CS238152B1 - Zařízení k akumulaci nízkopotenciálního tepla v chladicím okruhu - Google Patents

Abstract

Zařízení sestává v podstatě z uzavřeného okruhu převáděcí teplonosné kapaliny, rozděleného do dvou sekcí, ve kterých je zajištěna nezávislá cirkulace převáděcí teplonosné kapaliny dvěma samostatnými oběhovými čerpadlý a které jsou vzájemně propojeny akumulační nárdží. V jedné sekci okruhu převáděcí teplonosné kapaliny js zařazen výměník tepla vřazený do chladicího okruhu, do druhé sekce okruhu převáděcí teplonosné kapaliny je zařazen výměník tepla, představující zvolený odběr nízkopotenciálního tepla.

Description

(54) (61) (23) Výstavní priorita (22) Přihlášeno 06 0-5 83 (21) PV 5250-83 (40) Zveřejněno 16 01 85 (45) Vydáno 01 05 87

DVORAK ZD3NÉK ing. prof.,

PETRÁK Jlfil doc.ing. CSc., PRAHA, KLAZAR LUDSK ing., LITOMYŠL

Zařízení k akumulaci nízkopotenciálního tepla v chladicím okruhu

Zařízení sestává v podstatě z uzavřeného okruhu převáděcí teplonosné kapaliny, rozděleného do dvou sekcí, ve kterých je zajištěna nezávislá cirkulace převáděcí teplonosné kapaliny dvěma samostatnými oběhovými čerpadlý a které jsou vzájemně propojeny akumulační nárdží.

V jedné sekci okruhu převáděcí teplonosné kapaliny js zařazen výměník tepla vřazený do chladicího okruhu, do druhé sekce okruhu převáděcí teplonosné kapaliny je zařazen výměník tepla, představující zvolený odběr nízkopotenciálního tepla.

238 152

238 152

() (Bl) (51) InL Cl.’

P 25 B 29/00

238 152

Vynález se týká zařízení k akumulaci nízkopotenciálního tepla v chladicím okruhu pracujícím s parním oběhem, systémem připojeným ke zvolenému odběru tepla tvořeného uzavřeným okruhem převáděcí teplonosné kapaliny, ve kterém jsou začleněny první výměník tepla, vřazený mezi kompresor a kondenzátor chladicího okruhu, dále akumulační nádrž a druhý výměník tepla, představující odběr nízkopotenciálního tepla.

Nízkopotenciální teplo, produkované chladicím zařízením pracujícím s parním oběhem chladivá, patří mezi tepla odpadní, která se v současné době odvádějí bez užitku a vhodným způsobem se maří. Při účelném řešení chladicího okruhu se však může toto nízkopotenciální teplo nebo alespoň jeho část sezónně, mnohdy i celoročně využívat.

Největší část nízkopotenciálního tepla produkovaného chladicím okruhem, se může využívat při dvou teplotních úrovních. Menší díl této části s vyšší teplotní úrovní představuje zjevné teplo, obsažené v přehřátých parách chladivá za výtlakem kompresoru nebo kompresorů. Větší díl této části, avšak s nižší teplotní úrovní, představuje skryté, to je kondenzační teplo par chladivá.

Nízkopotenciální teplo, obsažené v přehřátých parách chladivá, má ze všech tepel produkovaných chladicím okruhem nejvyšší teplotní úroveň. Jeho účelné využití je tedy možné i žádoucí. Přitom nalezení vhodného odběru tohoto nízkopotenciálního tepla je vcelku jednoduché. S ohledem na výhodnou teplotní úroveň tohoto tepla - teplota přehřátých par ve výtlaku kompresorů se pohybuje v rozmezí okolo 100 až 150 °C - se toto teplo může účelne využívat pro ohřev nebo předehřev různých pracovních

238 152

-fclátek, například užitkové nebo pitné vody i jiných kapalin.

Nízkopotenciální teplo z přehřátých par chladivá ae zpravidla využívá tak, že do výtlačného potrubí kompresorů, to je mezi kompresor a kondenzátor chladicího okruhu, se vřadí výměník tepla, ze kterého se vhodnou teplonosnou kapalinou, nejčastěji vodou, převádí teplo přehřátých par chladivá ke zvolenému odběru tepla, tvořeném dalším výměníkem tepla, ve kterém se převedeným teplem ohřívá příslušná pracovní látka. Okruh převáděcí teplonosné kapaliny, propojující oba výměníky tepla, je uzavřený, s vyrovnávací nádrží a cirkulaci teplonosné kapaliny zajištuje nejčastěji oběhové Čerpadlo.

Popsaný nepřímý převod tepla mezi zdrojem tepla, to je chladicím okruhem a zvoleným odběrem tepla, pomocí převáděcí teplonosné kapaliny, se volí pro zajištění bezpečnosti a hygienické nezávadnosti, to je proto, aby se vyloučila možnost proniimutí chladivá při netěsnosti systému do ohřívané pracovní látky. Proniknutí chladivá do ohřívané pracovní látky znemožňuje popsaný nepřímý převod tepla jednak přímo, jednak nepřímo tím, že je dána možnost indikace přítomnosti chladivá v převáděcí teplonosné kapalině, která signalizuje netěsnost výměníku tepla v chladicím okruhu.

Protože produkce nízkopotenciálního tepla v chladicím okruhu a odběr účelně využívaného nízkopotenciálního tepla nejsou většinou časově sladěny, dochází k disproporci mezi produkcí a odběrem tohoto nízkopotenciálního tepla. Z hlediska provozu chladicího zařízení a provozu systému, zajištujícího využívání nízkopotenciálního tepla je zvlášt nebezpečná dispro porce při nadprodukci nízkopotenciálního tepla. -Pokud by se tato disproporce neřešila, mohlo by to vést k závažným provozním potížím a poruchám.

Disproporce při nadprodukci nízkopotenciálního tepla, to je disproporce v období, kdy produkce tepla převyšuje požadavky zvoleného odběru tepla, se zpravidla řeší dvojím způsobem·

-3 238 152

První způsob řešení této disproporce představuje regulace, případně až do úplného přerušení převodu tepla z přehřátých par chladivá do převáděcí teplonosné kapaliny ve výměníku tepla, vřazeném do chladicího okruhu. Tato regulace komplikuje zapojení chladicího okruhu, protože vyžaduje, aby výměník tepla v chladicím okruhu byl opatřen regulovatelným obtokem na straně, přehřátých par chladivá, kterým se snižuje, případně zcela přerušuje převod tepla z přehřátých par chladivá do převáděcí teplonosné kapaliny, čímž se předchází varu převáděcí kapaliny ve výměníku tepla se všemi nepříznivými důsledky z toho plynoucími.

Druhý způsob řešení této disproporce představuje akumulace nadbytečného tepla v určitém množství přéváděcí teplonosné kapaliny, shromážděném v akumulační nádrži. Akumulační nádrž se zařazuje do uzavřeného okruhu převáděcí teplonosné kapaliny mezi výměník tepla vřazený do chladicího okruhu a druhý výměník tepla, představující zvolený odběr účelně využívaného nízkopotenciálního tepla. Je-li disproporce v produkci a odběru nízkopotenciálního tepla zvláší výrazná, vychází akumulační nádrž neúměrně velká. Velká akumulační nádrž má, vedle řady dalších nevýhod, velké tepelné ztráty do okolí i velké vnitřní, tak zvané exergetické ztráty při odběru akumulovaného tepla z nádrže, ke kterým dochází v důsledku směšování ohřáté a vratné ochlazené převáděcí teplonosné kapaliny.

Uvedené nedostatky odstraňuje zařízení k akumulaci nízkopotenciálního tepla v chladicím okruhu, pracujícím s parním oběhem chladivá systémem, připojeným ke zvolenému odběru tepla, tvořené uzavřeným okruhem převáděcí teplonosné kapaliny, ve kterém jsou začleněny první výměník tepla, vřazený mezi kompresor a kondenzátor chladicího okruhu, dále akumulační nádrž a druhý výměník tepla představující odběr nízkopotenciálního tepla. Jeho poasxaxajspocívá v tom, že uzavřený okruh převáděcí teplonosné kapaliny je rozdělen do dvou sekcí, propojených akumulační nádrží, a do první sekce, která vychází ze spodní části akumulační nádrže a je zavedena do horní části akumulační nádrže, je postupně zařazeno nejméně jedno první oběhové

23S 152 čerpadlo teplonosné kapaliny a první výměník a do druhé sekce, která vychází z horní části akumulační nádrže a je zavedena do spodní části akumulační nádrže je postupně zařazeno nejméně jedno druhé oběhové čerpadlo teplonosné kapaliny a druhý výměník tepla, přičemž k akumulační nádrži je dále připojena vyrovnávací nádrž.

Podle dalšího význaku vynálezu je do druhé sekce uzavřeného okruhu převáděcí teplonosné kapaliny zařazen regulační orgán pro řízení průtoku teplonosné kapaliny druhým výměníkem tepla.

Konečně podle posledního význaku vynálezu je do první sekce uzavřeného okruhu převáděcí teplonosné kapaliny zařazen regulační orgán pro řízení průtoku teplonosné kapaliny prvním výměníkem.

Hlavní výhoda zařízení podle vynálezu spočívá v tom, že výkon, výměníku tepla, vřazeného do chladicího okruhu, nemusí být regulován přídavným regulačním zařízením při nadprodukci tepla oproti odběru a že pro srejné množství akumulovaného tepla vychází akumulační nádrž podstatně menší. Tyto výhody vedou k tomu, že celý systém je jednodušší, přitom provozně spolehlivější a rozměrově menší. To vede i k nižším investičním nákladům a to jak přímým za strojní zařízeni a regulační systém, tak k nepřímým, za nižší obestavěný prostor.

Zařízení podle vynálezu je dále blíže vysvětleno na konkrétním příkladu využití z provozu chladicího zařízení, znázorněném schematicky na připojeném výkrese.

Do chladicího okruhu 1 je mezi kompresorem 2 a kondenzátorem 3 vřazen první výměník 4 tepla, který představuje zdroj nízkopotenciálního tepla. První výměník 4 tepla je zařazen do první sekce 6 uzavřeného okruhu převáděcí teplonosné kapaliny a touto první sekcí je propojen s akumulační nádrží 10. První sekce 6 vychází ze spodní části akumulační nádrže 10, postupně je do ní vřazeno první oběhové čerpadlo 8 a první výměník 4 tepla a je zavedena do horní části akumulační nádrže 10. Druhý

238 152

-yvýměník 5 tepla, který představuje odběr nízkopotenciálního tepla, je zařazen do druhé sekce 7 uzavřeného okruhu převáděcí teplonosné kapaliny a touto druhou sekcí je propojen s akumulační nádrží 10 a jejím prostřednictvím i s první sekcí 6. Druhá sekce 7 vychází z horní části akumulační nádrže ÍO, postupně je do ní vřazeno druhé oběhové čerpadlo 9, regulační orgán 11 a druhý výměník 5 tepla. Regulační orgán 11 řídí průtok teplonosné látky druhým výměníkem 5, tepla a tím řídí jeho výkon v závislosti na požadavcích odběru. Akumulační nádrž 10 propojuje uzavřený okruh převáděcí teplonosné kapaliny mezi sáním obou oběhových čerpadel 8 a 9 a tím, rozděluje celý okruh na dvě sekce 6 a 7 s naprosto nezávislým průtokem teplonosné kapaliny. K akumulační nádrži 10 je připojena tlaková nebo beztlaková vyrovnávací nádrž, která není zakreslena.

Při vyvážené produkci a odběru nízkopotenciálního tepla je průtok teplonosné kapaliny v obou sekcích 6 a 7 okruhu převáděcí teplonosné kapaliny shodný. Teplo z prvního výměníku 4 tepla se převádí teplonosnou kapalinou přímo do druhého výměníku 2 tepla. Teplonosné kapalina obchází nahoře i dole akumulační nádrž 10.

Při malé nadprodukci tepla v prvním výměníku 4 tepla je průtok teplonosné kapaliny v první sekci 6 větší než ve druhé sekci 7, ve které je průtok teplonosné kapaliny škrcen regulačním orgánem 11. Převáděcí teplonosné kapalina ohřívaná v prvním výměníku 4 tepla na určitou stálou teplotu proto prochází akumulační nádrží 10 shora dolů, dochází k nabíjení” akumulační nádrže, to je k akumulaci tepla. Naopak, převýší-li odběr tepla jeho produkci, zvětší se průtok teplonosné kapaliny ve druhé sekci 7 nad průtok v první sekci 6. Převáděcí teplonosná kapalina proto začne procházet akumulační nádrží 10 zdola nahoru, dochází k vybíjení akumulační nádrže, to je k využívání akumulovaného tepla.

V průběhu akumulace tepla nebo při využívání akumulovaného tepla dochází tedy ke známému vytváření a posuvu teplotního rozhraní v akumulační nádrži 10.

238 152

Při velké nadprodukci tepla v prvním výměníku 4 tepla, případně při úplném přerušení odběru tepla ve druhém výměníku 2 tepla, je funkce zařízení zpočátku stejná jak je popsáno v předchozím odstavci. Tuto fázi je možno označit za první stupeň akumulace tepla. Jakmile se ale celá akumulační nádrž 10 zaplní ohřátou teplonosnou kapalinou, to je jakmile se posune teplotní rozhraní v akumulační nádrži až ke spodnímu výstupu první sekce 6 z akumulační nádrže 10, změní se skokem teplota teplonosné látky na vstupu do prvního výměníku tepla 4. Při stálé teplotě přehřátých par za kompresorem se za tohoto stavu skokem zmenší vstupní teplotní rozdíl ve výměníku a následně se skokem sníží výkon tohoto výměníku. Současně se přitom skokem zvýší teplota ohřívané teplonosné kapaliny, to je teplota za výměníkem 4 tepla. Tuto fázi je možno označit za druhý stupeň akumulace tepla. S.ohledem na uvedené skokové změny teplotních poměrů a s tím související skokovou změnu výkonu prvního výměníku 4 tepla, je ohřátí teplonosné kapaliny v tomto výměníku při druhém stupni akumulace tepla nižší než při prvním stupni akumulace. Ve druhém stupni se tedy akumuluje menší množství tepla než při prvním stupni, ale na vyšší teplotní úrovni.

Podobně, jakmile se celá akumulační nádrž IQ zaplní při druhém stupni akumulace ohřátou kapalinou, dojde opět k popsaným skokovým změnám teploty a výkonu prvního výměníku 4 tepla a tedy k dalšímu stupni akumulace tepla.

Skokové změny teplot převáděcí teplonosné kapaliny a výkonu prvního výměníku 4 tepla, to je jednotlivé stupně vícestupňové akumulace se mohou uskutečňovat až do teplot převáděcí teplonosné kapaliny, při kterých je zabezpečena spolehlivá a bezpečná funkce systému, to je do teplot, při kterých je bezpečně zajištěno, že nedojde k varu převáděcí teplonosné kapaliny

Při vícestupňové akumulaci tepla skokové změny teplot převáděcí teplonosné kapaliny vedou k autoregulaci výkonu výměníku 4 tepla v požadovaném smyslu bez jakéhokoliv přídavného regulačního zařízení. Výkon výměníku 4 tepla se samočinně snižuje

238 1S2

-ytím více, čím větší je nadprodukce tepla oproti odběru. Naopak, výkon výměníku 4 tepla se samočinně zvyšuje tím více, čím menší je nadprodukce tepla oproti odběru.

Popsané zapojení má i tu výhodu, že při zvýšení odběru tepla na jmenovitou hodnotu po proběhlé vícestupňové akumulaci tepla, zvýší se výkon výměníku 4 tepla samočinně a skokově na hodnotu odpovídající první fázi, to je prvnímu stupni akumulace tepla a teplo se převádí přímo z prvního výměníku 4 tepla do druhého výměníku tepla, to je jako při vyvážené produkci a odběru nízkopotenciálního tepla. Teplo akumulované vícestupňovou akumulací na vyšší teplotní úrovni v akumulační nádrži 10 se přitom vůbec nevyužívá a zůstává zcela k dispozici pro opačnou disproporci, to je pro případ, že odběr tepla převýší jeho produkci /např. při odstavení chladicího okruhu/.

Autoregulace výměníku 4 tepla umožňuje spolehlivý a bezpečný provoz celého systému bez jakýchkoliv přídavných regulačních orgánů. Spolehlivost a bezpečnost provozu celého systému lze dále zvýšit zdvojením prvního oběhového čerpadla 8 a řešením automatického záskoku druhého čerpadla při poruše čerpadla prvního

Zařízení podle schématu odpovídá případu, že výkon chladicího okruhu a tedy i výkon prvního výměníku 4 tepla je při provozu chladicího okruhu stálý. Jestliže se výkon výměníku 4 tepla při provozu chladicího okruhu mění, může se první sekce 6 okruhu převáděcí teplonosné kapaliny doplnit známým způsobem vhodným regulačním orgánem, který při prvním stupni akumulace tepla zajišíuje stélou teplotu teplonosné kapaliny za prvním výměníkem 4 tepla, která je nezbytná pro správnou funkci druhého výměníku 2 tepla·

Popsaného způsobu a příslušného zařízení je možno použít pro akumulaci tepla z přehřátých par chladivá ve vodě, případně jiné teplonosné kapalině, např. nemrznoucí kapalině, u vody na teplotu až do 95 °C při beztlakovém okruhu převáděcí teplonosné kapaliny, případně až do 150 °C při tlakovém okruhu převáděcí teplonosné kapaliny·

Claims (3)

1. Ρ ·δ B D M Ž I VYNÁLEZU

   1. Zařízení k akumulaci nízkopotenciálního tepla v chladicím okruhu, pracujícím s parním oběhem chladivá systémem, připojeným ke zvolenému odběru tepla, tvořené uzavřeným okruhem převáděcí teplonosné kapaliny, ve kterém jsou začleněny první výměník tepla, vřazený mezi kompresor a kondenzátor chladicího okruhu, dále akumulační nádrž a druhý výměník tepla, představující odběr nízkopotenciálního tepla, vyznačené tím, že uzavřený okruh převáděcí teplonosné kapaliny je rozdělen do dvou sekcí /6, 7/, propojených akumulační nádrží /10/ a do první sekce /6/, která vychází ze spodní části akumulační nádrže /10/ a je zavedena do horní části akumulační nádrže /10/, je postupně zařazeno nejméně jedno první oběhové čerpadlo /8/ teplonosné kapaliny a první výměník /4/ tepla a do druhé sekce /7/, která vychází z horní části akumulační nádrže /10/ a je zavedena do spodní části akumulační nádrže /10/ je postupně zařazeno nejméně jedno druhé oběhové čerpadlo /9/ teplonosné kapaliny a druhý výměník /5/ tep' la, přičemž k akumulační nádrži /10/ je dále připojena vyrovnávací nádrž.
2. 2. Zařízení podle bodu 1, vyznačené tím, že do druhé sekce /7/ uzavřeného okruhu převáděcí teplonosné kapaliny je zařazen regulační orgán /11/ pro řízení průtoku teplonosné kapaliny druhým výměníkem /5/tepla.
3. 5. Zařízení podle bodů 1 a 2, vyznačené tím, že do první sekce /6/ uzavřeného okruhu převáděcí teplonosné kapaliny je zařazen regulační orgán pro řízení průtoku teplonosné kapaliny prvním výměníkem /4/ tepla.