CZ27778U1 - Chladicí zařízení na přímý odpař s plynovým spalovacím motorem - Google Patents

Description

Chladicí zařízení na přímý odpař s plynovým spalovacím motorem

Oblast techniky

Technické řešení se týká chladicího zařízení na přímý odpař s plynovým spalovacím motorem. Dosavadní stav techniky

Běžně používané chladicí jednotky, např. typu „GHP“ (tj. „Gas Heat Pump“), jsou chladicí zařízení, jejichž hnací silou je kompresor poháněný motorem spalujícím zemní plyn. Jedná se o systém pracující na principu tepelného čerpadla vzduch - vzduch, resp. vzduch - voda, neboť lze kondenzační teplo předávat jak vodě, tak vzduchu. Plynové tepelné čerpadlo je kompaktním řešením pro prostory vyžadující jak vytápění tak chlazení, protože dokáže dodávat současně chladicí vodu o spádu 10/12 °C spolu s topnou vodou o spádu 90/70 °C a 50/40 °C. Již zmíněné „GHP“ systémy lze ideálně využít všude tam, kde jsou požadavky na dodávku chladu a kde lze současně využít i odpadní teplo. Uplatnění nalézají v průmyslových aplikacích zejména v sušení, potravinářských závodech, kancelářských budovách, bazénových halách a zimních stadiónech. Plynové tepelné čerpadlo však může pracovat i v čistě topném režimu, takže je možné je používat i v komerční sféře např. v hotelích apod. V provozech s permanentní potřebou chlazení napomáhá k výraznému snížení nároků na elektrickou energii, zejména pokud je spotřebovávána v procesu chlazení, a to především v letních měsících, kdy snižuje celkovou elektrickou zátěž budovy v odběrových špičkách. Jednotka je plynule regulovatelná cca od 20 % svého výkonu do 100 %, což umožňuje efektivní distribuci chladu do chlazených prostor. Zařízení je navrženo tak, aby šlo snadno nainstalovat jak na nové, tak na stávající rozvody chladu, s minimálními úpravami na chladicím okruhu.

Nevýhodou těchto chladicích systémů je, že zde nebývá využita odpadní tepelná energie motorů. Následkem toho je účinnost chlazení celého systému velmi nízká, což zvyšuje náklady na provoz.

Podstata technického řešení

Cílem technického řešení je představit chladicí zařízení na přímý odpař s plynovým spalovacím motorem, který by výše uvedené nevýhody odstranil.

Výše zmíněné nedostatky odstraňuje do značné míry chladicí zařízení na přímý odpař s plynovým spalovacím motorem, obsahující chladicí okruh s kompresorem, a motorický okruh s pohonnou jednotku a vstupní a výstupní armaturou chladicí vody, jehož podstata spočívá v tom, že kompresor je opatřen primárním a sekundárním okruhem, kde výstup ze sekundárního okruhu je vyveden do odlučovače oleje, k jehož výstupu je připojen vstup do primárního okruhu interního kondenzátoru, jehož výstup je vyveden na sběrač chladivá, který je dále propojen s filtrdehydrátorem a ten následně se vstupem do výpamíku, jehož výstup je propojen se vstupem do kompresoru; a vstupní armatura chladicí vody je propojena s prvním vstupem troj čestného ventilu tvořeného dvěma vstupy a jedním výstupem, jehož druhý vstup je propojen s výstupní armaturou chladicí vody, a výstup je propojen s primárním okruhem tepelného výměníku voda/voda, dále se vstupem do kompresoru a také s výstupem z kompresoru, a výstup z primárního okruhu tepelného výměníku voda/voda je vyveden do sekundárního okruhu spalinového výměníku, který je svým výstupem propojen s výstupní armaturou chladicí vody; přičemž výstup sekundárního okruhu tepelného výměníku voda/voda je propojen s pohonnou jednotkou, kterou je zážehový motor, který je propojen s výfukovým potrubím a to je dále propojeno se vstupem do sekundárního okruhu tepelného výměníku voda/voda.

Ve výhodném provedení je sekundární okruh interního kondenzátoru napojen na okruh odvádějící z něj teplo k dalšímu užití.

-1 CZ 27778 Ul

V jiném výhodném provedení je mezi interní kondenzátor a sběrač chladivá vložen externí vzduchový kondenzátor.

V jiném výhodném provedení je kompresor ucpávkový pístový kompresor s regulací výkonu.

V jiném výhodném provedení je výfukové potrubí vyvedeno do primárního okruhu výměníku spaliny/voda přes katalyzátor, přičemž ze spalinového výměníku jsou spaliny vyfukované přes tlumič výfuku.

Přehled obrázku na výkrese

Technické řešení bude dále přiblíženo pomocí obrázku, kde obr. 1 představuje schéma vnitřního zapojení chladicího zařízení na přímý odpař s plynovým spalovacím motorem, podle technického řešení.

Příklad provedení technického řešení

Chladicí zařízení 100 na přímý odpař s plynovým spalovacím motorem, podle technického řešení, obsahuje chladicí okruh s kompresorem 5, a motorický okruh s pohonnou jednotku 6.

Jak je představeno na obr. 1, chladicí okruh obsahuje kompresor 5 s primárním a sekundárním okruhem, kde výstup ze sekundárního okruhu je vyveden do odlučovače 14 oleje, k němuž je připojen primární okruh interního kondenzátoru 10. Výstup z primárního okruhu interního kondenzátoru 10 je vyveden na sběrač 11 chladivá, který je dále propojen s filtrdehydrátorem 12 a ten následně s výpamíkem 15. Výstup z výpamíku 15 je propojen se vstupem do kompresora 5. Výpamík 15 není součástí chladicího zařízení 100, avšak je umístěn v chlazeném prostora a s chladicím zařízením 100 propojen potrubím.

Interním kondenzátorem 10 je především deskový výměník, obvykle ocelový, o tepelném výkonu cca 120 kW. Jeho sekundární okruh může být doplněn o okruh 16 odvádějící z něj teplo k dalšímu užití, jako je např. vytápění budov, příprava teplé vody, popř. pro technologické účely, nebo k doplňkovému externímu vzduchovému kondenzátoru.

V případě, že není použito okruhu 16 odvádějícího teplo z interního kondenzátoru 10, může být mezi něj a sběrač Π. chladivá vložen externí vzduchový kondenzátor 17, který teplo z interního kondenzátoru 10 maří bez užitku.

Okruh 16 odvádějící teplo z interního kondenzátoru 10 a externí vzduchový kondenzátor 17 nejsou součástí chladicího zařízení 100, ale jsou na toto zařízení napojeny potrubím.

Kompresor 5 je výhodně ucpávkový pístový kompresor typu „BOCK“ s možností regulace výkonu od 20 % do 100 %. Výhodně pracuje s chladivém R407F. Hlavy kompresora 5 jsou vodou chlazené, přičemž jeho odpadní teplo je následně s výhodou využíváno např. pro ohřev teplé vody, jak bylo uvedeno výše.

Sběrač 11 chladivá, nebo také akumulátor chladivá, je obvykle vyroben z ocelových plechů a slouží k vyrovnání potřeby chladivá v chladicím okruhu. Jeho objem je cca 80 až 100 litrů.

Filtrdehydrátor 12 odstraňuje zbytkovou vlhkost chladicího okruhu, která musí být menší jak 200 ppm vlhkosti. Zařízení je z ocelového plechu a obsahuje molekulární síto.

Odlučovač 14 oleje, výhodně s elektronickým hlídáním hladiny oleje, slouží k separaci oleje od chladivá, který se vrací přes vratné potrubí zpět do kompresora 5. Odlučování je prováděno pomocí odstřeďování.

Externí výpamík 15 slouží k odvedení tepelných zisků z chlazeného prostora. Výhodně je proveden jako lamelový výměník, obvykle vyrobený z mědi, hliníku nebo neřeži. Standardně se jedná o několik jednotek o součtovém výkonu cca 90 kW.

-2CZ 27778 Ul

Princip funkce chladicího okruhu

Odpařené chladivo vystupující z výparníku 15 vstupuje do kompresoru 5, kde dochází k jeho stlačení, načež přes odlučovač 14 oleje vstupuje do kondenzátoru 10. V kondenzátoru 10 dochází ke kondenzaci chladivá a jeho následnému postupu do sběrače 11 odkud přes filtrdehydrátor 12 vstupuje opět o teplotě 40 až 55 °C do výparníku 15, kde dojde k přeměně na plynnou fázi o teplotě od -10 až +5 °C a vrací se zpět do kompresoru 5.

Regulace chladicího okruhu je řešena jednak změnou otáček plynového motoru 6 a jednak odpínáním hlav kompresoru 5. Chladicí okruh je určen pro přímý odpař chladivá, přičemž celý cyklus je řízen autonomně.

Motorický okruh obsahuje vstupní armaturu A chladicí vody určenou k připojení výstupu z externího chladicího zásobníku vody motoru, propojenou s trojcestným ventilem 7 tvořeným dvěma vstupy a jedním výstupem, jehož druhý vstup je propojen s výstupní armaturou a výstup je propojen s primárním okruhem tepelného výměníku 2 voda/voda, dále se vstupem do kompresoru 5 a také s výstupem z kompresoru 5. Výstup z primárního okruhu tepelného výměníku 2 voda/voda je vyveden do sekundárního okruhu spalinového výměníku 1, který je svým výstupem propojen s výstupní armaturou B chladicí vody určenou k připojení vstupu do externího chladicího zásobníku vody motoru.

Výstup sekundárního okruhu tepelného výměníku 2 voda/voda je propojen s pohonnou jednotkou 6, který je propojen s výfukovým potrubím 13 a to dále se vstupem do sekundárního okruhu tepelného výměníku 2 voda/voda.

Výfukové potrubí 13 je vyvedeno do primárního okruhu výměníku I spaliny/voda přes katalyzátor 3. Ze spalinového výměníku 1 jsou spaliny vyfukované přes tlumič 9 výfuku J, ze kterého je kondenzát odváděn kondenzátovým vývodem K. Ten slouží i pro odvod kondenzátu přímo ze spalinového výměníku I.

Výměník 1 spaliny/voda je proveden jako trubkový výměník vyrobený z nerezového materiálu, slouží k odvedení tepla ze spalin a jeho předání vodě v sekundárním okruhu. Jeho výkon je obvykle cca 27 kW.

Výměník 2 voda/voda je deskový výměník, slouží pro odvod tepla z hlav kompresoru a jeho předání vodě v sekundárním okruhu. Jeho výkon je obvykle do 50 kW.

Katalyzátor 3 slouží k čistění výfukových plynů, jak je tomu například u automobilů.

Pohonnou jednotkou 6 může být například čtyřválcový, čtyřdobý spalovací zážehový motor poháněný zemním plynem, a chlazený vodou. V příkladu se jeho jmenovitý výkon pro 1750 ot/min pohybuje kolem 48 kW.

Troj čestný ventil 7 je výhodně elektronicky řízený provedený jako kovová armatura, určený pro regulaci průtoku kapaliny pomocí směšování.

Tlumič 9 výfuku je výhodně zařízením z ocelového plechu, které slouží k útlumu hluku vznikajícího při průchodu spalin vycházejících z pohonné jednotky 6.

Výfukové potrubí 13 ie provedeno z ocelového potrubí, odvádějícího spaliny z pohonné jednotky

6.

Pohonná jednotka 6 je vybavena okruhem se směšovačem 4 paliva, opatřeným přisáváním C čerstvého vzduchu o teplotě okolí a přívodem D zemního plynu. Dále je opatřena okruhem s olejovou nádrží 8.

Tepelné spády na jednotlivých vnějších napojeních chladicího systému podle technického řešení:

- přes napojení A - B je dodávána teplá voda o tepelném spádu 90/70 °C,

- přes napojení E - F je dodávána teplá voda z kondenzátoru 10 o tepelném spádu 50/40 °C,

- z napojení G vystupuje chladivo v kapalné fázi o teplotě cca od 40 do 55 °C, přecházející do externího výparníku 15, kde dochází kjeho přeměně na plynnou fázi, a

-3CZ 27778 Ul

- do napojení H vstupuje chladivo z externího výpamíku 15 v plynné fázi o teplotě od -10 do +5 °C, a vstupuje do kompresoru 5.

Výhody

Použití pohonu ve formě plynového spalovacího motoru umožňuje využití odpadního tepla motoru kompresoru včetně spalinového tepla, což rozšiřuje možnost využívání tepelné energie pro ohřev užitkové vody na teplotu více jak 60 °C.

Při použití plynového motoru typu „Kubota“ pracuje sekundární okruh jednotky, kde součástí je spalinový výměník, s tepelným spádem 90/70 °C.

Regulace otáček a charakteristika spalovacího plynového motoru umožňuje využívat toto zařízení ve velkém rozsahu vypařovacích teplot bez zvýšení spotřeby paliva. Navíc, plynový motor umožňuje snížení svojí spotřeby paliva pomocí regulace výkonu za pomoci odpínání hlav.

Jinou výhodou představeného chladicího zařízení podle technického řešení je použití pístového kompresoru zlepšujícího výkonnostní parametry plynového motoru. Systém dále umožňuje využívat kondenzačního tepla, které je odebíráno z výměníku a umožňuje tak ohřát teplonosnou látku až na teplotu 40 °C. Tímto způsobem je efektivně využita primární energie, kdy k efektivnímu chlazení je využíváno spalinové teplo.

Koncepce pohonu s plynovým motorem výrazně zlevňuje provoz zařízení a umožňuje lepší využívání energií v rámci objektu. Chladicí jednotka je plynule regulovatelná cca od 20 % do 100 % výkonu, což umožňuje efektivní distribuci chladu do chlazených prostor.

Využití

Představené řešení je vhodné pro klimatizační systémy o rozsahu vypařovacích teplot +5 °C až +10 °C, chladicí systémy o vypařovacích teplotách -15 °C až +5 °C a mrazírny o vypařovacích teplotách -25 °C až -15 °C.

Claims (5)

1. Chladicí zařízení na přímý odpař s plynovým spalovacím motorem, obsahující chladicí okruh s kompresorem, a motorický okruh s pohonnou jednotku a vstupní a výstupní armaturou chladicí vody, vyznačující se tím, že kompresor (5) je opatřen primárním a sekundárním okruhem, kde výstup ze sekundárního okruhu je vyveden do odlučovače (14) oleje, k jehož výstupu je připojen vstup do primárního okruhu interního kondenzátoru (10), jehož výstup je vyveden na sběrač (11) chladivá, který je dále propojen s filtrdehydrátorem (12) a ten následně se vstupem do výpamíku (15), jehož výstup je propojen se vstupem do kompresoru (5); a vstupní armatura (A) chladicí vody je propojena s prvním vstupem troj čestného ventilu (7) tvořeného dvěma vstupy a jedním výstupem, jehož druhý vstup je propojen s výstupní armaturou (B) chladicí vody, a výstup je propojen s primárním okruhem tepelného výměníku (2) voda/voda, dále se vstupem do kompresoru (5) a také s výstupem z kompresoru (5), a výstup z primárního okruhu tepelného výměníku (2) voda/voda je vyveden do sekundárního okruhu spalinového výměníku (1), který je svým výstupem propojen s výstupní armaturou (B) chladicí vody; přičemž výstup sekundárního okruhu tepelného výměníku (2) voda/voda je propojen s pohonnou jednotkou (6), kterou je zážehový motor, který je propojen s výfukovým potrubím (13) a to je dále propojeno se vstupem do sekundárního okruhu tepelného výměníku (2) voda/voda.

2. Chladicí zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že sekundární okruh interního kondenzátoru (10) je napojen na okruh (16) odvádějící z něj teplo k dalšímu užití.

-4CZ 27778 Ul

3. Chladicí zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že mezi interní kondenzátor (10) a sběrač (11) chladívaje vložen externí vzduchový kondenzátor (17).

4. Chladicí zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že kompresor (5) je ucpávkový pístový kompresor s regulací výkonu.

5 5. Chladicí zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že výfukové potrubí (13) je vyvedeno do primárního okruhu výměníku (1) spaliny/voda přes katalyzátor (3), přičemž ze spalinového výměníku (1) jsou spaliny vyfukované přes tlumič (9) výfuku (J).