CZ29501U1 - Zařízení navyšující topný faktor a výkon tepelných čerpadel - Google Patents

Description

Zařízení navyšující topný faktor a výkon tepelných čerpadel

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení navyšující topný faktor a výkon, konkrétně se jedná o získávání využitelné tepelné energie - tepla o teplotě až 50 °C a více, pro topení a ohřev vody z nízkopotencionálních zdrojů tepla o teplotě až - 20 °C a méně za pomoci tepelných čerpadel.

Dosavadní stav techniky

Základní prvky tepelného čerpadla jsou: okruh chladivá, do něhož je zapojen: výpamík, kompresor, kondenzátor a expanzní zařízení.

Tepelné čerpadlo musí, nebo může být vybaveno dalšími komponenty, které umožňují zlepšení činnosti tepelného čerpadla, a jehož použitím dochází k různým modifikacím.

Základní funkce tepelného čerpadla spočívá v tom, že do výpamíku tepelného čerpadla je pod velkým tlakem vstřikované expanzním zařízením tekuté chladivo, čímž se prudce snižuje jeho teplota a tlak. Zde je absorpováno teplo z okolí (ze země, vzduchu, vody) jako výsledek rozdílu vypařovací teploty chladivá např. -10 °C a okolního zdroje tepla např. - 2 °C. Vstřiknuté kapalné chladivo se ve výpamíku mění na plyn a oproti vypařovací teplotě na začátku výpamíku se přehřívá o 3 až 5 °C a více na konci výpamíku. To znamená, že přehřáté plynné chladivo má na konci výpamíku, při teplotách uvedených jako příklad, teplotu - 7 až -5 °C. Plynné chladivo je stlačeno v kompresoru. Zvýšení tlaku má za následek nárůst teploty. K navýšení teploty plynu chladivá přispívá také teplo vzniklé třením pohyblivých částí kompresoru, v případě hermeticky uzavřeného kompresoru také teplo vzniklé prací elektromotoru.

V kondenzátoru je takto získaná tepelná energie předána topnému mediu (voda, vzduch). Plynné chladivo při tomto procesu zkapalňuje a je tak připraveno ke vstřiknutí do výpamíku. Cyklus je tím uzavřen a běží stále dokola.

Ke svému provozu potřebuje tepelné čerpadlo určité množství energie, obvykle elektrické. Jsou i jiné pohony kompresoru, na příklad spalovacím motorem nebo existuje tepelné čerpadlo absorpční poháněné plynem. Tato tepelná čerpadla nejsou předmětem technického řešení.

Odebraná energie z přírody bývá obvykle 1,5 až 4x vyšší než spotřeba energie pro pohon kompresoru tepelného čerpadla. Měřítkem energetické výkonnosti tepelného čerpadla je proto poměr výstupní energie a energie pro pohon. Poměr se nazývá topný faktor (COP). Je to bezrozměrové číslo a jeho velikost se pohybuje podle podmínek běžně v mezích 2,5 případně méně, vždy však více jak 1 až 5 a více.

Princip tepelného čerpadla je znám více jak 150 roků (Kelvin 1852) s tím, že první tepelné čerpadlo bylo postaveno v r. 1932. Popis a funkce je uveden v každé literatuře, pojednávající o tepelných čerpadlech.

Pro pochopení technického řešení uvádím následující známé poznatky, které byly pro technické řešení použity.

Při použití nezatopeného nebo suchého výpamíku (používané pro tepelné čerpadlo), do kterého je přítok kapalného chladivá řízen termostatickým expanzním ventilem (TEV), proudí do sacího potrubí kompresoru přehřátá pára chladivá, jejíž přehřátí se v průběhu sání ještě zvýší tepelnými ztrátami sacího potrubí a zejména v případě použití dodatkového výpamíku s vnitřní výměnou tepla. V důsledku přehřátí páry chladivá nasaje kompresor menší hmotnostní množství chladivá, čímž se snižuje jeho výkon a po kompresi dochází ke značnému zvýšení teploty plynu. Tyto nežádoucí jevy je nutné regulačními zásahy udržovat v potřebných mezích. Nasávané páry je možné ochlazovat přímým vstřikem odpovídajícího množství kapalného chladivá do sacího potrubí kompresoru. Užívá se termostatický expanzní ventil, který v souladu s teplotou přehřátých nasávaných par vstřikuje kapalné chladivo ze sběrače kapalného chladivá.

Firma Copeland používá ve svých kompresorech scroll typové řady ZF nástřik kapalného chladivá do prostoru mezi rotory kompresoru. Jako vstřikovací orgán je použita kapilára, nebo spe- 1 CZ 29501 UI cielní vstřikovací ventil DTC, který je řízen teplotou par chladivá ve výtlaku za kompresorem. Kapalné chladivo je vstřikováno ze sběrače chladivá.

Plynné chladivo je možné přehřívat před vstupem do kompresoru až v kompresorovém prostoru hermeticky uzavřeného kompresoru.

Je nutné, aby kompresor nasával jen plyn bez kapek chladivá. Jinak hrozí zničení kompresoru kapalinovým rázem.

Avšak v návaznosti na informace výrobců kompresorů není třeba obávat se nasátí kapek v plynu do kompresoru, pokud je použit hermeticky uzavřený kompresor, protože vnitřní prostor obalu kompresoru má velký vnitřní objem, který ochrání kompresor před kapalinovým rázem.

Další využitý poznatek je, že spirálový kompresor scroll je odolný proti nasátí malého množství kapek v plynu.

Mezi vlivy působící na intenzitu přenosu tepla patří silové střídavé elektrické pole a také vibrace.

Silové pole zvyšuje přestup tepla při nerozvinutém varu chladivá 2,3x a při rozvinutém bublinkovém varu 20x.

Podstata technického řešení

Tepelné čerpadlo v úpravě dle technického řešení vychází z dosavadního stavu techniky s dále uvedenými úpravami a změnami, kdy do okruhu chladivá, do něhož je zapojen výpamík, kompresor, kondenzátor a expanzní zařízení je připojeno zařízení zvyšující topný faktor a výkon tepelného čerpadla vyznačující se tím, že je proveden obtok výpamíku propojením sacího potrubí okruhu chladivá před a za výpamíkem tepelného čerpadla, který je tvořen rozdělovačem proudu chladivá za expanzním zařízením I, expanzním zařízením II, směšovačem proudu chladivá za výpamíkem a propojovací trubicí expanzního zařízení II do směšovače proudu chladivá.

Funkce technického řešení spočívá v tom, že nasávané chladivo je před vstupem do hermetického obalu kompresoru podchlazeno pod úroveň vypařovací teploty chladivá na začátku výpamíku.

K ochlazení plynu dochází v důsledku změny kapalné části chladivá vstriknuté do přehřátého plynu za výpamíkem v plynnou, kdy ke svému odpaření potřebuje teplo, které odebírá plynu. Plynné chladivo se tak stává před nasátím do obalu kompresoru aerosolem, tedy plynem s určitým podílem drobných kapek. Vlivem působení silového elektrického pole a vibrací v prostoru obalu kompresoru je do chladivá předáváno intenzivně teplo, které se zde nachází. Drobné kapky zplynují a plyn se před vstupem do kompresoru přehřeje na potřebnou teplotu tak, aby byl zbaven kapek chladivá.

Obal kompresoru tak plní nejen funkci přehriváku, ale stává se dále výměníkem tepla s přímou výměnou tepla, bez dělících stěn, kde se kapky chladivá vypařují a následně před nasátím do kompresoru mírně přehřívají.

Ochlazením plynu chladivá dochází také ke snížení jeho objemu a jako doprovodný jev dochází ke zvýšení vypařovací teploty chladivá před výpamíkem. To umožňuje zvýšenou dodávku chladivá do sacího potrubí tepelného čerpadla a nasátí většího hmotnostního množství chladivá kompresorem.

Uvedené jevy mají za následek mírné zvýšení příkonu elektrického proudu kompresoru, avšak při výrazném zvýšení topného faktoru a výkonu tepelného čerpadla.

Vztah technického řešení k dosud známé technice.

Princip snížení teploty nasávaného plynného chladivá před vstupem do obalu kompresoru je stejný jak u známé techniky, tak u technického řešení. Rozdílný je způsob provedení. Známý stav techniky používá paralelně (vedle sebe) zapojené expanzní zařízení. Rovněž snížení teploty chladivá až v kompresoru, využívá paralelně (vedle sebe) uspořádaného expanzního zařízení.

Uspořádání dle technického řešení využívá zapojení expanzních zařízení v sérii (za sebou), kdy expanzní zařízení lije součástí obtoku výpamíku.

-2CZ 29501 Ul

Technické podmínky pro využití technického řešení.

Kompresor:

Pro běžná tepelná čerpadla se mohou používat kompresory různých provedení a konstrukcí. Podle způsobu stlačení par existuje nejméně 9 druhů kompresorů, které mohou být otevřené (ucpávkové), polohermetické a hermetické.

Pro tepelná čerpadla dle technického řešení je možné použít jakýkoliv kompresor pro chlazení s elektrickým pohonem v hermeticky uzavřeném obalu, rovněž tak v polohermetickém - děleném obalu.

Pro tepelné čerpadlo upravené dle technického řešení se používá stejně výkonný kompresor jako u tepelného čerpadla bez úpravy. V závislosti na provedení tepelného čerpadla je třeba, aby tepelné čerpadlo dle technického řešení bylo vybaveno stejným zařízením pro rozběh a zařízení pro odsávání chladivá ze sacího potrubí před odstavením kompresoru stejně jako tepelné čerpadlo bez úpravy dle technického řešení.

Mohou být také použity doplňky jako u běžných tepelných čerpadel, např. topný kabel pro předehřev olejové náplně před startem, k zabránění napěnění oleje. Pokud bude použit topný kabel, je třeba, aby jeho teplotní čidlo bylo umístěno u dna obalu kompresoru a na protilehlé straně zaústěného sacího potrubí do obalu. Případně je možné použít tepelnou izolaci obalu kompresoru. Tato je však nevhodná pokud kompresor bude pracovat v teplejším prostředí, než je jeho provozní teplota na povrchu.

Technické řešení je použitelné také pro tepelné čerpadlo osazené kompresorem scroll EVI, který využívá zbytkové (specifické) teplo v kapalném chladivu. V tom případě musí být obtok použit pro hlavní výpamík, nikoliv pro dodatkový výměník s vnitřní výměnou tepla. Na místo spirálového kompresoru scroll EVI může být použit také upravený pístový kompresor pro systém využívající zbytkové teplo v kapalném chladivu. V tom případě však musí týt použito dokonalého zařízení pro odlučování kapek chladivá od plynu.

Výpamík: Běžně používaný pro tepelné čerpadlo, tj. suchý, postupně zaplavovaný. Obecně platí, že teplosměnná plocha výpamíku má být v poměru výkon/plocha = 1 kW/3 600 cm². Úprava pro tepelné čerpadlo upravené dle technického řešení, kdy se předpokládá navýšení výkonu cca o 50 %, nevyžaduje zvětšení teplosměnné plochy výpamíku. Kondenzátor: Musí teplosměnnou plochou odpovídat zvýšenému výkonu tepelného čerpadla dle technického řešení.

Tepelné čerpadlo bez úpravy = 1 kW/2 400 cm².

Tepelné čerpadlo dle technického řešení, kdy se předpokládá navýšení výkonu o cca 50 %, tj. na 1,5 kW, musí být kondenzátor zvětšen rovněž o 50 %, tj. na 3 600 cm².

Okruh chladivá je tvořen částí sací (od expanzního zařízení po kompresor) a částí výtlačnou (od kompresoru po expanzní zařízení).

Okruh chladívaje naplněn chladivém.

Chladivo je látka, která jako kapalina má velmi nízkou vypařovací teplotu (-10 až -50 °C) a jako plyn snadno zkapalňuje. Chladivá se označují písmenem „R“ k němuž je přiřazeno číslo, případně písmeno, což vyjadřuje chemické složení chladivá.

Používá se stejné chladivo pro tepelné čerpadlo dle technického řešení jako pro tepelné čerpadlo bez uplatnění technického řešení. Tepelné čerpadlo dle technického řešení vyžaduje větší množství chladivá asi o 25 % oproti běžnému tepelnému čerpadlu.

Rozdělovač na obtoku výpamíku.

Umísťuje se těsně za expanzní zařízení I, to znamená před výpamíkem, případně před rozdělovačem chladivá do jednotlivých sekcí výpamíku.

Rozdělovač na obtoku výpamíku musí zajistit, aby do expanzního zařízení II přicházelo z rozdělovače kapalné chladivo. Je proveden dle známého principu oddělovače kapek od plynu, kdy

-3CZ 29501 Ul spodem je odváděna kapalina, vrchem je odsáván aerosol s převahou kapek do výpamíku. Rozdělovač může být v různém provedení. Např. s přímočarým proudem chladivá, s rotačním proudem chladivá, jako vírová trubice (Ranqueova) apod.

Obecně platí, že vstřiknuté chladivo expanzním zařízením I přicházející do rozdělovače musí mít vyšší rychlost proudění, než má v sacím potrubí tak, aby kapalina nestačila změnit směr a usazovala se v potrubí před expanzním zařízením II.

Z toho vyplývá, že u rozdělovače s přímočarým proudem chladivá musí mít vtoková trubice o 50 % menší světlost, než má sací potrubí a zakončená nad dno rozdělovače. Světlost pláště rozdělovače musí být 2 až 3x větší, než má sací potrubí při délce pláště 3x větší než je jeho světlost. Uvedené hodnoty mají poměrně velkou toleranci.

Směšovač je proveden malou nádobkou, do níž je vrchem zaústěno a vyústěno sací potrubí. Do dna je zaústěna propojovací trubice z expanzního zařízení II. Směšovač může být proveden také jiným způsobem, např. prostým „T“ kusem o stejné dimenzi jako má sací potrubí. Pokud je jako expanzní zařízení I použit TEV I, musí být směšovač umístěn za výpamíkem a teplotním čidlem (tykavkou) expanzního ventilu I.

Funkce propojovacího potrubí z expanzního zařízení II se směšovačem je zřejmá z názvu. Expanzní zařízení:

I. může být termostatický expanzní ventil (TEV), elektronický expanzní ventil (EEV), automatický expanzní ventil (AEV) nebo kapilára.

II. na obtoku může být TEV, EEV, AEV, kapilára, ručně stavitelný škrtící ventil nebo tryska. Jako nej vhodnější se jeví TEV, kdy TEV 1 je buď s vnějším, nebo vnitřním vyrovnáním tlaku v závislosti na tlakových ztrátách výpamíku. TEV II se použije s vnitřním vyrovnáním tlaku. Tykavka TEV lije umístěna před kompresorem.

V případě použití EEV je možno dosáhnout až o 5 % vyššího COP, avšak pořizovací náklady jsou několikanásobně vyšší než při použití TEV.

Ostatní expanzní zařízení jsou levnější, avšak mají omezený rozsah jak teplot nízkopotencionálního zdroje (NPZ), tak také teplot kondenzačních.

Dimenze potrubí a dalších komponentů tepelného čerpadla, dosud neuvedené jsou shodné pro tepelné čerpadlo neupravené i upravené dle technického řešení.

Seřízení expanzního zařízení I, respektive jeho dimenze je stejné, jak u tepelného čerpadla upraveného dle technického řešení, tak u neupraveného. Musí zajistit přehřátí chladivá nad vypařovací teplotu chladivá před výpamíkem o 3 až 5 °C na konci výpamíku.

Velikostí trysek u TEV I a TEV II jsou stejné. Pokud však bude místo TEV I použitá kapilára, musí být tato na tepelném čerpadle dle technického řešení větší než kapilára na tepelném čerpadle bez úpravy dle technického řešení.

Seřízení expanzního zařízení II, respektive jeho dimenze musí zajistit podchlazení chladivá před vstupem do obalu kompresoru o 1 až 3 °C oproti vypařovací teplotě chladivá na začátku výparníku.

Teplota oleje v obalu kompresora by po rozběhu kompresora neměla klesnout pod + 10 °C. Nižší teplota signalizuje, že do obalu kompresoru je nasáváno příliš velké množství kapalné frakce chladivá, což výkon tepelného čerpadla a COP snižuje.

Je nutné, aby pod tepelným čerpadlem bylo zařízení odvádějící vodu a to u tepelného čerpadla jakéhokoliv provedení. V průběhu činnosti vzniká na celém obtoku výpamíku a dále na pokračujícím potrubí až ke kompresoru námraza. Tato při odstavení tepelného čerpadla roztaje a vzniklou vodu je třeba odvést.

Výhodné účinky technického řešení ve vztahu k dosavadnímu stavu techniky.

-4CZ 29501 Ul

Dosažené hodnoty navýšení výkonu a topného faktoru (COP) na pokusných tepelných čerpadlech dle technického řešení oproti neupraveným tepelným čerpadlům činily v závislosti na provedení tepelného čerpadla a provozních podmínkách + 25 až 50 %, při extrémních podmínkách činilo navýšení také více jak dvojnásobek, tj. + 100 a více % a to při minimálních nákladech na úpravu tepelných čerpadlech dle technického řešení.

Byly také provedeny pokusy s aplikací technického řešení na tepelném čerpadle systému EVI za použití upraveného pístového kompresoru v děleném - polohermetickém obalu a rovněž se zde technické řešení osvědčilo.

Dále byly provedeny srovnávací pokusy s tepelným čerpadlem, které používá 2 expanzní zařízení uspořádané paralelně, tedy techniku známou, se systémem tepelného čerpadla dle technického řešení a také při tomto srovnání bylo tepelné čerpadlo dle technického řešení lepší.

Objasnění výkresu

Na obr. 1 je základní schéma tepelného čerpadla.

Na obr. 2 je schéma tepelného čerpadla se 2 expanzními zařízeními zapojených v sérii včetně obtoku výpamíku, který je předmětem technického řešení Příklady uskutečnění technického řešení

Tepelné čerpadlo podle obr. 1 je tvořeno okruhem I chladivá, do něhož je zapojen výpamík 2, kompresor 3, kondenzátor 4 a expanzní zařízení 5. Ochlazovanému mediu 7 se teplo odebírá a ohřívané medium 8 se ohřívá prostřednictvím tepelného čerpadla.

Provedení podle technického řešení na obr. 2 je známé provedení podle obr. 1 rozšířeno o obtok 6 výpamíku 2 propojením sacího potrubí okruhu I chladivá před a za výpamíkem 2.

Obtok 6 je tvořen rozdělovačem 6.1 proudu chladivá za expanzním zařízením I 5.1, expanzním zařízením II 6.2 směšovačem 6.3 proudů chladivá za výpamíkem 2 a propojovacím potrubím 6.4 s tím, že musí být použit kompresor v hermeticky uzavřeném obalu.

Na obtoku 6 je expanzní zařízení II 6.2 zajišťující přisávání takového množství chladivá, které sníží teplotu chladivá v sacím potrubí okruhu I chladivá před vstupem do obalu 3.1 hermeticky uzavřeného kompresoru 3 na úroveň nižší, než je vypařovací teplota chladivá na začátku výparníku 2 čímž také dojde ke snížení objemu nasávaného chladivá a současně se tím zvýší vypařovací teplota chladivá před výpamíkem 2.

To umožní nasátí většího hmotnostního množství chladivá kompresorem 3 a ve svém důsledku při mírném navýšení příkonu elektrické energie kompresora 3 výrazné zvýšení topného faktoru a výkonu tepelného čerpadla.

Technické řešení je použitelné pro všechna provedení tepelných čerpadel používající kompresor 3 s elektromotorem uzavřeným v hermetickém nebo polohermetickém -děleném obalu 3.1.

Byla provedena řada pokusů na pokusných tepelných čerpadlech všech provedení a typů s použitím technického řešení. Na základě jejich výsledků lze předpokládat využitelnost pro průmyslově vyráběná tepelná čerpadla.

Seznam použité literatury:

1. Chladicí technika, Doc. Ing. Václav Hoch 1991

2. Tepelná čerpadla, Prof. Ing. Zdeněk Dvořák 1987

3. Chladicí technika II. (výměníky), Prof. Ing. Zdeněk Dvořák 1986

4. Rotační hermetické kompresory scroll ZS - ZF firmy Copeland, technické údaje, ALFACO Choceň s.r.o. 2003

Claims (1)

1. Zařízení navyšující topný faktor a výkon čerpadel, vyznačující se tím, žerná proveden obtok (6) výpamíku (2) propojením sacího okruhu (1) chladivá před a za výpamíkem (2) tepelného čerpadla, který je tvořen rozdělovačem (6.1) proudu chladivá za expanzním zaříze5 ním I (5.1), expanzním zařízením II (6.2), směšovačem (6.4) proudů chladivá za výpamíkem (2) a propojovací trubicí (6.3) z expanzního zařízení II (6.2) do směšovače (6.4) proudů chladivá.