств и материалов, может быть собрано на любом промышленном предприятии и найдет широкое применение в области кондиционирования воздуха и нагрева воды и жидкостей.

Техническое решение относится к кондиционированию воздуха и нагреву жидкости (воды) и предназначено для использования в жилых, общественных и производственных помещениях. В устройстве: теплообменник для жидкости, выполненный с возможностью подготовки горячей воды, и теплообменник для жидкости, выполненный с возможностью подготовки теплого теплоносителя для теплого пола, при этом выход нагнетания компрессора соединен с теплообменником подготовки горячей воды, который соединен с теплообменником подготовки теплоносителя теплого пола, который соединен с четырехходовым клапаном. Техническим результатом является снижение сложности и материалоемкости конструкции устройства при обеспечении утилизации тепла, выделяемого при охлаждении внутреннего пространства помещения на нагрев жидкости. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство кондиционирования воздуха раздельного типа с функцией нагрева жидкости, содержащее по крайней мере один теплообменник для жидкости, компрессор, к которому через четырехходовой клапан подключены последовательно соединенные наружный теплообменник, расширительный вентиль и внутренний теплообменник, при этом выход четырехходового клапана соединен со входом всасывания компрессора, отличающееся тем, что оно содержит последовательно соединенные теплообменник для жидкости, выполненный с возможностью подготовки горячей воды, и теплообменник для жидкости, выполненный с возможностью подготовки теплого теплоносителя для теплого пола, при этом выход нагнетания компрессора соединен с теплообменником подготовки горячей воды, который соединен с теплообменником подготовки теплоносителя теплого пола, который соединен с четырехходовым клапаном.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что по крайней мере один теплообменник для жидкости снабжен запорными кранами на своем входе и выходе теплоносителя.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что по крайней мере один теплообменник для жидкости снабжен байпасной линией теплоносителя с запорным краном.