PL219931B1 - Sposób zamiany niskotemperaturowej energii cieplnej na wysokotemperaturową energię cieplną oraz energię mechaniczną i pompa ciepła, będąca urządzeniem do tej zamiany - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób zamiany niskotemperaturowej energii cieplnej na wysokotemperaturową energię cieplną oraz energią mechaniczną i urządzenie do tej zamiany.

Pompy ciepła znane obecnie wykorzystują zjawiska parowania i skraplania, w których czynnik roboczy przechodzi przez dwa stany skupienia. Proces ten umożliwia czerpanie energii cieplnej z ośrodka o niższej temperaturze i przekazywanie tej energii do ośrodka o temperaturze wyższej.

Znany jest z opublikowanego japońskiego opisu patentowego nr JP2010096429 system pompy ciepła wykorzystujący ciepło utracone i poprawiający współczynnik sprawności COP poprzez odzysk entalpii czynnika chłodzącego po stronie wysokiego ciśnienia sprężarki i użycie entalpii do działania pompy ciepła typu absorpcyjnego, z wykorzystaniem traconego ciepła w silniku cieplnym, jako źródło ciepła regeneratora.

Zgodnie z wynalazkiem sposób zamiany niskotemperaturowej energii cieplnej na wysokotemperaturową energię cieplną oraz energię mechaniczną polega na tym, że sprężarkę oraz pompę wodną napędza się silnikiem cieplnym pracującym w obiegu zamkniętym, który jest zasilany częścią energii cieplnej czerpanej przez pompę ciepła ze źródła niskotemperaturowej energii cieplnej, przy czym w fazie rozruchu sprężarka jest napędzana silnikiem zasilanym energią z zewnątrz. Korzystnie gdy jako silnik rozruchowy wykorzystuje się silnik cieplny, który zasila się wysokotemperaturową energia cieplną. W trakcie każdego cyklu pracy systemu czynnik roboczy przeprowadza się przez trzy stany skupienia. W obiegu pompy ciepła i obiegu termodynamicznym, napędzającego tę pompę silnika cieplnego stosuje się ten sam czynnik roboczy.

Przedmiotem wynalazku jest także pompa ciepła. Źródło niskotemperaturowej energii cieplnej jest połączone poprzez pompę wodna z zimnym wymiennikiem ciepła, oraz z wymiennikiem stabilizującym temperaturę czynnika roboczego. Z dyszą zimnego wymiennika ciepła jest połączony, poprzez zawór odcinający, ciśnieniowy zbiornik czynnika roboczego. Zawór odcinający jest połączony także z zaworem zwrotnym, zaś komora zimnego wymiennika ciepła jest połączona, poprzez podgrzewający wymiennik, z wlotem do komory pierwszego cylindra sprężarki. Wylot z tego cylindra sprężarki jest połączony, poprzez pierwszy wymiennik wymiennika ciepła, z wlotem do drugiego cylindra sprężarki. Wylot z drugiego cylindra sprężarki, poprzez gorący wymiennik ciepła silnika cieplnego i drugi wymiennik gorącego wymiennika ciepła, jest połączony z wlotem zimnego wymiennika pompy ciepła, który łączy się z zaworem zwrotnym zbiornika czynnika roboczego, poprzez wymienniki schładzające, zimny wymiennik silnika cieplnego oraz skraplający wymiennik. Ponadto pomiędzy zaworem odcinającym a dyszą zimnego wymiennika jest pierwszy zawór sterujący całym urządzeniem poprzez regulowanie ilości czynnika kierowanego do dyszy. Drugi zwór sterujący znajduje się pomiędzy wylotem z cylindra sprężarki a drugim wymiennikiem gorącego wymiennika ciepła. Trzeci zawór sterujący jest zainstalowany. Pomiędzy wymiennikami schładzającymi zimnego wymiennika. Oba te wyżej wymienione zawory sterują pracą silnika cieplnego. Pomiędzy źródłem niskotemperaturowej energii cieplnej i zimnym wymiennikiem ciepła są trójniki kierujące strugę wody do wymienników. Sprężarka i pompa wodna są sprzęgnięte z silnikiem rozruchowym oraz z wałem napędowym silnika cieplnego, albo tylko z wałem silnika cieplnego a ponadto z wałem napędowym silnika cieplnego jest połączone urządzenie odbioru mocy.

Pompa ciepła według wynalazku podnosi sprawność silnika cieplnego pracującego w obiegu zamkniętym, ponieważ wykorzystuje ona traconą dotychczas energię cieplną, niewykorzystaną w obiegu termodynamicznym tego silnika. Zawraca ona tą energię ponownie do jego obiegu termodynamicznego.

Przedmiot wynalazku jest opisany szczegółowo na przykładzie zobrazowanym dodatkowo rysunkiem przedstawiającym schemat pompy ciepła.

Sprężarka 1 oraz pompa wodna 4 napędzana jest silnikiem cieplnym 3 pracującym w obiegu zamkniętym, który jest zasilany częścią energii cieplnej czerpanej przez pompę ciepła ze źródła niskotemperaturowej energii cieplnej 6, przy czym w fazie rozruchu sprężarka jest zasilana silnikiem elektrycznym 2. W trakcie każdego cyklu pracy systemu czynnik roboczy przeprowadza się przez trzy stany skupienia. W obiegu pompy ciepła i obiegu termodynamicznym napędzającego tę pompę silnika cieplnego stosuje się ten sam czynnik roboczy. Czynnik ten przetłaczany sprężarką 1 przez zimny wymiennik 7 tej pompy ciepła ulega skropleniu i w stanie ciekłym jest wtłaczany do zbiornika ciśnieniowego 9 poprzez zawór zwrotny 13. W trakcie rozprężania tego czynnika podczas wychodzenia z dyszy 11 ulega on oziębieniu i przechodzi w stan stały w postaci gęstej mgły, która przy zetknięciu

PL 219 931 B1 ze ściankami wewnętrznymi komory 14 zimnego wymiennika 7 ulega sublimacji w gaz pobierając ciepło poprzez ścianki tego wymiennika 7 z niskotemperaturowego źródła 6 ciepła oraz ze skraplanego czynnika zatłaczanego przez wlot 21 sprężarką 1. Czynnik ten w stanie gazowym jest zasysany z zimnego wymiennika 7 przez sprężarkę 1 tej pompy ciepła. Podczas sprężania wydziela się wysokotemperaturowa energia cieplna, która jest oddawana w gorącym wymienniku ciepła 18 dla celów grzewczych. Część tej wysokotemperaturowej energii ogrzewa gorący wymiennik ciepła 20 silnika cieplnego 3 i jest przetwarzana przez ten silnik na energię mechaniczną poruszającą sprężarkę 1, pompę wodną 4 oraz generator prądu elektrycznego 5 pracującego na zaspokojenie niewielkich potrzeb gospodarczych.

Przykładowe rozwiązanie pompy ciepła przedstawia rysunek w postaci schematu. Dwustopniowa sprężarka i pompa 1 chłodzona wodą jest sprzęgnięta z elektrycznym silnikiem 2 rozruchowym, który jest sprzęgnięty z silnikiem 3 cieplnym Stirlinga. Silnik 3 cieplny Stirlinga jest połączony z pompą 4 wodną oraz z generatorem 5 prądu. Źródło 6 niskotemperaturowej energii cieplnej jest połączone poprzez pompę 4 wodną z zimnym wymiennikiem 7 ciepła oraz z wymiennikiem 8 stabilizującym temperaturę czynnika roboczego. Zbiornik 9 ciśnieniowy czynnika roboczego jest połączony poprzez zawór 10 odcinający z dyszą 11 zimnego wymiennika 7 ciepła. Zawór 10 odcinający jest połączony poprzez zawór 12 bezpieczeństwa z zaworem 13 zwrotnym, zaś wewnętrzna komora zimnego wymiennika 14 ciepła jest połączona, poprzez podgrzewający wymiennik 15 i wylot 16, z wlotem do komory pierwszego cylindra 17 sprężarki 1. Wylot z tego cylindra 17 sprężarki 1 jest połączony, poprzez pierwszy wymiennik 18a gorącego wymiennika 18 ciepła, z wlotem do drugiego cylindra 19 sprężarki 1. Wylot z drugiego cylindra 19 sprężarki 1, poprzez gorący wymiennik 20 ciepła silnika 3 cieplnego Stirlinga i drugi wymiennik 18b gorącego wymiennika 18 ciepła, jest połączony z wlotem 21 zimnego wymiennika 7 pompy ciepła, który łączy się zaworem 13 zwrotnym zbiornika czynnika roboczego, poprzez wymienniki 22 i 23 schładzające, zimny wymiennik 24 silnika 3 cieplnego Stirlinga oraz skraplający wymiennik 25. Pomiędzy zaworem 10 odcinającym a dyszą 11 zimnego wymiennika 7 jest zawór 26 sterujący całym urządzeniem poprzez regulowanie ilości czynnika kierowanego do dyszy 11. Drugi zwór 27 sterujący znajduje się pomiędzy wylotem z cylindra 19 sprężarki 1 a drugim wymiennikiem gorącego wymiennika 18 ciepła. Trzeci zawór 28 sterujący jest zainstalowany pomiędzy wymiennikami schładzającymi 23 a 25 zimnego wymiennika 7. Oba te wyżej wymienione zawory sterują pracą silnika cieplnego. Pomiędzy źródłem 6 niskotemperaturowej energii cieplnej a zimnym wymiennikiem 7 ciepła są trójniki 29 i 30, kierujące strugę wody do wymienników 7 i 8.

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób zamiany niskotemperaturowej energii cieplnej na wysokotemperaturową energię cieplną oraz energię mechaniczną, znamienny tym, że sprężarka oraz pompa wodna podczas pracy pompy ciepła są napędzane silnikiem cieplnym pracującym w obiegu zamkniętym, który jest zasilany częścią energii cieplnej czerpanej przez pompę ciepła ze źródła niskotemperaturowej energii cieplnej, przy czym w fazie rozruchu sprężarka jest napędzana dodatkowym silnikiem.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w fazie rozruchu sprężarka jest napędzana silnikiem cieplnym zasilanym wysokotemperaturowa energią cieplną.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że czynnik roboczy jest tak przetwarzany, że przechodzi podczas każdego cyklu pracy pompy ciepła przez trzy stany skupienia, a w obiegu pompy ciepła i w obiegu termodynamicznym napędzającego ją silnika cieplnego jest ten sam czynnik roboczy.
4. 4. Pompa ciepła posiadająca sprężarkę dwustopniową, pompę wodną, gorący wymiennik ciepła i zimny wymiennik ciepła, znamienna tym, że źródło (6) niskotemperaturowej energii cieplnej jest połączone poprzez pompę (4) wodną z zimnym wymiennikiem (7) ciepła oraz z wymiennikiem (8) stabilizującym temperaturę czynnika roboczego, a z dyszą (11) zimnego wymiennika (7) ciepła jest połączony poprzez zawór (10) odcinający ciśnieniowy zbiornik (9) czynnika roboczego, przy czym zawór (10) odcinający jest połączony z zaworem (13) zwrotnym, zaś wewnętrzna komora zimnego wymiennika (14) ciepła jest połączona, poprzez podgrzewający wymiennik (15), z wlotem do komory pierwszego cylindra (17) sprężarki (1), natomiast wylot z tego cylindra (17) sprężarki (1) jest połączony, poprzez pierwszy wymiennik (18a) gorącego grzewczego wymiennika (18) ciepła z wlotem drugiego cylindra (19) sprężarki (1), zaś wylot z tego cylindra (19), poprzez gorący wymiennik ciepła (20) silnika (3) cieplnego drugi wymiennik (18b) gorącego wymiennika (18) ciepła, jest połączony z wlotem (21)

   PL 219 931 B1 zimnego wymiennika (7), który poprzez wymienniki (22) i (23) schładzające, zimny wymiennik (24) ciepła silnika (3) cieplnego oraz skraplający wymiennik (25), łączy się z zaworem (13) zwrotnym zbiornika (9) czynnika roboczego, a ponadto pomiędzy zaworem (10) a dyszą (11) jest zawór (26) sterujący, a pomiędzy wylotem z cylindra (19) sprężarki (1) a drugim wymiennikiem (18b) gorącego wymiennika (18) ciepła jest zawór (27) sterujący, zaś pomiędzy wymiennikiem schładzającym (23) a wymiennikiem (25) jest zawór (28) sterujący, a pomiędzy źródłem (6) energii cieplnej i zimnym wymiennikiem (7) ciepła są trójniki (29) (30).
5. 5. Pompa ciepła według zastrz. 4, znamienna tym, że sprężarka (1) oraz pompa wodna (4) są sprzęgnięte z elektrycznym silnikiem (2) rozruchowym oraz z silnikiem cieplnym (3).