PL232288B1 - Skraplacz hybrydowy oraz sposób jego działania - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest skraplacz hybrydowy oraz sposób jego działania, mający zastosowanie w podgrzewaczach ciepłej wody z pompą ciepła, do pojemnościowego podgrzewania medium w zbiorniku, poprzez dualny sposób przekazywania energii cieplnej skraplającego się czynnika do medium znajdującego się w zbiorniku.

Najczęściej występującymi typami urządzeń wykorzystujących sprężarkową pompę ciepła do pojemnościowego podgrzewania medium w zasobniku są podgrzewacze ciepłej wody użytkowej z pompą ciepła. Urządzenia takie posiadają różne typy skraplaczy, różniące się efektywnością pracy i walorami użytkowymi.

Najczęściej stosowanym typem skraplacza jest wężownica freonowa umieszczona wewnątrz zbiornika z ciepłą wodą. Prostota takiego układu jest niestety w opozycji z jego parametrami użytkowymi. Brak, albo minimalny ruch wody wokół rurek wymiennika, redukuje współczynnik wymiany ciepła skraplania pomiędzy czynnikiem chłodniczym a wodą. Jako że woda ma stosunkowo wysoką liczbę Prandtla, to w przekazywaniu ciepła w przypadku takiego wymiennika istotną rolę odgrywa konwekcja. Jej brak zmniejsza współczynnik wymiany ciepła i podnosi temperaturę skraplania, niekorzystnie wpływając tym samym na efektywność pracy układu. Dodatkowo w środowisku otwartego układu wodnego z czasem dochodzi do narastania osadów na powierzchni rurki wymiennika, zmniejszających sukcesywnie współczynnik wymiany ciepła. Kolejnymi wadami takiego skraplacza są: istnienie strefy martwej w dolnej części i poniżej wężownicy w zbiorniku oraz konieczność stosowania rur z podwójną ścianką.

Ostatniej wady nie posiada skraplacz wężownicowy, nawinięty na zewnątrz zbiornika na jego płaszcz. Niestety ograniczony i niedoskonały kontakt rurki skraplacza z płaszczem zbiornika utrudnia osiąganie zadowalających współczynników wymiany ciepła.

Najefektywniejsze są wymienniki przepływowe z wymuszonym przepływem podgrzewanej wody przez wymiennik, takie jak: wymienniki płytowe, wymienniki typu płaszczowo-rurowego, wymienniki rura w rurze czy wymienniki rura przy rurze.

Skraplacz hybrydowy według wynalazku może być zastosowany w seryjnie produkowanych podgrzewaczach ciepłej wody z pompą ciepła, do poprawy współczynnika efektywności pompy ciepła oraz do zwiększenia komfortu korzystania z ciepłej wody użytkowej.

Skraplacz hybrydowy, zaopatrzony w rozmieszczone śrubowo przewody nawinięte na płaszcz zbiornika, charakteryzuje się tym, że skraplacz składa się z rozmieszczonych wzdłużnie w stosunku do siebie wężownicowego przewodu dla czynnika chłodzącego i przepływowego przewodu dla medium.

Korzystnie, zwoje skraplacza owinięte są wokół górnej strefy zbiornika.

Korzystnie, do przewodu szeregowo podłączona jest sprężarka z zaworem i wymiennikiem ciepła.

Korzystnie, wlotowy króciec przepływowego skraplacza znajduje się w dolnej strefie zbiornika, zaś wylotowy króciec przepływowego skraplacza znajduje się w połowie wysokości zbiornika.

Korzystnie, przepływowy skraplacz zaopatrzony jest w obiegową pompę.

Korzystnie, przewody wężownicowego skraplacza i przepływowego skraplacza są wykonane z rur miedzianych i zespolone są ze sobą przy pomocy lutu miękkiego.

Sposób działania skraplacza hybrydowego, charakteryzuje się tym, że czynnik chłodniczy przepuszcza się przez rurę wężownicowego przewodu z góry do dołu nawiniętej wężownicy skraplacza, natomiast podgrzane medium przepuszcza się przez przepływowy przewód z dołu do góry nawiniętej wężownicy skraplacza, tworząc przepływ przeciwprądowy z czynnikiem chłodniczym skraplającym się w rurze wężownicowego przewodu, ciepło skraplania przekazuje się do podgrzewanego medium górnej strefy i dolnej strefy zbiornika dwoma strumieniami. Część ciepła skraplania jest przekazywana medium przepływającemu przez rurę przepływowego przewodu, a część bezpośrednio z wężownicowego przewodu przez ścianki zbiornika do medium podgrzewanego górnej strefy i dolnej strefy zbiornika. Regulacji pracy skraplacza dokonuje się poprzez sterowanie obiegową pompą, mierzy się temperaturę w strefie górnej zbiornika i temperaturę w dolnej strefie zbiornika kierując strumień ciepła do górnej strefy bądź do dolnej strefy w zależności od zmierzonych temperatur.

Korzystnie, podczas pracy sprężarki, po osiągnięciu odpowiedniej temperatury w strefie górnej zbiornika, załącza się obiegową pompę, ciepło skraplania przekazywane jest w sposób dualny, woda wychodząca z przepływowego przewodu jest podawana do zbiornika przez króciec zlokalizowany poniżej górnej strefy, w której jest nawinięty skraplacz tak, aby po uruchomieniu pompy obiegowej nie oziębiać zgromadzonego w górnej strefie zbiornika zapasu ciepłej wody użytkowej.

PL 232 288 B1

Korzystnie, definiuje się dwie temperatury zadane wody w zbiorniku, a mianowicie Tminimalną i Twłaściwą, kolejno dokonuje się pomiaru temperatury strefy dolnej na górze zbiornika w górnej strefie nawinięcia skraplacza i w dolnej strefie zbiornika temperatury strefy dolnej, po czym porównuje się temperatury i załącza się podgrzewanie wody użytkowej. Decyzja o załączaniu pompy obiegowej, wymuszającej przepływ przez przepływowy przewód podejmowana jest na podstawie porównania temperatury minimalnej i temperatury strefy górnej tak, że jeśli temperatura strefy górnej jest mniejsza od temperatury minimalnej to wyłącza się pompę obiegową i skraplacz pracuje za pomocą przewodu wężownicowego, z uwagi na to, iż jest on nawinięty na strefie górnej zbiornika, całość mocy jest wykorzystywana do podgrzewania części wody w zbiorniku, dopóki temperatura w strefie górnej zbiornika nie osiągnie temperatury minimalnej, zaś po osiągnięciu temperatury minimalnej na górze zbiornika załączana jest pompa obiegowa, większa część ciepła skraplania jest przekazywana wtedy przez przepływowy skraplacz i początkowo podgrzewana jest pozostała dolna strefa zbiornika do temperatury minimalnej, ponieważ króciec wlotowy z przewodu przepływowego jest umieszczony poniżej strefy nawinięcia przewodu, natomiast gdy temperatura w dolnej strefie zbiornika wzrośnie powyżej temperatury minimalnej, z uwagi na ruchy konwekcyjne wody ciepło zaczyna być magazynowane w całej objętości zbiornika, dopóki temperatura dolnej strefy nie będzie mniejsza od temperatury właściwej.

Przy zastosowaniu rozwiązania według wynalazku, następuje poprawa efektywności pracy skraplacza, wynikająca z dualnego sposobu przekazywania ciepła do medium znajdującego się w zbiorniku, wynikająca ze spadku temperatury skraplania dzięki zmniejszeniu mocy przenoszonej przez przewód przepływowy o moc przenoszoną przez przewód wężownicowy. Następuje także zwiększenie maksymalnej temperatury medium w zbiorniku możliwej do uzyskania, bez przekroczenia limitu maksymalnej temperatury skraplania wynikającej z koperty pracy sprężarki, dzięki efektywniejszej pracy skraplacza hybrydowego w porównaniu ze skraplaczami przepływowym lub wężownicowym działającymi autonomicznie. Rozwiązanie według wynalazku powoduje skrócenie czasu oczekiwania na ciepłą wodę w podgrzewaczach ciepłej wody użytkowej, w przypadku pojawienia się deficytu ciepłej wody, przez umieszczenie skraplacza w górnej części zbiornika i odpowiednie sterowanie pracą pompy obiegowej, determinujące tryb pracy skraplacza, jako wężownicowy lub hybrydowy.

Przedmiot wynalazku został uwidoczniony w przykładzie wykonania na załączonym rysunku, na którym przedstawiono skraplacz w widoku z boku.

Skraplacz hybrydowy, zaopatrzony jest w rozmieszczone śrubowo przewody nawinięte na płaszcz zbiornika 1. Skraplacz 11 składa się z rozmieszczonych wzdłużnie w stosunku do siebie wężownicowego przewodu 3 dla czynnika chłodzącego i przepływowego przewodu 2 dla medium. Zwoje skraplacza 11 owinięte są wokół górnej strefy 9 zbiornika 1. Do wężownicowego przewodu 3 szeregowo podłączona jest sprężarka 6 z zaworem 8 i wymiennikiem ciepła 7. Wlotowy króciec 13 przepływowego przewodu 2 znajduje się w dolnej strefie 10 zbiornika 1, zaś wylotowy króciec 5 przepływowego przewodu 2 znajduje się w połowie wysokości zbiornika 1. Przepływowy przewód 2 zaopatrzony jest w obiegową pompę 4. Wężownicowy przewód 3 i przepływowy przewód 2 są wykonane z rur miedzianych i zespolone są ze sobą przy pomocy lutu miękkiego 12.

Sposób działania skraplacza hybrydowego, charakteryzuje się tym, że czynnik chłodniczy przepływa przez rurę wężownicowego przewodu 3 z góry do dołu nawiniętej wężownicy skraplacza 11, natomiast przepływ podgrzewanego medium w przewodzie przepływowego przewodu 2 odbywa się, poprzez wymuszenie przez pompę obiegową 4, z dołu do góry nawiniętej wężownicy skraplacza 11, tworząc przepływ przeciwprądowy z czynnikiem chłodniczym, skraplającym się w rurze przewodu wężownicowego 3. Ciepło skraplania przekazywane jest do podgrzewanego medium górnej strefy 9 i dolnej strefy 10 zbiornika 1, dwoma strumieniami. Część ciepła skraplania jest przekazywana medium przepływającemu przez rurę przepływowego przewodu 2, a część bezpośrednio z wężownicowego przewodu 3 przez ścianki zbiornika 1 do medium podgrzewanego górnej strefy 9 i dolnej strefy 10 zbiornika 1. Regulacji pracy skraplacza 11 dokonuje się poprzez odpowiednie sterowanie pompą obiegową 4, kontroluje się temperaturę Tg w strefie górnej 9 zbiornika 1 i temperaturę Td w dolnej strefie 10 zbiornika 1, i kierując strumień ciepła do górnej strefy 9 bądź do dolnej strefy 10 w zależności od zmierzonych temperatur Td, Tg. Nawinięcie skraplacza 11 w górnej strefie 9 zbiornika 1, przy jednoczesnym braku przepływu medium podgrzewanego przez przepływowy przewód 2, powoduje, że skraplacz 11 staje się wężownicowym przewodem 3, który podgrzewa wodę w górnej strefie 9 zbiornika 1 w której jest nawinięty. Ograniczając np. strefę nawinięcia przewodu do % wysokości zbiornika 1, czyli w górnej strefie 9, uzyskuje się podgrzewanie ok. % objętości zbiornika, o czasie oczekiwania na ciepłą wodę krótszym o ok. %. Podczas pracy sprężarki 6, po osiągnięciu odpowiedniej temperatury Tg o wartości

PL 232 288 B1

Tminimalna w strefie górnej 9 zbiornika 1, załącza się obiegową pompę 4, ciepło skraplania przekazywane jest w sposób dualny, woda wychodząca z przepływowego przewodu 2 jest podawana do zbiornika 1 przez króciec 5 zlokalizowany poniżej górnej strefy 9, w której jest nawinięty skraplacz 11, tak, aby po uruchomieniu obiegowej pompy 4 nie oziębiać zgromadzonego w górnej strefie 9 zbiornika 1 zapasu ciepłej wody użytkowej. Definiuje się dwie temperatury zadane wody w zbiorniku 1, a mianowicie Tminimalną i Twłaściwą, kolejno dokonuje się pomiaru temperatury strefy dolnej Tg na górze zbiornika 1 w górnej strefie 9 nawinięcia skraplacza 11 i w dolnej strefie 10 zbiornika 1 temperatury strefy dolnej Td. Porównuje się temperatury Twłaściwa i Td i załącza się podgrzewanie wody użytkowej. Decyzja o załączaniu pompy obiegowej 4, wymuszającej przepływ przez przepływowy przewód 2 podejmowana jest na podstawie porównania temperatury minimalnej Tminimalna i temperatury strefy górnej Tg, tak, że jeśli temperatura strefy górnej jest mniejsza od temperatury Tminimalna (Tg < Tminimalna) to wyłącza się pompę obiegową 4 i skraplacz 11 pracuje jako zwykły przewód wężownicowy 3. Z uwagi na to, iż jest on nawinięty na strefie górnej 9 zbiornika 1, całość mocy jest wykorzystywana do podgrzewania części wody w zbiorniku 1, dopóki temperatura w strefie górnej 9 zbiornika 1 nie osiągnie temperatury minimalnej Tminimalna. Po osiągnięciu temperatury minimalnej Tminimalna na górze zbiornika 9, załączana jest pompa obiegowa 4, większa część ciepła skraplania jest przekazywana wtedy przez przepływowy przewód 2 i początkowo podgrzewana jest pozostała dolna strefa 10 zbiornika 1 do temperatury minimalnej Tminimalna, ponieważ króciec wlotowy 5 z przewodu przepływowego 2 jest umieszczony poniżej strefy nawinięcia skraplacza 9. Gdy temperatura w dolnej strefie 10 zbiornika 1 wzrośnie powyżej temperatury minimalnej Tminimalna, z uwagi na ruchy konwekcyjne wody ciepło zaczyna być magazynowane w całej objętości zbiornika, dopóki temperatura dolnej strefy nie będzie mniejsza od temperatury właściwej Td < Twłaściwa.

Zastrzeżenia patentowe

Claims (9)

1. Skraplacz hybrydowy, zaopatrzony w rozmieszczone śrubowo przewody nawinięte na płaszcz zbiornika, znamienny tym, że skraplacz (11) składa się z rozmieszczonych wzdłużnie w stosunku do siebie wężownicowego przewodu (3) dla czynnika chłodzącego i przepływowego przewodu (2) dla medium.

2. Skraplacz, według zastrz. 1, znamienny tym, że zwoje skraplacza (11) owinięte są wokół górnej strefy (9) zbiornika (1).

3. Skraplacz, według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że do wężownicowego przewodu (3) szeregowo podłączona jest sprężarka (6) z zaworem (8) i wymiennikiem ciepła (7).

4. Skraplacz, według zastrz. 1, 2 albo 3, znamienny tym, że wlotowy króciec (13) przepływowego przewodu (2) znajduje się w dolnej strefie (10) zbiornika (1), zaś wylotowy króciec (5) przepływowego przewodu (2) znajduje się w połowie wysokości zbiornika (1).

5. Skraplacz, według zastrz. 4, znamienny tym, że przepływowy przewód (2) zaopatrzony jest w obiegową pompę (4).

6. Skraplacz, według zastrz. 1, znamienny tym, że wężownicowy przewód (3) i przepływowy przewód (2) są wykonane z rur miedzianych i zespolone są ze sobą przy pomocy lutu miękkiego (12).

7. Sposób działania skraplacza hybrydowego, znamienny tym, że czynnik chłodniczy przepuszcza się przez rurę wężownicowego przewodu (3) z góry do dołu nawiniętej wężownicy skraplacza (11), natomiast podgrzane medium przepuszcza się przez przepływowy przewód (2) z dołu do góry nawiniętej wężownicy skraplacza (11), tworząc przepływ przeciwprądowy z czynnikiem chłodniczym skraplającym się w rurze wężownicowego przewodu (3), ciepło skraplania przekazuje się do podgrzewanego medium górnej strefy (9) i dolnej strefy (10) zbiornika (1) dwoma strumieniami, przy czym część ciepła skraplania przekazuje się medium przepływającemu przez rurę przepływowego przewodu (2), a część bezpośrednio z wężownicowego przewodu (3) przez ścianki zbiornika (1) do medium podgrzewanego górnej strefy (9) i dolnej strefy (10) zbiornika (1), przy czym regulacji pracy skraplacza (11) dokonuje się poprzez sterowanie obiegową pompą (4), mierzy się temperaturę Tg w strefie górnej (9) zbiornika (1) i temperaturę Td w dolnej strefie (10) zbiornika (1), i kierując strumień ciepła do górnej strefy (9) bądź do dolnej strefy (10) w zależności od zmierzonych temperatur Td, Tg.

8. Sposób, według zastrz. 7, znamienny tym, że podczas pracy sprężarki (6), po osiągnięciu odpowiedniej temperatury Tg w strefie górnej (9) zbiornika (1), załącza się obiegową

PL 232 288 B1 pompę (4), ciepło skraplania przekazywane jest w sposób dualny, woda wychodząca z przepływowego przewodu (2) jest podawana do zbiornika (1) przez króciec (5) zlokalizowany poniżej górnej strefy (9), w której jest nawinięty skraplacz (11), tak, aby po uruchomieniu pompy obiegowej (4) nie oziębiać zgromadzonego w górnej strefie (9) zbiornika (1) zapasu ciepłej wody użytkowej.

9. Sposób, według zastrz. 7, znamienny tym, że definiuje się dwie temperatury zadane wody w zbiorniku (1), a mianowicie Tminimalną i Twłaściwą, kolejno dokonuje się pomiaru temperatury strefy dolnej Tg na górze zbiornika (1) w górnej strefie (9) nawinięcia skraplacza (11) i w dolnej strefie (10) zbiornika (1) temperatury strefy dolnej Td, po czym porównuje się temperatury Twłaściwa i Td i załącza się podgrzewanie wody użytkowej, natomiast decyzja o załączaniu pompy obiegowej (4), wymuszającej przepływ przez przepływowy przewód (2) podejmowana jest na podstawie porównania temperatury minimalnej Tminimalna i temperatury strefy górnej Tg, tak, że jeśli temperatura strefy górnej jest mniejsza od temperatury minimalnej Tg < Tminimalna to wyłącza się pompę obiegową (4) i skraplacz (11) pracuje za pomocą wężownicowego przewodu (3), przy czym z uwagi na to, iż jest on nawinięty na strefie górnej (9) zbiornika (1), całość mocy jest wykorzystywana do podgrzewania części wody w zbiorniku (1), dopóki temperatura w strefie górnej (9) zbiornika (1) nie osiągnie temperatury minimalnej Tminimalna, zaś po osiągnięciu temperatury minimalnej Tminimalna na górze zbiornika (9) załączana jest pompa obiegowa (4), większa część ciepła skraplania jest przekazywana wtedy przez przepływowy przewód (2) i początkowo podgrzewana jest pozostała dolna strefa (10) zbiornika (1) do temperatury minimalnej Tminimalna, ponieważ króciec wlotowy (5) z przepływowego przewodu (2) jest umieszczony poniżej nawinięcia strefy górnej (9), natomiast gdy temperatura w dolnej strefie (10) zbiornika (1) wzrośnie powyżej temperatury minimalnej Tminimalna, z uwagi na ruchy konwekcyjne wody ciepło zaczyna być magazynowane w całej objętości zbiornika, dopóki temperatura dolnej strefy nie będzie mniejsza od temperatury właściwej Td < Twłaściwa.