CZ8237U1 - Tepelné čerpadlo, zajména čerpadlo s parním oběhem - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká tepelného čerpadla, zejména čerpadla s parním oběhem, jehož okruh obsahuje kompresor, kondenzátor, sběrač kapalného chladivá, výpamík, ovládací prvky a příslušenství.

Dosavadní stav techniky

Dosud známá tepelná čerpadla s parním oběhem, tj. čerpadla typu vzduch/voda, se používají k ohřevu topné a užitkové vody, vzhledem ke skutečnosti, že dosahují topného faktoru 3-5 v běžných podmínkách venkovních teplot, což znamená, že za 1 kW elektrické energie se získá 3 až 5 kW tepla.

Nevýhodou tepelných čerpadel obecně je namrzání teplosměnné plochy výpamíku při venkovních teplotách vzduchu pod +5 °C, ke kterému dochází při odebírání nízkopotenciálního tepla ze vzduchu, který je zároveň odvlhčován. Při vyšších teplotách vlhkost kondenzuje a odtéká jako kondenzát do odpadu. Dosud je tento problém řešen jednak odtáváním cirkulací vzduchu přes výpamík, tuto metodu nelze ovšem použít při teplotách nižších než ca +1 °C. Teplo pro odtávání se pak dodává pomocí elektrických topných těles zvnějšku výpamíku, což je krajně energeticky náročné, nebo zevnitř oteplenými parami chladivá, pomocí reverzace okruhu tepelného čerpadla.

Přestože se tepelná čerpadla s možností reverzace okruhu, ukazují jako jediné ekonomické a ekologické řešení do budoucna, mají dosud známá řešení své významné nevýhody. Zásadní nevýhodou je velikost času, potřebného k odtáni námrazy na výpamíku. Protože doba odtávání se zvyšuje s poklesem teploty okolního vzduchu, tepelné ztráty způsobené odtáváním narůstají právě v období potřeby zvýšeného výkonu tepelného čerpadla.

Dále je známé řešení odtávání reverzací funkce celého okruhu tepelného čerpadla. Zde je pro odtávání použito kromě tepla obsaženého ve zkomprimovaných parách i teplo kondenzační, a proto je odtávání časově velmi efektivní. Zásadní nevýhodou tohoto řešení je ovšem okolnost, potřebné teplo pro odtávání je hrazeno nejen elektrickou energií pro pohon kompresoru, ale i odběrem tepla z topného média. Protože topným médiem je vesměs voda, je zde kromě energetické nevýhody spojené s ochlazováním topného média, ještě nebezpečí zamrznutí vody ve výměníku. To je řešeno komplikovanou řídící soustavou tepelného čerpadla.

Je známé i řešení, kde je tento problém částečně vyřešen tak, že jsou místo jednoho velikého výpamíku, potřebného pro větší výkony, použity dva menší výpamíky. Každý výpamík je odtáván samostatně, se stejnou četností jako jediný velký výpamík, čilí četnost odtávání se zvyšuje na dvojnásobek. Přesto je celková doba odtávání dvou výpamíků menší než doba odtávání jediného velkého výpamíku, přičemž se snižováním teploty vzduchu tento časový rozdíl zvětšuje.

Nevýhodou řešení s dvěma výpamíky místo jediného ekvivalentního je okolnost, že na sací straně kompresoru jsou zařazeny zpětné ventily, které zvyšují tlakovou ztrátu, čímž dochází ke snížení vypařovací teploty. Což způsobuje snížení topného výkonu a zhoršení topného faktoru tepelného čerpadla.

Společnou nevýhodou všech řešení s odtáváním výpamíků reverzací okruhu je značné dynamické namáhání výpamíků vlivem teplotních a tlakových změn a uspořádáním regulačních členů na sací straně kompresoru. Výpamíky se tak stávají v podstatě nejslabším článkem tepelného čerpadla. Nevýhodou společnou všem popsaným řešením odtávání, je pak stále vysoká celková energetická náročnost, snižující funkční efekt tepelného čerpadla.

-1CZ 8237 Ul

Cílem technického řešení je vyřešení výše uvedeného problému, to je odstranění plýtvání tepelnou a/nebo elektrickou energií a vyloučení, případně významné snížení dynamického namáhání příslušných výměníků při odtávání.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky do značné míry odstraňuje technické řešení tepelného čerpadla, jehož podstata spočívá v tom, že obsahuje první výpamík a druhý výpamík, kde sací strana kompresoru je spojena s výstupem prvního výpamíku první větví okruhu, v níž je zařazen první třícestný ventil a s výstupem druhého výpamíku druhou větví okruhu, v níž je zařazen druhý třícestný ventil, přičemž výtlačné straně kompresoru je přiřazena reverzační poloha prvního třícestného ventilu a/nebo druhého třícestného ventilu. Tím je výtlačná strana kompresoru spojena s výstupem prvního výpamíku, nebo výstupem druhého výpamíku, přičemž sací strana kompresoru je spojena se vstupem prvního výpamíku přes druhý výpamík, nebo naopak se vstupem druhého výpamíku přes první výpamík. Ve společném potrubí na výtlačné straně kompresoru může být dále zařazen uzavírací ventil a patrona s filtračním a/nebo vysoušečům zařízením.

Výhodou technického řešení tepelného čerpadla je nejen odstranění tlakových ztrát na sací straně kompresoru, změnou a přenesením příslušenství umožňujícího odtávání výpamíku na výtlačnou stranu kompresoru, ale především významné zjednodušení celého příslušenství. Další výhodou je použitelnost technického řešení u každého tepelného čerpadla, s alespoň dvěma výpamíky, jejichž celkový počet není omezen. Všechny výhody tepelných čerpadel s možností reverzace činnosti, jakož i tepelných čerpadel s více výpamíky byly zachovány.

Hlavní výhodou je nevyužívání tepelné energie již vyrobené, neboť nedochází nikdy ke chlazení topného média. Je tak zcela zabráněno případnému zamrznutí topného média ve výměníku. Zatímco při odtávání jednoho ze dvou či více výpamíků je tento vyřazen z normálního provozu, zbývající výpamík, či výpamíky tepelného čerpadla plní svoji funkci. Energetická náročnost odtávání je tak snížena až na pouhých 30 % dosavadních energetických požadavků. Konstrukce okruhu tepelného čerpadla, která umožňuje paralelní připojování/odpojování jednotlivých výpamíků, způsobuje jen mírné tlakové a teplotní změny, které tyto výpamíky zatěžují.

Přehled obrázků na výkresech

Technické řešení je blíže objasněno na připojených obrázcích, kde na obr. 1 je schematicky znázorněno tepelné čerpadlo se dvěma výpamíky v provozním režimu a na obr. 2 tepelné čerpadlo z obr. 1 při odtávání jednoho z výpamíků.

Příklad provedení technického řešení

Tepelné čerpadlo obsahuje první větev I s prvním výpamíkem 11, jehož vstupu je předřazen první expanzní ventil 12, opatřený prvním obtokem 13. obsahujícím první zpětný ventil 14. Na výstupu z prvního výpamíku 11 je v první větvi i zařazen první třícestný ventil 15.

Obdobně je uspořádána druhá větev 2 tepelného čerpadla s druhým výpamíkem 21, jemuž je předřazen druhý expanzní ventil 22, opatřený druhým obtokem 23, obsahujícím druhý zpětný ventil 24. Na výstupu z druhého výpamíku 21 je v druhé větvi 2 zařazen druhý třícestný ventil 25.

První třícestný ventil 15 i druhý třícestný ventil 25 jsou spojeny se sací stranou kompresoru 3, jemuž je ještě předřazen odlučovač kapaliny 7. Výtlačná strana kompresoru 3 je spojena se společným potrubím 8, kde je uspořádán kondenzátor 4, uzavírací ventil 5, sběrač kapalného chladivá 6 a patrona 9, v níž je uspořádáno filtrační zařízení. Výtlačná strana kompresoru 3 je ovšem dále spojena s prvním třícestným ventilem 15 i s druhým třícestným ventilem 25.

-2CZ 8237 Ul

Funkce tepelného čerpadla a jeho popsaných částí je standardní. Tepelné čerpadlo v provozním režimu podle obr. 1 odebírá přes svůj první výpamík ££ a druhý výpamík 21 nízkopotenciální teplo z okolní atmosféry pomocí nevyznačených ventilátorů. Vzduch procházející prvním výpamíkem 11 a druhým výpamíkem 2£ se ochlazuje a současně odvlhčuje, přičemž kondenzát vlhkosti při nulových a podnulových teplotách namrzá na teplosměnných plochách.

Dle obr. 2 je odtáván první výpamík ££ tak, že kompresor 3 vhání páiy přes první třícestný ventil 15, který je přepnut do reverzační polohy přímo do výstupu prvního výpamíku 11, dále prvním obtokem £3 a první zpětný ventil £4 k druhému expanznímu ventilu 22 druhého výpamíku 21, jehož výstup je normálně spojen se sací stranou kompresoru 3.

Druhý výpamík 21 je odtáván opačným propojením kompresoru 3, první větve £ a druhé větve 2. Totéž platí i pro nevyznačený třetí, nebo další výpamík, jichž může být v rámci technického řešení libovolný počet.

Odtávaný, například první výpamík 11 přebírá plně funkci kondenzátem 4, odtávání tak probíhá s využitím tepla v komprimovaných parách i tepla kondenzačního. Krátký čas potřebný pro odtávání odpovídá okolnosti, že disponibilní topný výkon kompresoru 3 je k dispozici pro jediný, například první výpamík ££.

Průmyslová využitelnost

Tepelné čerpadlo podle technického řešení lze uplatnit všude tam, kde se dosud používala tepelná čerpadla dosavadního typu, zejména při efektivním vytápění budov a ohřevu užitkové vody.

Claims (8)

NÁROKY NA OCHRANU

1. Tepelné čerpadlo, zejména čerpadlo s parním oběhem, jehož okruh obsahuje kompresor, kondenzátor, sběrač kapalného chladivá, výpamík, ovládací prvky a příslušenství, vyznačené tím, že obsahuje první výpamík (11) a druhý výpamík (21), kde sací strana kompresoru (3) je spojena s výstupem prvního výpamíku (11) první větví (1) okruhu, v níž je zařazen první třícestný ventil (15) a s výstupem druhého výpamíku (21) druhou větví (2) okruhu, v níž je zařazen druhý třícestný ventil (25), přičemž výtlačné straně kompresoru (3) je přiřazena reverzační poloha prvního třícestného ventilu (15) a/nebo druhého třícestného ventilu (25).

2. Tepelné čerpadlo podle nároku 1, vyznačené tím, že první výpamík (11) je na svém vstupu opatřen prvním expanzním ventilem (12), přičemž první výpamík (11) je dále opatřen prvním obtokem (13) vstupu, obsahujícím první zpětný ventil (14).

-3 CZ 8237 Ul výpamíku (21), přičemž sací strana kompresoru (3) je spojena se vstupem druhého výpamíku (21) přes první výpamík (11) a první třícestný ventil (15).

3. Tepelné čerpadlo podle nároku la2, vyznačené tím, že druhý výpamík (21) je na svém vstupu opatřen druhým expanzním ventilem (22), přičemž druhý výpamík (21) je dále opatřen druhým obtokem (23) vstupu, obsahujícím druhý zpětný ventil (24).

4. Tepelné čerpadlo podle nároku 1, vyznačené tím, že výtlačná strana kompresoru (3) je v reverzační poloze prvního třícestného ventilu (15) spojena s výstupem prvního výpamíku (11), přičemž sací strana kompresoru (3) je spojena se vstupem prvního výpamíku (11) přes druhý výpamík (21) a druhý třícestný ventil (25).

5 7. Tepelné čerpadlo podle nároku 1, vyznačené tím, že ve společném potrubí (8) na výtlačné straně kompresoru (3) je mezi kondenzátorem (4) a sběračem kapalného chladivá (6) zařazen uzavírací ventil (5).

5. Tepelné čerpadlo podle nároku la4, vyznačené tím, že výtlačná strana kompresoru (3) je v reverzační poloze druhého třícestného ventilu (25) spojena s výstupem druhého

6. Tepelné čerpadlo podle nároku 1, vyznačené tím, že sací straně kompresoru (3) je přiřazen odlučovač kapaliny (

7).

8. Tepelné čerpadlo podle nároku 7, vyznačené tím, že ve společném potrubí (8) je za sběračem kapalného chladivá (6) zařazena patrona (9) s filtračním a/nebo vysoušecím io zařízením.