CZ27122U1 - Diferenční termodynamický modul - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká diferenčního termodynamického modulu, který může mít zejména funkci analogickou tepelnému čerpadlu, chladicí jednotce, kogenerační jednotce a/nebo generátoru elektrické energie.

Dosavadní stav techniky

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.

Nejěastějším typem je kompresorové tepelné čerpadlo. Pracuje na principu obráceného Camotova 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 výpamík 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 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, nej častěji 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 znán přes sto let), ale je možné navrhovat mnohem menší a levnější zařízení, jež dokážou běžný dům bez problémů zásobit.

-1 CZ 27122 Ul

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 domácnosti a nedochází tedy ke ztrátám pri 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.

Známé konstrukční koncepty tepelného čerpadla, chladicí jednotky, kogenerační jednotky a/nebo generátoru elektrické energie spojuje diferenční termodynamický modul podle technického řešení.

Podstata technického řešení

Známé konstrukční koncepty tepelného čerpadla, chladící jednotky, kogenerační jednotky a/nebo generátoru elektrické energie spojuje diferenční termodynamický modul podle technického řešení.

Podstata technického řešení spočívá v tom, že tento diferenční termodynamický modul obsahuje primární termodynamický 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 výpamíková komora primárního nízko vroucího média, která je diferenčním potrubím propojena se vstupem diferenční turbíny a pracovním prostorem válce nad pístem. Oběžné kolo turbíny je přes klikový mechanismus kinematicky spojeno s pístem.

Primární termodynamický okruh je přes výpamíkovou komoru primárního nízko vroucího média a pracovní prostor válce nad pístem propojen potrubím s vřazenými zpětnými ventily s kondenzační komorou sekundárního výměníku sekundárního termodynamického 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 primární termodynamický okruh a sekundární termodynamický okruh může být dále vřazen podružný termodynamický okruh, který obsahuje výpamík podružného termodynamického okruhu a kompresor podružného termodynamického okruhu a je k systému primárního termodynamického okruhu a sekundárního termodynamického okruhu připojen prostřednictvím dvojice trojcestných ventilů a výpamíkem. Výpamík podružného termodynamického okruhu je určen pro dostatečné ochlazení nízkovroucího média určeného pro výpamíkovou komoru diferenčního termodynamického okruhu. Dvojice trojcestných přepínacích ventilů slouží pro přímé spojení výpamíkové 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.

K ovládacím prvkům diferenčního termodynamického modulu, jimiž jsou cirkulační čerpadlo primárního okruhu, expanzní ventil, trojcestný ventil, kompresor, expanzní ventil podružného termodynamického okruhu, cirkulační čerpadlo sekundárního termodynamického okruhu, gene-2CZ 27122 Ul rátor elektrické energie a smyčka odvádějící odpadní teplo může být s výhodou připojena regulační řídící jednotka pro řízení a optimalizaci chodu diferenčního termodynamického modulu.

Diferenční termodynamický modul podle technického řešení 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 technického řešení slouží přiložené výkresy, kde představuje: obr. 1 - schéma diferenčního termodynamického modulu obr. 2 - schéma diferenčního termodynamického modulu, aplikace generátoru elektrické energie (kogenerační jednotka) obr. 3 - graf průběhu veličin.

Příklady uskutečnění technického řešení

Příklad 1 (Diferenční termodynamický modul pro výrobu tepla)

Diferenční termodynamický modul (viz obr. 1) obsahuje primární termodynamický okruh I s primárním výměníkem 4, který je tvořen komorou 4b primárního teplosměnného média s přívodním potrubím 1 primárního termodynamického okruhu I a v něm vřazeným cirkulačním čerpadlem 3 primárního termodynamického okruhu las vratným potrubím 2 primárního termodynamického okruhu I. Další částí primárního výměníku 4 je výpamíková komora 4a primárního nízko vroucího média, která je diferenčním 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 termodynamický okruh I je přes teplosměnou plochu spojen s výpamíkovou komorou 4a primárního nízko vroucího 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 H sekundárního termodynamického okruhu Π. Další část sekundárního výměníku 11 tvoří komora 11a sekundárního teplosměnného média s přívodním potrubím 18 sekundárního termodynamického okruhu II a v něm vřazeným cirkulačním čerpadlem 20 sekundárního termodynamického okruhu II a s vratným potrubím 19 sekundárního termodynamického okruhu Π. Z kondenzační komory 11b nízkovroucí médium pokračuje přes podružný výpamík 13 podružného termodynamického okruhu ΠΙ, přes expanzní ventil 12 a zpětný ventil 10 primárního termodynamického okruhu I zpět do výpamíkové komory 4a.

Mezi primární termodynamický okruh I a sekundární termodynamický okruh II je vřazen podružný termodynamický okruh ΙΠ, který obsahuje výpamík 13 podružného termodynamického okruhu I, kompresor 15 podružného termodynamického okruhu ΠΙ, kondenzátor 16 podružného termodynamického okruhu ΠΙ a expanzní ventil 17 podružného termodynamického okruhu IH. K systému primárního termodynamického okruhu I a sekundárního termodynamického okruhu Π je připojen prostřednictvím dvojice troj čestných ventilů 14 a výpamíku 13 podružného termodynamického okruhu I.

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

-3CZ 27122 Ul

Ve výpamíkové komoře 4a primárního výměníku 4 látka zvětší svůj tlak natolik, aby překonala ztrátu klikového mechanismu 7 a objem (nedané podmínky musí být nastaveny tak, aby pri daných podmínkách se objem zvětšil na požadovaný a to na objem výpamíkové komory 4a, válce 9 a přidruženého potrubí apod.). 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, ve válci 9 se zvětšuje teplota) což vede k růstu teplotního potenciálu. Výpamíková komora 4a a válec 9 jsou od sebe tlakově odděleny diferenční turbínou 5, která od sebe tlakově izoluje výpamíkovou 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 zóně MZ 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 výpamíkové komoře 4a a oběžné kolo turbíny 5 by se neotočilo). Musí být pro funkci zajištěna neustálá rotace oběžného kola turbíny 5. Výpamíková komora 4a a válec 9 jsou od sebe tlakově odděleny diferenční turbínou 5, jinak by tlak v celém systému přesáhl mezní hodnotu MZ a diferenční turbína 5 by přestala rotovat. Energie pro rotaci se získává pomocí rozdílu teplot. Diferenční turbína 5 zajišťuje společně s klikovým mechanismem 7 neustálý růst a poklesy tlaku změnami objemu v systému a zároveň pri správné aplikaci zpětných ventilů 10 také přesun do kondenzační komory lib.

Diferenční termodynamický modul 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). Pri startu Diferenčního termodynamického okruhu (A - doba startu, B - doba rozjezdu) ve výpamíkové 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 C. Při zvýšení tlaku p (Pa) na tlak pracovní g3 je možné Diferenční turbínu 5 otočit při stlačování D pri nenatlakované kondenzační komoře 11b sekundárního výměníku Π.. Pří zvýšení tlaku na tlak pracovní p4 je možné Diferenční turbínu 5 otočit při stlačování D i pri natlako váné kondenzační komoře 11b sekundárního výměníku H což je podstatné pro správnou funkci Diferenčního termodynamického modulu. Ve výpamíkové komoře 4a je možné při podmínkách stanovených primárním termodynamickým okruhem I docílit tlaku maximálního p5. Mezi tlakem pracovním p4 a tlakem maximálním p5 se nachází mezní zóna MZ, kterou Diferenční termodynamický modul nesmí překročit, protože by se Diferenční turbína 5 neotočila (nastaveno klikovým mechanismem 7).

Pro optimalizaci funkce diferenčního termodynamického modulu je do systému vložena regulační řídicí jednotka REG, která řídí a optimalizuje funkce Diferenčního termodynamického okruhu. Regulační řídicí jednotkou REG je řízeno cirkulační čerpadlo 3 primárního termodynamického okruhu I, expanzní ventil 12, cirkulační čerpadlo 20 sekundárního termodynamického okruhu Π, kompresor 15, expanzní ventil 17 podružného termodynamického okruhu ΙΠ, 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 teplosměnného 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 Diferenčního termodynamického modulu.

-4CZ 27122 U1

Příklad 2 (Diferenční termodynamický modul pro výrobu tepla a elektrické energie - Diferenční kogenerační jednotka)

Funkce je totožná s příkladem provedení technického řešení č. 1. Pro kombinaci s generátorem elektrické energie GEE (viz obr. 2) je potřeba většího výkonu primárního termodynamického okruhu I. Tlak ve výpamíkové komoře 4b musí být vyšší, protože tlaková ztráta mechanismu pl se navýší o tlakovou ztrátu generátoru elektrické energie GEE.

Příklad 3 (Diferenční termodynamický modul pro výrobu elektrické energie - Diferenční generátor elektrické energie)

Funkce je totožná s příkladem provedení technického řešení č. 1. Pro výrobu elektrické energie za pomoci generátoru elektrické energie GEE je technické řešení provedeno dle příkladu provedení technického řešení č. 2. Výroba teplaje pro tento příklad provedení technického řešení nežádoucí, ale pro funkci stroje je nutná.

Příklad 4 (Diferenční termodynamický modul pro výrobu kinematické energie - Diferenční pohon)

Funkce je totožná s příkladem provedení technického řešení č. 1. Pro výrobu kinematické energie je technické řešení provedeno analogicky s příkladem č. 2. Na místo generátoru elektrické energie GEE ie 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.

Průmyslová využitelnost

Diferenční termodynamický modul podle technického řešení je možné použít v různých aplikacích:

- Diferenční tepelné čerpadlo - derivát diferenčního modulu

- Diferenční chlazení - derivát diferenčního modulu

- Diferenční kogenerační jednotka - derivát diferenčního modulu (spotřeba kinematické a tepelné energie)

- Diferenční generátor elektrické energie jednotka - derivát diferenčního modulu (spotřeba kinematické energie např. alternátorem)

- Podpora tepelného čerpadla diferenčním modulem.

- Podpora chlazení diferenčním modulem

- Diferenční pohon - derivát diferenční modulu (spotřeba kinetické energie).

Claims (4)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Diferenční termodynamický modul, zejména s funkcí analogickou tepelnému čerpadlu, chladicí jednotce, kogenerační jednotce a/nebo generátoru elektrické energie, vyznačující se tím, že obsahuje primární termodynamický okruh (I) s primárním výměníkem (4), který je tvořen komorou (4b) primárního teplosměnného média s přívodním potrubím (1) primárního termodynamického okruhu (I) a v něm vřazeným cirkulačním čerpadlem (3) primárního termodynamického okruhu (I) a s vratným potrubím (2) primárního termodynamického okruhu (I) a dále výpamíkovou komorou (4a) primárního nízkovroucího média, která je diferenčním potrubím (6) propojena se vstupem diferenční turbíny (5) a pracovním prostorem válce (9) nad

   -5CZ 27122 Ul pístem (8), s tím, že oběžné kolo diferenční turbíny (5) je přes klikový mechanismus (7) kinematicky spojeno s pístem (8), při čemž primární termodynamický okruh (I) je přes výpamíkovou komoru (4a) primárního nízkovroucího média a pracovní prostor válce (9) nad pístem (8) propojen potrubími s vřazenými zpětnými ventily (10) s kondenzační komorou (11b) sekundárního výměníku (11) sekundárního termodynamického okruhu (Π), přičemž další část sekundárního výměníku (11) tvoří komora (11a) sekundárního teplosměnného média s přívodním potrubím (18) sekundárního termodynamického okruhu (Π) a v něm vřazeným cirkulačním čerpadlem (20) sekundárního termodynamického okruhu (Π) a s vratným potrubím (19) sekundárního termodynamického okruhu (Π), s tím, že za kondenzační komorou je (11b) je zařazen expanzní ventil (12) a zpětný ventil (10).
2. 2. Diferenční termodynamický modul podle nároků 1, vyznačující se tím, že mezi primární termodynamický okruh (I) a sekundární termodynamický okruh (Π) je vřazen podružný termodynamický okruh (ΙΠ), který obsahuje výpamík (13) podružného termodynamického okruhu (ΠΓ), vřazený mezi kondenzační komorou (1 lb) a expanzním ventilem (12) a dále kompresor (15) podružného termodynamického okruhu (ΙΠ), při čemž podružný termodynamický okruh (ΠΓ) jek systému primárního termodynamického okruhu (I) a sekundárního termodynamického okruhu (Π) připojen prostřednictvím dvojice troj čestných ventilů (14) a za kompresorem (15) je vřazen kondenzátor (16) podružného termodynamického okruhu (ΠΓ) pro odběr energie.
3. 3. Diferenční termodynamický modul podle nároků la2, 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. Diferenční termodynamický modul podle nároků 1, 2 a 3, vyznačující se tím, že k jeho ovládacím prvkům, jimiž jsou cirkulační čerpadlo (3) primárního termodynamického okruhu (I), expanzní ventil (12), trojcestný ventil (14), kompresor (15), expanzní ventil (17) podružného termodynamického okruhu (ΠΙ), cirkulační čerpadlo (20) sekundárního termodynamického okruhu (Π), generátor (GEE) elektrické energie a smyčka (21) odvádějící odpadní teplo je připojena regulační řídící jednotku (REG) pro řízení a optimalizaci chodu diferenčního termodynamického modulu.