MD4359712T2

MD4359712T2 - Sistem de pompă de căldură aer-apă cu unitate de dezghețare și procedeu de optimizare a funcționării sistemului de pompă de căldură aer-apă

Info

Publication number: MD4359712T2
Application number: MDE20240469T
Authority: MD
Inventors: Marek Jedrzejczak
Original assignee: Marek Jedrzejczak
Priority date: 2021-06-22
Filing date: 2022-06-22
Publication date: 2025-09-30
Also published as: CA3223974A1; US12607393B2; US20240288208A1; EP4359712C0; EP4359712B1; WO2022271045A1; EP4359712A1

Abstract

Este dezvăluit un sistem de pompă de căldură aer-apă care conţine o unitate de sursă de căldură inferioară şi o unitate de sursă de căldură superioară conectate într-un ciclu termodinamic, în care unitatea de sursă de căldură inferioară este alimentată cu aer exterior, iar sursa de căldură inferioară are cel puţin două evaporatoare alternative (1, 2), formând sursa de căldură inferioară cu un ventilator montat axial în raport cu unitatea de sursă de căldură inferioară în partea sa superioară, prevăzut cu o unitate de dezgheţare în care este posibilă implementarea procesului de dezgheţare şi uscare a suprafeţei de schimb de căldură a evaporatorului, precum şi îmbunătăţirea eficienţei energetice a sistemului de pompă de căldură.

Description

Prezenta invenţie se referă la o pompă de căldură aer-apă cu unitate de dezgheţare şi la un procedeu de optimizare a funcţionării pompei de căldură aer-apă, în special a procesului de dezgheţare.

În pompele de căldură cu sursă de aer, din cauza temperaturii scăzute a agentului frigorific din evaporator, se formează un strat de gheaţă pe schimbătorul de căldură. Fenomenul de îngheţare a schimbătorului de căldură apare de obicei atunci când temperatura aerului exterior este sub 7°C. Din cauza umidităţii ridicate a aerului exterior, vaporii de apă se condensează pe suprafaţa rece a evaporatorului şi îngheaţă. Acumularea stratului de gheaţă reduce fluxul de aer şi face ca schimbătorul de căldură să îşi piardă capacitatea de a schimba căldură cu aerul exterior. Acest lucru duce la o scădere semnificativă a eficienţei evaporatorului şi, prin urmare, la o scădere a eficienţei întregului sistem de pompă de căldură şi a Coeficientului de Performanţă (COP) al acestuia. Din cauza îndepărtării periodice a stratului de gheaţă, evaporatorul pompei de căldură nu poate funcţiona continuu. Numărul de cicluri de dezgheţare depinde de condiţiile predominante ale aerului exterior.

Din stadiul tehnicii este cunoscută o soluţie în care un mediu cu un potenţial termodinamic mai mare este direcţionat prin evaporator, sistemul fiind prevăzut cu un circuit separat care conţine o sursă de căldură pentru alimentarea evaporatorului. Sistemul este inactiv în timpul procesului de dezgheţare, iar condensatorul nu furnizează căldură.

Din stadiul tehnicii este cunoscut un sistem de pompă de căldură care utilizează funcţionarea reversibilă a evaporatorului-condensatorului pentru dezgheţarea schimbătorului. Sistemul este prevăzut cu o supapă cu patru căi instalată pe conductele de intrare şi ieşire ale compresorului. Fluxul de agent frigorific în circuit este inversat pentru a dezgheţa evaporatorul. Schimbarea poziţiei supapei cu patru căi transformă evaporatorul într-un condensator. În procesul de dezgheţare a evaporatorului, agentul frigorific cedează căldură evaporatorului care este dezgheţat, care acţionează ca un condensator. Producţia de căldură este întreruptă în timpul procesului de dezgheţare. Pompa de căldură, în perioadele de îndepărtare a gheţii de pe suprafaţa evaporatorului, funcţionează în mod de răcire, utilizând energia preluată din sistemul acţionat.

Este cunoscut un sistem de pompă de căldură care utilizează includerea unui schimbător de căldură suplimentar pentru funcţionare inversă pentru a dezgheţa evaporatorul, unde circulaţia agentului frigorific este controlată de supape cu două căi. EP 2 516 942 B1 descrie un sistem care include o soluţie pentru conectarea unui schimbător de căldură suplimentar în serie între condensator şi evaporator. Schimbătorul de căldură suplimentar funcţionează în regimul de dezgheţare invers ca evaporator sau ca condensator, în funcţie de poziţia supapelor cu două căi. EP 0 128 108 B1 dezvăluie că sistemul conţine o multitudine de schimbătoare de căldură conectate în paralel cu circuitul. Configuraţia fluxului de agent frigorific este modificată prin intermediul supapelor cu două căi. Sistemul conţine, pentru dezgheţarea schimbătorului de căldură, cel puţin două schimbătoare de căldură externe reversibile care funcţionează alternativ ca evaporator sau ca condensator, unde circulaţia unităţii interioare este oprită în timpul dezgheţării.

Este cunoscut un sistem de pompă de căldură care utilizează două sau mai multe evaporatoare conectate în serie şi care funcţionează alternativ pentru dezgheţarea schimbătorului de căldură. EP 1 598 611 dezvăluie un sistem de pompă de căldură având două rânduri de evaporatoare care funcţionează alternativ în regimul de dezgheţare, în care sistemul realizează procesul utilizând una sau două supape cu patru căi şi două vane de expansiune. EP 2 447 096 A1 dezvăluie un sistem de pompă de căldură prevăzut pentru efectuarea procesului de dezgheţare cu două evaporatoare care funcţionează alternativ ca suprarăcitor/evaporator şi două vane de expansiune şi o supapă cu patru căi. Brevetul PL 209 839 B1 dezvăluie o pompă de căldură pentru apă care conţine un condensator, un suprarăcitor, un element de expansiune şi o supapă cu patru căi pentru inversarea alternativă a direcţiei circuitului de agent frigorific în regimul de dezgheţare. Cererea de brevet P.430903 dezvăluie o pompă de căldură având o sursă de căldură inferioară şi una superioară şi un element de expansiune, în care sursa de căldură inferioară conţine un evaporator reversibil şi un suprarăcitor care funcţionează alternativ pentru a efectua un proces de dezgheţare, în care circuitul de agent frigorific este schimbat prin intermediul unei supape cu patru căi. CN 206 347 790 U dezvăluie un sistem de pompă de căldură cu un aranjament de două schimbătoare de căldură exterioare paralele şi două schimbătoare de căldură interioare paralele, fiecare dintre acestea funcţionând ca un condensator sau un evaporator în funcţie de setarea supapei cu patru căi. Schimbătoarele de căldură exterioare sunt conectate fiecare la un set de supape care conţin două perechi de supape electromagnetice cu trei căi.

O problemă semnificativă care nu a fost ridicată în stadiul tehnicii este lipsa uscării evaporatorului după procesul de dezgheţare, ceea ce face ca suprafaţa de schimb de căldură a evaporatorului să îngheţe din nou într-un timp scurt. Obiectivul soluţiei conform invenţiei este de a realiza procesul de dezgheţare şi uscare a suprafeţei de schimb de căldură a evaporatorului şi, de asemenea, de a îmbunătăţi eficienţa energetică a sistemului de pompă de căldură.

Sistemul de pompă de căldură aer-apă conform invenţiei este definit în revendicarea 1. Acesta conţine o unitate de sursă de lumină inferioară şi o unitate de sursă de lumină superioară conectate într-un ciclu termodinamic, în care unitatea de sursă de lumină inferioară este alimentată cu aer exterior, iar sursa de căldură inferioară are cel puţin două evaporatoare care funcţionează alternativ, formând o sursă de căldură inferioară cu un ventilator montat axial în raport cu unitatea în partea sa superioară, prevăzut cu o unitate de dezgheţare. Unitatea are cel puţin două evaporatoare care funcţionează alternativ, conectate la un set de supape care conţin două perechi de supape cu trei căi cu acţionare electrică. Pentru fiecare evaporator al unităţii de sursă de căldură inferioară este prevăzut câte un obturator. Evaporatoarele sunt conectate în serie într-un circuit închis cu condensatorul. Orificiul de ieşire al primului evaporator se conectează prin gaura străpunsă a celei de-a doua supape cu trei căi cu partea de aspiraţie a compresorului, conectat pe partea de refulare la condensator, al cărui orificiu de ieşire se conectează prin bypass-ul celei de-a treia supape cu trei căi cu intrarea celui de-al doilea evaporator, unde ieşirea celui de-al doilea evaporator este conectată prin bypass-ul celei de-a patra supape cu trei căi cu vana de expansiune şi prin gaura străpunsă a primei supape cu trei căi se conectează cu intrarea primului evaporator. Orificiul de ieşire al celui de-al doilea evaporator se conectează prin bypass-ul celei de-a doua supape cu trei căi cu partea de aspiraţie a compresorului, fiind conectat pe partea de refulare cu condensatorul, al cărui orificiu de ieşire se conectează prin gaura străpunsă a celei de-a treia supape cu trei căi cu intrarea primului evaporator, unde ieşirea primului evaporator este conectată prin gaura străpunsă a celei de-a patra supape cu trei căi cu vana de expansiune şi prin bypass-ul primei supape cu trei căi se conectează cu intrarea celui de-al doilea evaporator. Obturatorul menţionată este formată pe unitatea de sursă de căldură inferioară pentru a proteja evaporatorul îngheţat la intrarea în regimul de dezgheţare.

De preferinţă, setul de supape menţionat este prevăzut cu actuatoare conectate la un controler pentru modificarea automată a direcţiei circuitului agentului frigorific şi modificarea funcţiilor evaporatoarelor.

De preferinţă, obturatorul este conectată cu un controler pentru direcţionarea automată a obturatorului către poziţia de ecranare a evaporatorului care este dezgheţat.

De preferinţă, obturatorul este direcţionată automat către poziţia de ecranare a evaporatorului care este dezgheţat, printr-o mişcare rotativă sau rectilinie alternativă în direcţie orizontală sau verticală, sau prin închiderea amortizoarelor cu una sau mai multe lamele.

De preferinţă, evaporatoarele care formează sursa de căldură inferioară sunt schimbătoare de căldură cu aripioare, curbate sau segmentate, sub forma unui poligon deschis sau închis, inclusiv poligon regulat sau neregulat, sau a unui plan, cerc sau semicerc sau altă formă neregulată.

De preferinţă, obturatorul este sub formă de semicercuri concentrice montate pe ambele părţi ale evaporatorului, coaxial cu ventilatorul sursei de căldură inferioare.

De preferinţă, obturatorul este executat sub forma unui element mobil de tip scut sau amortizor, adaptat pentru a-şi schimba poziţia prin mijloace de glisare, montat pe o structură de cadru pe ambele părţi ale evaporatorului, obturatorul având o configuraţie corespunzătoare formei evaporatorului.

De preferinţă, obturatorul constă dintr-o parte interioară şi una exterioară, care sunt izolate termic.

De preferinţă, părţile obturatorului sunt prevăzute cu un element cu perie amplasat de-a lungul înălţimii sale, care împiedică infiltrarea aerului exterior în spaţiul dintre evaporatorul care se dezgheaţă şi obturator, menţinând în acelaşi timp mişcarea liberă a obturatorului.

De preferinţă, circuitul pompei de căldură încălzeşte apa sau soluţia de glicol din sursa de căldură superioară.

Procedeul de optimizare a funcţionării pompei de căldură aer-apă conform invenţiei este definit în revendicarea 11. Acesta utilizează funcţionarea alternativă a cel puţin două evaporatoare, prin care procesul de dezgheţare al celui de-al doilea evaporator se realizează prin direcţionarea agentului frigorific de la primul evaporator prin gaura străpunsă a celei de-a doua supape cu trei căi către compresor, apoi agentul frigorific este direcţionat către condensator, apoi agentul frigorific lichefiat este direcţionat prin bypass-ul celei de-a treia supape cu trei căi către evaporator, apoi agentul frigorific suprarăcit este direcţionat prin bypass-ul celei de-a patra supape cu trei căi către vana de expansiune, apoi agentul frigorific expandat este direcţionat prin gaura străpunsă a primei supape cu trei căi către primul evaporator, în acelaşi timp obturatorul fiind direcţionată către poziţia de ecranare a celui de-al doilea evaporator. Procesul de dezgheţare al primului evaporator se realizează prin direcţionarea agentului frigorific de la al doilea evaporator prin bypass-ul celei de-a doua supape cu trei căi către compresor, apoi agentul frigorific este direcţionat către condensator, apoi agentul frigorific lichefiat este direcţionat prin gaura străpunsă a celei de-a treia supape cu trei căi către primul evaporator, apoi agentul frigorific suprarăcit este direcţionat prin gaura străpunsă a celei de-a patra supape cu trei căi către vana de expansiune, apoi agentul frigorific expandat este direcţionat prin bypass-ul primei supape cu trei căi către al doilea evaporator, în acelaşi timp, obturatorul este direcţionat în poziţia de ecranare a primului evaporator pentru a limita schimbul de căldură dintre aerul exterior şi primul evaporator ecranat. Un ventilator care funcţionează continuu forţează aerul exterior să circule în jurul evaporatorului expus. Procesul de dezgheţare al unuia dintre evaporatoarele menţionate se desfăşoară până la sfârşitul ciclului de dezgheţare a schimbătorului de căldură, în care controlerul, prin comutarea modului de funcţionare a supapelor cu trei căi, generează o altă modificare a direcţiei de circulaţie a agentului frigorific, modificând astfel funcţiile evaporatoarelor şi schimbând poziţia obturatorului în poziţia de ecranare a evaporatorului care se dezgheaţă.

Datorită soluţiei conform invenţiei, este posibilă implementarea procesului de dezgheţare a evaporatorului pompei de căldură cu aer, menţinând în acelaşi timp o eficienţă energetică ridicată a sistemului. Reducerea consumului de energie pentru efectuarea procesului de dezgheţare rezultă din interacţiunea elementelor sistemului şi optimizarea funcţionării acestuia. Soluţia conform invenţiei face posibilă efectuarea procesului de dezgheţare cu uscarea absolută a suprafeţei de schimb de căldură a evaporatorului. Utilizarea unui obturator asigură procesul de sublimare sau topire a gheţii, încălzirea condensului şi evaporarea ulterioară a acestuia. Datorită

soluţiei conform invenţiei, numărul de cicluri de dezgheţare este redus, iar intervalul de timp dintre acestea este extins. Pe suprafaţa umedă a schimbătorului de căldură, formarea gheţii se produce din nou într-un timp mai scurt datorită prezenţei nucleelor de cristalizare sub formă de picături de umiditate şi impurităţi suspendate în aceasta. Soluţia conform invenţiei asigură uscarea suprafeţei de schimb de căldură, ceea ce, în special în condiţii de temperatură sub zero grade, este extrem de important pentru prelungirea timpului de funcţionare a schimbătorului de căldură în regim activ.

Prezenta invenţie asigură funcţionarea continuă a pompei de căldură în condiţii externe în care există fenomenul formării unui strat de gheaţă pe suprafaţa schimbătorului de căldură. Funcţionarea alternativă a schimbătoarelor sursei de căldură inferioare, asigurată de setul de supape şi clapetă controlate automat conform invenţiei, garantează funcţionarea continuă a sistemului de pompă de căldură şi o furnizare constantă de energie termică către sursa de căldură superioară. Stabilitatea şi fiabilitatea ridicate ale sistemului permit menţinerea parametrilor de temperatură de ieşire solicitaţi de sistemul receptor. Nu este necesară energie electrică suplimentară pentru dezgheţarea evaporatorului. Unitatea de dezgheţare conform invenţiei permite recuperarea energiei din procesul de dezgheţare a schimbătorului de căldură pentru suprarăcirea agentului frigorific lichid.

Rezultatul setului de caracteristici tehnice menţionat mai sus al invenţiei este un echilibru ridicat pe tot parcursul anului al energiei termice eliberate de condensator, cu un consum simultan de energie mai mic şi, prin urmare, o eficienţă energetică ridicată a sistemului.

Prezenta invenţie include o unitate de dezgheţare optimizată cu sursă de căldură inferioară, cu o structură simplificată. În sistemul conform invenţiei, utilizarea unui obturator reduce numărul de ventilatoare, astfel încât sistemul sursei de căldură conţine un ventilator comun pentru acţionarea a două schimbătoare de căldură. În plus, nu se utilizează vane de expansiune sau circuite de încălzire suplimentare pentru a efectua procesul de dezgheţare conform invenţiei. Conform uneia dintre variantele de realizare preferate, forma cilindrică a unităţii de sursă inferioară conform invenţiei face posibilă scalarea dimensiunii acesteia prin creşterea diametrului cilindrului format din setul de evaporatoare şi ventilator, permiţând reglarea proporţională a componentelor sistemului pentru a obţine eficienţa dorită, menţinând în acelaşi timp optimizarea structurii sale.

Obiectul invenţiei este prezentat într-o variantă de realizare din desen, în care Fig. 1 prezintă o diagramă schematică a unui sistem de pompă de căldură conform variantei de realizare a prezentei invenţii pentru o configuraţie în care evaporatorul 2 este dezgheţat, iar evaporatorul 1 este activ; Fig. 2 prezintă o vedere schematică în plan a sistemului de pompă de căldură; Fig. 3 prezintă o secţiune transversală schematică a părţii superioare a sistemului de pompă de căldură; Fig. 4 prezintă o vedere laterală schematică a pompei de căldură; Fig. 5 prezintă o diagramă temperatură-entropie a unui circuit de răcire furnizat de pompa de căldură pentru o variantă de realizare preferată a sistemului şi procedeului conform exemplului 4; Fig. 6 prezintă curba schimbării temperaturii agentului frigorific lichid în procesul de dezgheţare, temperatura suprafeţei de transfer de căldură şi cantitatea de căldură schimbată în funcţie de temperatură şi timp, efectuată de pompa de căldură, pentru o variantă de realizare preferată a sistemului şi procedeului conform exemplului 4; Fig. 7 prezintă o diagramă a puterii de încălzirea unităţii timp de 1 oră pentru sistemul alternativ fără clapetă, sistemul reversibil şi sistemul cu obturator conform invenţiei.

Exemplul 1

Sistemul de pompă de căldură aer-apă conform invenţiei include o unitate de sursă de căldură inferioară şi o unitate de sursă de căldură superioară conectate într-un ciclu termodinamic, în care unitatea de sursă de căldură inferioară este alimentată cu aer exterior, iar sursa de căldură inferioară are cel puţin două evaporatoare 1, 2 care funcţionează alternativ, formând sursa de căldură inferioară cu ventilatorul 10 montat axial în raport cu unitatea de sursă de căldură inferioară în partea sa superioară, prevăzut cu o unitate de dezgheţare. Evaporatoarele 1, 2, care funcţionează alternativ, sunt conectate la un set de supape care include două perechi de supape cu trei căi cu acţionare electrică 3, 4 şi 5, 6 pentru fiecare evaporator 1 şi respectiv 2 al sursei de căldură inferioare, prevăzute cu un obturator 11. Evaporatoarele 1, 2 sunt conectate în serie într-un circuit închis cu condensatorul 9. Orificiul de ieşire al primului evaporator activ 1 se conectează prin gaura străpunsă a celei de-a doua supape cu trei căi 4 cu partea de aspiraţie a compresorului 8, conectat pe partea de refulare la condensatorul 9, al cărui orificiu de ieşire se conectează prin bypass-ul celei de-a treia supape cu trei căi 5 cu intrarea celui de-al doilea evaporator dezgheţat 2, unde ieşirea celui de-al doilea evaporator dezgheţat 2 este conectată prin bypass-ul celei de-a patra supape cu trei căi 6 cu vana de expansiune 7 şi prin gaura străpunsă a primei supape cu trei căi 3 se conectează cu intrarea primului evaporator activ 1. Orificiul de ieşire al celui de-al doilea evaporator activ 2 se conectează prin bypass-ul celei de-a doua supape cu trei căi 4 cu partea de aspiraţie a compresorului 8, conectat pe partea de refulare cu condensatorul 9, al cărui orificiu de ieşire se conectează prin gaura străpunsă a celei de-a treia supape cu trei căi 5 cu intrarea primului evaporator dezgheţat 1, unde ieşirea din primul evaporator dezgheţat 1 se conectează prin gaura străpunsă a celei de-a patra supape cu trei căi 6 cu vana de expansiune 7 şi prin bypass-ul primei supape cu trei căi 3 se conectează cu intrarea celui de-al doilea evaporator activ 2. Obturatorul 11 este format pe unitatea de sursă de căldură inferioară pentru a ecrana evaporatorul îngheţat 1 sau 2 care intră în regimul de dezgheţare. Setul de supape este prevăzut cu actuatoare conectate la controlerul 12 pentru schimbarea automată a direcţiei circuitului agentului frigorific şi modificarea funcţiilor evaporatoarelor 1 şi 2. Obturatorul 11 este conectată la controlerul 12 pentru direcţionarea automată a obturatorului către o poziţie care ecranează evaporatorul 1 sau 2 care este dezgheţat. Evaporatoarele 1 şi 2 care formează sursa de căldură inferioară sunt schimbătoare de căldură cu aripioare, curbate sau segmentate. Obturatorul 11 este format dintr-o parte interioară şi una exterioară, care sunt izolate termic. Circuitul pompei de căldură încălzeşte apa sau soluţia de glicol din sursa de căldură superioară.

Procedeul de optimizare a funcţionării pompei de căldură aer-apă, care utilizează funcţionarea alternativă a cel puţin două evaporatoare şi procesul de dezgheţare al celui de-al doilea evaporator 2 se realizează prin direcţionarea agentului frigorific de la primul evaporator activ 1 prin gaura străpunsă a celei de-a doua supape cu trei căi 4 către compresorul 8, apoi agentul frigorific este direcţionat către condensatorul 9, apoi agentul frigorific lichefiat este direcţionat prin bypass-ul celei de-a treia supape cu trei căi 5 către al doilea evaporator care este dezgheţat 2, apoi agentul frigorific suprarăcit este direcţionat prin bypass-ul celei de-a patra supape cu trei căi 6 către vana de expansiune 7, apoi agentul frigorific expandat este direcţionat prin gaura străpunsă a primei supape cu trei căi 3 către primul evaporator activ, în acelaşi timp obturatorul rotativ 11 este direcţionat către poziţia de ecranare a celui de-al doilea evaporator care este dezgheţat 2. Procesul de dezgheţare al primului evaporator 1 se realizează prin direcţionarea agentului frigorific de la al doilea evaporator activ 2 prin bypass-ul celei de-a doua supape cu trei căi 4 către compresorul 8, apoi agentul frigorific este direcţionat către condensatorul 9, apoi agentul frigorific lichefiat este direcţionat prin gaura străpunsă a celei de-a treia supape cu trei căi 5 către primul evaporator care este dezgheţat 1, apoi agentul frigorific suprarăcit este direcţionat prin gaura străpunsă a celei de-a patra supape cu trei căi 6 către vana de expansiune 7, apoi agentul frigorific expandat este direcţionat prin bypass-ul primei supape cu trei căi 3 către al doilea evaporator activ 2, în acelaşi timp obturatorul rotativ 11 este direcţionat către poziţia de ecranare a primului evaporator care este dezgheţat 1 pentru a limita schimbul de căldură dintre aerul exterior şi primul evaporator ecranat care este dezgheţat 1. Ventilatorul 10 care funcţionează continuu forţează fluxul de aer exterior în jurul evaporatorului activ expus 1 sau 2. Procesul de dezgheţare a evaporatorului 1 sau 2 este efectuat până la sfârşitul ciclului de dezgheţare a schimbătorului de căldură, în care controlerul 12, prin comutarea modului de funcţionare al supapelor cu trei căi, generează o altă modificare a direcţiei circulaţiei agentului frigorific, modificând astfel funcţiile evaporatoarelor 1, 2 şi schimbând poziţia obturatorului 11 în poziţia de ecranare a evaporatorului 1 sau 2 care este dezgheţat.

Exemplul 2

Sistemul de pompă de căldură şi procedeul de optimizare a funcţionării pompei de căldură aer-apă sunt ca în Exemplul 1, cu excepţia faptului că:

Evaporatoarele 1, 2 care funcţionează alternativ sunt executate sub forma unor semicercuri care formează o sursă de căldură inferioară de formă cilindrică, cu un ventilator 10 montat axial în raport cu unitatea de sursă de căldură inferioară în partea sa superioară. Obturatorul 11 este executat sub forma unor semicercuri concentrice montate pe ambele părţi ale evaporatorului, coaxial cu ventilatorul 10 al unităţii de sursă de căldură inferioară. Părţile obturatorului 11 sunt prevăzute cu un element cu perie 13 amplasat de-a lungul înălţimii sale, împiedicând infiltrarea aerului exterior în spaţiul dintre evaporatorul care este dezgheţat şi clapetă, menţinând în acelaşi timp mişcarea liberă a obturatorului 11. Obturatorul 11 este direcţionat automat către poziţia de ecranare a evaporatorului care este dezgheţat 1 sau 2 într-o mişcare de rotaţie (fig. 2).

Exemplul 3

Evaporatoarele 1, 2 care funcţionează alternativ au forma unor poligoane închise care formează o sursă de căldură inferioară de formă cuboidală, cu un ventilator 10 montat axial în raport cu ansamblul sursei de căldură inferioare în partea sa superioară. Evaporatorul 1 este amplasat în partea superioară a ansamblului sursei de căldură inferioare, iar evaporatorul 2 este amplasat în partea inferioară a acestuia. Obturatorul 11 are forma unui element mobil sub formă de ecran, adaptat pentru a-şi schimba poziţia prin mijloace de glisare, montat pe o structură de cadru 14 pe ambele părţi ale evaporatorului 1, 2, obturatorul 11 având o formă corespunzătoare formei evaporatorului 1, 2. Orientarea automată a obturatorului 11 în poziţia de ecranare a evaporatorului dezgheţat 1 sau 2 are loc într-o mişcare rectilinie alternativă în direcţie verticală (fig. 3 şi fig. 4).

Exemplul 4

Circuitul pompei de căldură utilizează agentul frigorific natural propan R290, presupunând că evaporatorul 2 se dezgheaţă şi evaporatorul 1 este activ. Compresorul 8 comprimă agentul frigorific (procesul 1-2 din Fig. 5) în cantitatea de 300 kg/h, care în condensatorul 9, care este sursa superioară de căldură, transferă sistemului de încălzire o putere de 37,9 kW (procesul 2-3 din Fig. 5). Agentul frigorific lichefiat, cu o temperatură de 47°C, este direcţionat către evaporatorul dezgheţat 2, unde este suprarăcit până la 5°C (procesul 3-4), ceea ce creşte capacitatea specifică de răcire cu 115 kJ/kg, furnizând în acelaşi timp o putere de încălzire de 9,5 kW evaporatorului dezgheţat 2, ceea ce asigură sublimarea stratului de gheaţă. După suprarăcire, agentul frigorific este strangulat în vana de expansiune (procesul 4-5) şi apoi direcţionat către evaporator, unde se evaporă, recuperând căldură din mediul înconjurător (procesul 5-1). Într-o variantă de realizare preferată, un agent frigorific lichid având o temperatură de 47°C este direcţionat către evaporatorul 2 acoperit de obturatorul 11. Datorită lipsei schimbului de căldură cu mediul înconjurător, care se realizează prin utilizarea obturatorului 11 menţionate, căldura rezultată din suprarăcirea agentului frigorific este transferată treptat către evaporatorul dezgheţat 2, şi apoi către topirea stratului de gheaţă. În condiţii de temperatură exterioară scăzută, egală cu 0°C, şi umiditate relativă a aerului ridicată, egală cu 100%, un strat de gheaţă egal cu 17,2 kg se formează pe suprafaţa unuia dintre evaporatoarele 1, 2 în decurs de 1 oră. Într-o variantă de realizare preferată, evaporatorul 1, 2 al sistemului conform invenţiei are o masă a părţii cu aripioare de 48 kg, din care cuprul reprezintă 22 kg şi aluminiul 26 kg. Conform calculelor de mai sus şi datorită faptului că căldura specifică a cuprului este de 0,38 kJ/(kg*K) şi respectiv a aluminiului este de 0,9 kJ/(kg/*K), cantitatea de căldură necesară pentru încălzirea schimbătorului de căldură la temperatura finală de dezgheţare, egală cu 5°C, este de 290 kJ. În acelaşi timp, cantitatea de căldură necesară pentru topirea întregului strat de gheaţă, ţinând cont de căldura de topire la nivelul de 333 kJ/kg, va fi de 5700 kJ. Masa de gheaţă topită, egală cu 57%, curge de la suprafaţa schimbătorului de căldură şi curge în afara sistemului. Masa reziduală, de 43%, a brumei topite, sub forma unui strat de umiditate cu grosimea de aproximativ 100 μm, rămâne pe suprafaţa evaporatorului 1, 2. Presiunea parţială a vaporilor de apă saturaţi la temperatura de 0°C, şi prin urmare temperatura de topire a brumei, este de 612 Pa. Schimbul de umiditate are loc în funcţie de diferenţa de presiune parţială dintre stratul de apă care umezeşte suprafaţa de schimb de căldură şi aerul înconjurător. Uscarea eficientă a suprafeţei de schimb de căldură necesită ca presiunea parţială a vaporilor de apă pe suprafaţa schimbătorului de căldură să fie mai mare decât presiunea vaporilor de apă din aerul înconjurător. În consecinţă, suprafaţa evaporatorului 2 care urmează să fie dezgheţată este încălzită la o temperatură de cel puţin 5°C, la care presiunea vaporilor de apă la suprafaţa schimbătorului de căldură menţionat este de 873 Pa. Diferenţa de presiune parţială obţinută de cel puţin 260 Pa permite uscarea suprafeţei evaporatorului 2 prin evaporarea umidităţii rămase pe suprafaţa sa.

Curba de variaţie a temperaturii agentului frigorific lichid în procesul de dezgheţare a evaporatorului 2, conform Fig. 6, este următoarea: Agentul frigorific lichid având o temperatură de 47°C, care curge din condensatorul 9, încălzeşte schimbătorul de căldură, transferând timp de 115 s o cantitate de căldură egală cu 130 kJ, ceea ce determină încălzirea schimbătorului de căldură de la -4°C la 0°C, ceea ce permite începerea procesului de topire a stratului de gheaţă, reducând în acelaşi timp temperatura agentului frigorific cu 42°C. Procesul de topire a stratului de gheaţă se finalizează după 780 s, după ce agentul frigorific transferă 5700 kJ de căldură, ceea ce reduce temperatura agentului frigorific la 34°C. O parte din gheaţa topită se scurge sub formă de condensat, în timp ce partea rămasă, egală cu 57%, udă suprafeţele schimbătorului de căldură. Acest strat este evaporat datorită furnizării a încă 18070 kJ de căldură pe parcursul a 2470 s, ceea ce reduce în acelaşi timp temperatura agentului frigorific lichid la 10°C. Ciclul de dezgheţare se încheie după ce agentul frigorific furnizează încă 160 kJ de căldură, pe parcursul a 230 s, ceea ce încălzeşte suprafaţa de schimb de căldură până la 5°C, ceea ce asigură uscarea suprafeţei schimbătorului de căldură şi, în acelaşi timp, previne depunerea de umiditate. Timpul total de dezgheţare este de 3600 s.

Fig. 5 prezintă efectul avantajos al invenţiei sub forma creşterii puterii de încălzirea pompei de căldură. Fluxul de căldură transferat de dispozitiv către sistemul de încălzire în raport cu unitatea de timp este egal cu suprafaţa de sub curba marcată cu haşurare diagonală, adică suprafaţa definită de punctele 2‑3-a‑5-b-d. Această suprafaţă este semnificativ mai mare decât suprafaţa marcată cu haşurare verticală, definită de punctele 2‑3-a‑3*-c-d, care este o reprezentare grafică a puterii de încălzirea pompei de căldură fără dezgheţare în favoarea suprarăcirii agentului frigorific lichid, adică pompe de căldură cu un sistem de dezgheţare cunoscut în stadiul tehnicii. Trebuie subliniat faptul că creşterea puterii de încălzirea pompei de căldură conform invenţiei, realizată prin utilizarea obturatorului, are loc fără creşterea lucrului mecanic necesar pentru implementarea circuitului, descris ca suprafaţa determinată de punctele 1‑2‑3-a.

Fig. 7 prezintă un efect avantajos suplimentar al invenţiei. Astfel cum se arată în diagramă, pompa de căldură conform invenţiei transmite o putere de încălzire constantă către sistemul receptor. Spre deosebire de sistemul reversibil şi sistemul fără obturator, în care există o reducere periodică sau chiar un flux termic negativ transferat către sistemul de încălzire.

O analiză a parametrilor tehnici ai variantei exemplificative 4 arată că sistemul de pompă de căldură aer-apă conform invenţiei cu unitate de dezgheţare permite o implementare eficientă din punct de vedere energetic a procesului de dezgheţare. Obturatorul conform invenţiei

îmbunătăţeşte efectul de dezgheţare, reducând cantitatea de energie şi timpul necesar pentru finalizarea procesului. Utilizarea obturatorului conform invenţiei permite o uscare absolută a schimbătorului de căldură care se dezgheaţă datorită menţinerii unei temperaturi mai ridicate a suprafeţei schimbătorului de căldură şi, astfel, asigură o durată mai lungă de funcţionare a acestuia în regim activ.

Lista de referinţe

1 primul evaporator

2 al doilea evaporator

3 prima supapă cu trei căi

4 a doua supapă cu trei căi

5 a treia supapă cu trei căi

6 a patra supapă cu trei căi

7 vană de expansiune

8 compresor

9 condensator

10 ventilator

11 obturator

12 controler

13 element cu perie

14 structură cadru

Claims

1. Sistem de pompă de căldură aer-apă care conţine un compresor (8), un condensator (9), o vană de expansiune (7), o unitate de sursă de căldură inferioară şi o unitate de sursă de căldură superioară conectate într-un ciclu termodinamic, în care unitatea de sursă de căldură inferioară este configurată să fie alimentată cu aer exterior, iar sursa de căldură inferioară are cel puţin două evaporatoare (1, 2) care funcţionează alternativ, formând sursa de căldură inferioară a unităţii cu un ventilator montat axial în raport cu unitatea de sursă de căldură inferioară în partea sa superioară şi prevăzut cu o unitate de dezgheţare, sistemul de pompă de căldură aer-apă conţinând suplimentar un set de supape care conţin două perechi de supape cu trei căi cu acţionare electrică (3, 4) şi (5, 6) conectate la cel puţin două evaporatoare (1, 2), un clapet (9) prevăzut pentru fiecare evaporator (1) şi (2) al unităţii de sursă de căldură inferioară, în care evaporatoarele (1, 2) sunt conectate în serie într-un circuit închis cu condensatorul (9);

în care orificiul de ieşire al primului evaporator (1) se conectează prin gaura pătrunsă a celei de-a doua supape cu trei căi (4) cu partea de aspiraţie a compresorului (8), conectat pe partea de refulare cu condensatorul (9), al cărui orificiu de ieşire se conectează prin bypass-ul celei de-a treia supape cu trei căi (5) cu intrarea celui de-al doilea evaporator (2), în care ieşirea celui de-al doilea evaporator (2) este conectată prin bypass-ul celei de-a patra supape cu trei căi (6) cu vana de expansiune (7) şi prin gaura străpunsă a primei supape cu trei căi (3) vana de expansiune (7) se conectează cu intrarea primului evaporator (1);

în care orificiul de ieşire al celui de-al doilea evaporator (2) se conectează prin bypass-ul celei de-a doua supape cu trei căi (4) cu partea de aspiraţie a compresorului (8), conectat pe partea de refulare cu condensatorul (9), al cărui orificiu de ieşire se conectează prin gaura străpunsă a celei de-a treia supape cu trei căi (5) cu intrarea primului evaporator (1), în care ieşirea primului evaporator (1) este conectată prin gaura străpunsă a celei de-a patra supape cu trei căi (6) cu vana de expansiune (7) şi prin bypass-ul primei supape cu trei căi (3) vana de expansiune (7) se conectează cu intrarea celui de-al doilea evaporator (2);

în care obturatorul (11) este formată pe unitatea de sursă de căldură inferioară pentru a ecrana evaporatorul îngheţat (1, 2) care trece în regimul de dezgheţare.

2. Sistem de pompă de căldură conform revendicării 1, care conţine suplimentar un controler (12), în care setul de supape menţionat este prevăzut cu actuatoare conectate la controler (12) pentru modificarea automată a direcţiei circuitului agentului frigorific şi modificarea funcţiilor evaporatoarelor (1) şi (2).

3. Sistem de pompă de căldură conform revendicării 1, în care obturatorul (11) este conectat cu controlerul (12) pentru direcţionarea automată a obturatorului către poziţia de ecranare a evaporatorului care este dezgheţat (1) sau (2).

4. Sistem de pompă de căldură conform revendicării 1, în care obturatorul (11) este direcţionat automat către poziţia de ecranare a evaporatorului care este dezgheţat (1) sau (2) într-o mişcare de rotaţie sau rectilinie alternativă în direcţie orizontală sau verticală sau prin închiderea amortizoarelor cu una sau mai multe lamele.

5. Sistem de pompă de căldură conform revendicării 1, în care evaporatoarele (1) şi (2) care formează sursa de căldură inferioară sunt schimbătoare de căldură cu aripioare, curbate sau segmentate, sub forma unui poligon deschis sau închis, inclusiv poligon regulat sau neregulat, sau sub forma unui plan sau sub forma unui cerc, semicerc sau altă formă neregulată.

6. Sistem de pompă de căldură conform revendicării 1, în care obturatorul (11) este executat sub formă de semicercuri concentrice montate pe ambele părţi ale evaporatorului (1, 2), coaxial cu ventilatorul (10) sursei de căldură inferioare.

7. Sistem de pompă de căldură conform revendicării 1, în care obturatorul (11) este executat sub forma unui element mobil sub forma unui ecran sau amortizor, adaptat pentru a-şi schimba poziţia prin mijloace de glisare, montat pe structura de cadru (14) pe ambele părţi ale evaporatorului (1, 2), în care obturatorul (11) are o configuraţie corespunzătoare formei evaporatorului (1, 2).

8. Sistem de pompă de căldură conform revendicării 1, în care obturatorul (11) constă dintr-o parte interioară şi una exterioară, care sunt izolate termic.

9. Sistem de pompă de căldură conform revendicării 1, în care părţile obturatorului (11) sunt prevăzute cu un element cu perie (13) amplasat de-a lungul înălţimii sale, care împiedică infiltrarea aerului exterior în spaţiul dintre evaporatorul care este dezgheţat şi obturator, menţinând în acelaşi timp mişcarea liberă a obturatorului (11).

10. Sistem de pompă de căldură conform revendicării 1, în care circuitul pompei de căldură este configurat pentru a încălzi apa sau soluţia de glicol din sursa de căldură superioară.

11. Procedeu de optimizare a funcţionării pompei de căldură aer-apă, care utilizează funcţionarea alternativă a cel puţin două evaporatoare, în care procesul de dezgheţare al celui de-al doilea evaporator (2) se realizează prin direcţionarea agentului frigorific de la primul evaporator (1) prin gaura străpunsă a celei de-a doua supape cu trei căi (4) către compresor (8), apoi agentul frigorific este direcţionat către condensator (9), apoi agentul frigorific lichefiat este direcţionat prin bypass-ul celei de-a treia supape cu trei căi (5) către al doilea evaporator (2), apoi agentul frigorific suprarăcit este direcţionat prin bypass-ul celei de-a patra supape cu trei căi (6) către vana de expansiune (7), apoi agentul frigorific expandat este direcţionat prin gaura străpunsă a primei supape cu trei căi (3) către primul evaporator (1), în acelaşi timp obturatorul (11) este direcţionat către poziţia de ecranare a celui de-al doilea evaporator (2);

în care procesul de dezgheţare al primului evaporator (1) se realizează prin direcţionarea agentului frigorific de la al doilea evaporator (2) prin bypass-ul celei de-a doua supape cu trei căi (4) către compresor (8), apoi agentul frigorific este direcţionat către condensator (9), apoi agentul frigorific lichefiat este direcţionat prin gaura străpunsă a celei de-a treia supape cu trei căi (5) către primul evaporator (1), apoi agentul frigorific suprarăcit este direcţionat prin gaura străpunsă a celei de-a patra supape cu trei căi (6) către vana de expansiune (7), apoi agentul frigorific expandat este direcţionat prin bypass-ul primei supape cu trei căi (3) către al doilea evaporator (2), în acelaşi timp obturatorul (11) este direcţionat în poziţia de ecranare a primului evaporator (1) pentru a limita schimbul de căldură dintre aerul exterior şi primul evaporator ecranat (1);

în care ventilatorul (10) care funcţionează continuu forţează aerul exterior să circule în jurul evaporatorului expus (1) sau (2);

în care procesul de dezgheţare a evaporatorului (1) sau (2) este efectuat până la sfârşitul ciclului de dezgheţare a schimbătorului de căldură, în care controlerul (12), prin comutarea modului de funcţionare a supapei cu trei căi, generează o modificare suplimentară a direcţiei de circulaţie a agentului frigorific, modificând astfel funcţiile evaporatoarelor (1, 2) şi schimbând poziţia obturatorului (11) în poziţia de ecranare a evaporatorului care este dezgheţat (1) sau (2).