RU183396U1

RU183396U1 - Heat pump installation using low potential heat of the aquatic environment

Info

Publication number: RU183396U1
Application number: RU2018106980U
Authority: RU
Inventors: Валерий Владимирович Харченко; Арсений Олегович Сычев
Priority date: 2014-12-25
Filing date: 2014-12-25
Publication date: 2018-09-21

Abstract

Полезная модель относится к области теплоэнергетики, предназначена для преобразования низкопотенциальной теплоты водоемов или водотоков в полезную высокопотенциальную теплоту и может применяться для круглогодичного теплоснабжения зданий.The utility model relates to the field of power engineering, is designed to convert low-grade heat of water bodies or streams into useful high-potential heat, and can be used for year-round heat supply of buildings.

Задачей предлагаемой полезной модели является увеличение эффективности отбора теплоты от водной среды за счет использования теплоты кристаллизации воды.The objective of the proposed utility model is to increase the efficiency of heat removal from the aquatic environment through the use of heat of crystallization of water.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является увеличение доступного для использования теплового ресурса водоема или водотока, смягчение требований к минимальной температуре и объему водного источника низкопотенциальной теплоты, увеличение плотности теплового потока между водной средой и теплоносителем, уменьшение массогабаритных характеристик теплообменника вода-теплоноситель.The technical result of the proposed utility model is to increase the available thermal resource of a reservoir or watercourse, soften the requirements for the minimum temperature and volume of a low-potential heat source, increase the density of the heat flow between the aqueous medium and the heat carrier, and reduce the weight and size characteristics of the water-heat carrier heat exchanger.

Теплонасосная установка с использованием низкопотенциальной теплоты водной среды содержит парокомпрессионный тепловой насос с контуром низкотемпературного теплоносителя, в который входят теплообменник-испаритель теплоноситель-фреон, теплообменник вода-теплоноситель, располагаемый в водоеме или водотоке и представляющий собой прикрепленную к основанию в виде рамы или сетки трубу круглого сечения, по которой циркулирует теплоноситель, циркуляционный насос и расширительный бачок, при этом труба изготовлена из эластичного материала, а контур низкотемпературного теплоносителя включает также, по меньшей мере, один управляемый клапан перекрытия потока теплоносителя, при этом расширительный бачок подсоединен к контуру на участке по ходу течения теплоносителя между клапаном и циркуляционным насосом, а теплообменник вода-теплоноситель находиться на участке контура по ходу течения теплоносителя между циркуляционным насосом и клапаном.A heat pump installation using low potential heat of the aquatic environment contains a vapor compression heat pump with a low-temperature coolant circuit, which includes a heat exchanger-evaporator coolant-freon, a water-coolant heat exchanger located in a pond or watercourse and representing a round pipe attached to the base in the form of a frame or mesh the cross-section through which the coolant, the circulation pump and the expansion tank circulate, while the pipe is made of elastic material and the low-temperature coolant circuit also includes at least one controlled valve for shutting off the coolant flow, while the expansion tank is connected to the circuit in the section along the flow of the coolant between the valve and the circulation pump, and the water-coolant heat exchanger is on the circuit section along the course of the flow coolant between the circulation pump and the valve.

Description

Известна теплонасосная установка с использованием низкопотенциальной теплоты водной среды, содержащая парокомпрессионный тепловой насос с испарителем в виде теплообменника вода-фреон, водяной насос, а также трубопроводы, предназначенные для забора воды из водного источника и сброса ее обратно (Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы: Пер. с англ. - М.: Энергоиздат, 1982. - С. 101-104). В известной теплонасосной установке вода с помощью насоса забирается из водного источника, прокачивается через испаритель теплового насоса, где отдает теплоту испаряющемуся фреону, и, охлажденной до температуры несколько выше 0°С, сбрасывается обратно. Установка производит полезную высокопотенциальную теплоту, а передача низкопотенциальной теплоты происходит через теплообменную поверхность испарителя непосредственно от воды к фреону.Known heat pump installation using low potential heat of the aquatic environment, containing a vapor compression heat pump with an evaporator in the form of a water-freon heat exchanger, a water pump, as well as pipelines designed to collect water from a water source and discharge it back (Ray D., McMichael D. Thermal Pumps: Translated from English .-- M .: Energoizdat, 1982. - S. 101-104). In a known heat pump installation, water is taken from a water source using a pump, pumped through a heat pump evaporator, where it gives off heat to evaporating freon, and, cooled to a temperature slightly above 0 ° С, it is discharged back. The installation produces useful high-potential heat, and the transfer of low-potential heat occurs through the heat exchange surface of the evaporator directly from water to freon.

Недостатком известной установки является возможность засорения водяного контура, образования органических и неорганических отложений на стенках теплообменника и трубопроводов, замерзания воды в контуре при простое в холодный период года, а также ограниченность в степени охлаждения воды, так как вода на выходе из теплообменника вода-фреон во избежание замерзания должна иметь температуру выше 0°С.A disadvantage of the known installation is the possibility of clogging the water circuit, the formation of organic and inorganic deposits on the walls of the heat exchanger and pipelines, freezing of water in the circuit when idle during the cold season, and the limited degree of cooling of water, since the water leaving the heat exchanger water-freon avoidance of freezing should have a temperature above 0 ° С.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой полезной модели (прототипом) является теплонасосная установка с использованием низкопотенциальной теплоты водной среды, содержащая парокомпрессионный тепловой насос с контуром низкотемпературного теплоносителя, в который входят испаритель теплового насоса (теплообменник теплоноситель-фреон), циркуляционный насос и теплообменник вода-теплоноситель, располагаемый в водоеме или водотоке и представляющий собой уложенную петлями или иным образом и прикрепленную к раме или сетке трубу круглого сечения, по которой циркулирует теплоноситель (Kiran Tota-Maharaj, Piotr Grabowiecki, Akintunde Babatunde, Prasad Devi Tumula. Constructed wetlands incorporating surface water heat pumps (SWHPs) for concentrated urban stormwater runoff treatment and reuse // Proceedings of Sixteenth International Water Technology Conference (IWTC 16 2012, Istanbul, Turkey)). Теплообменник вода-теплоноситель удерживается в подводном положении, для чего и требуется наличие рамы или сетки (Technical Information Sheet - Pond Mats [Электронный ресурс]. URL: http://www.kensaheatpumps.com/wp-content/uploads/2014/03/pondmats.pdf). Также в контур низкотемпературного теплоносителя такой установки, как правило, входит расширительный бачок для компенсации температурных изменений объема теплоносителя. Установка производит полезную высокопотенциальную теплоту, а передача низкопотенциальной теплоты от водоема к испарителю теплового насоса обеспечивается промежуточным теплоносителем.The closest in technical essence to the proposed utility model (prototype) is a heat pump installation using low potential heat of the aquatic environment, containing a vapor compression heat pump with a low-temperature coolant circuit, which includes a heat pump evaporator (heat exchanger-freon heat exchanger), a circulation pump, and a water-to-water heat exchanger coolant located in a pond or watercourse and representing a looped or otherwise attached to a frame or mesh A circular cross-section through which the heat carrier circulates (Kiran Tota-Maharaj, Piotr Grabowiecki, Akintunde Babatunde, Prasad Devi Tumula. Constructed wetlands incorporating surface water heat pumps (SWHPs) for concentrated urban stormwater runoff treatment and reuse // Proceedings of Sixteenth International Water Technology Conference (IWTC 16 2012, Istanbul, Turkey)). The heat exchanger water is kept in an underwater position, which requires the presence of a frame or mesh (Technical Information Sheet - Pond Mats. [URL: http://www.kensaheatpumps.com/wp-content/uploads/2014/03 /pondmats.pdf). Also, an expansion tank is usually included in the circuit of a low-temperature coolant of such a plant to compensate for temperature changes in the volume of the coolant. The installation produces useful high-potential heat, and the transfer of low-potential heat from the reservoir to the heat pump evaporator is provided by an intermediate heat carrier.

Основным недостатком известной установки является то, что она не рассчитана на обледенение внешней поверхности теплообменника вода-теплоноситель и, соответственно, не позволяет использовать теплоту кристаллизации воды для получения высокопотенциальной теплоты. Необходимость избежать обледенения теплообменника при отборе теплоты от водной среды в условиях холодного периода года требует большой площади поверхности теплообмена, что обеспечивается использованием в конструкции теплообменника трубы большой длины. Это, в свою очередь, требует использования значительного объем теплоносителя и наличия достаточного по размеру, доступного для размещения конструкции участка водоема или водотока, ведет к повышенным затратам энергии на прокачку теплоносителя в следствие значительной длины трубы. Также в следствие нерассчитанности на обледенение при понижении температуры водного источника низкопотенциальной теплоты до околонулевых значений становиться невозможным отбирать с помощью прототипа необходимое количество теплоты, из-за чего существенно ограничивается выбор подходящих для использования водоемов и водотоков.The main disadvantage of the known installation is that it is not designed for icing the outer surface of the water-heat-transfer agent and, accordingly, does not allow the heat of crystallization of water to be used to obtain high-potential heat. The need to avoid icing of the heat exchanger during heat removal from the aqueous medium in the cold season requires a large heat exchange surface area, which is ensured by the use of large length pipes in the heat exchanger design. This, in turn, requires the use of a significant amount of coolant and the presence of a sufficient size available to accommodate the construction of the site of the reservoir or watercourse, leads to increased energy costs for pumping the coolant due to the significant length of the pipe. Also, due to the neglect of icing when the temperature of the low-grade heat source drops to near-zero values, it becomes impossible to select the required amount of heat using the prototype, which significantly limits the choice of suitable reservoirs and waterways for use.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является увеличение доступного для использования установкой теплового ресурса водоема или водотока, смягчение требований к минимальной температуре и объему водного источника низкопотенциальной теплоты, увеличение плотности теплового потока между водной средой и теплоносителем низкотемпературного контура, уменьшение массогабаритных характеристик теплообменника вода-теплоноситель.The technical result of the proposed utility model is to increase the heat resource of a water body or water body accessible for use by the installation, soften the requirements for the minimum temperature and volume of a low-potential heat source, increase the density of the heat flow between the water medium and the low-temperature circuit coolant, and reduce the overall dimensions of the heat exchanger.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой теплонасосной установке с использованием низкопотенциальной теплоты водной среды, содержащей парокомпрессионный тепловой насос с контуром низкотемпературного теплоносителя, в который входят теплообменник-испаритель теплоноситель-фреон, теплообменник вода-теплоноситель, располагаемый в водоеме или водотоке и представляющий собой прикрепленную к основанию в виде рамы или сетки трубу круглого сечения, по которой циркулирует теплоноситель, циркуляционный насос и расширительный бачок, труба изготовлена из эластичного материала, а контур низкотемпературного теплоносителя включает также, по меньшей мере, один управляемый клапан перекрытия потока теплоносителя, при этом расширительный бачок подсоединен к контуру на участке по ходу течения теплоносителя между клапаном и циркуляционным насосом, а теплообменник вода-теплоноситель находиться на участке контура по ходу течения теплоносителя между циркуляционным насосом и клапаном.The above technical result is achieved by the fact that in the proposed heat pump installation using low potential heat of the aqueous medium containing a vapor compression heat pump with a low temperature coolant circuit, which includes a heat exchanger-evaporator coolant-freon, a heat exchanger water-coolant located in a pond or stream, and representing a circular pipe attached to the base in the form of a frame or mesh, through which the coolant circulates, a circulation pump and an expansion tank, the pipe is made of elastic material, and the low-temperature coolant circuit also includes at least one controllable valve for shutting off the coolant flow, while the expansion tank is connected to the circuit in the area along the flow of the coolant between the valve and the circulation pump, and the heat exchanger is water - the coolant is located on the circuit section along the flow of the coolant between the circulation pump and the valve.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежом, на котором представлена общая схема установки.The essence of the proposed utility model is illustrated in the drawing, which shows the General scheme of the installation.

Теплонасосная установка с использованием низкопотенциальной теплоты водной среды содержит парокомпрессионный тепловой насос 1, испаритель которого представляет собой теплообменник теплоноситель-фреон 2, который вместе с циркуляционным насосом 3, теплообменником вода-теплоноситель 4, расположенным в водоеме или водотоке, расширительным бачком 5 и управляемым клапаном 6 соединены в контур отбора низкопотенциальной теплоты. Теплообменник вода-теплоноситель 4 представляет собой эластичную трубу 7, прикрепленную к основанию 8.A heat pump installation using low potential heat of the aqueous medium contains a vapor compression heat pump 1, the evaporator of which is a heat carrier-Freon 2, which together with a circulation pump 3, a water-heat carrier 4 heat exchanger located in a pond or water stream, an expansion tank 5 and a controlled valve 6 connected to a low-potential heat extraction circuit. Heat exchanger water-coolant 4 is an elastic pipe 7 attached to the base 8.

Работает предлагаемая установка следующим образом.The proposed installation works as follows.

Теплоноситель, циркуляция которого в низкотемпературном контуре обеспечивается циркуляционным насосом 3 при открытом клапане 6, при прохождении теплообменника вода-теплоноситель 4 нагревается до температуры, близкой к температуре воды в водоеме или водотоке, и поступает в теплообменник теплоноситель-фреон 2, где отдает теплоту испаряющемуся фреону. Тепловой насос 1 преобразует низкопотенциальную теплоту в полезную высокопотенциальную, а охлажденный теплоноситель низкотемпературного контура снова направляется в теплообменник вода-теплоноситель 4.The coolant, the circulation of which in the low-temperature circuit is provided by the circulation pump 3 with the valve 6 open, when the heat-exchanger 4 passes through the heat exchanger, it is heated to a temperature close to the temperature of the water in the reservoir or watercourse, and enters the coolant-freon 2 heat exchanger, where it gives off heat to the evaporating freon . The heat pump 1 converts low-grade heat into usable high-potential, and the cooled coolant of the low-temperature circuit is again sent to the water-coolant heat exchanger 4.

В случае, если условия, такие как температура воды в водоеме или водотоке, интенсивность движения воды в районе теплообменника вода-теплоноситель 4, плотность теплового потока от воды к теплоносителю через стенку трубы 7, не способствуют обледенению внешней поверхности теплообменника вода-теплоноситель 4, установка может работать в вышеописанном режиме длительное время.In the event that conditions, such as the temperature of the water in the reservoir or watercourse, the intensity of water movement in the region of the water-coolant heat exchanger 4, the density of the heat flow from water to the coolant through the wall of the pipe 7, do not contribute to icing of the outer surface of the water-coolant heat exchanger 4, installation can work in the above mode for a long time.

В условиях, когда температура пограничного слоя воды возле внешней поверхности трубы 7 теплообменника вода-теплоноситель 4 опускается ниже 0°С и происходит постепенное нарастание на поверхности слоя льда, на клапан 6 периодически подается управляющий сигнал, и происходит закрытие клапана на непродолжительное время. Циркуляционный насос 3 при этом продолжает работать и нагнетать теплоноситель в теплообменник вода-теплоноситель 4, что приводит к нарастанию давления теплоносителя в нем и увеличению диаметра эластичной трубы 7, образующей данный теплообменник. При этом увеличение объема теплоносителя в теплообменнике вода-теплоноситель 4 происходит за счет соответствующего уменьшения объема теплоносителя в расширительном бачке 5, расположенного по ходу течения теплоносителя со стороны всасывания циркуляционного насоса 3. В результате увеличения диаметра эластичной трубы 7 происходит растрескивание и отслоение от нее льда, а отделившиеся куски льда всплывают к поверхности водоема или уносятся течением водотока. Цикл очистки теплообменника от наледи заканчивается открытием клапана 6 и возобновлением нормальной циркуляции теплоносителя в контуре.Under conditions when the temperature of the boundary layer of water near the outer surface of the pipe 7 of the water-coolant heat exchanger 4 drops below 0 ° C and a gradual increase occurs on the surface of the ice layer, a control signal is periodically applied to valve 6, and the valve closes for a short time. At the same time, the circulation pump 3 continues to work and pumps the coolant into the water-coolant heat exchanger 4, which leads to an increase in the pressure of the coolant in it and an increase in the diameter of the elastic pipe 7 forming this heat exchanger. In this case, the increase in the volume of the coolant in the water-coolant heat exchanger 4 occurs due to a corresponding decrease in the volume of coolant in the expansion tank 5 located along the flow of the coolant from the suction side of the circulation pump 3. As a result of the increase in the diameter of the elastic pipe 7, ice is cracked and delaminated from it, and the separated pieces of ice float to the surface of the reservoir or are carried away by the course of the stream. The cycle of cleaning the heat exchanger from ice ends with the opening of valve 6 and the resumption of normal circulation of the coolant in the circuit.

Увеличение эффективности отбора теплоты от водной среды достигается за счет использования теплоты кристаллизации воды и возможности регулярного удаления образующегося льда с поверхности теплообменника вода-теплоноситель 4. Из известного соотношения удельной теплоты кристаллообразования и удельной теплоемкости воды замораживание единицы массы воды по тепловому эффекту эквивалентно охлаждению такой же массы воды почти на 80°С (Александров А.А., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара: Справочник - М: Издательство МЭИ. 1999). Таким образом, происходит многократное увеличение доступного для использования теплонасосной установкой теплового ресурса непроточных водоемов, так как становится возможным отбирать низкопотенциальную теплоту вплоть до полного заполнения водоема смесью льда с водой. Становится более перспективным вариант сооружения малого искусственного водоема в качестве сезонного аккумулятора теплоты для теплонасосной установки в случае отсутствия водоемов поблизости от объекта. Также происходит значительное увеличение доступного для использования теплонасосной установкой теплового ресурса водотоков, так как становится возможным отбирать больший тепловой поток от потока воды того же объема. Таким образом, в качестве источника низкопотенциальной теплоты могут быть использованы малые водотоки с низкой температурой воды, тепловой ресурс которых часто недостаточен для использования по схеме прототипа.An increase in the efficiency of heat removal from the aqueous medium is achieved by using the heat of crystallization of water and the possibility of regular removal of ice formed from the surface of the water-heat transfer medium 4. From the known ratio of the specific heat of crystallization and the specific heat of water, freezing a unit mass of water by thermal effect is equivalent to cooling the same mass water at almost 80 ° C (Aleksandrov A.A., Grigoriev B.A. Tables of thermophysical properties of water and water vapor: Reference Book - M: Publisher MEI. 1999) GUSTs. Thus, there is a multiple increase in the thermal resource available for use by the heat pump installation in non-flowing reservoirs, since it becomes possible to select low-grade heat until the reservoir is completely filled with a mixture of ice-water. The option of constructing a small artificial reservoir as a seasonal heat accumulator for a heat pump installation in the absence of reservoirs near the facility is becoming more promising. There is also a significant increase in the heat resource of watercourses available for use by a heat pump installation, since it becomes possible to select a larger heat flow from a water stream of the same volume. Thus, as a source of low potential heat can be used small streams with a low water temperature, the thermal resource of which is often insufficient for use according to the prototype scheme.

В следствие отсутствия ограничений по максимальной плотности теплового потока от воды к теплоносителю и, соответственно, по минимальной площади поверхности теплообменника вода-теплоноситель 4, связанных с недопущением обледенения поверхности теплообменника, становиться возможным использовать более компактные теплообменники с малой площадью поверхности и большой плотностью теплового потока, что может быть важным при ограниченном пространстве, доступном для размещения теплообменника. При этом, кроме уменьшения массогабаритных параметров теплообменника вода-теплоноситель 4, становиться возможным уменьшить объем теплоносителя в низкотемпературном контуре и сократить гидравлические потери при циркуляции теплоносителя.Due to the absence of restrictions on the maximum density of the heat flux from water to the heat carrier and, accordingly, on the minimum surface area of the water-heat carrier 4 associated with the prevention of icing on the surface of the heat exchanger, it becomes possible to use more compact heat exchangers with a small surface area and high heat flux density, which can be important with the limited space available to accommodate the heat exchanger. In this case, in addition to reducing the weight and size parameters of the water-coolant heat exchanger 4, it becomes possible to reduce the volume of the coolant in the low-temperature circuit and reduce hydraulic losses during the circulation of the coolant.

В случае использования реверсивного теплового насоса 1 предлагаемая теплонасосная установка может работать в режиме охлаждения объекта и сброса теплоты в водоем или водоток.In the case of using a reversible heat pump 1, the proposed heat pump installation can operate in the cooling mode of the object and the discharge of heat into the reservoir or watercourse.

Claims

A heat pump installation using low potential heat of the aquatic environment, comprising a steam compression heat pump with a low-temperature coolant circuit, which includes a heat exchanger-evaporator heat carrier-freon, a water-heat carrier heat exchanger located in a pond or water stream and which is attached to the base in the form of a frame or mesh circular cross-section through which the coolant, the circulation pump and the expansion tank circulate, characterized in that the pipe is made of elastic material, and the low-temperature coolant circuit also includes at least one controlled valve for shutting off the coolant flow, while the expansion tank is connected to the circuit in the section along the flow of the coolant between the valve and the circulation pump, and the water-coolant heat exchanger is located on the circuit section along the flow of the coolant between the circulation pump and the valve.