CZ14098U1 - Tepelné čerpadlo s parním oběhem - Google Patents

Description

Tepelné čerpadlo s parním oběhem Oblast techniky

Technické řešení se týká tepelného čerpadla s parním oběhem, jehož okruh obsahuje kompresor, kondenzátor, výpamík a ostatní standardní prvky.

Dosavadní stav techniky

Dosud známá tepelná čerpadla s parním oběhem dosahují topného faktoru v rozmezí 3 až 5 v běžných podmínkách venkovních teplot, což znamená, že za 1 kW elektrické energie se získá v rozmezí 3 až 5 kW tepla. Přestože se tepelná čerpadla s možností reverzace okruhu, ukazují jako jediné ekonomické a ekologické 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 odtávání reverzací funkce celého okruhu tepelného čerpadla. Zde je pro odtávání použito kromě tepla obsaženého ve zkomprimovaných parách i teplo kondenzační, a proto je odtávání časově velmi efektivní. Zásadní nevýhodou tohoto řešení je ovšem dotování potřebného tepla pro odtávání nejen elektrickou energií pro pohon kompresoru, ale i odběrem tepla z topného média. Protože topným médiem je vesměs voda, je zde kromě energetické nevýhody spojené s ochlazováním topného média, ještě nebezpečí zamrznutí vody ve výměníku. To je řešeno komplikovanou řídicí soustavou tepelného čerpadla.

Tento problém může být částečně vyřešen tak, že jsou místo jednoho velikého výpamíku, potřebného pro větší výkony, použity dva menší výpamíky. Každý výparník je odtáván samostatně, se stejnou četností jako jediný velký výparník, čili četnost odtávání se zvyšuje na dvojnásobek. Přesto je celková doba odtávání dvou výparníků menší než doba odtávání jediného velkého výpamíku, přičemž se se snižováním teploty vzduchu tento časový rozdíl zvětšuje. Nevýhodou řešení s dvěma výparníky místo jediného ekvivalentního je okolnost, že na sací straně kompresoru jsou zařazeny zpětné ventily, které zvyšují tlakovou ztrátu.

Společnou nevýhodou všech řešení s odtáváním výparníků reverzací okruhu je značné dynamické namáhání výparníků vlivem teplotních a tlakových změn tepelného čerpadla. Další nevýhodou společnou všem popsaným řešením odtávání, je pak stále vysoká celková energetická náročnost.

Cílem technického řešení je významné snížení dynamického namáhání příslušných výměníků při odtávání a zvýšení topného faktoru tepelného čerpadla.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky do značné míry odstraňuje technické řešení tepelného čerpadla, jehož podstata spočívá v tom, že obsahuje první výpamík a druhý výpamík, jejichž výstupy jsou přes první třícestný ventil a druhý třícestný ventil spojeny se sací stranou kompresoru, přičemž výtlačné straně kompresoru je přiřazena reverzační poloha prvního a/nebo druhého třícestného ventilu. Kondenzátor je uspořádán ve vzduchovém kanálu s nucenou cirkulací vzduchu prostřednictvím ventilátoru, přičemž před kondenzátorem může být ve vzduchovém kanálu zařazen dochlazovač.

První výpamík je na svém vstupu opatřen prvním expanzním ventilem, přičemž první výpamík je dále opatřen prvním obtokem vstupu, obsahujícím první zpětný ventil. Druhý výpamík je na svém vstupu opatřen druhým expanzním ventilem, a druhým obtokem vstupu, obsahujícím druhý zpětný ventil. Dochlazovač je pak propojen s prvním výpamíkem přes první expanzní ventil a s druhým výpamíkem přes druhý expanzní ventil. Výtlačná strana kompresoru je v reverzační

- 1 CZ 14098 Ul poloze prvního třícestného ventilu spojena s výstupem prvního výparníku, přičemž sací strana kompresoru je spojena se vstupem prvního výparníku přes druhý výparník a druhý třícestný ventil. Výtlačná strana kompresoru je v reverzační poloze druhého třícestného ventilu spojena s výstupem druhého výparníku, přičemž sací strana kompresoru je spojena se vstupem druhého výparníku přes první výparník a první třícestný ventil.

Výhodou technického řešení tepelného čerpadla je nejen odstranění tlakových ztrát na sací straně kompresoru, změnou a přenesením příslušenství umožňujícího odtávání výparníku na výtlačnou stranu kompresoru, ale především významné zjednodušení celého příslušenství. Další výhodou je použitelnost technického řešení u každého tepelného čerpadla s alespoň dvěma výpamíky, jejichž celkový počet není omezen. Všechny výhody tepelných čerpadel s možností reverzace činnosti, jakož i tepelných čerpadel s více výpamíky byly zachovány.

Hlavní výhodou je nevyužívání tepelné energie již vyrobené, neboť nedochází nikdy ke chlazení topného média. Zatímco při odtávání jednoho ze dvou či více výpamíků je tento vyřazen z normálního provozu, zbývající výparník, či výpamíky tepelného čerpadla plní svoji funkci. Energetická náročnost odtávání je tak významně snížena. Paralelní připojování/odpojování jednotlivých výparníků, způsobuje jen mírné tlakové a teplotní změny, které tyto výpamíky zatěžují. U alternativy okruhu s dochlazovačem se zvyšuje topný výkon i topný faktor o dalších 20 %.

Přehled obrázku na výkrese

Technické řešení je blíže objasněno na připojeném obrázku 1, kde je schematicky znázorněn okruh tepelného čerpadla se dvěma výpamíky a dochlazovačem v klidovém stavu.

Příklad provedení technického řešení

Tepelné čerpadlo obsahuje první větev J. s prvním výpamíkem 2, jehož vstupuje předřazen první expanzní ventil 3, opatřený prvním obtokem 4, obsahujícím první zpětný ventil 5. Na výstupu z prvního výparníku 2 je v první větvi J. zařazen první třícestný ventil 6.

Obdobně je uspořádána druhá větev 7 tepelného čerpadla s druhým výpamíkem 8, jemuž je předřazen druhý expanzní ventil 9, opatřený druhým obtokem JO, obsahujícím druhý zpětný ventil 11. Na výstupu z druhého výparníku 8 je v druhé větvi 7 zařazen druhý třícestný ventil 12. Oba výpamíky 2, 8 jsou opatřeny primárním ventilátorem 22.

První třícestný ventil 6 i druhý třícestný ventil J_2 jsou spojeny se sací stranou kompresoru J3, jemuž je ještě předřazen odlučovač 17 kapaliny. Výtlačná strana kompresoru 13 je spojena s kondenzátorem 14, magnetickým uzavíracím ventilem 15, sběračem JJS kapalného chladivá a filtrem 19 a průhledítkem 21. Výtlačná strana kompresoru J_3 je ovšem dále spojena s prvním třícestným ventilem 6 i s druhým třícestným ventilem _12.

Kondenzátor 14 je uspořádán ve vzduchovém kanálu 20 s nucenou cirkulací vzduchu prostřednictvím sekundárního ventilátoru 23, kde před kondenzátorem JA je ve vzduchovém kanálu 20 zařazen dochlazovač 18.

Funkce tepelného čerpadla a jeho popsaných částí je standardní. Tepelné čerpadlo v provozním režimu odebírá přes svůj první výparník 2 a druhý výparník 8 nízkopotenciální teplo z okolní atmosféry pomocí primárních ventilátorů 22. Vzduch procházející prvním výpamíkem 2 a druhým výpamíkem 8 se ochlazuje a současně odvlhčuje, přičemž kondenzát vlhkosti při nulových a podnulových teplotách namrzá na teplosměnných plochách.

První výparník 2 je odtáván tak, že kompresor 13 vhání páry přes první třícestný ventil 6, který je přepnut do reverzační polohy přímo do výstupu prvního výparníku 2, dále prvním obtokem 4 a přes první zpětný ventil 5 k druhému expanznímu ventilu 9 druhého výparníku 8, jehož výstup je normálně spojen se sací stranou kompresoru J3.

-2CZ 14098 Ul

Druhý výpamík 8 je odtáván opačným propojením. Totéž platí i pro nevyznačený třetí, nebo další výparník, jichž může být v rámci technického řešení libovolný počet.

Odtávaný, například první, výparník 2 přebírá plně funkci kondenzátoru 14, odtávání tak probíhá s využitím tepla v komprimovaných parách i tepla kondenzačního. Krátký čas potřebný pro odtávání odpovídá okolnosti, že disponibilní topný výkon kompresoru JJ je k dispozici pro jediný, například první, výparník 2.

V provozním režimu tepelného čerpadla použitého pro teplovzdušné vytápění, je jeho topný výkon i topný faktor zvýšen řádově o pětinu okolností, že vzduch cirkulující ve vzduchovém kanále 20 se nejprve předehřeje v dochlazovači J8 a pak dohřeje na požadovanou výstupní teplotu vzduchu v kondenzátoru J4. Hydraulicky je ovšem dochlazovač J_8 zařazen až za kondenzátorem 14. Ostatní prvky okruhu mají v kombinaci s dochlazovačem 18 shodnou funkci. Průmyslová využitelnost

Tepelné čerpadlo podle technického řešení lze uplatnit všude tam, kde se dosud používala tepelná čerpadla dosavadního typu s parním oběhem a reverzací okruhu.

Claims (7)

NÁROKY NA OCHRANU

1. Tepelné čerpadlo s parním oběhem, jehož okruh obsahuje kompresor (13), kondenzátor (14), výparník (2, 8), a ostatní standardní prvky, vyznačené tím, že obsahuje první výparník (2) a druhý výparník (8), jejichž výstupy jsou přes první třícestný ventil (6) a druhý třícestný ventil (12) spojeny se sací stranou kompresoru (13), přičemž výtlačné straně kompresoru (13) je přiřazena reverzační poloha prvního a/nebo druhého třícestného ventilu (6,12).

2. Tepelné čerpadlo podle nároku 1, vyznačené tím, že kondenzátor (14) je uspořádán ve vzduchovém kanálu (20) s nucenou cirkulací vzduchu prostřednictvím sekundárního ventilátoru (23), přičemž před kondenzátorem (14) je ve vzduchovém kanálu (20) zařazen dochlazovač (18).

3. Tepelné čerpadlo podle nároku 1 nebo 2, vyznačené tím, že první výpamík (2) je na svém vstupu opatřen prvním expanzním ventilem (3), přičemž první výpamík (2) je dále opatřen prvním obtokem (4) vstupu, obsahujícím první zpětný ventil (5).

4. Tepelné čerpadlo podle nároku 1 nebo 2, vyznačené tím, že druhý výparník (8) je na svém vstupu opatřen druhým expanzním ventilem (9), přičemž druhý výparník (8) je dále opatřen druhým obtokem (10) vstupu, obsahujícím druhý zpětný ventil (11).

5. Tepelné čerpadlo podle nároku 2, 3 nebo 4, vyznačené tím, že dochlazovač (18) je propojen s prvním výparníkem (2) přes první expanzní ventil (3) a s druhým výpamíkem (8) přes druhý expanzní ventil (9).

6. Tepelné čerpadlo podle nároků la3, vyznačené tím, že výtlačná strana kompresoru (13) je v reverzační poloze prvního třícestného ventilu (6) spojena s výstupem prvního výpamíku (2), přičemž sací strana kompresoru (13) je spojena se vstupem prvního výparníku (2) přes druhý výpamík (8) a druhý třícestný ventil (12).

7. Tepelné čerpadlo podle nároků la4, vyznačené tím, že výtlačná strana kompresoru (13) je v reverzační poloze druhého třícestného ventilu (12) spojena s výstupem druhého výparníku (8), přičemž sací strana kompresoru (13) je spojena se vstupem druhého výpamíku (8) přes první výpamík (2) a první třícestný ventil (6).