CZ2014192A3 - Tepelný stroj - Google Patents

Abstract

Tepelný stroj obsahuje primární okruh (I) s primárním výměníkem (4), který je tvořen komorou (4a) primárního teplosměnného média s přívodním potrubím (1) primárního okruhu a v něm vřazených cirkulačním čerpadlem (3) primárního okruhu a s vratným potrubím (2) primárního okruhu. Další část primárního výměníku (4) je výparníková komora (4b) primárního nízkovroucího média, která je potrubím (6) propojena se vstupem diferenční turbíny (5) a pracovním prostorem válce (9) nad pístem (8). Oběžné kolo diferenční turbíny (5) je přes klikový mechanismus (7) kinematicky spojeno s pístem (8). Primární okruh (I) je přes teplosměnnou plochu spojen s výparníkovou komorou (4b) primárního nízkovroucího média. Ta je dále spojena s potrubím spojujícím pracovní prostor válce (9) nad pístem (8) s vřazenými zpětnými ventily (10) propojen s kondenzační komorou (11b) sekundárního výměníku (11) sekundárního okruhu (II).

Description

Oblast techniky

Vynález se týká Tepelného stroje, zejména tepelné čerpadlo, chladicí jednotka, kogenerační jednotka a/nebo generátor elektrické energie.

Dosavadní stav techniky

V současné době se jako alternativní zdroj tepla nebo chladu používá nejčastěji kompresorové chlazení a to ve formě kompresorového chlazení pro výrobu chladu nebo ve formě tepelného čerpadla pro výrobu tepla. Obě formy pracují na základě stejného principu funkce.

Tepelné čerpadlo je stroj, který čerpá teplo z jednoho místa na jiné vynaložením vnější práce. Obvykle je to z chladnějšího místa na teplejší.

Princip tepelného čerpadla je základem řady strojů a zařízení, jako je chladnička a mraznička, klimatizace, některé druhy vytápění, atd.

Nejčastějším typem je kompresorové tepelné čerpadlo. Pracuje na principu obráceného Carnotova cyklu. Chladivo v plynném stavu je stlačeno kompresorem a poté vpuštěno do kondenzátoru. Zde odevzdá své skupenské teplo. Zkondenzované chladivo projde expanzní tryskou do výpamíku, kde skupenské teplo (při nižším tlaku a teplotě) přijme a odpaří se. Poté opět pokračuje do kompresoru a cyklus se opakuje.

Používají se tepelná čerpadla typu země/voda, vzduch/voda a voda/voda. U tepelného čerpadla typu země/voda je teplo ze země do vody předáváno obíhající kapalinou o nízké teplotě varu. Ta v plynném stavu sbírá teplo v potrubí uloženém do vrtu nebo do kolektoru pod povrchem země. V okruhu je zařazen kompresor pro dosažení požadované vysoké teploty. Cyklus tepelného čerpadla je následující: v plastové trubce, několik set metrů dlouhé (dle požadovaného výkonu), teče velmi chladná nemrznoucí kapalina, která se průchodem zemí ohřívá (v nezámrzné hloubce je stálá teplota cca 4 °C). Odtud putuje do prvního výměníku, zde předá teplotu plynnému médiu v okruhu kompresoru, kde se plyn stlačí, tím se výrazně zahřeje a ve druhém výměníku předá topné vodě onen tepelný přírůstek. Na 1 kW výkonu tepelného čerpadla je třeba cca 12 m vrtu. Běžná hloubka jednoho vrtu je 100-150 m. Pokud je třeba pro tepelné čerpadlo zajistit více energie, odnímá se teplo z více vrtů.

U tepelného čerpadla vzduch/voda je teplo odebíráno ze vzduchu přes výparník tepelného čerpadla, přes který proudí venkovní vzduch. Výhodou tohoto zařízení jsou nízké pořizovací náklady a nenáročná instalace. Základ vychází z tepelného čerpadla vzduch/vzduch tedy klasické klimatizace. Systém je doplněn o takzvaný hydrobox, který převádí teplo do topné vody. Nevýhodou je závislost topného faktoru na teplotě vzduchu. V dnešní době tato zařízení efektivně pracují do -15 °C. Při nižších teplotách je v hydroboxu instalován malý elektrokotel, který pomáhá tepelnému čerpadlu 'Μ • · · · • · • · • · dosáhnout požadované teploty vody. Momentálně je tento způsob vytápění budov považován spolu s kondenzačními plynovými kotly za nejekonomičtější.

Tepelné čerpadlo voda/voda - získává teplo z vody, nejčastěji studny. Je potřeba mít dvě studny čerpací a vsakovací. Voda se převádí z jedné studny do druhé prostřednictvím tepelného čerpadla a zpět prosakuje přes půdu do první studny. Tento způsob se příliš nepoužívá vzhledem k jeho náročnosti na podmínky a údržbu. Může dojít i k vyčerpání studny.

Tepelné čerpadlo vzduch/vzduch je jako zdroj vytápění nutno brát s rezervou. Tyto systémy jsou většinou konstruovány především jako klimatizace resp. chlazení, která ale v zimě může pracovat obráceně, tedy jako tepelné čerpadlo. Hodí se zejména na přitápění v období jara a podzimu.

Charakteristikou tepelných čerpadel je jejich relativně omezený výkon, pokud mají zároveň zůstat ekonomická. Technologie současných tepelných čerpadel sice zůstává od jejich objevu takřka stejná (princip je znám přes sto let), ale je možné navrhovat mnohem menší a levnější zařízení, jež dokážou běžný dům bez problémů zásobit.

Pro lokání výrobu elektrické energie přeměnou z kinematické energie se nyní nejčastěji používají tzv. kogenerační jednotky. Kogenerační jednotka je zařízení pro kombinovanou výrobu tepla a elektrické energie. Existují jednotky pro různé účely a s různým výkonem.

Přestože klasická kogenerace může probíhat kromě jiného pomocí spalovacích či parních turbín, její malá podoba - mikrokogenerace se nejčastěji pojí se spalovacím motorem. Takto tomu je především kvůli technické nenáročnosti. Na trhu se objevují i varianty mikrokogenerace se Stirlingovým motorem.

Výhodami kogenerace je jednak možnost využít přesně tak výkonnou jednotku, jaká je pro daný objekt a potřebu tepla optimální a jednak skutečnost, že energie se vyrábí přímo v domácností a nedochází tedy ke ztrátám při přenosu energie na dlouhou vzdálenost. V každém případě se ale jedná o autonomní zařízení vlastního konstrukčního konceptu. Kombinace tohoto konceptu s konceptem tepelného čerpadla doposud známa není.

Pro výrobu kinematické energie se používají různé spalovací motory, parní a vodní turbíny apod. Dále potom např. Stirlingův motor. Tento motor tvoří dva písty např. ve dvou válcích se společným klikovým mechanismem. Pracovní prostory válců nad pístem jsou vzájemně propojeny potrubím. Princip spočívá v tepelné roztažnosti nízkovýparných látek. Před jedním z pístů se látka ohřívá, před druhým se ochlazuje. To vytváří protichůdný chod pístů a vytváří se pohyb. Písty potom vytvářejí prostřednictvím klikového mechanismu kinematickou energii, která je pro Stirlingův motor výchozím produktem.

Výše uvedené příklady dosavadního stavu techniky pracují pouze s energonositelem, který musí být vyroben a do přístroje dodán z externího zdroje, např. pohonné hmoty, elektrická energie ze sítě apod. a zároveň mají vysokou spotřebu energie z tohoto energonositele. Procesy výroby těchto energonositelů mohou poškozovat životní prostředí a jsou finančně nákladné. Další uvedené příklady využívají obnovitelné zdroje pro vlastní lokální výrobu energie, ale zároveň nejsou schopny vytvořit požadované druhy energie. Tepelný stroj řeší přeměnu různých druhů energií, např. tepelná, kinematická, nebo elektrická. Tak se děje při minimální spotřebě energie z externího zdroje, např. pohonné hmoty, elektrická energie ze sítě apod.

• · · ·

Podstata vynálezu

Známé konstrukční koncepty tepelného čerpadla, chladicí jednotky, kogenerační jednotky a/nebo generátoru elektrické energie spojuje Tepelný stroj podle vynálezu. Tento vynález odstraňuje výše uvedené nedostatky tím, že je schopen pro svůj chod využít z velké části energii okolního prostředí (sluneční energii, geotermální energii, odpadní teplo apod.). Elektrickou energii dodanou např. ze sítě spotřebovává pouze pro podružné či podpůrné systémy. Dále je tento Tepelný stroj schopen vyprodukovat využitelnou tepelnou a kinematickou energii zároveň, nebo dle aktuálního požadavku.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že tento Tepelný stroj obsahuje primární okruh s primárním výměníkem, který je tvořen komorou primárního teplosměnného média s přívodním potrubím primárního okruhu a v něm vřazeným cirkulačním čerpadlem primárního okruhu a s vratným potrubím primárního okruhu. Další částí primárního výměníku je výparníková komora primárního nízkovroucího média, která je potrubím propojena se vstupem diferenční turbíny a pracovním prostorem válce nad pístem. Oběžné kolo diferenční turbíny je přes klikový mechanismus kinematicky spojeno s pístem. Diferenční turbína je objemový stroj, který vytváří kinematickou energii a zároveň pracuje podle příkladu uskutečnění vynálezu uvedenému v tomto textu.

Primární okruh je přes výparníkovou komoru primárního nízkovroucího média a pracovní prostor válce nad pístem propojen potrubím s vřazenými zpětnými ventily s kondenzační komorou sekundárního výměníku sekundárního okruhu. Další část sekundárního výměníku tvoří komora sekundárního teplosměnného média s přívodním potrubím sekundárního okruhu a v něm vřazeným cirkulačním čerpadlem sekundárního okruhu a s vratným potrubím sekundárního okruhu. Za kondenzační komorou je zařazen expanzní ventil a zpětný ventil.

Mezi primárním okruhem a sekundárním okruhem může být dále vřazen podružný okruh, který obsahuje výparník podružného okruhu a kompresor podružného okruhu a je k systému primárního okruhu a sekundárního okruhu připojen prostřednictvím dvojice trojcestných ventilů a výparníkem. Výparník podružného okruhu je určen pro dostatečné ochlazení nízkovroucího média určeného pro výparníkovou komoru diferenčního okruhu. Dvojice trojcestných přepínacích ventilů slouží pro přímé spojení výparníkové komory a kondenzační komory a tím utvoří okruh klasického kompresorového chlazení. Tato funkce je vhodná např. při dočasném vyčerpání energonositele, nebo nasycení odběrného místa ( Kompresorové chlazení není tolik náchylné na pracovní podmínky).

K válci a k diferenční turbíně může být napojena smyčka k odvodu odpadního tepla tvořená potrubím a prvky k řízení cirkulace teplosměnného média a propojená s regulační řídicí jednotkou.

• ·

··· ·· ··

Κ ovládacím prvkům Tepelného stroje, jimiž jsou cirkulační čerpadlo primárního okruhu, ·· « expanzní ventil, trojcestný ventil, kompresor, expanzní ventil podružného okruhu, cirkulační čerpadlo sekundárního okruhu, generátor elektrické energie a smyčka odvádějící odpadní teplo může být s výhodou připojena regulační řídící jednotka pro řízení a optimalizaci chodu Tepelného stroje.

Tepelný stroj podle vynálezu je systém vylepšující energetickou bilanci objektu tím, že spotřebuje minimum externí energie pro svůj chod. Externí energii stroj spotřebuje na případné podružné systémy, regulaci a oběhová čerpadla pro cirkulaci média. Tím je tvořen externí příkon stroje. Většinu příkonu tvoří interní energie stroje, která pochází z okolního prostředí, energonositele, které je dobíjeno např. sluneční energií, geotermální energií, dalšími obnovitelnými zdroji, chlazeným prostorem apod. Stroj funguje na principu rozdílů teplot v uzavřeném prostoru přičemž při nárůstu tlaku vyrábí kinematickou a posléze také tepelnou energii.

Přehled obrázků na výkresech

K bližšímu objasnění podstaty vynálezu slouží přiložené výkresy, kde představuje: obr. 1 - schéma Tepelného stroje obr. 2 - schéma Tepelného stroje, aplikace generátoru elektrické energie (kogenerační jednotka) obr. 3 - graf průběhu veličin.

Příklady uskutečnění vynálezu

Příklad 1 (Tepelný stroj pro výrobu tepla)

Tepelný stroj (viz obr. 1) obsahuje primární okruh I s primárním výměníkem 4, který je tvořen komorou 4b primárního teplosměnného média s přívodním potrubím 1 primárního okruhu I a v něm vřazeným cirkulačním čerpadlem 3 primárního okruhu las vratným potrubím 2 primárního okruhu I. Další částí primárního výměníku 4 je výparníková komora 4a primárního nízkovroucího média, která je potrubím 6 propojena se vstupem diferenční turbíny 5 a pracovním prostorem válce 9 nad pístem 8. Oběžné kolo diferenční turbíny 5 je přes klikový mechanismus 7 kinematicky spojeno s pístem 8.

Primární okruh I je přes teplosměnou plochu spojen s výparníkovou komorou 4a primárního nízkovroucího média. Ta je dále spojena s potrubím spojujícím pracovní prostor válce 9 nad pístem 8 s vřazenými zpětnými ventily 10 propojen s kondenzační komorou 11b sekundárního výměníku 11 sekundárního okruhu II. Další část sekundárního výměníku 11 tvoří komora 1 la sekundárního teplosměnného média s přívodním potrubím 18 sekundárního okruhu II a v něm vřazeným cirkulačním čerpadlem 20 sekundárního okruhu Has vratným potrubím 19 sekundárního okruhu Π. Z kondenzační komory 11b nízkovroucí médium pokračuje přes podružný výparník 13 podružného okruhu III, přes expanzní ventil 12 a zpětný ventil 10 primárního okruhu I zpět do výparníkové komory 4a.

- ΓMezi primárním okruhem I a sekundárním okruhem II je vřazen podružný okruh III, který obsahuje výpamík 13 podružného okruhu I, kompresor 15 podružného okruhu III, kondenzátor 16 podružného okruhu III a expanzní ventil 17 podružného okruhu III. K systému primárního okruhu I a sekundárního okruhu II je připojen prostřednictvím dvojice trojcestných ventilů 14 a výpamíku 12 podružného okruhu III.

Princip fungování systému je založen na vlastnostech nízkovýparných látek ( např. amoniak, freony používané v chladírenství apod.), které se odpařují už při velmi nízkých teplotách (až při mínus několik desítek stupňů celsia).

Ve výparníkové komoře 4a primárního výměníku 4 látka zvětší svůj tlak a objem natolik, aby překonala ztrátu klikového mechanismu 7. Při překonání tlakové ztráty a zvětšení objemu dojde k sání a látka přestoupí o stejném tlaku, teplotě a hustotě - stavu do válce 9. Při stlačování dojde na obou stranách ke zvětšení tlaku a hustoty (ve válci 9_se to děje při zmenšování objemu a růstu teploty) což vede k růstu teplotního potenciálu. Výparníková komora 4a a válec 9jsou od sebe tlakově odděleny diferenční turbínou 5, která od sebe tlakově izoluje výparníkovou komoru 4a a válec 9 což umožňuje růst teplotního potenciálu. Při opětovném sání zase ke zmenšení a cyklus se neustále opakuje stlačený plyn zůstává stlačený za zpětným ventilem 10. Tyto hodnoty mohou růst až k mezním hodnotám (mezní hranici MH v grafu průběhu veličin během procesu chodu stroje - viz. obr.4), které nesmí být překročeny, protože už by nedošlo k sání (tlak ve válci 9_by byl roven maximálnímu tlaku ve výparníkové komoře 4a a oběžné kolo diferenční turbíny 5 by se neotočilo). Musí být pro funkci zajištěna neustálá rotace oběžného kola diferenční turbíny 5. Výparníková komora 4a a válec 9 jsou od sebe tlakově odděleny diferenční turbínou 5, jinak by tlak v celém systému přesáhl mezní hodnotu MH a diferenční turbína 5 by přestala rotovat. Energie pro rotaci se získává pomocí rozdílu teplot. Diferenční turbína 5 zajišťuje společně s klikovým mechanismemJ7 neustálý růst a poklesy tlaku změnami objemu v systému a zároveň při správné aplikaci zpětných ventilů 10 také přesun do kondenzační komory 1 lb.

Tepelný stroj svou koncepcí produkuje tepelnou a kinematickou energii. Tepelná energie se spotřebovává v otopných a jiných systémem.

Pro znázornění chodu stroje byl vytvořen graf průběhu veličin ( viz. obr.3 ). Z grafu průběhu veličin je znázorněna funkce tlaku p (Pa), teploty T (K) a rychlosti w (m/s) vzhledem k času t (s). Při startu Tepelného stroje (oblast A - doba startu, (oblast B - doba rozjezdu) ve výparníkové komoře 4a roste tlak p (Pa) dokud nepřeková tlakovou ztrátu mechanismu pl a vzroste až k tlaku hybnému p2 který je schopen otočit Diferenční turbínou 5 při sání v oblasti C. Pří zvýšení tlaku p (Pa) na tlak pracovní p3 je možné Diferenční turbinu 5 otočit při stlačování v oblasti D při nenatlakované kondenzační komoře 1 lb sekundárního výměníku 11. Pří zvýšení tlaku na tlak pracovní p4 je možné Diferenční turbínu 5 otočit při stlačování v oblasti D i při natlakované kondenzační komoře 11b sekundárního výměníku 11 což je podstatné pro správnou funkci Tepelného stroje. Ve výparníkové

komoře 4a je možné při podmínkách stanovených primárním okruhem I docílit tlaku maximálního p5.

• · · ·

Mezi tlakem pracovním p4 a tlakem maximálním p5 se nachází mezní hranice MH. kterou Tepelný stroj nemůže překročit, protože by se Diferenční turbína 5 neotočila (nastaveno především klikovým mechanismem 7).

Pro optimalizaci funkce Tepelného stroje je do systému vložena regulační řídicí jednotka REG, která řídí a optimalizuje funkce Tepelného stroje. Regulační řídicí jednotkou REG je řízeno cirkulační čerpadlo 3 primárního okruhu I, expanzní ventil 12, cirkulační čerpadlo 20 sekundárního okruhu II, kompresor 15, expanzní ventil 17 podružného okruhu III, trojcestný ventil 14.

K válci 9, který se pohybem pístu 8 zahřívá, je přivedena smyčka 21 odvádějící odpadní teplo tvořená potrubím a prvky k řízení cirkulace teplosmenného média a propojená s regulační řídicí jednotkou REG . Stejná, nebo jiná smyčka 21 odvádějící odpadní teplo také od diferenční turbíny 5. Smyčka 21 odvádějící odpadní teplo je umístěná tam kde se materiál zahřívá vlivem tření. Toto teplo se smyčkou 21 odvádějící odpadní teplo odvádí k dalšímu využití, nebo do vnějšího prostředí. Tato smyčka 21 odvádějící odpadní teplo je regulována regulační řídicí jednotkou REG tak, aby se stroj příliš nepodchladil což by nemnělo příznivý účinek pro funkci Tepelného stroje.

Příklad 2 (Teplený stroj pro výrobu tepla a elektrické energie - kogenerační jednotka) Funkce je totožná s příkladem provedení vynálezu č.l. Pro kombinaci s generátorem elektrické energie GEE (viz obr. 2) je potřeba většího výkonu. Tlak ve výparníkové komoře 4b musí vyšší protože tlaková ztráta mechanismu pl bude se navýší o tlakovou ztrátu generátoru elektrické energie GEE.

Příklad 3 (Tepelný stroj pro výrobu elektrické energie - generátor elektrické energie)

Funkce je totožná s příkladem provedení vynálezu č.l. Pro výrobu elektrické energie za pomoci generátoru elektrické energie GEE je vynález proveden dle příkladu provedení technického řešení č.2. Výroba tepla je pro tento příklad provedení technického řešení nežádoucí, ale pro funkci stroje je nutná.

Příklad 4 (Tepelný stroj pro výrobu kinematické energie - kinematický pohon)

Funkce je totožná s příkladem provedení vynálezu č.l. Pro výrobu kinematické energie je vynález proveden analogicky s příkladem č.2. Na místo generátoru elektrické energie GEE je vložena patřičná, požadovaná jednotka pro odběr kinematické energie. Výroba tepla může být pro tento příklad provedení technického řešení nežádoucí, ale pro funkci stroje je nutná.

- 'ϊ·.. ..·· ·· ·· . · · · · · · ....... ...... 1 I • · · · ..

_o , , _v. , ...····

Průmyslová využitelnost

Tepelný stroj podle vynálezu je možné použít v různých aplikacích:

> Tepelné čerpadlo - derivát tepelného stroje > Chlazení - derivát tepelného stroje > Kogenerační jednotka - derivát tepelného stroje (spotřeba kinematické a tepelné energie) > Generátor elektrické energie jednotka - derivát tepelného stroje (spotřeba kinematické energie např. alternátorem) > Podpora tepelného čerpadla tepelným strojem > Podpora chlazení tepelným strojem > Kinematický pohon - derivát tepelného stroje (spotřeba kinematické energie).

Claims (4)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Tepelný stroj, zejména tepelné čerpadlo, chladicí jednotka, kogenerační jednotka a/nebo generátor elektrické energie, vyznačující se tím, že obsahuje primární okruh (I) s primárním výměníkem (4), který je tvořen komorou (4b) primárního teplosměnného média s přívodním potrubím (1) primárního okruhu (I) a v něm vřazeným cirkulačním čerpadlem (3) primárního okruhu (I) a s vratným potrubím (2) primárního okruhu (I) a dále výpamíkovou komorou (4a) primárního nízkovroucího média, která je potrubím (6) propojena se vstupem diferenční turbíny (5) a pracovním prostorem válce (9) pístového stroje nad pístem (8), s tím, že diferenční turbína (5) je přes klikový mechanismus (7) kinematicky spojena s pístem (8) tohoto pístového stroje, při čemž primární okruh (I) je přes výpamíkovou komoru (4a) primárního nízkovroucího média a pracovní prostor válce (9) nad pístem (8) tohoto pístového stroje propojen potrubími s vřazenými zpětnými ventily (10) s kondenzační komorou (11b) sekundárního výměníku (11) sekundárního okruhu (II), při čemž další část sekundárního výměníku (11) tvoří komora (11a) sekundárního teplosměnného média s přívodním potrubím (18) sekundárního okruhu (II) a vněm vřazeným cirkulačním čerpadlem (20) sekundárního okruhu (II) a s vratným potrubím (19) sekundárního okruhu (II), s tím, že za kondenzační komorou je (1 lb) je zařazen expanzní ventil (12) a zpětný ventil (10).
2. 2. Tepelný stroj podle nároků 1, vyznačující se tím, že mezi primárním okruhem (I) a sekundárním okruhem (II) je vřazen podružný okruh (III), který obsahuje výpamík (13) podružného okruhu (III), vřazený mezi kondenzační komorou (11b) a expanzním ventilem (12) a dále kompresor (15) podružného okruhu (III), při čemž podružný okruh (III) je k systému primárního okruhu (I) a sekundárního okruhu (II) připojen prostřednictvím dvojice trojcestných ventilů (14) a za kompresorem (15) je vřazen kondenzátor (16) podružného okruhu (III) pro odběr energie.
3. 3. Tepelný stroj podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že k válci (9) a k diferenční turbíně (5) je napojena smyčka (21) odvádějící odpadní teplo k odvodu odpadního tepla tvořená potrubím a prvky k řízení cirkulace teplosměnného média a propojená s regulační řídicí jednotkou (REG).
4. 4. Tepelný stroj modul podle nároků 1, 2 a 3, vyznačující se tím, že kjeho ovládacím prvkům, jimiž jsou cirkulační čerpadlo (3) primární okruh (I), expanzní ventil (12), trojcestný ventil (14), kompresor (15), expanzní ventil (17) podružného okruhu (III), cirkulační čerpadlo (20) sekundárního okruhu (II), generátor (GEE) elektrické energie a smyčka (21) odvádějící odpadní teplo je připojena regulační řídící jednotku (REG) pro řízení a optimalizaci chodu Tepelného stroje.