CZ15146U1 - Topný systém - Google Patents

Description

Topný systém Oblast techniky

Technické řešení se týká topného systému pro vytápění zejména obytných prostor za pomoci kompresoru.

Dosavadní stav techniky

Všechny dosavadní způsoby získávání tepla jsou založeny na principu přeměny topného média na tepelnou energii spalováním. Spalováním se vyrábí teplo ze dřeva, z rašeliny, uhlí, biomasy, topných olejů, nafty a plynu.

Nevýhodou je vysoká pracnost při získávání zdrojů, transport velkého množství materiálu do místa zdroje tepla, vysoká pracnost při vlastním topení, poškozování životního prostředí těžbou i zplodinami při spalování, spotřebovávání neobnovitelných zdrojů.

Nevýhodou je rovněž vysoká a značně pohyblivá cena, kdy se často mění poměr cen jednotlivých topných médií, přičemž přeměna topných kotlů na různá pálívaje nákladná.

Získat lze teplo z okolního prostředí, kdy v uzavřeném systému dochází ke zkapalňování a ex15 panzi plynu za pomoci kompresoru, jedna strana systému se ochlazuje a druhá zahřívá. Tato tepelná čerpadla - mají vysokou pořizovací cenu, dochází k ochlazování blízkého okolí, nutné úpravy terénu, stavební úpravy při instalaci.

Většinou nižší účinnost je v zimním období, kdy je největší potřeba vytápění a je tedy nutnost dalšího zdroje vytápění.

Dalším zdrojem tepla mohou být sluneční kolektory - v současné době slouží pouze jako doplňkový zdroj.

Podstata technického řešení

Uvedené nevýhody odstraňuje topný systém na principu tepelného čerpadla podle technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že jeho topný okruh je tvořen kompresorem, jehož výstup je napojen na vedení pracovního média o vnitřním průměru kovové trubky 3 až 70 mm, k vedení pracovního média je připojeno minimálně jedno topné těleso, jehož výstup je napojen na zpětné vedení pracovního média, ve zpětném vedení pracovního média je nejméně jedno škrticí zařízení, první chladicí spirála o průměru trubky stejném nebo menším jako vedení pracovního média, na ni navazuje druhá chladicí spirála, která je spojena s vyrovnávačem tlaku pracovního média, jehož výstup je napojen na vstup do kompresoru a pracovním médiem topného systému je plyn vybraný ze skupiny tvořené fluórem, héliem, čpavkem a freonem.

Zpětné vedení pracovního média má s výhodou stejný nebo menší průměr trubky jako vedení pracovního média.

Škrticí zařízení je tvořeno tryskou nebo škrticím ventilem.

Vedení pracovního média, zpětné vedení pracovního média i první spirála a druhá spirála jsou vytvořeny z měděných trubek.

Ve vedení pracovního média může být umístěno za kompresorem oběhové čerpadlo.

V topném okruhu je s výhodou zařazen plynový filtr a nejméně jeden kontrolní ventil a tlakoměr.

Topný systém může obsahovat více vzájemně spojených topných okruhů.

Tlak pracovního média v topném okruhu se pohybuje v rozmezí 0,5 až 30 atm. Po zapnutí elektřiny kompresor uvádí pracovní médium do oběhu. K urychlení oběhu pracovního média může být s výhodou použito oběhové čerpadlo. Pracovní médium a od něj následně kompresor, trub-1 CZ 15146 Ul kove vedení a topná tělesa se zahřejí na teplotu až do 150 °C. Lze použít kompresor, který by umožňoval dosažení vyšší teploty pracovního média. Krátkodobě lze dosáhnout až teploty 700 °C. Pomocí topných těles - sálavých radiátorů, je teplo přenášeno do okolí. Jako topné těleso může být použit také vodní výměník tepla, ve kterém se teplo pracovního média přenáší do vody a odtud do klasických vodních radiátorů. U tohoto způsobu přenosu tepla zatím dochází k vysokým tepelným ztrátám. Naměřený faktor tepelného čerpadla při přenosu tepla do vody byl pouze 2,6, zatímco při použití sálavých radiátorů byl naměřen faktor tepelného čerpadla 17,78.

V topných tělesech dochází k ochlazování pracovního média a k jeho zkapalňování při teplotě cca +40 °C a teplotním spádu 50 až 100 °C. Pracovní médium se zpětným vedením vrací zpět ke ío kompresoru. Před kompresorem pracovní médium prochází škrticím zařízením, jehož průřez je užší než průřez vedení pracovního média. Jako škrticí zařízení může být použita tryska nebo regulační ventil, kterým lze plynule seřizovat velikost otvoru, jímž plyn prochází a tím upravovat poměr tlaku plynu na výstupu z kompresoru a tlaku plynu na vstupu do kompresoru. Teplota a množství uvolňovaného tepla jsou závislé na poměru těchto tlaků. Poměr tlaků se seřizuje v zá15 vislosti na velikosti topného systému. Teplota pracovního média po průchodu škrticím zařízením se může snížit až na -40 °C, běžně se však sníží na +20 až 40 °C. Za škrticím zařízením prochází pracovní médium první chladicí spirálou a druhou chladicí spirálou, která je navinuta na těleso kompresoru, čímž dochází jednak k ochlazování kompresoru proti přehřátí a jednak se procházející plyn od kompresoru předehřívá před vstupem do kompresoru. Před vstupem do kompresoru plyn prochází vyrovnávačem tlaku, který má širší průměr než zpětné vedení, dochází zde ke snížení tlaku tak, aby kompresor byl schopen plyn nasát. Do topného okruhu lze s výhodou zařadit plynový filtr, který zachycuje případné nečistoty v oběhu. Dále je v oběhu zařazen ventil pro plnění soustavy pracovním médiem a tlakoměr.

Teplo, které je do okolí přenášeno topnými tělesy tohoto topného systému, je až dvacetinásobně vyšší oproti množství dodané elektrické energie, která sklouží k pohonu kompresoru.

Na zpětné vedení lze s výhodou napojit chladicí klimatizační jednotku.

Hlavní výhodou je cena za vytápění, kdy dochází k úspoře až 90 % nákladů oproti vytápění elektřinou.

Výhodná je i pořizovací cena na pořízení topného systému.

Topný systém vytápění podle technického řešení je velmi jednoduchý na instalaci i provoz. Kompresor je malý a rovněž mohou být použity velmi malé konvektory na přenos tepla.

Celý topný systém může být minimalizován zkrácením vedení a kompaktně spojen do jednoho bloku, čímž se topení stává přenosným.

Není potřeba odtahových komínů na zplodiny, neboť při uvolňování tepla žádné nevznikají.

Šetří životní prostředí nízkou energetickou náročností i tím, že je bezsplodinový.

Topný systém je možné prostřednictvím výměníku napojit na stávající rozvod tepla.

Přehled obrázků na výkresech

Na obr. 1 je znázorněno schematické zapojení topného systému na výrobu tepla.

Na obr. 2 jsou znázorněna místa měření teplot v topném systému.

Příklady provedení technického řešení

Příklad 1

Příklad použití technického řešení je zřejmý z obr. 1.

Kompresor i je opatřen přívodem elektřiny. Z něj vychází vedení 2 pracovního média, kterým je fluor. Mezi kompresorem | a třemi topnými tělesy 4 je umístěno oběhové čerpadlo 3, které je

-2CZ 15146 Ul zařazeno z důvodu rychlejšího oběhu pracovního média a tím rychlejšího zahřátí topných těles 4, kterými jsou sálavé topné radiátory. Topné těleso 4 může být zavěšeno na stěně, zabudováno v podlahovém kanálku nebo zabudováno ve zdi. Z topných těles 4 se zpětným vedením 5 vrací zkapalněné pracovní médium přes škrticí zařízení 6, první chladicí spirálu 7, a druhou chladicí spirálu 8, přes plynový filtr 9 k odloučení případných nečistot, kontrolní ventil 10, tlakoměr 11 a vyrovnávač tlaku 12 vstupem 13 do kompresoru i.

K ověření funkčnosti systému byl použit kompresor i o příkonu 2,8 kW. Zapojení bylo provedeno na třífázový proud 380 V, 50 Hz. K odběru tepla byla nainstalována tři topná tělesa 4 o celkovém výkonu 30 kW při teplotním spádu 20 °C.

ío Za 23 minut po uvedení do chodu bylo dosaženo na všech konvektorech teploty 94 °C. Po dobu dalších 3 hodin elektroměr vykázal spotřebu elektrické energie 9,9 kWh. Teplota topných těles 4 se po dobu 3 hodin pohybovala v mezích od 89 do 107 °C.

Z uvedeného pokusu byl vypočten faktor tepelného čerpadla teplo, které bylo přijato konvektory 3 hod χ 30 kW faktor tepel, čerpadla =-=-= 9,09 el. energie odebraná systémem ze sítě 9,9 kWh

Při pokusu bylo dosaženo faktoru tepelného čerpadla téměř 10. Vyplývá z toho, že přenos tepla pomocí topných konvektorů je dobrý.

Příklad 2

K přenosu tepla byl použito topné těleso 4, které přenáší teplo do vody a tou jsou vyhřívány vodní radiátory kdekoliv v domě.

V topném okruhu je s výhodou zařazen kontrolní ventil JO a tlakoměr 11.

Měření bylo prováděno po dobu 5 hodin, za tuto dobu byly naměřeny hodnoty:

Množství vody prošlé výměníkem za dobu měření m = 347 kg

Dodané množství elektrické energie E = 7,9 kWh

Rozdíl teplot vody na vstupu a výstupu z topného tělesa 4 byl po dobu měření 51,253 °K Měrná kapacita vody c = 4180 J.kg^.K’¹

Odebraná energie Q = m.c.rozdíl teplot

Q teplo, které přijme voda za dobu měření 4180.51,253.347 faktor tepelného čerpadla =- =-= 2,61

E spotřebovaná el. energie 7900.3600

U pokusu s přenosem tepla přes vodní tepelný výměník nebylo dosaženo tak dobrých výsledků jako při přenosu tepla plynovými konvektory.

Příklad 3

Při měření bylo použito 8 topných těles 4 - konvektorové radiátory. Zapojení odpovídalo obr. 2. Měření teplot bylo prováděno digitálním kontaktním teploměrem po pěti minutách po dobu jedné hodiny. Veškeré rozvody jsou měděné trubky. Vedení 2 pracovního média má vnitřní průřez 8 mm. Zpětné vedení 5 pracovního média má vnitřní průřez 8 mm, za škrticím zařízením 6 je vnitřní průřez vedení 5 pracovního média a první chladicí spirály 7 = 6 mm.

Vnitřní průřez druhé chladicí spirály 8 je 12 mm a vnitřní průřez vstupu 13 do kompresoru I je 22 mm.

-3CZ 15146 Ul

V bodě 23 se vedení 2 pracovního média dělí na dvě větve s měřicími body 24, 25, 26 a 27 na vstupech do topných těles 4, a na výstupech 41, 42 z topných těles 4. V bodě 51 se zpětné vedení 5 pracovního média opět spojuje. Dalšími měrnými body jsou bod 52 před škrticím zařízením 6 a bod 53 za škrticím zařízením 6.

Dalšími měrnými body jsou bod 54 za první chladicí spirálou 7 a bod 55 na vstupu 13 do kompresoru i.

Počáteční teplota byla 24 °C.

Během prvních pěti minut stoupla v bodě 21 na výstupu z kompresoru 1 teplota na 71 °C a pak se pohybovala kolem 90 °C. Taktéž v bodě 23 a v bodě 22. Teplota na vstupech do topných těles ío 4 se pohybovala od 75 do 85 °C. Na výstupech z topných těles 4 se pohybovala od 38 do 40 °C.

V bodech 51, 52 a 53 byla teplota 38 až 41 °C. V bodě 54 byla teplota 37 °C a v bodě 55 se pohybovala 39 až 43 °C.

Spotřeba elektrické energie byla 1,8 kWh, množství odevzdaného tepla 32 kWh.

Faktor tepelného čerpadla je v tomto případě 17,78.

Průmyslová využitelnost

Vytápění pomocí topného systému podle technického řešení lze použít v jakémkoliv prostoru, kde je zajištěna dodávka elektřiny k pohonu kompresoru.

Systém je vhodný především k vytápění bytů, rodinných domků, průmyslových a zemědělských objektů. Jako přenosný je pak vhodný k lokálnímu vytápění chatek, kiosků a k dotápění jakých20 koliv prostor.

Všechny výše uvedené objekty je možné zároveň stejným systémem ochlazovat.

Claims (8)

1. Topný systém, vyznačující se tím, že jeho topný okruh je tvořen kompresorem (1), jehož výstup je napojen na vedení (2) pracovního média o vnitřním průměru kovové trubky 3

25 až 70 mm, k vedení (2) pracovního média je připojeno minimálně jedno topné těleso (4), jehož výstup je napojen na zpětné vedení (5) pracovního média, ve zpětném vedení (5) pracovního média je nejméně jedno škrticí zařízení (6), první chladicí spirála (7) o průměru trubky stejném nebo menším jako vedení (2) pracovního média, na ni navazuje druhá chladicí spirála (8), která je spojena s vyrovnávačem tlaku (12) pracovního média, jehož výstup je napojen na vstup (13)

30 do kompresoru (1) a pracovní médium topného systému je vybráno ze skupiny tvořené fluórem, héliem, čpavkem a freonem.

2. Topný systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že zpětné vedení (5) pracovního média má stejný nebo menší průměr trubky jako vedení (2) pracovního média.

3. Topný systém podle nároků la2, vyznačující se tím, že škrticí zařízení (6) je

35 tvořeno tryskou nebo škrticím ventilem.

4. Topný systém podle nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že vedení (2) pracovního média, zpětné vedení (5) pracovního média i první chladicí spirála (7) a druhá chladicí spirála (8) jsou vytvořeny z měděných trubek.

-4CZ 15146 Ul

5. Topný systém podle nároků 1 a 4, vyznačující se tím že ve vedení (2) pracovního média je umístěno za kompresorem (1) oběhové čerpadlo (3).

6. Topný systém podle nároků laž5, vyznačující se tím, že v topném okruhu je zařazen plynový filtr (9).

5

7. Topný systém podle nároků laž6, vyznačující se tím, že v topném okruhu je zařazen nejméně jeden kontrolní ventil (10) a tlakoměr (11).

8. Topný systém podle nároků laž7, vyznačující se tím, že obsahuje více topných okruhů, které jsou vzájemně propojeny.