EA013454B1

EA013454B1 - Устройство для получения тепла

Info

Publication number: EA013454B1
Application number: EA200702393A
Authority: EA
Inventors: Петер Гебхардт
Original assignee: Ифг Солар Кг
Priority date: 2006-11-30
Filing date: 2007-11-29
Publication date: 2010-04-30
Also published as: EA200702393A1; CN101191664A; EP1930667A2; CA2612787A1; DE202006018320U1

Abstract

Устройство (1) служит для получения тепла. Устройство (1) имеет при этом бойлер (2), который находится в функциональной связи с теплообменником (10). Обмен жидкостями между бойлером (2) и теплообменником осуществляется при этом исключительно с помощью конвекции. На первичной стороне теплообменник (10) пропускает через себя поток среды-теплоносителя (14), которая нагревается от источника (21) тепла с меньшей температурой, чем температура теплой стороны (7) бойлера (2), и при этом испаряется. Среда-теплоноситель затем подвергается сжатию с помощью регулируемого посредством числа оборотов компрессора (23) и направляется к первичной стороне (12) теплообменника (10). При этом среда-теплоноситель (14) отдает всю свою теплоту испарения бойлеру (2). После этого конденсированная среда-теплоноситель (14) возвращается обратно к источнику (21) тепла. Для достижения высокого коэффициента полезного действия устройства (1) компрессор (23) управляется регулирующим устройством (29), на которое оказывает влияние температура среды-теплоносителя (14) и/или температура теплой стороны теплообменника (10).

Description

Изобретение относится к устройству для получения тепла согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения.

Из практики известно устройство для получения тепла из промышленного отходящего тепла, которое включает в себя бойлер и связанный с ним теплообменник. Вторичная сторона теплообменника при этом с одной стороны соединена с холодной стороной, а с другой стороны - с теплой стороной бойлера, так что образован, таким образом, замкнутый циркуляционный контур между бойлером и теплообменником. Первичная сторона теплообменника при этом пропускает через себя среду-теплоноситель, которая запитывается от промышленного отходящего тепла. В случае установок, в которых промышленное отходящее тепло имеется в распоряжении в большом объеме, этого тепла, без проблем, хватает для того, чтобы не только подогревать воду в бойлере, но также одновременно поддерживать конвекционный поток между бойлером и теплообменником. Таким образом, в этом циркуляционном контуре не требуется никакого циркуляционного насоса, который при слишком сильном потоке нарушил бы желательное распределение температуры по слоям внутри бойлера. Это известное устройство хорошо оправдало себя на практике и является исходной точкой настоящего изобретения.

В основе изобретения лежит задача создания устройства для получения тепла указанного в начале типа, которое отличается высокой эффективностью и широкими возможностями применения имеющихся в распоряжении источников тепла.

Эта задача в устройстве для получения тепла, включающем по меньшей мере один бойлер, который содержит обладающую различными температурными слоями жидкость, причем бойлер имеет расположенную внизу холодную сторону и расположенную вверху теплую сторону, по меньшей мере один теплообменник, вторичная сторона которого образует с бойлером приводимый исключительно с помощью конвекции циркуляционный контур, согласно изобретению решается тем, что теплообменник имеет первичную сторону для протекания через нее конденсирующей с отдачей тепла среды-теплоносителя, предназначенной для отбора тепла из источника тепла с меньшей температурой, чем температура теплой стороны бойлера, и испарения, причем источник тепла связан с расположенным после него компрессором, выполненным с возможностью доведения температуры среды-теплоносителя до значения, которое выше температуры теплой стороны бойлера, причем в устройстве предусмотрено регулирующее устройство для регулирования расхода компрессора в зависимости от температуры среды-теплоносителя между выходом компрессора и трубопроводом на выходе теплообменника и/или температуры жидкости теплообменника и/или бойлера, а также в зависимости от температуры конденсации среды-теплоносителя.

Устройство согласно изобретению служит для получения тепла. Оно включает в себя по меньшей мере один бойлер, который содержит имеющую различные температурные слои жидкость. Как правило, бойлер наполнен водой, причем пригодна также любая другая среда-теплоноситель. Жидкость в бойлере имеет слои с разной температурой, так что в бойлере всегда находится по меньшей мере один слой с холодной водой и расположенный над ним по меньшей мере один слой с теплой водой. Как правило, на холодной стороне бойлера предусмотрено устройство для притока жидкости, в частности холодной воды, в то время как на теплой стороне предусмотрено устройство для слива нагретой жидкости, в частности горячей воды. Нагретая жидкость используется, в частности, в целях отопления, причем альтернативно или дополнительно горячая вода может также отбираться для бытовых целей. Для нагревания жидкости в бойлере предусмотрен теплообменник, вторичная сторона которого с одной стороны соединена с холодной стороной, а с другой стороны - с теплой стороной бойлера. Вторичная сторона теплообменника образует поэтому с бойлером замкнутый циркуляционный контур. Этот контур приводится в действие исключительно лишь с помощью конвекции жидкости в контуре, так что не предусмотрено никакого активного циркуляционного насоса. Такая конструкция имеет преимущество в том, что количество протекающей жидкости в этом контуре непосредственно связано с поступлением тепла. Поэтому исключено, что жидкость в этом контуре будет циркулировать, не осуществляя при этом достаточно высокого поступления тепла. Такая циркуляция вызвала бы полное разрушение послойного распределения температуры жидкости в бойлере, так что температура на выходе бойлера соответственно опустилась бы. С другой стороны, связанный чисто лишь с конвекцией поток в этом контуре предполагает относительно интенсивное нагревание жидкости, так как при слишком малом нагревании конвекции не происходит.

Для достижения универсальной применимости устройства для получения тепла важно, чтобы можно было также использовать источники тепла, температуры которых меньше, чем температура на теплой стороне бойлера. С этой целью используется среда-теплоноситель, которая испаряется источником тепла. Затем среду-теплоноситель подвергают сжатию с помощью компрессора, который доводит средутеплоноситель, включая содержащееся в ней тепло, до более высокой температуры. Среда-теплоноситель после этого направляется через первичную сторону теплообменника, где она нагревает жидкость в бойлере. Одновременно среда-теплоноситель конденсирует, причем теплота испарения отдается жидкости бойлера для теплообменника. Жидкая среда-теплоноситель затем снова направляется к источнику тепла, где она снова может поглотить тепло. Таким образом, тепло от источника тепла с малой температурой переносится в теплообменник при более высокой температуре. Однако оказалось, что работа такого теплового насоса совместно с зависящим от конвекции теплообменником является довольно проблематичной.

- 1 013454

В противоположность использованию промышленного отходящего тепла, при работе в режиме теплового насоса из-за связанного с этим потребления энергии все определяется высокой эффективностью системы. Если поступление тепла от теплового насоса в теплообменник слишком мало, то конвекция в контуре бойлера не происходит. Если же, напротив, поступление тепла слишком высоко, то компрессор потребляет много энергии, не вызывая заметного нагревания жидкости в бойлере.

Для решения этой проблемы применяют компрессор, величину протекающего потока которого регулируют с помощью регулирующего устройства. На это регулирующее устройство при этом оказывает влияние температура среды-теплоносителя между выходом компрессора и выходным трубопроводом теплообменника или температура жидкости в теплообменнике и соответственно в бойлере. Благодаря этим мероприятиям достигается, что расход среды-теплоносителя через компрессор зависит от выделения теплоты средой-теплоносителем в теплообменнике. При пуске устройства согласно этому компрессор используется на относительно небольшую мощность, чтобы на вторичной стороне теплообменника дать время конвекции, чтобы она могла соответственно создаться. С возрастанием конвекционного потока также компрессор увеличивает свою мощность, так как в этом случае соответственно увеличивается отдача тепла средой-теплоносителем в теплообменнике. Таким образом, получается оптимальное использование тепла от источника тепла при относительно низком потреблении энергии, так что все устройство имеет неожиданно высокий КПД.

Температура конденсации среды-теплоносителя является зависящей от материала функцией давления, так что для определения температуры конденсации известной среды-теплоносителя нужно лишь замерять давление среды-теплоносителя после теплообменника. Это замеренное давление можно затем при применении кривой давления пара среды-теплоносителя пересчитать в температуру конденсации. Знание температуры конденсации является важным, так как неполная конденсация среды-теплоносителя приведет к неполной теплоотдаче в теплообменник и соответственно к нестабильному регулированию, так что потребление энергии компрессором будет слишком высоким. Оказание влияния температуры конденсации на регулирование повышает поэтому КПД устройства.

Для достижения как можно меньших потерь тепла согласно п.2 формулы изобретения предпочтительно, если теплообменник выполнен в виде противоточного теплообменника. Благодаря этому жидкость в бойлере нагревается почти до температуры среды-теплоносителя. Таким образом, теплопередача приводит к лишь очень небольшим потерям температуры. Если теплообменник предусмотрен внутри теплоизоляции бойлера, то получаются особенно незначительные потери тепла. Предпочтительно теплообменник расположен вокруг бойлера, так что потери на тепловое излучение бойлера отчасти регенерируются в теплообменнике.

Для того чтобы сохранить как можно более эффективную конвекцию, согласно п.3 формулы изобретения благоприятно, если теплообменник на вторичной стороне имеет большее поперечное сечение трубопровода, чем на первичной стороне. Это приводит на вторичной стороне к меньшему сопротивлению в трубопроводе, так что уже относительно небольшая разница температур внутри теплообменника способствует созданию эффективного конвекционного потока. На первичной стороне не требуется большого поперечного сечения трубопровода, так как среда-теплоноситель и без этого циркулирует принудительным образом благодаря действию компрессора.

Для достижения чувствительного регулирования согласно п.4 формулы изобретения является благоприятным, если на регулирующее устройство оказывает влияние температура конденсации средытеплоносителя после теплообменника.

Для достижения оптимального КПД согласно п.5 формулы изобретения является благоприятным, если регулирующее устройство устанавливает температуру среды-теплоносителя после протекания через теплообменник на температуру, которая на заданный температурный интервал лежит ниже температуры конденсации среды-теплоносителя. Среда-теплоноситель в этом случае переохлаждена, так что теплота испарения полностью была отдана жидкости бойлера через теплообменник. Если возрастает отдача тепла в теплообменнике, то это приводит к снижению температуры среды-теплоносителя на выходе теплообменника относительно температуры конденсации. В этом случае регулирующее устройство обеспечивает повышение потока через компрессор. Таким образом, увеличенная способность теплопоглощения теплообменника может непосредственно использоваться для повышения мощности устройства. Кроме того, регулирование остается стабильным во всем диапазоне работы.

Для температурного интервала оправдала себя согласно п.6 формулы изобретения область между 1 и 10К. При диапазоне температур ниже 1К существует опасность того, что при возникновении повреждений конденсация среды-теплоносителя больше не будет полной, так что тепло будет перекачиваться в контуре неиспользованным. Кроме того, благодаря этому могут возникнуть трудно устраняемые нарушения устойчивости процесса регулирования. Выбор температурного интервала больше 10К нецелесообразен, так как это привело бы к ограничению имеющихся в распоряжении источников тепла. В зависимости от применяемых источников тепла все же возможен больший температурный интервал. Предпочтительно выбирают температурный интервал между 3 и 7К, чтобы достичь как можно более чувствительного и эффективного регулирования.

Для того чтобы устройство можно было применить в широком диапазоне мощностей, согласно п.7

- 2 013454 формулы изобретения является благоприятным, если между теплообменником и источником тепла предусмотрен, по меньшей мере, один расширительный клапан. Этот расширительный клапан обеспечивает снятие давления в среде-теплоносителе и таким образом поддерживает давление среды-теплоносителя в области теплообменника приблизительно постоянным.

Для того чтобы устройство при всех условиях достигало оптимального КПД, согласно п.8 формулы изобретения является предпочтительным, если расширительный клапан находится в функциональной связи с регулирующим устройством, подвергаемым влиянию давления среды-теплоносителя. Таким образом, реализуются постоянные свойства среды-теплоносителя по широкому рабочему диапазону.

В частности, в случае источников тепла с очень низкой температурой согласно п.8 формулы изобретения является благоприятным, если после теплообменника расположить по меньшей мере один резервуар, который находится в термическом контакте с испарившейся средой-теплоносителем. Таким образом, среда-теплоноситель дополнительно охлаждается для улучшения поглощения тепла. Кроме того, повышается достигаемая компрессором конечная температура.

Предмет изобретения поясняется в качестве примера с помощью чертежа, не ограничивая объем защиты.

На единственной фигуре показано схематическое изображение устройства 1 для получения тепла. Устройство 1 имеет бойлер 2, который заполнен водой 3. Бойлер имеет впускное устройство 4 для холодной воды и выпускное устройство 5 для горячей воды. Внутри бойлера 2 устанавливается граница 6 между слоями, при которой теплая сторона 7 расположена на холодной стороне 8. Между теплой стороной 7 и холодной стороной 8 имеется лишь очень небольшое перемешивание, так что вода теплой стороны 7 может отбираться с приблизительно постоянной температурой. В частности, температура воды в выпускном устройстве 5 практически не зависит от высоты границы 6 между слоями.

Бойлер 2 с помощью трубопроводов 9 соединен с работающим в противотоке теплообменником 10. Вода 3 при этом протекает через вторичную сторону 11 теплообменника 10. Эта вторичная сторона 11 имеет большее поперечное сечение трубопровода, чем первичная сторона 12 теплообменника 10, чтобы между бойлером 2 и теплообменником 10 через трубопроводы 9 можно было реализовать свободный конвекционный поток без циркуляционного насоса. Для достижения как можно меньшей потери тепла теплообменник расположен внутри теплоизоляции 13 бойлера 2. Чтобы также сделать полезной теплоту излучения бойлера 2, теплообменник 10 проходит вокруг бойлера 2.

Дополнительно в бойлере 2 - в отличие от изображения на фигуре - можно было бы еще разместить источники тепла, например теплообменники отопительных устройств с ископаемыми горючими материалами или высокотемпературных солнечных термических установок. Такие дополнительные источники тепла в бойлере 2 не имеют, собственно, ничего общего с предметом изобретения и поэтому не показаны.

Кроме того, в зависимости от случая применения теплообменник 10 можно было бы термически развязать от бойлера 2 с помощью дополнительного слоя теплоизоляции. В зависимости от случая применения в качестве альтернативы можно подумать также о том, чтобы разделительную стенку между теплообменником 10 и бойлером 2 снабдить отверстиями или совсем убрать, так чтобы таким образом образовалась улучшенная конвекция.

Первичная сторона 12 теплообменника 10 пропускает через себя поток среды-теплоносителя 14, которая циркулирует в отдельном контуре. Первичная сторона 12 теплообменника 10 посредством трубопровода 15 соединена с резервуаром 15а, который выполнен в качестве промежуточного теплообменника. В этом резервуаре 15а передающая тепло среда 14 отдает тепло испарившейся среде-теплоносителю 14, которая проходит в трубопроводе 22 через резервуар 15а. Это мероприятие улучшает теплопоглощающую способность среды-теплоносителя 14.

После выхода из резервуара 15а среда-теплоноситель 14 попадает в расширительный клапан 16, который обеспечивает снятие давления в среде-теплоносителе 14. Расширительный клапан 16 посредством регулирующего устройства 17 находится в функциональной связи с прибором 18 для измерения давления, который поддерживает постоянным давление среды-теплоносителя в трубопроводе 15. Перед регулирующим устройством 17 расположен дифференциальный усилитель 17Ь, который сравнивает замеренное значение давления с заданным значением датчика 17а заданных значений. Результат сравнения при этом является регулируемой величиной регулирующего устройства 17. Это обеспечивает, что внутри теплообменника 10 господствуют примерно постоянные параметры давления среды-теплоносителя 14, так что среда-теплоноситель 14 имеет примерно постоянную температуру конденсации.

Расширительный клапан 16 с помощью трубопровода 19 находится в функциональной связи с другим теплообменником 20, который находится в контакте с источником тепла 21. В качестве источника 21 тепла речь может идти, например, о воздухе окружающей среды, а также о тепле, исходящем от земли, или от солнечных тепловых установок. Как правило, температуры источника 21 тепла недостаточно для того, чтобы непосредственно нагреть воду 3 в теплообменнике 10, для этого следует это тепло довести сначала до более высокой температуры.

Для этой цели среда-теплоноситель 14 выбирается такой, чтобы она внутри трубопровода 19 была жидкой и испарялась с помощью источника 21 тепла. Этот пар по другому трубопроводу 22 направляет

- 3 013454 ся через резервуар 15а, где он находится в тепловом обмене с выходящей из теплообменника 10 средойтеплоносителем 14. Среда-теплоноситель 14 при этом нагревается примерно до температуры на входе бойлера 2.

После выхода из резервуара 15а среда-теплоноситель 14 направляется в компрессор 23, проходящий поток которого может регулироваться с помощью числа оборотов. Компрессор 23 сжимает средутеплоноситель 14, благодаря чему также повышается ее температурный уровень. По трубопроводу 24 среда-теплоноситель 14 возвращается в теплообменник 10, где она отдает свое тепло воде 3 на вторичной стороне. При этом среда-теплоноситель 14 конденсирует, так что вся ее теплота испарения отдается воде.

Благодаря выполнению теплообменника 10 в виде противоточного теплообменника, кроме того, достигается, что вода 3 после выхода из теплообменника 10 имеет приблизительно температуру поступающей среды-теплоносителя 14. Потеря температуры очень незначительна, так как поступающая средатеплоноситель 14 сначала нагревает только самый верхний слой воды 3, который уже почти достиг температуры среды-теплоносителя 14. Среда-теплоноситель 14 протекает в теплообменнике вниз и нагревает все более холодные слои воды, благодаря чему она заметно охлаждается. При этом у определенной точки внутри теплообменника 10 достигается температура конденсации среды-теплоносителя 14, так что вместо дальнейшего охлаждения среды-теплоносителя 14 вступает в действие ее конденсация при постоянной температуре. Конденсация среды-теплоносителя при этом происходит полностью, так что отдается вся теплота испарения. В нижней области теплообменника 10 теперь жидкая среда-теплоноситель 14 еще более охлаждается и затем направляется в расширительный клапан 16 и источник тепла 21. Таким образом, получается очень эффективное использование энергии устройством 1.

Для эксплуатации устройства 1 предусмотрен температурный датчик 25 в области трубопровода 15 на стороне выхода теплообменника 10. Этот температурный датчик 25 измеряет температуру средытеплоносителя 14 после отдачи тепла в теплообменнике 10. С помощью уже упомянутого прибора 18 для измерения давления определяется, кроме того, давление среды-теплоносителя 14 в трубопроводе 25. С помощью вычислительного устройства 26, в котором запомнена кривая давления пара средытеплоносителя 14, рассчитывается температура конденсации среды-теплоносителя 14 и выдается в виде электрического сигнала. Вычисленная температура конденсации вместе с сигналом температурного датчика 25 и заданным значением датчика заданных 27а значений направляется в дифференциальный усилитель 27, который определяет по этим показателям переохлаждение среды-теплоносителя 14 в трубопроводе 15 при температуре конденсации и сравнивает с заданным значением.

Исходный сигнал 28 дифференциального усилителя 27 направляется в регулирующее устройство 29, которое управляет компрессором с помощью преобразователя 30 частоты. Таким образом, обеспечивается, что среда-теплоноситель 14 в зависимости от конвекционного потока воды 3 постоянно оптимально циркулирует. Таким образом, с одной стороны, оптимально используется источник тепла 21, а с другой стороны, ограничивается до минимума потребление энергии компрессором 23. Таким образом, получается в целом оптимальный КПД устройства 1.

Перечень обозначений

- устройство,

- бойлер,

- вода,

- впускное устройство,

- выпускное устройство,

- граница между слоями,

- теплая сторона,

- холодная сторона,

- трубопровод,

- теплообменник,

- вторичная сторона,

- первичная сторона,

- теплоизоляция,

- среда-теплоноситель,

- трубопровод,

15а - резервуар,

- расширительный клапан,

- регулирующее устройство,

17а - датчик заданных значений,

17Ь - дифференциальный усилитель,

- прибор для измерения давления,

- трубопровод,

- теплообменник,

- источник тепла,

- трубопровод,

- 4 013454

- компрессор,

- трубопровод,

- температурный датчик,

- вычислительная схема,

- дифференциальный усилитель,

27а - датчик заданных значений,

- выходной сигнал,

- регулирующее устройство,

- преобразователь частоты.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Устройство для получения тепла, включающее по меньшей мере один бойлер (2), который содержит обладающую различными температурными слоями жидкость (3), причем бойлер (2) имеет расположенную внизу холодную сторону (8) и расположенную вверху теплую сторону (7), по меньшей мере один теплообменник (10), вторичная сторона (11) которого образует с бойлером (2) приводимый исключительно с помощью конвекции циркуляционный контур, отличающееся тем, что теплообменник (10) имеет первичную сторону (12) для протекания через нее и испарения среды-теплоносителя (14), конденсирующей с отдачей тепла, предназначенной для отбора тепла из источника (21) тепла с меньшей температурой, чем температура теплой стороны (7) бойлера (2), причем источник (21) тепла связан с расположенным после него компрессором (23), выполненным с возможностью доведения температуры средытеплоносителя (14) до значения, которое выше температуры теплой стороны (7) бойлера (2), причем в устройстве (1) предусмотрено регулирующее устройство (29) для регулирования расхода компрессора (23) в зависимости от температуры среды-теплоносителя (14) между выходом компрессора (23) и трубопроводом (15) на выходе теплообменника (10) и/или от температуры жидкости (3) теплообменника и/или бойлера (2), причем регулирующее устройство (29) выполнено с возможностью установки температуры среды-теплоносителя (14) после протекания через теплообменник (10) на температуру, которая на заданный температурный интервал лежит ниже температуры конденсации среды-теплоносителя (14).
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплообменник выполнен в виде противоточного теплообменника и расположен внутри теплоизоляции (13) бойлера (2).
3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что теплообменник (10) на вторичной стороне имеет поперечное сечение большего размера, чем на первичной стороне.
4. Устройство по одному из пп.1-3, отличающееся тем, что регулирующее устройство (29) выполнено с возможностью регулирования в зависимости от температуры конденсации среды-теплоносителя (14), предпочтительно после теплообменника (10).
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что температурный интервал лежит между 1 и 10К, предпочтительно между 3 и 7К.
6. Устройство по одному из пп.1-5, отличающееся тем, что между теплообменником (10) и источником тепла (21) предусмотрен по меньшей мере один расширительный клапан (16).
7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что расширительный клапан (16) состоит в функциональной связи с находящимся под влиянием давления среды-теплоносителя (14) регулирующим устройством (17).
8. Устройство по одному из пп.1-5, отличающееся тем, что после первичной стороны (12) теплообменника (10) расположен по меньшей мере один резервуар (15а), который состоит в термическом контакте с испаряемой источником (21) тепла средой-теплоносителем (14).