CZ2013696A3 - Způsob řízeného přenosu tepla z okruhu topného média ze zdroje tepla s akumulační nádrží a turbínovým čerpadlem do okruhu ohřívané spotřební vody - Google Patents

Abstract

Při provádění způsobu řízeného přenosu tepla z okruhu topného média ze zdroje (1) tepla s akumulační nádrží (2) a turbínovým čerpadlem (4) do okruhu ohřívaného spotřební vody, napojeného na tlakový přívod (5) a obsahujícího ventil (6) pro řízení průtoku spotřební vody, topné médium a spotřební voda procházejí výměníkem (3) tepla a kinetická energie protékající spotřební vody se turbínovým čerpadlem (4), sestávajícím ze dvou hydraulicky oddělených turbín (4a, 4b) s protisměrným průtokem topného média a spotřební vody, navzájem spojených mechanickou nebo silovou vazbou, přenáší do pohybu topného média. Poměr (Q2/Q1) velikostí průtoku (Q2) topného média a průtoku (Q1) spotřební vody, kde průtok (Q2) je přímo úměrný měnícímu se průtoku (Q1) spotřební vody, se pro předem stanovený rozsah průtoku (Q1) spotřební vody a pro dané čerpadlo (4) udržuje konstantní. Pro samovolnou stratifikaci topného média ve výměníku (3) tepla je v případě nulového průtoku (Q1) spotřební vody průtok (Q2) topného média nenulový.

Description

Vynález se týká způsobu řízeného přenosu tepla z okruhu topného média ze zdroje tepla s akumulační nádrží a turbínovým čerpadlem do okruhu ohřívané spotřební vody, kde turbínové čerpadlo sestává ze dvou hydraulicky oddělených turbín.

Dosavadní stav techniky

V současné době jsou pro ohřev teplé vody používány akumulační nádrže, jejichž kapacita je dimenzována podle typu zdroje tepla a charakteru spotřeby. Tyto zásobníky jsou vytápěny externím zdrojem (teplárna, kotel, tepelné čerpadlo, solární systém) nebo jejich kombinací na požadovanou teplotu. Médiem, přenášejícím teplo do akumulační nádrže, je topná voda, která kvalitativně nesplňuje požadavky na teplou vodu pro domácnosti. Proto se pro přenos tepla ze zásobníku do spotřební vody používá tepelných výměníků, což s sebou přináší nutnost přitápět zásobníky na vyšší teplotu. Tím je nepříznivě ovlivněna efektivita ohřevu vody a jsou kladeny vyšší nároky na zdroje tepla.

Nejčastěji jsou používány dva systémy pro výměnu tepla mezi topnou a spotřební vodou, s jednostranným prouděním a oboustranným prouděním.

V případě jednostranného proudění jsou dvě možné varianty:

a) Zásobník teplé vody je naplněn a ohříván topnou vodou (uzavřený okruh). V zásobníku je umístěn trubkový výměník, kterým proudí ohřívaná spotřební voda (otevřený okruh).

b) Zásobník teplé vody je naplněn spotřební vodou (otevřený okruh). V zásobníku je umístěn trubkový výměník, kterým proudí topná voda (uzavřený okruh), ohřívající spotřební vodu.

~ 2

Ť *

Výhodou tohoto uspořádání je konstrukční jednoduchost. Nevýhodou je potřeba velké teplosměnné plochy (jelikož v zásobníku není dostatečné proudění, voda pouze samovolně stratifikuje) a/nebo potřeba velkého teplotního spádu mezi topnou a spotřební vodou. Zvyšování plochy trubkového výměníku je neekonomické a v praxi kvůli rozměrům akumulační nádrže mnohdy obtížně proveditelné. Zvyšování teplotního spádu zatěžuje zdroje tepla a při použití některých z nich (např. tepelných čerpadel a solárních systémů) velmi významně klesá i s malým navýšením teplotního spádu jejich účinnost, v horším případě pak použitelnost vůbec.

V případě oboustranného proudění je topná voda ze zásobníku vedena pomocným čerpadlem přes primární stranu výměníku tepla (typicky deskového) a vracena zpět do zásobníku. Sekundární stranou výměníku je přes průtokoměr protisměrně vedena spotřební voda. Průtok spotřební vody je snímán průtokoměrem a následně je podle něj řízeno pomocné čerpadlo tak, aby byl průtok oběma stranami výměníku v takovém poměru, kdy dochází k optimálnímu přenosu tepla z primární na sekundární stranu výměníku.

Výhodou tohoto uspořádání je minimalizace teplosměnné plochy výměníku a/nebo teplotního spádu mezi topnou a spotřební vodou. Další výhodou je nízká teplota vratné vody do zásobníku, což významně zvyšuje účinnost zdrojů, jako jsou tepelná čerpadla a solární systémy. Nevýhodou je nutnost použití dalších pomocných komponent (čerpadlo, průtokoměr, teplotní senzory, jednotka řízení), které představují kromě vyšších pořizovacích a provozních nákladů i potenciální zdroje chyb.

V

Z japonského patentového spisu JP Hp4295540 (A) je známo turbínové čerpadlo,

A které sestává ze dvou hydraulicky oddělených turbín, které slouží k vytvoření cirkulace ohřívané vody bez použití elektrické energie za účelem zlepšeného ohřevu. Neřeší nijak teplotní poměry, ani průtoky médií, účastnících se výměny.

Podstata vynálezu

Předmětem tohoto vynálezu je způsob řízeného přenosu tepla z okruhu topného média ze zdroje tepla s akumulační nádrží a turbínovým čerpadlem do okruhu ohřívané spotřební vody, napojené ria tlakový přívod a obsahující ventil pro řízení průtoku spotřební vody, kde topné médium a spotřební voda protisměrně procházejí výměníkem teplala kde kinetická energie protékající spotřební vody se turbínovým čerpadlem, sestávajícím ze dvou hydraulicky oddělených turbín s průtokem topného média a spotřební vody, navzájem spojených mechanickou nebo silovou vazbou, přenáší do pohybu topného média. Podstata vynálezu spočívá v tom, že poměr velikosti průtoku topného média a průtoku spotřební vody výměníkem tepla, kde průtok topného média je přímo úměrný měnícímu se průtoku spotřební vody/še pro předem stanovený rozsah průtoku spotřební vody a pro dané čerpadlo udržuje konstantní. Pro samovolnou stratifikaci topného média ve výměníku tepla se v případě nulového průtoku spotřební vody výměníkem tepla udržuje průtok topného média nenulový.

Průtoky obou médií výměníkem tepla jsou voleny v takovém poměru, kdy dochází k optimální výměně tepla ve výměníku tepla a kdy je teplota vratné vody udržována v takové výši, která umožňuje její optimální ohřev solárními systémy a systémy tepelných čerpadel zpět na úroveň využitelnou k další výměně. Tento optimální poměr průtoků je konstantní i při měnícím se průtoku ohřívané vody, čímž je zajištěno i zachování optimálních teplotních poměrů při různém odběru ohřívané vody.

Turbínové čerpadlo svou konstrukcí nahrazuje všechny pomocné komponenty zmíněné u systému s oboustranným prouděním a zachovává přitom jeho výhody. Je konstrukčně tvořeno dvěma mechanicky nebo silově spojenými turbínami, kdy jedna pracuje v režimu turbíny, druhá v režimu čerpadla. Z hlediska funkce jde tedy o '-V dvojici turbína-cerpadloFfurbinové čerpadlo využívá energie proudění média s průtokem Q1 spotřební vody v jednom hydraulickém okruhu k vyvolání proudění média s průtokem Q2 topného média v druhém hydraulickém okruhu. Oba okruhy jsou od sebe hydraulicky odděleny>pro přenos energie mezi nimi je použita mechanická nebo silová vazba.

'' 717

Hodnota průtoku Q1 spotřební vody se v čase mění podle okamžité potřebýv hod nota vyvolaného průtoku Q2 topného média se mění přímo úměrně průtoku Q1 spotřební vody. Poměr Q2 / Q1 je pro dané turbínové čerpadlo konstantní ve stanoveném rozsahu průtoku a je volen tak, aby bylo dosaženo optimálního přenosu tepla a • *

J » · teploty vratné vody. Obě média jsou následně vedena protisměrně přes výměník tepla, ve kterém dochází k vlastnímu přenosu tepla z jednoho média na druhé.

V případě nulového průtoku Q1 spotřební vody umožňuje turbínové čerpadlo nenulový, ale malý průtok Q2 topného média, čímž je umožněna samovolná stratifikace tohoto média ve výměníku tepla, to je jeho vrstvení v závislosti na teplotě (teplá voda nahoře, studená dole). Možnost nenulového průtoku Q2 topného média při nulovém průtoku Q1 spotřební vody tak umožní udržovat ve výměníku tepla (který je umístěn ve výšce horní části zásobníku) topné médium o stejné teplotě jako v zásobníku. Zároveň je tak ohřívána i spotřební voda v celém objemu výměníku tepla a systém je tak připraven k okamžitému odběru teplé vody.

Objasnění výkresů

Příklad provedení tohoto vynálezu je znázorněn na připojeném výkresu, kde je zobrazeno schematické provedení systému pro řízení přenosu tepla.

Příklady uskutečnění vynálezu

Systém řízeného přenosu tepla s oboustranným prouděním topného média a spotřební vody obsahuje turbínové čerpadlo 4, které sestává ze dvou hydraulicky oddělených turbín 4a a 4b. Obé turbíny 4a a 4b jsou spojeny mechanickou nebo silovou vazbou, například magnetickou vazbou. První turbína 4a, pracující ve funkčním režimu čerpadla, je situována v hydraulickém okruhu topného média se zdrojem £ tepla a je připojena na akumulační nádrž 2 a primární stranu výměníku 3 tepla. Druhá turbína 4b čerpadla 4, pracující ve funkčním režimu turbíny, je situována v hydraulickém okruhu spotřební vody a je připojena na tlakový přívod 5 spotřební vody a sekundární stranu výměníku 3 tepla. V okruhu spotřební vody je dále zapojen ventil 6 pro řízení průtoku Q1 spotřební vody. V okruhu topného média jsou dále situovány tlakoměr 7, odvzdušňovací ventil 8, pojistný ventil 9 a expanzní nádoba 10. Ventilem 6 je řízen průtok spotřební vody tak, že jeho kinetická energie je turbínovým Čerpadlem 4 přenesena do okruhu s topným médiem (zpravidla vodou), kde vyvolá průtok o velikosti Q2. Obě média jsou vedena protisměrně přes výměník 3 tepla, ve kterém dochází k přenosu tepla z topné do spotřební vody.

•i ♦ »

Průtok Q2 topného média výměníkem tepla 3 je přímo úměrný měnícímu se průtoku 01 spotřební vody a poměr velikostí obou těchto průtoků 02/01. je pro stanovený rozsah průtoku 01 spotřební vody a dané čerpadlo konstantní. Proudění v okruhu topné vody je vytvořeno až na základě skutečné spotřeby spotřební vody.

Pro samovolnou stratifikaci média ve výměníku 3 tepla je v případě nulového průtoku 01 spotřební vody průtok 02 topného média nenulový.

Provedení a funkce turbínového čerpadla s mechanickou vazbou může být následující. Spotřební voda proudí hlavou turbíny, přičemž roztáčí oběžné kolo připevněné ke hřídeli, která je pohyblivě uložena v ložiscích a přenáší točivý moment na oběžné kolo, které vytvoří proudění topné vody hlavou turbíny druhého okruhu. Hydraulické oddělení obou okruhů zajišťuje těsnění. Volbou rozměrů oběžných kol a hlav turbín lze zvolit požadovaný poměr průtoků 02 / Q1, se kterým turbínové čerpadlo pracuje. Pro dosažení lepšího oddělení obou hydraulických okruhů lze namísto společné hřídele použít silovou vazbu, např. magnetickou spojku, která zajistí přenos točivého momentu z jednoho oběžného kola na druhé oběžné kolo.

Průmyslová využitelnost tynálezti/

Vynález je použitelný v systémech pro ohřev vody, například teplé užitkové vody, kdy je třeba hydraulicky oddělit topnou a spotřební vodu a je zároveň požadován co nejmenší teplotní spád a/nebo teplosměnná plocha výměníku tepla z důvodu zvýšení efektivity provozu.

? *

6.: ι 3 ί 9 * « 3 * 3 . > ί 9 » * * » ? · » · Č » : t 4 ♦ 3 » ; 3 · 3

Claims (2)

1. Způsob řízeného přenosu tepla z okruhu topného média ze zdroje (1) tepla s akumulační nádrží (2) a turbínovým čerpadlem (4) do okruhu ohřívané spotřební vody, napojenéfría tlakový přívod (5) a obsahující-ýentil (6) pro řízení průtoku spotřební vody, kde topné médium a spotřební voda procházejí výměníkem (3) tepla^ a kde kinetická energie protékající spotřební vody se turbínovým čerpadlem (4), sestávajícím ze dvou hydraulicky oddělených turbín (4a, 4b) s protisměrným průtokem topného média a spotřební vody, navzájem spojených mechanickou nebo silovou vazbou, přenáší do pohybu topného média, vyznačující se tím, že poměr (Q^/(21) velikosti průtoku (Q2) topného média a průtoku (Q1) spotřební vody, kde průtok (Q2) topného média je přímo úměrný měnícímu se průtoku (Q1) spotřební vody, se pro předem stanovený rozsah průtoku (Q1) spotřební vody a pro dané čerpadlo (4) udržuje konstantní.

2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že pro samovolnou stratifikaci topného média ve výměníku (3) tepla se v případě nulového průtoku (Q1) spotřební vody udržuje průtok (Q2) topného média nenulový.