SK9966Y1 - Vykurovacie zariadenie s tepelným čerpadlom - Google Patents

Abstract

Vykurovacie zariadenie s tepelným čerpadlom, zahŕňajúce hermeticky uzatvorený okruh chladiva kompresného stroja, v ktorom chladivo cirkuluje v ľavotočivom termodynamickom cykle, a uzatvorený okruh vykurovacej vody, pričom okruh chladiva zahŕňa kompresor (13), kondenzátor (10), expanzný ventil (11), výparník (12) a potrubie chladiva (40) a uzatvorený okruh vykurovacej vody zahŕňa potrubie vykurovacej vody a prostriedky na zabezpečenie cirkulácie, pričom okruh vykurovacej vody je tepelnou výmenou prepojený s kondenzátorom (10) okruhu chladiva, je vybavené modulom (PEH) s Peltierovými článkami na podchladenie chladiva vedeného v potrubí chladiva (40) od kondenzátora (10) k expanznému ventilu (11) a na dodatočný ohrev vykurovacej vody v okruhu vykurovacej vody.

Description

Oblasť techniky

Technické riešenie sa týka systému na ohrev vykurovacej vody vo vykurovacom zariadení s tepelným čerpadlom.

Doterajší stav techniky

Základom vykurovacieho zariadenia s tepelným čerpadlom na vykurovanie priestorov a prípravu teplej úžitkovej vody je kompresný chladiaci stroj, ktorý vyrába teplo na ohrev vykurovacej vody z tepla čerpaného z vonkajšieho prostredia, pričom pracovná tekutina kompresného stroja cirkuluje ako chladivo v ľavotočivom termodynamickom cykle.

Kompresné chladiace stroje v tepelnom čerpadle zahŕňajú kompresor, kondenzátor, expanzné zariadenie, výparník a potrubie chladiva, pričom chladivo cirkuluje potrubím cez kompresor, kondenzátor, expanzné zariadenie a výparník.

Ohrev vykurovacej vody cirkulujúcej v uzatvorenom vykurovacom okruhu sa vykonáva pomocou tepelnej výmeny s tepelným výmenníkom (kondenzátorom) kompresného stroja takým spôsobom, že horúce chladivo v kondenzátore odovzdáva teplo vykurovacej vode.

Na obr. 2 je zobrazený v stave techniky známy diagram tlak (p) - entalpia (h), ktorý zjednodušene znázorňuje pracovný cyklus tepelného čerpadla.

Vyparovanie - sa uskutočňuje od bodu 6 do bodu 1, chladivo sa vyparuje v chladiacom okruhu a je vo forme plynu. Energia potrebná na vyparenie sa pritom odoberá zo zdroja (napr. zo vzduchu, vody, pôdy).

Kompresia - nastáva od bodu 1 do bodu 2, pričom kompresor pomocou hnacej energie zvyšuje tlak a teplotu pár chladiaceho prostriedku. Entalpia pritom narastá.

Kondenzácia - je od bodu 2 do bodu 3, plynné chladivo sa kondenzáciou skvapalňujú. V kondenzátore je energia (hnacia energia kompresora a odobratá energia zo zdroja) odovzdávaná vykurovaciemu okruhu.

Uvoľnenie - je od bodu 3 do bodu 6, chladivo sa v expanznom ventile uvoľní, to znamená, že teplota a tlak chladiva sa opäť privedie na počiatočnú úroveň. Týmto je cyklus uzatvorený a proces začína znova od začiatku.

Náklady na prevádzku kompresného chladiaceho stroja spolu s nárastom cien elektrickej energie tvoria podstatnú zložku prevádzkových nákladov takéhoto vykurovacieho systému, a preto sú v stave techniky opísané mnohé riešenia na zlepšenie pracovného cyklu tepelného čerpadla, najmä zvýšenie účinnosti tepelného čerpadla, pričom účinnosť sa označuje COP (coefficient of performance, koeficient účinnosti).

COP je definovaný ako vzťah medzi výkonom (kW), ktorý sa odoberá z tepelného čerpadla ako chladenie alebo teplo, a výkonom (kW), ktorý sa dodáva kompresoru.

Jedným z riešení na zvýšenie účinnosti COP tepelného čerpadla je v stave techniky známe použitie zariadenia na podchladenie (subcooler).

Podchladenie sa zvyčajne používa na to, aby bolo chladivo pri dosiahnutí termostatického expanzného ventila celé v kvapalnom skupenstve, čo umožňuje správnu funkciu ventila. Ak by sa plyn dostal do expanzného ventilu, môže dôjsť k sérii nežiaducich javov, ktoré môžu viesť k poruchám a poškodeniam kompresného chladiaceho stroja.

Podchladenie alebo množstvo tepla odobratého kvapalnému chladivu pri podchladení sa prejavuje ako zvýšenie chladiaceho výkonu systému. To znamená, že akékoľvek dodatočné odobratie tepla po kondenzácii (podchladení) umožňuje vyšší pomer absorpcie tepla v ďalších fázach cyklu.

Na diagrame na obr. 2 predstavujú body 4 a 5 rozšírenie pracovnej oblasti tepelného čerpadla pri použití zariadenia na podchladenie v okruhu chladiva medzi kondenzátorom a expanzným ventilom.

V stave techniky sú opísané zariadenia na podchladenie využívajúce termoelektrické chladiče, napríklad výhodne sa využíva Peltierov článok.

Peltierov článok je elektronický stavebný prvok, ktorý pri pretekaní elektrického prúdu vyvinie rozdielne teploty na stykových plochách dvoch vodičov (jedna plocha sa schladí a druhá sa zohreje, tzv. Peltierov jav) alebo opačne, pri dodaní rozdielnych teplôt vzniká elektrický prúd (tzv. Seebeckov jav). Peltierov článok sa teda používa na prenos tepla z jedného miesta na druhé alebo na generovanie elektrického prúdu.

Po dodaní elektrickej energie teda Peltierov článok pracuje na princípe tepelného čerpadla. Počas prevádzky preteká cez termoelektrický článok jednosmerný prúd, ktorý generuje prenos tepla a teplotný rozdiel medzi dvoma keramickými substrátmi, čo spôsobuje, že jeden povrch termoelektrického článku je studený, zatiaľ čo druhý povrch je horúci. Štandardný jednostupňový termoelektrický článok dokáže dosiahnuť teplotné rozdiely až 70 °C.

Dokument WO2007/027171 A1 zverejňuje systém kompresie pár obsahujúci kompresor, kondenzátor a výparník, ktoré sú navzájom spojené potrubím a zariadením na podchladenie. Ako zariadenie na podchladenie je výhodne použité termoelektrické zariadenie, resp. niekoľko termoelektrických zariadení. Každý z jedného alebo viacerých termoelektrických modulov má studenú stranu v tepelnom spojení s vnútorným objemom potrubia na podchladenie chladiva. Cieľom tohto vynálezu je poskytnúť rýchlo pôsobiace chladenie, aby sa minimalizovali prechodné javy a aby sa doladila regulácia teploty.

V uskutočnení vynálezu aspoň jedno termoelektrické zariadenie premieňa tepelnú energiu chladiva na elektrickú energiu, ktorá je využitá druhým termoelektrickým zariadením alebo kompresorom.

Podobne aj dokument CN206637883 U zverejňuje použitie termoelektrického zariadenia na podchladenie oxidu uhoľnatého v chladiacom okruhu pri súčasnom využití generovanej elektrickej energie kompresorom.

Výkon tepelného čerpadla je ďalej limitovaný najmä teplotou vonkajšieho prostredia. Platí, že čím je nižšia teplota vonkajšieho prostredia, tým je výkon tepelného čerpadla nižší, a tým je vyššia potreba dodatočného ohrevu vykurovacej vody.

Preto ďalšou nezanedbateľnou nákladovou položkou vykurovacieho systému s tepelným čerpadlom je (okrem kompresného stroja) aj prevádzka elektrického záložného ohrievača (back-up heater), ktorý sa používa na dodatočný ohrev vykurovacej vody, najmä v prípade, že tepelné čerpadlo neprodukuje v určitom klimatickom ročnom období dostatok tepla.

Záložné ohrievače sú realizované najčastejšie ako elektrické odporové ponorné ohrievače zapojené v uzatvorenom vykurovacom okruhu vykurovacej vody vykurovacieho zariadenia. Elektrická energia dodávaná odporovým prvkom sa takmer so 100 % účinnosťou transformuje na tepelnú energiu dodávanú ohrievanej vode.

Príkladom takéhoto záložného ohrievača je zariadenie opísané v dokumente EP3910260 A1.

Úlohou technického riešenia je dosiahnutie čo najnižšej spotreby elektrickej energie vo vykurovacom zariadení a čo najefektívnejšie využite tepla dodaného z vonkajšieho prostredia.

Predkladané technické riešenie opisuje inovatívny modul na podchladenie chladiva s Peltierovými článkami prispôsobený na dodatočný ohrev vykurovacej vody (namiesto energeticky náročného elektrického záložného ohrievača s odporovými špirálami) vo vykurovacom zariadení s tepelným čerpadlom ako zdrojom tepla na vykurovanie.

Podstata technického riešenia

Vykurovacie zariadenie s tepelným čerpadlom ako zdrojom tepla na ohrev vykurovacej vody využíva modul s Peltierovými článkami na podchladenie chladiva a na dodatočný ohrev vykurovacej vody.

Modul s Peltierovými článkami časť dodanej elektrickej energie na vlastnú činnosť premieňa na tepelnú energiu a súčasne prenáša teplo odobraté z chladiva do okruhu vykurovacej vody na ohrev vody.

Vykurovacie zariadenie s tepelným čerpadlom podľa predkladaného technického riešenia zahŕňa aspoň jeden okruh chladiva a aspoň jeden okruh vykurovacej vody, pričom každý okruh chladiva zahŕňa kompresor na stláčanie chladiva, kondenzátor na kondenzáciu chladiva, expanzný ventil, výparník a potrubie chladiva, a každý okruh vykurovacej vody zahŕňa potrubie vykurovacej vody s prostriedkami na zabezpečenie cirkulácie.

Okruh vykurovacej vody je tepelnou výmenou prepojený s kondenzátorom chladiaceho okruhu.

Vykurovacie zariadenie je vybavené modulom s Peltierovými článkami na podchladenie chladiva prúdiaceho od kondenzátora k expanznému ventilu a na dodatočný ohrev vykurovacej vody v okruhu vykurovacej vody.

Modul s Peltierovými článkami zahŕňa oblasť výmeny tepla s chladivom pripojiteľnú k potrubiu chladiva, oblasť výmeny tepla s vykurovacou vodou pripojiteľnú k potrubiu vykurovacej vody a súbor Peltierových článkov pripojiteľných k zdroju DC napätia.

Výsledná spotreba elektrickej energie vykurovacieho zariadenia je nižšia než pri použití bežného elektrického záložného ohrievača a priaznivé sú dosiahnuté hodnoty COP.

Peltierove články majú dlhú životnosť, odolávajú vysokým teplotám (prémiové výrobky sú určené až do prevádzkovej teploty 150 °C) a vibráciám.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Obrázky znázorňujú:

obr. 1 - schému zapojenia časti vykurovacieho zariadenia s tepelným čerpadlom a s modulom PEH s Peltierovými článkami, obr. 2 - graf tlak/entalpia s časťou charakteristiky pri použití modulu PEH s Peltierovými článkami, obr. 3a - modul PEH s Peltierovými článkami s pripojeniami do okruhu chladiva a do okruhu vykurovacej vody, obr. 3b - modul PEH s Peltierovými článkami, pohľad zvrchu, obr. 4 - časť modulu PEH (oblasť výmeny tepla s chladivom), obr. 5 - časť modulu PEH (oblasť výmeny tepla s vykurovacou vodou) a obr. 6 - modul PEH s Peltierovými článkami v rozloženom pohľade.

Príklady uskutočnenia

Vykurovacie zariadenie s tepelným čerpadlom zahŕňa hermeticky uzatvorený okruh chladiva kompresného stroja, v ktorom chladivo cirkuluje v ľavotočivom termodynamickom cykle, a uzatvorený okruh vykurovacej vody.

Okruh chladiva zahŕňa kompresor 13, kondenzátor 10, expanzný ventil 11, výparník 12 a potrubie chladiva 40.

Uzatvorený okruh vykurovacej vody (nevyobrazený) zahŕňa aspoň potrubie vykurovacej vody a prostriedky na zabezpečenie cirkulácie.

Odborníkom v stave techniky sú dobre známe hydraulické moduly zabezpečujúce cirkuláciu vykurovacej vody a ich komponenty, najmä obehové čerpadlo, senzory teploty, tlaku a prietoku a odvzdušňovacie ventily, ktoré tvoria neoddeliteľnú súčasť vykurovacieho okruhu vykurovacieho zariadenia, preto sa nimi technické riešenie podrobne nezaoberá.

Okruh vykurovacej vody je tepelnou výmenou prepojený s kondenzátorom 10 okruhu chladiva.

Na obr. 1 sú naznačené smery prúdenia vykurovacej vody do/z výmenníka 10.

Vykurovacie zariadenie je ďalej vybavené modulom PEH s Peltierovými článkami na podchladenie chladiva vedeného v potrubí chladiva 40 od kondenzátora 10 k expanznému ventilu 11.

Teplo odobraté chladivu je prostredníctvom tepelnej výmeny v module PEH s Peltierovými článkami využité na dodatočný ohrev vykurovacej vody v okruhu vykurovacej vody.

Na obr. 1 sú naznačené smery prúdenia vykurovacej vody do/z výmenníka PEH.

Modul PEH s Peltierovými článkami zahŕňa oblasť 50 výmeny tepla s chladivom pripojiteľnú k potrubiu chladiva 40, oblasť 60 výmeny tepla s vykurovacou vodou pripojiteľnú k potrubiu vykurovacej vody a súbor 70 Peltierových článkov, pripojiteľných k zdroju DC napätia pomocou elektrických vodičov 14, 15.

Obe oblasti výmeny tepla 50, 60 sú vyhotovené ako duté telesá v tvare kvádra a na zabezpečenie lepšieho prietoku a na zlepšenie tepelnej výmeny príslušných tekutín sú vo svojich celých objemoch vybavené rebrami 9.

Kryty telies sú vybavené úchytmi 7 na vytvorenie mechanického spoja 8.

Súbor 70 Peltierových článkov je usporiadaný ako vrstva medzi oblasťou 50 výmeny tepla s chladivom a oblasťou 60 výmeny tepla s vykurovacou vodou a oblasti 50, 60 výmeny tepla sú navzájom spojené mechanickými spojmi 8.

Vo vyobrazenom príklade uskutočnenia je použitých desať Peltierových článkov a mechanický spoj 8 je skrutkový spoj.

Oblasť 50 výmeny tepla s chladivom je pripojiteľná prietokovo k potrubiu 40 chladiva pomocou prípojok 41, 42, oblasť 60 výmeny tepla s vykurovacou vodou je pripojiteľná prietokovo k potrubiu vykurovacej vody pomocou prípojok 31, 32 a obe oblasti 50, 60 výmeny tepla sú vybavené rebrami 9 na usmernenie prietoku tekutín.

Počet použitých Peltierových článkov v konkrétnom vykurovacom zariadení závisí od ich rozmerov, veľkosti prietoku chladiva, od požadovanej teploty vykurovacej vody a od mnohých ďalších faktorov. Podobne veľkosť telies pre oblasti 50 a 60 výmeny tepla je dimenzovaná na základe požadovaných prietokov.

Vykurovacie zariadenie môže byť vyhotovené ako hybridné vykurovacie zariadenie s niekoľkými zdrojmi tepla (pevné palivo, plynový ohrev, solárne panely), zahŕňa však vždy aspoň jedno tepelné čerpadlo s okruhom chladiva spojeným tepelnou výmenou s okruhom vykurovacej vody.

Odborníkom v odbore je zrejmé, že môžu byť uskutočnené rôzne zmeny a prvky môžu byť nahradené ekvivalentmi bez odchýlenia sa od rozsahu technického riešenia. Preto sa predpokladá, že technické riešenie nie je obmedzené na konkrétne opísané uskutočnenie, ale že bude zahŕňať všetky uskutočnenia spadajúce do rozsahu pripojených nárokov.

Priemyselná využiteľnosť

Technické riešenie je použiteľné pre väčšinu vykurovacích zariadení s tepelným čerpadlom na zníženie spotreby elektrickej energie vo vykurovacom zariadení a na čo najefektívnejšie využite tepla dodaného 5 z vonkajšieho prostredia. Peltierove články sú vďaka dlhej životnosti výhodnou alternatívou elektrického ohrevu vody záložnými ohrievačmi.

Zoznam vzťahových značiek , 2, 3, 4, 5, 6 body na grafe úchyt mechanický spoj rebro kondenzátor expanzný ventil výparník kompresor elektrický vodič elektrický vodič prípojka do potrubia vykurovacej vody prípojka do potrubia vykurovacej vody potrubie chladiva prípojka do potrubia chladiva prípojka do potrubia chladiva oblasť výmeny tepla s chladivom oblasť výmeny tepla s vykurovacou vodou súbor Peltierových článkov

Claims (4)

1. Vykurovacie zariadenie s tepelným čerpadlom, zahŕňajúce hermeticky uzatvorený okruh chladiva kompresného stroja, v ktorom chladivo cirkuluje v ľavotočivom termodynamickom cykle, a uzatvorený okruh vykurovacej vody, pričom okruh chladiva zahŕňa kompresor (13 ), kondenzátor (10), expanzný ventil (11 ), výparník (12) a potrubie chladiva (40), a uzatvorený okruh vykurovacej vody zahŕňa potrubie vykurovacej vody a prostriedky na zabezpečenie cirkulácie, pričom okruh vykurovacej vody je tepelnou výmenou prepojený s kondenzátorom (10) okruhu chladiva, vyznačujúce sa tým, že je vybavené modulom (PEH) s Peltierovými článkami na podchladenie chladiva vedeného v potrubí chladiva (40) od kondenzátora (10) k expanznému ventilu (11) a na dodatočný ohrev vykurovacej vody v okruhu vykurovacej vody.

2. Vykurovacie zariadenie podľa nároku 1, vyznačujúce sa tým, že modul (PEH) s Peltierovými článkami zahŕňa oblasť (50) výmeny tepla s chladivom pripojiteľnú k potrubiu chladiva (40), oblasť (60) výmeny tepla s vykurovacou vodou pripojiteľnú k potrubiu vykurovacej vody a súbor (70) Peltierových článkov, pripojiteľných k zdroju DC napätia.

3. Vykurovacie zariadenie podľa nároku 2, vyznačujúce sa tým, že súbor (70) Peltierových článkov je usporiadaný ako vrstva medzi oblasťou (50) výmeny tepla s chladivom a oblasťou (60) výmeny tepla s vykurovacou vodou a oblasti (50, 60) výmeny tepla sú navzájom spojené mechanickými spojmi (8).

4. Vykurovacie zariadenie podľa nárokov 2 alebo 3, vyznačujúce sa tým, že oblasť (50) výmeny tepla s chladivom je vyhotovená ako duté teleso v tvare kvádra a je pripojená prietokovo k potrubiu (40) chladiva pomocou prípojok (41, 42), oblasť (60) výmeny tepla s vykurovacou vodou je vyhotovená ako duté teleso v tvare kvádra a je pripojená prietokovo k potrubiu vykurovacej vody pomocou prípojok (31, 32) a obe telesá oblastí (50, 60) výmeny tepla sú vybavené rebrami (9) na usmernenie prietoku tekutín.