CN101191664A - 供热装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种供热装置，装置(1)至少具有一个锅炉(2)，锅炉(2)中具有温度分层的流体(3)，以及一个位于下面的冷的一侧(8)和一个位于上侧的热的一侧(7)，并且与至少一个热交换器(10)的次级侧(11)构成一个通过对流驱动的循环回路，其特征在于，在释放热量的情况下冷凝的导热介质(14)从热交换器(10)的初级侧(12)流过，导热介质(14)从温度比锅炉(2)的热的一侧(7)低的热源(21)中汲取热并蒸发，用于使导热介质(14)温度上高的热源(21)设置在至少一个压缩机(23)之后，压缩机(23)使导热介质(14)达到高于锅炉(2)的热的一侧(7)的温度，压缩机(23)流量受调节装置(29)的影响，该调节装置(29)影响压缩机(23)的出口和热交换器(10)出口管路(15)之间的导热介质(14)的温度和/或热交换器(10)和/或锅炉(2)的流体(3)的温度。

Description

供热装置

本发明涉及一种供热装置，装置至少具有一个锅炉，锅炉中具有温度分层的流体，以及一个位于下面的冷的一侧和一个位于上侧的热的一侧，并且与至少一个热交换器的次级侧构成一个通过对流驱动的循环回路。

在实践中，已知利用工业废热获取热能的装置，这种装置包括一个锅炉和一个属于该锅炉的热交换器。热交换器的次级一方面与锅炉的冷的一侧，另一方面与锅炉的热的一侧相连接，从而在锅炉和热交换器之间形成一个封闭的循环回路。其中储存着工业废热导热介质从热交换器的初级侧流过。为了加热锅炉中的水同时保持锅炉和热交换器之间的对流，在能够在很大范围内提供工业废热供应的地方，这种废热的量是不成问题的。为此，在这种循环回路中没有循环泵，这种泵在很强的流动的情况下会扰乱锅炉中所需要的温度层。实践证明这种已知装置很好并且构成了本发明的基础。

本发明的目的在于提供一种上述类型的供热装置，这种装置具有很高的效率并可广泛适用于各种可用的热源。

为实现上述目的，根据本发明提供一种供热装置，装置至少具有一个锅炉，锅炉中具有温度分层的流体，以及一个位于下侧的冷的一侧和一个位于上侧的热的一侧，并且与至少一个热交换器的次级侧构成一个通过对流驱动的循环回路，在释放热量的情况下冷凝的导热介质从热交换器的初级侧流过，导热介质从温度比锅炉的热的一侧低的热源中汲取热并蒸发，用于使导热介质温度上升的热源设置在至少一个压缩机之后，压缩机使导热介质达到高于锅炉的热的一侧的温度，压缩机流量受调节装置的影响，该调节装置影响压缩机的出口和热交换器出口管路之间的导热介质的温度和/或热交换器和/或锅炉的流体的温度。

上述装置用于供给热能。这种装置具有至少一个锅炉，锅炉中有温度分层的流体。通常，锅炉中充满了水，当然也可以采用任何其他的能够载热的介质。锅炉中的流体是根据温度分层的，这样在锅炉中至少有一个具有冷流体的层，与之相对至少还有一个具有热流体的层。通常，在锅炉冷的一侧设有流体的入口，特别是冷水的入口；而在热的一侧设有用于被热加的流体的出口，尤其是热水出口。被加热的流体尤其用于暖气供热，同时作为一种变换或附加地还可供应家庭用热水。为了加热锅炉中的热水设置一个热交换器，热交换器的次级侧与锅炉的冷侧相连，另一方面与锅炉的热的一侧相连。热交换器的次级侧与锅炉一起构成一个在锅炉中闭合的循环回路。这个循环回路在锅炉中由流体的对流驱动，从而根本不需要主动的循环泵。这种设置的优点在于，在这个循环回路中的流体的流量直接与承载的热量相关联。这也避免了流体在这个循环回路中流动而不能带来足够的热。这种循环会完全搅乱锅炉中流体的温度层，从而导致从锅炉得到的温度降低。因为在加热太小的时候不能形成这种对流，所以循环回路的精细对流束的前提条件是对流体强有力的加热。

为了使这种装置能够广泛用于各种用途，能够使用那些其温度低于锅炉热的一侧的温度的热源也是重要的。为此，使用那些能够被热源蒸发的导热介质。另外，利用一个压缩机将导热介质压缩，这样可以使导热介质中所包含的热的温度升高。接着引导导热介质穿过热交换器的初级侧，导热介质在那里对锅炉中的流体进行加热。同时使导热介质对流，这样使热交换器的蒸发热传递给锅炉中的流体。再将流体导热介质引回热源，使其在那里重新获得热能。利用这种方法，将热能从具有较低温度的热源以较高的温度传输到热交换器中。这也表明，一个这种类型的热泵与对流束热交换器共同工作肯定是有问题的。

与利用工业废热相反，在使用热泵驱动的时候，由于与所需能耗有关，所以主要取决于系统的高效性能。假如热泵传输进热交换器中的热量太少，则锅炉循环回路中的对流就有问题。假如传输的热量太多，则压缩机需要消耗太多能量，而不能在锅炉中实现对流体的明显的加热。

为了解决这些问题，使用一个压缩机，该压缩机的流量受一个调节装置的影响。而这个调节装置则由压缩机出口和热交换器出口管路之间的导热介质的温度或热交换器或锅炉的流体的温度影响。利用这些措施可以实现，通过压缩机的导热介质的过流量取决于热交换器中的导热介质给出的热量。因此，在装置加速运转的时候压缩机消耗相对比较少的功率，以便有时间在热交换器上的次级侧形成对流。因为热交换器中的导热介质释放的热量增加，压缩机以增加的对流在其功率范围内高速运转。利用这种方法，可以相对小的能耗得到对热源的热能的优选利用，从而使该装置具有惊人的效果。

为了尽量减小能量损失，根据本发明的一个实施例将热交换器制成对流热交换器是有利的。因此，锅炉中的流体几乎被加热到导热介质的温度。这样就能够以很小的温度损失传递热量。假如在锅炉的热绝缘中设置热交换器，则热能损失将特别小。最好是围绕着锅炉设置热交换器，从而使锅炉的热辐射损失部分地在热交换器中得到再利用。

为了尽可能有效地达到对流，使热交换器次级侧管路横截面大于初级侧的是有利的。这样在次级侧上的管路阻力比较小，从而在热交换器中由相对较小的温度差形成非常有效的对流。而在初级侧则没有必要要求较大的管路横截面，因为导热介质本身也是在压缩机的作用下被强制地循环的。

为了能够实现灵敏的调节，最好是在热交换器之后由导热介质的冷凝温度影响调节装置。冷凝温度是压力的实质性的作用，因此，为了确定一种已知导热介质的冷凝温度只需要测量热交换器之后的导热介质的压力即可。利用导热介质的蒸发压力曲线可以将如此测得的压力换算为冷凝温度。对冷凝温度的了解很重要，因为导热介质的不完整的冷凝将导致热交换器中不完整的热量释放以及不稳定的调节，最终导致压缩机能耗增加。冷凝温度对调节的影响将改善装置的功能。

为了改善效率，调节装置根据热交换器的过流量将导热介质的温度调节为低于导热介质冷凝温度的一个规定的温度。在这种情况下导热介质被过冷却，从而使蒸发热通过热交换器全部传递给锅炉中的流体。热交换器中的热量输出上升，则导致导热介质的热交换器出口处的温度相对于冷凝温度降低。在这种情况下，调节装置用于提升通过压缩机的流量。这样，被增大的热交换器的热交换能力将直接用于提高装置的功率。除此之外，调节在整个驱动区域中保持稳定。

根据本发明将温度间隔选择在1K至10K的范围中。当温度间隔小于1 K的时候会产生危险，即在水流排出时，导热介质的对流就不完全，从而不必要地在回路中泵送热量。这样还会产生很难控制的自动调节系统的振动。选择10K以上的温度间隔也是不符合本发明的目的，因为这种间隔会限制对现有热源的利用。根据可利用的热源，也可以使用更大的温度间隔。最好将温度间隔选在3K至7K的范围内，以便实现尽可能敏感和有效的调节。

为了能够在一个宽广的功率量程中使用该装置，在热交换器和热源之间设置至少一个膨胀阀是有益的。这种膨胀阀用于释放导热介质并在热交换器的区域中保持热交换介质压力比例基本恒定。

为了使该装置在所有的条件下都能够实现优选的效率，使膨胀阀与受导热介质压力影响的调节装置想关联是有益的。利用这种方法，便在一个宽广的工作范围上实现导热介质的恒定的性能。

尤其是在热源具有很低温度的时候，设置一个热交换器和至少一个容器是有利的，这个容器与蒸发的导热介质有热接触。这样可以进一步冷却导热介质，从而改善热接收。除此之外，也提高了由压缩机所实现的最终温度。

附图说明

唯一的附图是一个供热装置1的示意图。

具体实施例

下面将结合唯一的附图以实施例的方式对本发明做描述，但这种描述不构成对保护范围的限定。装置1具有一个其中灌满水3的锅炉2。锅炉2具有一个冷水入口4和一个热水出口5。在锅炉2中设有一个隔层6，通过隔层6使热的一侧7位于冷的一侧8之上。在热的一侧7和冷的一侧8之间有非常少的混合，从而可以从热的一侧7取出几乎具有恒定温度的水。而且在实践中水的温度是取决于热水出口5而不是隔层6的高度。

锅炉2通过一根连接管路9与一个对流工作的热交换器10相连接。水3通过热交换器10的次级侧11流动。次级侧11的管路横截面比热交换器10的初级侧12的大，从而无需循环泵便在锅炉2和热交换器10之间通过管路9形成一个自由对流。为了尽量减少热损失，将热交换器10设置在锅炉3的热绝缘13中。为了能够利用锅炉2的辐射热，热交换器10围绕着锅炉2延伸。

另外在锅炉2中还可以有热源(图中没有示出)，例如化石燃烧材料暖气的热交换器或高温太阳能装置。这种设置在锅炉2中的附加热源与本发明主题无关并且在此亦未示出。

除此之外，还可以根据热交换器10的使用情况通过一个附加热绝缘层与锅炉2分隔开。根据使用情况作为一种变换还可以设想，在锅炉2和热交换器10之间设置一道具有开口的分隔墙或者是干脆将它们分开，这样能够形成更好的对流。

导热介质14从热交换器10的初级侧12流过，该介质在一个特殊的循环回路中循环。热交换器10的初级侧12通过一根管路15与一个容器15a连接，这个容器15a被做成一个中间热交换器。在容器15a中，导热介质14将热传输给那些在管路22中穿过锅炉2流动的蒸发的导热介质14。这种方式改善了热交换器介质14的热接受性能。

在离开容器15a之后，导热介质14到达膨胀阀16，该膨胀阀16用于降低导热介质14的压力。膨胀阀16通过一个调节装置17与压力测量装置18连接，压力测量装置18保持管路15中的导热介质的压力恒定。调节装置17具有差分放大器17b，用于将所测得的压力与规定值生成器17a所产生的规定值相比较。这就保证了，在热交换器10中保持导热介质14的压力比基本恒定，从而使导热介质14具有基本恒定的冷凝温度。

膨胀阀16通过管路19与另一个热交换器20连接，这个热交换器20与一个热源21发生联系。作为热源21例如可以是周围的空气，但也可以考虑地热或太阳能装置。通常热交换器21的温度不足以直接加热热交换器10中的水3。因此，首先要先提高其温度。

为此，这样选择导热介质14，使其在管路19中流动并通过热源21蒸发。这些蒸汽将通过另一根管路22被导入容器15a，这些蒸汽将在此与从热交换器10来的导热介质14进行热交换。热交换介质14在此将被加热到锅炉2的入口温度。

在离开容器15a以后，导热介质14将被导入一个压缩机23，可以通过转数调节压缩机的流量。压缩机23压缩导热介质14，由此也可以提高其温度。通过管路24使导热介质14回到热交换器10中，并使其在此将其所携带的热传递给次级侧的水3。如此压缩导热介质14，使其全部蒸发热都传递给水。

通过将热交换器10的结构设置成对流热交换器还可以实现：在水3离开热交换器10以后其温度几乎与流入的导热介质14的温度相同。温度损失是很小的，因为流入的导热介质14首先加热上层水3，使其温度几乎与导热介质14的温度相同。导热介质14向下流入热交换器并对比较冷的水层进行加热，这样其温度明显降低。这样将在热交换器10中于一个确定的点上到达导热介质14的冷凝温度，从而除去导热介质14继续冷却之外，还冷凝到一个恒定的温度。导热介质14的冷凝是很充分的，以至于将所有的蒸发热都排放出来了。在热交换器10的下部区域中，将只对流动的导热介质14继续进行冷却，并将其导入膨胀阀16和热源21。利用这种方式，将会非常有效地利用装置1的能量。

为了驱动装置1，在热交换器10出口侧与管路15的区域中设置一个温度传感器25。该温度传感器25测量释放热量后的导热介质14的温度。除去导热介质14的压力以外，还通过上面提到的压力测量装置18确定管路25中的压力。通过其中存储着导热介质14温度曲线的计算电路26来计算导热介质14的冷凝温度并将其作为电信号输出。计算出的冷凝温度将与温度传感器25的信号和规定值生成器27a的规定值一起输送给一个差分放大器27，这个差分放大器将确定在管路15中导热介质14过冷却到冷凝温度以下并将其与规定值相比较。

差分放大器27的输出信号28被输入调节装置29，该信号用来通过频率调节器30控制压缩机23。利用这种方式可以保证，根据水3的对流总是优选地使导热介质14循环。这样，一方面可以优选地利用热源21，另一方面可以将压缩机23的能量消耗限制为最小。利用这种方法可以从总体上优化装置1的作用。

1.    装置

2.    锅炉

3.    水

4.    冷水入口

5.    热水出口

6.    隔层

7.    热的一侧

8.    冷的一侧

9.    管路

10.   热交换器

11.   次级侧

12.   初级侧

13.   热绝缘

14.   导热介质

15.   管路

15a.  容器

16.   膨胀阀

17.   调节装置

17a.  规定值生成器

18.   压力测量装置

19.   管路

20.   热交换器

21.   热源

22.   管路

23.   压缩机

24.   管路

25.   温度传感器

26.   计算电路

27.   差分放大器

27a.   规定值生成器

28.    输出信号

29.    调节装置

30.    频率调节器

Claims (9)

1.供热装置，装置(1)至少具有一个锅炉(2)，锅炉(2)中具有温度分层的流体(3)，以及一个位于下侧的冷的一侧(8)和一个位于上侧的热的一侧(7)，并且与至少一个热交换器(10)的次级侧(11)构成一个通过对流驱动的循环回路，其特征在于，在释放热量的情况下冷凝的导热介质(14)从热交换器(10)的初级侧(12)流过，导热介质(14)从温度比锅炉(2)的热的一侧(7)低的热源(21)中汲取热并蒸发，用于使导热介质(14)温度上升的热源(21)设置在至少一个压缩机(23)之后，压缩机(23)使导热介质(14)达到高于锅炉(2)的热的一侧(7)的温度，压缩机(23)流量受调节装置(29)的影响，该调节装置(29)影响压缩机(23)的出口和热交换器(10)出口管路(15)之间的导热介质(14)的温度和/或热交换器(10)和/或锅炉(2)的流体(3)的温度。

2.如权利有求1所述的装置，其特征在于，热交换器(10)被制成对流热交换器并且设置在锅炉(2)的热绝缘(13)中。

3.如权利有求1或2所述的装置，其特征在于，热交换器(10)次级侧的过流断面大于其初级侧的断面。

4.如权利有求之一所述的装置，其特征在于，最好在热交换器(10)之后由导热介质(14)的冷凝温度影响调节装置(29)。

5.如权利有求4所述的装置，其特征在于，调节装置(29)根据热交换器(10)的过流量将导热介质(14)的温度调节为在导热介质(14)的冷凝温度下的一个预先设定的温度间隔。

6.如权利有求4所述的装置，其特征在于，温度间隔在1K至10K之间，最好在3K至7K之间。

7.如权利有求1至6之一所述的装置，其特征在于，在热交换器(10)和热源(21)之间设置至少一个膨胀阀(16)。

8.如权利有求4所述的装置，其特征在于，膨胀阀(16)与受导热介质(14)的压力影响的调节装置(17)相连接。

9.如权利有求1至6之一所述的装置，其特征在于，热交换器(10)的初级侧(12)设置至少一个容器(15a)后面，该容器(15a)与由热源(21)蒸发的导热介质(14)热连接。

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