CZ11844U1 - Tepelné čerpadlo typu vzduch/voda - Google Patents

Description

(54) Název užitného vzoru:

Tepelné čerpadlo typu vzduch/voda

CZ 11844 Ul

Tepelné čerpadlo typu vzduch/voda

Oblast techniky

Technické řešení se týká tepelného čerpadla typu vzduch/voda, sestávajícího z kompresoru, kondenzátoru, expanzního ventilu, výpamíku a příslušenství.

Dosavadní stav techniky

Dosud známá tepelná čerpadla se používají k ohřevu topné a/nebo užitkové vody. Jako nosič nízkopotenciálního tepla používají tepelná čerpadla typu země/voda geotermální teplo, tepelná čerpadla typu voda/voda podzemní nebo povrchové vody a tepelná čerpadla typu vzduch/voda, tj. čerpadla s parním oběhem využívají s ekologickou a ekonomickou výhodou okolní atmosférický vzduch.

Nevýhodou takových tepelných čerpadel je ovšem namrzání teplosměnné plochy výpamíku při venkovních teplotách vzduchu pod 5 °C, ke kterému dochází při odebírání nízkopotenciálního tepla ze vzduchu, který je zároveň odvlhčován. Při vyšších teplotách vlhkost kondenzuje a odtéká jako kondenzát do odpadu. Dosud je tento problém řešen jednak pomocí elektrických topných těles z vnějšku výpamíku, což je krajně energeticky náročné, nebo zevnitř oteplenými parami chladivá, pomocí reverzace okruhu tepelného čerpadla.

Přestože jsou tepelná čerpadla s možností reverzace okruhu a tedy i vlastní funkce, považována za úsporné řešení do budoucna, mají dosud známá řešení své významné nevýhody. Zásadní nevýhodou je velikost času, potřebného k odtáni námrazy na výpamíku. Protože doba odtávání se zvyšuje s poklesem teploty okolního vzduchu, tepelné ztráty způsobené odtáváním narůstají právě v období potřeby zvýšeného výkonu tepelného čerpadla. Jsou známá i řešení, kde je tento problém částečně vyřešen tak, že jsou místo jednoho velikého výpamíku, potřebného pro větší výkony, použity dva menší výparníky. Každý výpamík je odtáván samostatně, se stejnou četností jako jediný velký výpamík, čili četnost odtávání se zvyšuje na dvojnásobek. Přesto je celková doba odtávání dvou výpamíků menší než doba odtávání jediného velkého výpamíku.

Nevýhodou řešení s dvěma výparníky místo jediného ekvivalentního je okolnost, že problém s odtáváním je řešen pouze nedostatečně a že je pro účely odtávání stále odebíráno vyrobené teplo, určené pro odběrní místa.

Je známé i tepelné čerpadlo, které je opatřeno zařízením pro odtávání, které sestává z ventilátoru, tepelného snímače, tepelného čidla výpamíku a řídicí jednotky, přičemž provozní stav zařízení pro odtávání je přiřazen klidovému stavu tepelného čerpadla, nadnulové teplotě vstupního vzduchu a podnulové povrchové teplotě teplosměnné plochy výpamíku.

Nevýhodou tohoto řešení je nutnost dodat teplo potřebné pro odtávání ještě dalším způsobem v případech, kdy jsou teploty vstupního vzduchu nižší než 1 °C.

Společnou nevýhodou všech tepelných čerpadel typu vzduch/voda je okolnost, že vzduch, jako zdroj nízkopotenciálního tepla má v průběhu topné sezóny značně proměnnou teplotu, na níž je závislý energetický efekt tepelného čerpadla. Jeho topný výkon je tedy nejnižší právě v období nej vyšších požadavků na vytápění, které odpovídají nej nižším teplotám okolního vzduchu.

Cílem technického řešení je vyřešení výše uvedených problémů, to je odstranění plýtvání vyrobenou tepelnou energií a zvýšení topného výkonu tepelného čerpadla v období s nejnižšími teplotami okolního vzduchu.

-1 CZ 11844 Ul

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky do značné míry odstraňuje technické řešení tepelného čerpadla, jehož podstata spočívá v tom, že je opatřeno zařízením pro odtávání výpamíku reverzaci, které sestává ze čtyřcestného ventilu uspořádaného propojitelně s výpamíkem, kompresorem a kondenzátorem, a z výměníku, zařazeného mezi kondenzátorem a obousměrným expanzním ventilem, přičemž výměník je uspořádán v akumulační nádrži.

Alternativně může být obousměrný expanzní ventil nahrazen expanzním ventilem, v jehož obtoku je uspořádán druhý expanzní ventil. V akumulační nádrži může být uspořádán sběrač chladivá, který může být propojen s pracovním okruhem tepelného čerpadla mezi expanzním ventilem a výměníkem přívodem/odvodem.

Výměník může být přemostěn propojovacím potrubím, v němž je uspořádán druhý uzavírací ventil. Akumulační nádrž může být propojena s druhým výměníkem, opatřeným cirkulačním čerpadlem, nebo může být druhý výměník uspořádán v akumulační nádrži.

Výhodou technického řešení tepelného čerpadla je odstranění plýtvání vyrobenou tepelnou energií během jeho provozní funkce po celou topnou sezónu. Další výhodou je použitelnost technického řešení u každé instalace tepelného čerpadla, u něhož se významně zvyšuje celkový energetický efekt, navíc lze teplo akumulované v akumulační nádrži využít například k ohřevu teplé užitkové vody.

Přehled obrázků na výkresech

Technické řešení je blíže objasněno na připojených obrázcích, kde je schematicky znázorněn pracovní okruh tepelného čerpadla, přičemž na obr. 1 je základní zapojení okruhu s výměníkem v akumulační nádrži, na obr. 2 je znázorněno zapojení se dvěma expanzními ventily, na obr. 3 je zapojení z obr. 2 doplněné o sběrač chladivá, na obr. 4 je zapojení z obr. 3, doplněné o přemostění výměníku, na obr. 5 je zapojení z obr. 3 doplněné o druhý výměník a na obr. 6 je zapojení z obr. 3, doplněné rovněž o druhý výměník, avšak uspořádaný v akumulační nádrži.

Příklady provedení technického řešení

Na obr. 1 je pracovní okruh tepelného čerpadla typu vzduch/voda s kompresorem I, kondenzátorem 2, výpamíkem 4, čtyřcestným ventilem 5, výměníkem 7 uspořádaným v akumulační nádrži 8, uzavíracím ventilem 15, filtrem 7 a obousměrným expanzním ventilem 19. Tepelné čerpadlo typu vzduch/voda je opatřeno zařízením pro odtávání výpamíku 4 reverzaci, které sestává ze čtyřcestného ventilu 5 uspořádaného propojitelně s výpamíkem 4, kompresorem I a kondenzátorem 2, a z výměníku 7, zařazeného mezi kondenzátorem 2 a obousměrným expanzním ventilem 19, přičemž výměník 7 je uspořádán v akumulační nádrži 8.

Na obr. 2 je podle dalšího příkladu provedení nahrazen obousměrný expanzní ventil 19 expanzním ventilem 3 a druhým expanzním ventilem 6, který je uspořádán v obtoku 14 expanzního ventilu 3, v němž je rovněž uspořádán zpětný ventil 16.

Na obr. 3 je zapojení dle obr. 2 doplněno sběračem chladivá 9, uspořádaným v akumulační nádrži 8 a propojeným s pracovním okruhem tepelného čerpadla mezi expanzním ventilem 3 a výměníkem 7, prostřednictvím přívodu/odvodu 18.

Na obr. 4 je zapojení dle obr. 3 opatřeno propojovacím potrubím 10, v němž je zařazen druhý uzavírací ventil JT, a které tvoří přemostění výměníku 7.

Na obr. 5 je v dalším příkladu provedení zapojení z obr. 3 doplněno o druhý výměník 12, který je propojen s akumulační nádrží 8 pomocí potrubí s cirkulačním čerpadlem 13.

-2CZ 11844 Ul

Na obr. 6 je znázorněno zapojení z obr. 3, doplněné rovněž o druhý výměník 12, který je však v tomto příkladu provedení uspořádán přímo v akumulační nádrži 8.

Funkce tepelného čerpadla a jeho popsaných částí je standardní. Výměník 7 však pracuje v normálním pracovním režimu tepelného čerpadla jako dochlazovač. Výměníkem 7 protéká kapalné chladivo z kondenzátoru 2 k obousměrnému expanznímu ventilu 19, resp. expanznímu ventilu 3 a výparníku 4. Voda, nebo vhodná eutektická směs v akumulační nádrži 8 odebírá protékajícímu chladivu teplo, čímž se voda ohřívá a akumulační nádrž 8 se nabíjí.

V režimu odtávání, tj. při reverzaci pracovního okruhu tepelného čerpadla pracuje výměník 7 jako výpamík. Do výměníku 7 je obousměrným expanzním ventilem 19, resp. druhým expanzním ventilem 6 škrceno zkondenzované chladivo z výparníku 4. Toto chladivo odebírá ve výměníku 7 teplo, obsažené ve vodě v akumulační nádrži 8. Chladivo se vypařuje aje přes kondenzátor 2 odsáváno kompresorem £, kde je stlačeno a zaváděno do výparníku 4 k zajištění odtávací funkce. Do kondenzátoru 2 však nepřichází chladivo jako kapalina, jak je obvyklé při dosud známých způsobech odtávání reverzaci, nýbrž jako páry chladivá, které v kondenzátoru 2 teplo neodvádějí. Teplo potřebné pro odtávání se tedy neodebírá z okruhu topného média, resp. z vytápěného objektu, nýbrž výlučně, nebo v převážné míře z tepla akumulovaného v akumulační nádrži 8.

Popsaná funkce výměníku 7 a celého zapojení má kromě energetických úspor i další výhody. Účinnost tohoto zapojení prakticky vylučuje nebezpečí zamrznutí výparníku 4, proto lze významně zjednodušit řídící soustavu tepelného čerpadla. Dále jsou celkově sníženy tlakové a teplotní změny na sací straně kompresoru £, čímž je sníženo i dynamické namáhání výparníku 4, kondenzátoru 2 a výměníku 7, u kterých se tak prodlužuje životnost.

Pokud funkce zapojení podle obr. 1 a 2 není vzhledem k podmínkám dostatečná, je dle dalších provedení instalován do akumulační nádrže 8 sběrač chladivá 9, který při provozním režimu pojme teplotní rezervu chladivá a v režimu odtávání je schopen ji rychle uvolnit, protože je ponořen do vody v akumulační nádrži 8.

Naopak, při přebytku akumulovaného tepla, resp. při nemožnosti či nepotřebě využít podchlazovací teplo pro odtávání, lze uplatnit zapojení dle obr. 4, kde je výměník 7 s akumulační nádrží 8 přemostěn propojovacím potrubím 10, kudy může proudit převážná část chladivá.

Výhodnější je však uplatnit zapojení dle obr. 5 nebo 6, kde může být přebytečné teplo odebíráno druhým výměníkem 12 pro předehřev nebo ohřev užitkové vody, tedy mimo vlastní topnou soustavu objektu.

Průmyslová využitelnost

Tepelné čerpadlo podle technického řešení lze uplatnit všude tam, kde se dosud používala tepelná čerpadla, zejména pokud se využívala i k předehřevu nebo ohřevu teplé užitkové vody.

Claims (7)

NÁROKY NA OCHRANU

1. Tepelné čerpadlo typu vzduch/voda, sestávající z kompresoru (1), kondenzátoru (2), expanzního ventilu (19), výparníku (4) a příslušenství, vyznačené tím, že je opatřeno zařízením pro odtávání výparníku (4) reverzaci, které sestává ze čtyřcestného ventilu (5) uspořádaného propoj itelně svýparníkem (4), kompresorem (1) a kondenzátorem (2), a z výměníku (7), zařazeného mezi kondenzátorem (2) a obousměrným expanzním ventilem (19), přičemž výměník (7) je uspořádán v akumulační nádrži (8).

2. Tepelné čerpadlo podle nároku 1, vyznačené tím, že obousměrný expanzní ventil (19) je nahrazen expanzním ventilem (3), v jehož obtoku (14) je uspořádán druhý expanzní ventil (6).

3. Tepelné čerpadlo podle nároku 1 nebo 2, vyznačené tím, že v akumulační nádrži

-3 CZ 11844 Ul

4. Tepelné čerpadlo podle nároku 3, vyznačené tím, že sběrač (9) chladívaje propojen s pracovním okruhem tepelného čerpadla mezi expanzním ventilem (3) a výměníkem (7) přívodem/odvodem (18).

5. Tepelné čerpadlo podle nároků 1, 2, 3 nebo 4, vyznačené tím, že výměník (7) je ío přemostěn propojovacím potrubím (10), v němž je uspořádán druhý uzavírací ventil (11).

5 (8) je uspořádán sběrač (9) chladivá.

6. Tepelné čerpadlo podle nároků 1, 2, 3 nebo 4, vyznačené tím, že akumulační nádrž (8) je propojena s druhým výměníkem (12), opatřeným cirkulačním čerpadlem (13).

7. Tepelné čerpadlo podle nároků 1, 2, 3 nebo 4, vyznačené tím, že v akumulační nádrži (8) je uspořádán druhý výměník (12).