CZ2002693A3

CZ2002693A3 - Způsob provozování tepelného čerpadla a tepelné čerpadlo k provádění tohoto způsobu

Info

Publication number: CZ2002693A3
Application number: CZ2002693A
Authority: CZ
Inventors: Jaroslav Kolář
Original assignee: Jaroslav Kolář
Priority date: 2002-02-26
Filing date: 2002-02-26
Publication date: 2003-09-17
Also published as: CZ292405B6; WO2003073020A1

Description

Způsob provozování tepelného čerpadla a tepelné čerpadlo k provádění tohoto způsobu

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu využití zbytkového specifického tepla chladivá v tepelném čerpadle a dále tepelného čerpadla k provádění tohoto způsobu, tvořeného okruhem chladivá, v němž jsou zapojeny: výparník chladivá k odebírání tepla z plynného nebo kapalného ochlazovaného média, kompresor ke stlačování plynného chladivá, kondenzátor ke zkapalňování chladivá a k předávání jeho skupenského tepla ohřívanému médiu, chladič svou ochlazovanou stranou a expanzní ventil ke snížení tlaku chladivá.

Dosavadní stav techniky

Tepelná čerpadla slouží k odebírání tepelné energie z ochlazovaného média, zpravidla ze vzduchu nebo z vody, a k jeho předávání médiu ohřívanému, zpravidla vodě v systému domovního vytápění nebo v zásobníku teplé vody.

Jsou tvořena okruhem chladivá, do nějž je zapojen výparník, kompresor, kondenzátor a expanzní ventil. Ve výparníku chladivo ve skupenství kapalném nebo blízkém kapalnému za tlaku řádově 0,1 MPa odpovídajícímu bodu varu a při teplotě nižší než je teplota ochlazovaného média odebere z tohoto média teplo odpovídající svému skupenskému teplu vypařování. Páry chladivá jsou stlačeny kompresorem tak, že z kompresoru odchází chladivo v plynném skupenství do kondenzátoru za tlaku řádově jednotek MPa a o teplotě vyšší než je teplota ohřívaného média. V kondenzátoru na teplosměnné ploše páry chladivá kondenzují a přitom předávají skupenské teplo ohřívanému médiu. Kapalné chladivo je vedeno do expanzního ventilu, za kterým se prudce snižuje jeho tlak a teplota tak, že ve výparníku dojde k jeho odpaření za současného odnímání tepla ochlazovanému médiu.

- 2 Rozhodujícím kriteriem k posouzení účinnosti tepelného čerpadla je topný faktor, což je poměr tepelného výkonu, předávaného na výstupu z tepelného čerpadla do ohřívaného média, k elektrickému příkonu tepelného čerpadla. Ten pro uživatele představuje rozhodující provozní náklady. Topný faktor je závislý na teplotních poměrech ve výparníku a kondenzátoru. Pokud například ochlazovaným médiem je vzduch o teplotě -7 °C a v kondenzátoru se ohřívá voda ze 45 na 50 °C, udává výrobce tepelného čerpadla topný faktor 2,12. Nevýhodou známých tepelných čerpadel je, že kapalné chladivo je z kondenzátoru do expanzního ventilu odváděno při teplotě o málo vyšší než je vstupní teplota ohřívaného média a že tudíž s sebou nese nezanedbatelné zbytkové specifické teplo, které v systému není využito. V uvedeném příkladu se jedná o specifické teplo připadající na teplotní rozdíl mezi +45 a -7 °C. Někdy se u známých tepelných čerpadel, viz např. fepis CZ 2000-2521 odebírá část zbytkového tepla z kapalného chladivá za kondenzátorem v dochlazovači a využívá se např. k předehřevu teplé užitkové vody.

Vynález si klade za úkol navrhnout způsob využití zbytkového specifického tepla chladivá a nový systém tepelného čerpadla, které využitím zbytkového specifického tepla chladivá zvýší topný faktor.

Podstata vynálezu

Uvedený úkol řeší způsob využití zbytkového specifického tepla chladivá v tepelném čerpadle tvořeném okruhem chladivá, v němž jsou zapojeny: výparník chladivá k odebírání tepla z plynného nebo kapalného ochlazovaného média, kompresor ke stlačování plynného chladivá, kondenzátor ke zkapalňování chladivá a k předávání jeho skupenského tepla ohřívanému médiu a expanzní ventil ke snížení tlaku chladivá, jehož podstata spočívá v tom, že v provozu tepelného čerpadla se cyklicky střídají dva časové úseky, kdy v prvním časovém úseku přijímá chladivo skupenské teplo odpařování z ochlazovaného média, přičemž se kapalné chladivo obsahující po průchodu kondenzátorem zbytkové specifická teplo anebo teplosměnná kapalina, do níž bylo zbytkové teplo

- 3 převedeno, shromáždí postupně v zásobníku tak, že vytlačí předchozí náplň zásobníku, aniž by došlo ke vzájemnému promísení, načež ve druhém časovém úseku přijímá chladivo skupenské teplo vypařování z náplně zásobníku, a to tak, že se náplň zásobníku nechá cirkulovat kolem teplosměnné plochy až do postupného vychlazení na teplotu blízkou teplotě ochlazovaného média, přičemž kolem druhé strany teplosměnné plochy proudí na vstup kompresoru odpařující se chladivo, jehož tlak a tudíž bod varu jsou regulovány tak, že teplotní spád na teplosměnné ploše odpovídá teplotnímu spádu chladivá a ochlazovaného média ve výpamíku.

Tento způsob se může realizovat v tepelném čerpadle tvořeném okruhem chladivá, v němž jsou zapojeny: výparník chladivá k odebírání tepla z plynného nebo kapaíného ochlazovaného média, kompresor ke stlačování plynného chladivá, kondenzátor ke zkapalňování chladivá a k předávání jeho skupenského tepla ohřívanému médiu, chladič svou ochlazovanou stranou a expanzní ventil ke snížení tlaku chladivá, jehož podstata spočívá v tom, že ohřívaná strana chladiče je zapojena do prvního okruhu teplosměnné kapaliny, v němž je zapojeno první čerpadlo, trojcestný ventil a zásobník teplosměnné kapaliny, přičemž zásobník je zároveň zapojen prostřednictvím trojcestného ventilu do druhého okruhu teplosměnné kapaliny, do něhož je kromě druhého čerpadla zapojen sekundární výparník chladivá k odebírání tepla z teplosměnné kapaliny, zapojovatelný do okruhu chladivá střídavě s výparníkem chladivá. Tímto opatřením se zajistí převádění zbytkového tepla chladivá za kondenzátorem na vstupní stranu teoelného čerpadla.

Zásobník teplosměnné kapaliny je s výhodou protáhlou nádobou situovanou na výšku, která je uzpůsobena k výměně náplně teplosměnné kapaliny s potlačením jejího promísení. To umožňuje akumulování zbytkového specifického tepla v teplosměnné kapalině s velkým teplotním spádem.

Jako sekundární výparník může v případě, že médiem ochlazovaným je kapalina, sloužit výparník chladivá, pokud je uzpůsobený ke střídavému

- 4 zapojování do okruhu ochlazovaného kapalného média a do druhého okruhu teplosměnné kapaliny. Výhodou je úspora jednoho výparníku chladivá.

Na výstup prvního okruhu teplosměnné kapaliny z chladiče a na jeho vstup do něj může být napojen třetí okruh teplosměnné kapaliny střídavě zapojovatelný prostřednictvím trojcestného ventilu. Toto opatření umožňuje částečné využití zbytkového tepla chladivá vystupujícího z kondenzátoru v časovém úseku, kdy teplosměnné kapalina není vedena do zásobníku, což se projeví dalším zvýšením topného faktoru.

Alternativně se může způsob využití zbytkového specifického tepla chladivá realizovat v tepelném čerpadle tvořeném okruhem chladivá, v němž jsou zapojeny: výparník chladivá k odebírání tepla z plynného nebo kapalného ochlazovaného média, kompresor ke stlačování plynného chladivá, kondenzátor ke zkapalňování chladivá a k předávání jeho skupenského tepla ohřívanému médiu a expanzní ventil ke snížení tlaku chladivá, jehož podstata spočívá v tom, že do okruhu chladivá je zapojen svojí ochlazovanou stranou sekundární výparník k výměně tepla mezi dvěma skupenstvími chladivá, uzpůsobený k vedení chladivá v podstatě ve svislém směru, jehož horní vstup na ochlazované straně je propojen s výstupem kondenzátoru a jehož spodní výstup je přes expanzní ventil propojen s výparníkem, přičemž mezi výstup a vstup ochlazované strany sekundárního výparníku je zapojen první obtok opatřený čerpadlem a mezi výstup ochlazované strany sekundárního výparníku a vstup kompresoru je zapojen druhý obtok, ve kterém je zapojen druhý expanzní ventil a ohřívaná strana sekundárního výparníku, do nějž druhý obtok vstupuje dole a vystupuje z něj nahoře.

K zamezení toku chladivá v systému nežádoucím směrem jsou v prvním obtoku a rovněž mezi výparníkem a ústím druhého obtoku zapojeny zpětné ventily.

- 5 Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude dále objasněn pomocí výkresů, na nichž obr. 1 představuje /

schéma zapojení známého tepelného čerpadla a obr. 2 diagram výkonových toků u čerpadla podle obr. 1. Na obr. 3 je schéma zapojení prvního příkladného provedení tepelného čerpadla podle vynálezu, na obr. 4 a 5 jsou diagramy výkonových toků během dvou časových úseků cyklu tepelného čerpadla podle obr. 3, na obr. 6 je druhý příklad provedení tepelného čerpadla podle vynálezu, u nějž výparník chladivá slouží střídavě k odebírání tepla z kapalného ochlazovaného média a z teplosměnné kapaliny, a na obr. 7 je třetí příklad provedení tepelného čerpadla, v němž k akumulaci zbytkového specifického tepla dochází v samotném chladivu a ve stěnách teplosměnných ploch sekundárního výparníku.

Příklady provedení vynálezu

Tepelné čerpadlo podle obr. 1, 3 a 6 je tvořeno okruhem 1 chladivá, do něhož je zapojen výparník 2 chladivá, kompresor 3, kondenzátor 4 a expanzní ventil 5. Jako Qje označeno ochlazované médium/lúerému se teplo odebírá a jako 7 médiuiri/óhřívané, které se prostřednictvím tepelného čerpadla ohřívá.

V provedení podle vynálezu na obr. 3 je známé provedení podle obr. 1 rozšířeno o chladič 8 zapojený ochlazovanou stranou do okruhu 1 chladivá za kondenzátor 4 a ohřívanou stranou do prvního okruhu 9 teplosměnné kapaliny.

V něm je zapojeno první čerpadlo 10, trojcestný ventil 1_1 a zásobník 12 teplosměnné kapaliny. Zásobník 12 je protáhlá nádoba situovaná na výšku, která je uzpůsobena k výměně náplně teplosměnné kapaliny s potlačením jejího promíchání. Zásobník 12 je zároveň zapojen prostřednictvím trojcestného ventilu 11 do druhého okruhu 13 teplosměnné kapaliny. Do druhého okruhu 13 je kromě druhého čerpadla 14 zapojen sekundární výparník 15 chladivá, jehož úkolem je odebírat teplo z teplosměnné kapaliny. Sekundární výparník 15 je prostřednictvím druhého expanzního ventilu 16 zapojován do okruhu 1 chladivá střídavě s výparnkem 2.

V provedení tepelného čerpadla podle vynálezu znázorněného

- 6 na obr. 6 je do druhého okruhu 13 teplosměnné kapaliny zapojen nikoliv sekundární výparník 15, nýbrž přímo výparník 2 chladivá vřazený do okruhu 1 chladivá. Takové zapojení přichází v úvahu tehdy, když je ochlazované médium 6 kapalné, např. voda, a je přiváděno na primární stranu výparníku 2 potrubím 17. Trojcestným ventilem 18 lze pak střídavě zavádět na ochlazovanou stranu výparníku 2 ochlazované médium 6 a teplosměnnou kapalinu cirkulující ve druhém okruhu 13. Druhé čerpadlo 14 je pak společné pro ochlazované médium 6 a teplosměnnou kapalinu. Provedení na obr. 6 je proti provedení podle obr. 3 navíc doplněno tak, že na výstup prvního okruhu 9 teplosměnné kapaliny z chladiče 8 a na vstup prvního okruhu 9 do chladiče 8 je napojen třetí okruh 19 teplosměnné kapaliny, který je možno střídavě zapojovat prostřednictvím trojcestného ventilu 20. To umožňuje střídavě odvádět teplo z chladiče 8 do prvního a třetího okruhu 9, 19 teplosměnné kapaliny.

Činnost tepelného čerpadla podle obr. 3 je cyklická a probíhá takto:

V prvním časovém úseku je teplosměnné kapalina ohřátá v chladiči 8 téměř na teplotu, kterou má chladivo opouštějící kondenzátor 4, dodávána prvním čerpadlem 10 do zásobníku 12. až je zásobník 12 zcela naplněn kapalinou o této teplotě. Chladivo proudí během prvního časového úseku přes výparník 2. Poté trojcestný ventil 1_1 uzavře první okruh 9 a otevře druhý okruh 13 teplosměnné kapaliny a začíná druhý časový úsek cyklu. Během něj je okruh 1 chladivá přepnut tak, že chladivo protéká nikoliv výparníkem 2, nýbrž sekundárním výparníkem 15 a přijímá v něm teplo z teplosměnné kapaliny. Přitom teplotní spád v sekundárním výparníku 15 se udržuje tak, aby nepřekročil eea 5 °C, tj. v zásadě odpovídá teplotnímu spádu ve výparníku 2 v průběhu prvního časového úseku. Dosáhne se toho cirkulací teplosměnné kapaliny ve druhém okruhu 13, kde se do zásobníku 12 spodem přivádí teplosměnné kapalina ochlazená v sekundárním výparníku 15 např. o 5 °C a vytlačí ze zásobníku 12 kapalinu o původní teplotě, aniž by se s ní mísila. To proběhne během jednoho dílčího intervalu druhého časového úseku. Během dalšího dílčího intervalu se nová náplň ochladí v sekundárním výparníku 15 o dalších 5 °C a nahradí předchozí

- 7 teplejší náplň zásobníku 12. Takto stupňovitě se ochlazuje teplosměnná kapalina ve druhém okruhu 13 a v zásobníku 12. Současně se reguluje tlak chladivá za expanzním ventilem 16 tak, aby bod varu odpovídal momentální teplotě teplosměnné kapaliny.

V prvním časovém úseku je příkon kompresoru 3 shodný jako u známého teoelného čerpadla pracujícího ve shodných podmínkách a dodávajícího shodnou tepelnou energii do ohřívaného média 7. Je tedy i topný faktor shodný. Přitom však dochází k akumulování tepelné energie v zásobníku 12. V důsledku toho, že se do výparníku 2 přivádí chladivo s energetickým potenciálem sníženým o teplo odebrané v chladiči 8, které se akumuluje v zásobníku 12, a teplosměnná plocha výparníku 2 není v podstatě omezena, absorbuje vypařující se chladivo větší množství tepelné energie z ochlazovaného média 6, než by tomu bylo za shodných podmínek ve výparníku 2 známého tepelného čerpadla.

Ve druhém časovém úseku se tepelná energie akumulovaná v zásobníku 12 předává do primárního okruhu 1 chladivá, resp. do sekundárního výparníku

15. Přitom přechod tepla se děje za stupňovitě klesající teploty teplosměnné kapaliny a současně s tím regulovaného tlaku za druhým expanzním ventilem 16. Vzhledem l< tomu, že počáteční teplota v sekundárním výparníku 15 ie podstatně vyšší než je ^feplota ochlazovaného média 6, je rovněž topný faktor podstatně vyšší Se snižující se teplotou teplosměnné kapaliny topný faktor postupně klesá. Ukazuje se však, že souhrnný topný faktor tepelného čerpadla podle vynálezu během celého cyklu je vyšš^ než by byl topný faktor známého tepelného čerpadla pracujícího za shodných podmínek.

V tepelném čerpadle podle obr. 6, které je navrženo pro čerpání tepelné energie z proudu kapaliny, např. vody, vykonává výparník 2 zároveň funkci sekundárního výparníku 15. Trojcestný ventil 18 na jeho ochlazovanou stranu propouští v prvním časovém úseku ochlazované médium 6, tedy vodu z přírodního zdnoje, a ve druhém časovém úseku teplosměnnou kapalinu ze zásobníku 12. Toto opatření nemá vliv na souhrnný topný faktor tepelného čerpadla ve srovnání s provedením podle obr. 3. Zato další opatření, tj. připojení

- 8 třetího okruhu 19 teplosměnné kapaliny se projeví dalším zvýšením topného faktoru: Během druhého časového úseku není v provedení podle obr. 3 čerpadlo 10 v provozu a ve druhém okruhu 9 nedochází k cirkulaci teplosměnné kapaliny. Proto u tohoto provedení není v chladiči 8 odebíráno chladivu zbytkové specifické teplo. U provedení podle obr. 6 běží čerpadlo 10 v podstatě nepřetržitě, trojcestný ventil 20 pouze přesměruje teplosměnnou kapalinu do třetího okruhu 19, což může být např. okruh předehřevu teplé užitkové vody.

Část zbytkového specifického tepla je tak chladivu v chladiči 8 odebírána i během druhého časového úseku. Vzhledem k tomu, že se tím dále zvyšuje teoelný výkon tepelného čerpadla na výstupu, zvedá se i jeho topný faktor.

Navrhovaný systém tepelného čerpadla podle obr. 3 vyžaduje doplnění stávající regulace o funkce přepínání expanzních ventilů 5,16 a čerpadel 10, 14 a ovládání trojcestného ventilu 11.. Teplota teplosměnné kapaliny se měří v místech 22,22 na vstupech do zásobníku 12. naměřené hodnoty slouží k řízení výkonu čerpadla 10 při odebírání zbytkového tepla z chladiče 8 a k ovládání trojcestného ventilu JI pro přepínání mezi prvním a druhým úsekem cyklu tepelného čerpadla.

Provedení tepelného čerpadla podle obr. 7, ačkoliv vychází ze shodného principu jako obě popsaná provedení tepelného čerpadla podle vynálezu, jeví některé podstatné odlišnosti. Do okruhu 1. chladivá je trvale zařazen sekundární výparník 15, a to svojí ochlazovanou stranou. Je uzpůsoben k vedení chladivá v podstatě ve svislém směru. Jeho horní vstup 24 na ochlazované straně je propojen s výstupem kondenzátoru 4 a jeho spodní vystup 25 je přes expanzní ventil 5 propqen s výparníkem 2. Mezi výstup 25 a vstup 24 sekundárního výparníku 15 je zapojen první obtok 26 opatřený čerpadlem 27. Druhý obtok 28 je zapojen mezi výstup 25 sekundárního výparníku 15 a vstup kompresoru 3. Do druhého obtoku 28 je zapojen druhý expanzní ventil 16 a ohřívaná strana sekundárního vý-parníku 15. Do ní druhý obtok 28 vstupuje dole a z ní vystupuje nahoře. V prvním obtoku 26 a rovněž mezi výparníkem 2 a ústím druhého obtoku 28 jsou zapojeny zpětné ventily 29.

- 9 Činnost tepelného čerpadla podle obr. 7 probíhá ve velmi krátkých cyklech: V prvním časovém úseku chladivo proudí z kondenzátoru 4 přes ochlazovanou stranu sekundárního výparníku 15 a expanzní ventil 5 do výpamíku 2. Chladivo o teplotě o málo vyšší než je teplota ohřívaného média 7 na vstupu do kondenzátoru 4 postupně vytlačuje předchozí náplň sekundárního výparníku 15 na jeho ochlazované straně a ohřívá i samotný sekundární výparník 15. Jakmile teplota na výstupu 25 sekundárního výparníku 15 dosáhne maximální hodnoty, nastává druhý časový úsek. Uzavře se expanzní ventil 5 a otevře druhý exoanzní ventil 16. Jím propouštěné chladivo se odpařuje na teplosměnné ploše sekundárního výpamíku 15 a ochlazuje ji. Zároveň je uvedeno v činnost čerpadlo 27, které zajišťuje cirkulaci v prvním obtoku 26 a tím zajišťuje malý teplotní spád na ochlazované straně sekundárního výparníku 15. Teplota kapalného chladivá na ochlazované straně sekundárního výpamíku 15 a v prvním obtoku 26 se postupně snižuje. Jakmile teplota chladivá na výstupu 25 sekundárného výpamíku 15 poklesne na teplotu ochlazovaného média, zastaví se čerpadlo 27. zavře se druhý expanzní ventil 16 a otevře se expanzní ventil 5. Systém se vrací do provozu charakteristického pro první časový úsek. Vzhledem k. ^relativně malé objemové a tepelné kapacitě sekundárního výpamíku 15 resp. jeho ochlazované strany je zřejmé, že délka cyklu bude podstatně kratší než u provedení podle obr. 3 a 6.

V dalším je proveden srovnávací tepelný výpočet známého tepelného čerpadla podle obr. 1 a tepelného čerpadla podle vynálezu znázorněného na obr. 3 Tepelné toky jsou přitom znázorněny na obr. 2, 4 a 5 odpovídajícími diagramy výkonových toků

C ílem výpočtu je stanovit souhrnný topný faktor tepelného čerpadla podle vynálezu a porovnat jej se známým topným faktorem známého tepelného čerpadla pracujícího ve shodných teplotních podmínkách. Výpočet bude ve všech případech vztažen na jednotkový výkon tepelného čerpadla dodávaný ohřívanému médiu, a to na 1 kW.

- 10 Výchozí parametry a hodnoty

Ochlazované médium vzduch

Teplota ochlazovaného média 6: -7 °C

Teplotní spád ohřívaného média 7: 50/45 °C

Topný faktor známého tepelného čerpadla: 2,12

Výkon tepelného Čerpadla dodávaný ohřívanému médiu 7: 1000 W Použité chladivo: R404A

Skupenské teplo vypařování chladivá v bodu varu: 202 kJ/kg

Specifické teplo kapalného chladivá při 25 °C: 1,53 kJ/kg. K kg voda + nemrznoucí směs 4,18 kJ/kg.K= 1,16 Wh/kg.K

45/-5 °C « Δ 50 K

Δ5Κ

Hmotnost náplně zásobníku 12:

Teolosměnná kapalina:

Specifické teplo teplosměnné kapaliny:

Teplotní spád ochlazování kapalného chladivá v chladiči 8 v prvním úseku cyklu: Teplotní spád na ochlazované straně sekundárního výparníku 15 ve druhém úseku cyklu:

Seznam veličin použitých při výpočtu a jejich fyzikální rozměr

c	.. specifické teplo teplosměnné kapaliny	[Wh/kg.K]
C25	...specifické teplo kapalného chladivá při 25VC	[kJ/kg.K]
E,	...tepelnáenergie akumulovaná do zásobníku 12	[Wh]
Ec	...energie dodaná tepelným čerpadlem ohřívanému médiu 7	[Wh]
E_e	... elektrická energie spotřebovaná tepelným čerpadlem	[Wh]
Ich	... hmotnostní tok chladivá	[kg/h]
Lv	... výpamé teplo chladivá v bodu varu	[kJ/kg]
rn	...hmotnost náplně zásobníku 12	[kg]
Pe	...elektrický příkon tepelného čerpadla	[W]

- 11 Pp ... tepelný příkon odebíraný z ochlazovaného média 6 [W]

Ptč · · výkon tepelného čerpadla do ohřívaného média 7 [W]

Pv ... výkon odebíraný z teplosměn. kapaliny ve druhém úseku cyklu [W]

Pz ... zbytkový výkon ve specifickém teple kapalného chladivá [W] t_A ... doba trvání prvního úseku cyklu [h] tf ...topný faktor [-] tv ...trvání jednotlivých dílčích intervalů ve druhém úseku cyklu [h] ΔΤ ... teplotní rozdíl mezi kondenzátorem 4 a výparníkem 2 [K]

ΔΤ_α ... teplotní spád teplos. kapaliny v chladiči 8 v prvním úseku cyklu [K] ΔΤ_ν ... teplotní spád na ochlazované straně sekundárního výparníku 15[K]

Výpočet

1. Výpočet výkonových toků ve známém tepelném čerpadle podle obr. 1.

Jeho cílem je zjistit zbytkový výkon v toku chladivá, který se vrací z kondenzátorů 4 pres expanzní ventil 5 zpět do výparníku 2.a je tudíž nevyužit.

Elektrický příkon tepelného čerpadla (= příkon kompresoru 3):

P_E=PTČ/tf [W; W,-]

Pe =1000 / 2,12 P_E = 471,7 W

Výkon odebíraný z ochlazovaného média 6:

Pp=Ptč-Pe [W;W,W]

Pp= 1000-471,7 Pp = 528,3 W

Zbytkový výkon Pz je přenášen z kondenzátorů 4 pres expanzní ventil 5 zpět do výparníku2 ve formě specifického tepla chladivá, které je reprezentováno rozdílem teplot kondenzátorů 4 a výparníku 2 (45/-7 °C tzn. ΔΤ = 52 K) a hmotnostním tokem chladivá. Do výparníku 2 vstupují podle obr. 2 dva výkonové

- 12 toky a to z ochlazovaného média 6 a zbytkový výkon.'Jejich součet dává celkový výkon, který se využije pro změnu skupenství chladivá. Z tohoto se tedy získá hmotnostní tok chladivá a dostanou se tak dvě rovnice o dvou neznámých, ze kterých se vypočítá zbytkový výkon P_z.

c₂₅= 1,53 kJ/kg.K

ΔΤ ~ 52 K

Pp = 528,3 W

L_v=202 kJ/kg

Pz = ο». ΛΤ . leh [W; kJ/kg.K, K, kg/h] leh = (Pp+Pz) / L_v [kg/h; W, W, kJ/kg]

Pz = C25· AT . (Pp+Pz) / Lv Pz ⁼ (Cm. ΔΤ . Pp) / (Lv - C25 · ΔΤ)

Pz = (1.53.52.528,3) / (202 -1,53.52)

P_z= 343,3 W

Zbytkový výkop, jenž je ve známém tepelném čerpadle nevyužit, je 343,3 W.

Tvrzení:

Odebrání zbytkového výkonu chladivá mezi kondenzátorem a expanzním ventilem nemá vliv na elektrický příkon kompresoru.

Důkaz:

Aby zůstal pracovní cyklus tepelného čerpadla v rovnováze, musí platit: výkon odváděný z výparníkuje' roven jeho příkonu a totéž platí i o kondenzátoru/ Výkonový vstup do výparníku 2 Pp+P_z = 871,6 W, je využit beze zbytku pro zrněnu skupenství určitého množství chladivá. K tomuto výkonu se přičte

- 13 elektrický příkon kompresoru 3 a společné se předají v kondenzátoru 4 do ohřívaného média 7 s částečným zůstatkem obsaženým v kapalném chladivu jako zbytkový výkon.

Výkon, který vychází z výpamíku 2 v podobě skupenského tepla v plynném skupenství chladivá musí být konstantní při zachování výkonu tepelného čerpadla a jeho topného faktoru. Kdyby mělo dojít k jeho snížení, snížil by se i hmotnostní tok chladivá, změnila by se hodnota zbytkového výkoníj;^ avšak jen o poměrnou hodnotu, která vychází z poměru specifického a skupenského tepla chladivá a teplotního rozdílu mezi kondenzátorem 4 a výparníkem 2, a tím by se změnil i výkon dodávaný do výpamíku 2 z ochlazovaného média 6. Protože výkon tepelného čerpadla je dán součtem příkonu z ochlazovaného média 6 a elektrického příkonu, musel by se změnit i elektrický příkon a tím i topný faktor. K tomu ovšem nedojde, neboť topný faktor je závislý u konkrétního tepelného čerpadla pouze na tlakových poměrech před a za kompresorem 3, které odpovídají pouze teplotním poměrům ve výpamíku 2 a v kondenzátoru 4. p

Z toho vyplývá, že pokud se odvede zbytkový výkorřjinam než do výpamíku 2 přes expanzní ventil 5, zvýší se o tuto hodnotu příkon z ochlazovaného média 6 tak, aby zůstala zachována rovnováha cyklu. Předpokládáme-Ji, že při zvýšeném odběru výkonu z ochlazovaného média 6 nedojde k poklesu jeho teploty, je toto tvrzení správné, neboť zůstanou zachovány teplotní poměry ve výpamíku 2 i kondenzátoru 4 a tedy i tlakové poměry, elektrický příkon, topný faktor, atd.

Využití:

Jestliže zůstane nezměněn elektrický příkon tepelného čerpadla a výkon dodávaný tepelným čerpadlem ohřívanému médiu 7 a navíc lze efektivně využít zbytkový výkorl/vzroste původní topný faktor-eea o 34%. Vzhledem k tomu, že JLvýše využití zbytkového výkonuje závislá především na teplotním spádu jeho odebírání, lze využít tohoto výkonu přímo jen omezeně.

- 14 Tepelné čerpadlo podle vynálezu tento zbytkový výkon\íevyužívá přímo, ale pracuje v cyklu o dvou úsecích, kdy v prvním úseku se zbytkový výkon rý efektivně s velkým teplotním spádem jeho odebírání akumuluje do zásobníku 12 načež ve druhém úseku se tato akumujovaná energie ze zásobníku 12 využije *

namísto energie ochlazovaného media. Výhodou je, že ve druhém úseku cyklu pracuje tepelné čerpadlo s vyšším topným faktorem, neboť teplota kapaliny ze zásobníku 12 je vyšší než teplota ochlazovaného média 6.

2. Výpočet výkonových toků v tepelném čerpadle podle vynálezu na obr. 3. a) první časový úsek

V tomto časovém úseku pracuje teplené čerpadlo s původním topným faktorem, ovšem za současné akumulace zbytkového výkonu?do zásobníku 12.

Je nutno spočítat dobu trvání akumulace. K výpočtu je třeba znát celkové množství energie akumulované do zásobníku 12 a zbytkový výkoršďepelného čerpadla, využitý pro akumulaci.

- Množství akumulované energie vychází z hmotnosti náplně zásobníku 12, teplotního rozdílu během akumulace a vlastností teplosměnné kapaliny.

- Zbytkový výkon je závislý na využitelném teplotním spádu při akumulaci do zásobníku 12, hmotnostním toku chladivá a jeho fyzikálních vlastnostech.

- Využitelný teplotní spád je v podstatě rozdíl mezi teplotou chladivá za kondenzátorem 4 a teplotou ochlazovaného média 45/-7 °C. Pro výpočet se uvažuje pouze 45/-5 °C ~ ΔΤ = 50 °C.

- Protože se hmotnostní tok chladivá oproti známému tepelnému čerpadlu nemění a již byly tyto hodnoty počítány (P_z = 343,3 W pro ΔΤ = 52 °C), postačí přímou úměrou vypočítat P_z pro ΔΤ = 50 °C. ...

- Prostým vydělením kapacity zásobníku 12 (Ea> zbytkovým výkonem'využitým k akumulaci získáme dobu trvání^K useku (ía> cyklu.

Kapacita zásobníku 12:

- 15 E_a= c.m. ΔΤ_αE_a= 1,16.5.50 E_A = 290Wh [Wh; Wh/kg.K, kg, K]

Doba trvání akumulace:

t_A = E_a . ΔΤ / (P_z. ΔΤ_α) [h; Wh, K, W, K] t_A = 290.52 / (343,3.50) t_A= 0,879 h

Doba trvání prvního časového úseku je 0,879 h.

b) druhý časový úsek

V tomto časovém úseku není odebírána energie z ochlazovaného média 6, ale jako zdroj energie pro tepelné čerpadlo je využita teplosměnné kapalina ze zásobníku 12. Vzhledem k vyšší tepiotě teplosměnné kapaliny bude dosažen i vyšší topný faktor. Protože tento topný faktor při ochlazování zásobníku 12 během druhého úseku klesá, je tento úsek, pouze pro účely výpočtu, rozdělen na 1Θ dítcích intervalů. Vycházíme z předpokladu, že na počátku má celý objem zásobníku 12 teplotu 45 °C. Dále, že oběhové čerpadlo 10 vytvoří v okruhu zahrnujícím ochlazovanou stranu sekundárního výparníku 15 a zásobník 12 takový průtok, aby se v ném udržoval stálý teplotní spád 5 °C. Potom lze uvažovat, že celý objem zásobníku 12 proteče přes výparník 2 se shodnou teplotou a vrátí se do zásobníku 12 právě o 5 °C chladnější. Pokud v zásobníku 12 nedochází k promísení kapaliny, lze říci, že určitou dobu jsou ve výparníku 2 neměnné teplotní podmínky a tudíž i neměnný topný faktor. Jakmile přes výparník 2 proteče celý objem zásobníku 12, tyto podmínky se poměrně rychle změní, (tepjota klesne o 5 °C), a pak zůstávají pro další dílčí interval opět téměř neměnné.S# dílčích intervalů po 5 °C představuje právě 50 °C, se kterými se počítalo při akumulaci zbytkového výkonutio zásobníku 12. Celý cyklus se tak uzavře.

Pro každý dílčí interval se uvažuje s konstantním topným faktorem. Hodnoty topného faktoru nejsou ověřeny, ale odečteny interpolací z grafu

- 16 sestrojeného podle známých údajů různých výrobců tepelných čerpadel při ylu,/ různých podmínkách. Interpoloványjsou především hodnoty pro první dílčí intervaly. Ostatní hodnoty jsou vyčteny z různých zdrojů a zprůměrovány.

Následuje příklad výpočtů pro\£ dílčí interval.

Pv= P_Tč.(tf- 1)/tf [W;W,-,-] P_v= 1000.(8-1)/8 Pv=875 W t_v= c.m.ATv/ Pv [h; Wh/kg.K, kg, K, W] t_v = 1,16.5.5/875 t_v= 0,033 h

Pe=Ptč-Pv [W;W,W] P_E = 1000-875 P_E = 125W

E_E=t_v. P_E [Wh; h, W]

E_e= 0,033.125 E_E=4,14Wh

E_c = Ptč- t_v [Wh; W, h]

E_c=1000. 0,033 E_c =33,14 Wh

Vypočtené hodnoty jsou uspořádány v následující tabulce:

Dílčí časový interval	Teplotní spád zásobníku 12 pro interval	Topný faktor	Odběr ze zásobníku 12	Trvání intervalu	Elektrický příkon	Elektrická energie	Celková získaná energie
	[^UC]	[-]	[W]	[h]	[W]	[Wh]	[Wh]
1	45/40	8,0	875	0,033	125	4,14	33,14
2	40/35	7,4	865	0,034	135	4,53	33,53
3	35/30	6,8	853	0,034	147	5,00	34,00
4	30/25	6,5	846	0,034	154	5,27	34,27
5	25/20	5,6	821	0,035	179	6,30	35,30
6	20/15	5,0	800	0,036	200	7,25	36,25
7	15/10	4,4	773	0,038	227	8,53	37,53
8	10/5	3,8	737	0,039	263	10,36	39,36
9	5/0	3,1	677	0,043	323	13,81	42,81
10	0/-5	3,0	667	0,044	333	14,50	43,50

- 17 Tabulka shrnující podstatné hodnoty během celého cyklu:

	Topný faktor	Doba	Elektrický příkon	Elektrická energie	Celková získaná energie
[-]	[h]	[W]	[Wh]	[Wh]
První časový úsek	2,12	0,88	471,7	414,4	878,5
Druhý časový úsek		0,37		79,7	369,7

Součet		1,25		494,1	1248,2
Výsledný topný faktor	2,53
Nárůst topného faktoru	19,2 %

Vysvětlivky k tabulkám:

Teplotní spád zásobníku 12 je rozdíl teplot, které jsou během dílčího intervalu mezi vstupem a výstupem zásobníku 12.

Odběr ze zásobníku 12 je výkon, který se v sekundárním výparníku 15 předává z teplosměnné kapaliny do chladivá.

Doba dílčího intervalu udává čas, během kterého proteče celý objem zásobníku 12 přes sekundární výparník 15 a ochladí se tak o 5 °C.

Elektrický příkon je elektrický příkon tepelného čerpadla (= kompresoru 3).

Elektrická energie je elektrická energie dodaná do tepelného čerpadla během intervalu. Celková získaná energie je tepelná energie dodaná ohřívanému médiu 7.

Zhodnocení

V předloženém příkladu tj. v systému vzduch/voda, při venkovní teplotě -7 °Ca teplotě ohřívaného média 7 50/45 °C se zvýšil topný faktor z 2,12 na 2,53, což představuje nárůst topného faktoru o cca 19°/₀.

X-’-

Během druhého useku cyklu není efektivní akumulovat zbytkový výkon, ale je možné jeho využití pro předehřev teplé užitkové vody, pokud se zapojení tepelného čerpadla rozšíří o třetí trojcestný ventil 20 a třetí okruh 19 teplosměnné kapaliny podle zapojení na obr. 6. Při využití předehřevu teplé užitkové vody (45/10 °C) je pak celkové navýšení topného faktoru z 2,12 na 2,59 což představuje nárůst topného faktoru o cca 22%.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob využití zbytkového specifického tepla chladivá v tepelném čerpadle tvořeném okruhem (1) chladivá, v němž jsou zapojeny: výparník (2) chladivá k odebírání tepla z plynného nebo kapalného ochlazovaného média, kompresor (3) ke stlačování plynného chladivá, kondenzátor (4) ke zkapalňování chladivá a k předávání jeho skupenského tepla ohřívanému médiu a expanzní ventil (5) ke snížení tlaku chladivá, vyznačující se tím, že v provozu tepelného čerpadla se cyklicky střídají dva časové úseky, kdy v prvním časovém úseku přijímá chladivo skupenské teplo odpařování z ochlazovaného média, přičemž se kapalné chladivo obsahující po průchodu kondenzátorem (4) zbytkové specifické teplo anebo teplosměnné kapalina, do níž bylo zbytkové teplo převedeno, shromáždí postupně v zásobníku (12) tak, že vytlačí předchozí náplň zásobníku (12), aniž by došlo ke vzájemnému promísení, načež ve druhém časovém úseku přijímá chladivo skupenské teplo vypařování z náplně zásobníku (12), a to tak, že se náplň zásobníku (12) nechá cirkulovat kolem teplosměnné plochy až do postupného vychlazení na ti) teplotu blízkou teplotě ochlazovaného média, přičemž kolem druhé strany teplosměnné plochy proudí na vstup kompresoru (3) odpařující se chladivo, jehož tlak a tudíž bod varu jsou regulovány tak, že teplotní spád na teplosměnné ploše odpovídá teplotnímu spádu chladivá a ochlazovaného <0 média ve výpamíku (2).
2. Tepelné čerpadlo k provádění způsobu podle nároku 1, tvořené okruhem (1) chladivá, v němž jsou po proudu chladivá zapojeny? výparník (2) chladivá k odebírání tepla z plynného nebo kapalného ochlazovaného média/ kompresor (3) ke stlačování plynného chladivá, kondenzátor (4) ke zkapalqování chladivá a k předávání jeho skupenského tepla ohřívanému médiu, chladič (8) svou ochlazovanou stranou a expanzní ventil (5) ke snížení

- 19 tlaku chladivá, vyznačující se tím, že ohřívaná strana chladiče (8) je zapojena do prvního okruhu (9) teplosměnné kapaliny, v němž je zapojeno první čerpadlo (10), trojcestný ventil (11) a zásobník (12) teplosměnné kapaliny, . přičemž zásobník (12) je zároveň zapojen prostřednictvím trojcestného ventilu (11) do druhého okruhu (13) teplosměnné kapaliny, do něhož je kromě druhého čerpadla (14) zapojen sekundární výparník (15) chladivá k odebírání tepla z teplosměnné kapaliny, zapojovatelný do okruhu (1) chladivá střídavě s výparníkem (2) chladivá.
3. Tepelné čerpadlo podle nároku 2, vyznačující se tím, že zásobník (12) teplosměnné kapaliny je protáhlou nádobou situovanou na výšku, která je uzDŮsobena k vvměně náDlně teDlosměnné kaDalinv s Dotlačením ieiího promísení.
4. Tepelné čerpadlo podle nároku 2 nebo 3, vyznačující se tím, že jako sekundární výparník (15) slouží primární výparník (2) chladivá uzpůsobený ke střídavému zapojování do okruhu kapalného ochlazovaného média (6) a do druhého okruhu (13) teplosměnné kapaliny.
5. Tepelné čerpadlo podle nároku 2 až 4, vyznačující se tím, že na výstup prvního okruhu (9) teplosměnné kapaliny z chladiče (8) a na jeho vstup do něj je napojen třetí okruh (19) teplosměnné kapaliny střídavě zapojovatelný prostřednictvím trojcestného ventilu (20).
6. Tepelné čerpadlo k provádění způsobu podle nároku 1, tvořené okruhem t ·<) chladivá, v němž jsou zapojeny: výparník chladivá k odebírání tepla z plynného nebo kapalného ochlazovaného média, kompresor ke stlačování plynného chladivá, kondenzátor.zke zkapalňování chladivá a k předávání jeho skupenského tepla ohřívanému médiu á expanzní ventil ke snížení tlaku chladivá, vyznačující se tím, že do okruhu (1) chladivá je zapojen svojí

- 20 ochlazovanou stranou sekundární výparník (15) k výměně tepla mezi dvěma skupenstvími chladivá, uzpůsobený k vedení chladivá v podstatě ve svislém směru, jehož horní vstup (24) na ochlazované straně je propojen s výstupem kondenzátoru (4) a jehož spodní výstup (25) je přes expanzní ventil (5) propojen s výparníkem (2), přičemž mezi výstup (25) a vstup (24) ochlazované strany sekundárního výparníku (15) je zapojen první obtok (26) opatřený čerpadlem (27) a mezi výstup (25) z ochlazované strany sekundárního výparníku (15) a vstup kompresoru (3) je zapojen druhý obtok (28), ve kterém je zapojen druhý expanzní ventil (16) a ohřívaná strana sekundárního výparníku (15), do nějž druhý obtok (28) vstupuje dole a vystupuje z něj nahoře.
7. Tepelné čerpadlo podle nároku 6, vyznačující se tím, že v prvním obtoku (26) a rovněž mezi výparníkem (2) a ústím druhého obtoku (28) jsou zapojeny zpětné ventily (29).