тепловой насос
Классы МПК: | F25B30/00 Тепловые насосы F25B49/00 Устройство или монтаж управляющих или предохранительных средств |
Автор(ы): | Абраменко Г.В., Захаров А.Н., Шорин А.А. |
Патентообладатель(и): | Инженерный центр проблем электроники и моделирования ЦНИИХМ |
Приоритеты: |
подача заявки:
2001-02-15 публикация патента:
10.03.2003 |
Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в трансформаторах тепла. В тепловом насосе, содержащем одну емкость с теплообменником, в которой происходит сжатие рабочего тела, и другую емкость с теплообменником, в которой происходит расширение рабочего тела, размещены теплообменный контур с охлаждаемой средой и с теплообменником, теплообменный контур с нагреваемой средой и с теплообменником, а также блок управления тепловым насосом, блок создания давления в емкостях с рабочим телом и блок управления тепловыми потоками. Причем теплообменники, установленные в емкостях, связаны с теплообменником контура охлаждаемой среды и теплообменником контура нагреваемой среды, а также между собой посредством блока управления тепловыми потоками, вход которого соединен с выходом блока управления теплового насоса, другой выход которого соединен с входом блока создания давления, один вход которого связан с одной емкостью с рабочим телом, а второй - с другой емкостью с рабочим телом. Входы блока управления теплового насоса связаны с блоками управления тепловыми потоками, создания давления в емкостях и емкостями с рабочим телом. Использование изобретения позволит повысить отопительный коэффициент теплового насоса и использовать тепловой насос при отрицательных температурах охлаждаемой среды. 2 табл., 6 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8
Формула изобретения
Тепловой насос, содержащий емкость с теплообменником, в которой происходит сжатие рабочего тела, и емкость с теплообменником, в которой происходит расширение рабочего тела, отличающийся тем, что тепловой насос снабжен теплообменным контуром с теплообменником и с охлаждаемой средой и теплообменным контуром с теплообменником и с нагреваемой средой, а также блоком управления тепловым насосом, блоком создания давления в емкостях с рабочим телом и блоком управления тепловыми потоками, причем теплообменники, размещенные в емкостях, связаны с теплообменником контура охлаждаемой среды и теплообменником контура нагреваемой среды, а также между собой посредством блока управления тепловыми потоками, вход которого соединен с выходом блока управления теплового насоса, другой выход которого соединен с входом блока создания давления, один вход которого связан с одной емкостью с рабочим телом, а второй - с другой емкостью с рабочим телом, при этом входы блока управления теплового насоса связаны с блоками управления тепловыми потоками, создания давления в емкостях и емкостями с рабочим телом.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области теплотехники, может быть использовано в трансформаторах тепла (в тепловых насосах и холодильных установках) и предназначено:- для отопления и горячего водоснабжения жилых, хозяйственных, производственных и других помещений,
- кондиционирования указанных помещений в летнее время года,
- для применения в промышленных целях. Из литературы известно много способов реализации теплового насоса, представляющего собой установку, в которой осуществляется обратный цикл Карно и которая переносит тепловую энергию от теплоотдатчика с низкой температурой (обычно окружающей среды) к теплопередатчику с высокой температурой за счет затраты энергии (см. Политехнический словарь, издание 3. М.: Советская энциклопедия, 1989). Существующие тепловые насосы используют температуру охлаждаемой среды, в основном, геотермальных вод (10-40oС), грунта и грунтовой воды (2-5oС), пресной и морской воды (3-7oС), воздуха (от -5oС и выше), сточных вод и тепловых сбросов (от +5oС и выше). Первой важной проблемой создания тепловых насосов (ТН) является повышение его отопительного коэффициента, обеспечивающего удешевление трансформации тепла при высокой экологичности и экономичности установки. Второй проблемой является создание теплового насоса, использующего отбор тепловой энергии охлаждаемой среды, имеющей отрицательную температуру (-10oС) и ниже (например, воздуха, как наиболее доступного источника низкопотенциального тепла). Известен способ достижения максимального отопительного коэффициента тепловых насосов и установка для его осуществления, основанные на использовании тепла рабочего тела (РТ), приведенного в критическое состояние перед сжатием, тепло передается от охлаждаемой среды в нагреваемую, причем установка включает сжатие и расширение рабочего тела в одном сосуде, смежном с сосудом цилиндра компрессора, рабочий объем которого равен половине объема рабочего тела в сосуде (заявка RU 2153133 7 F 25 D 29/00, 30/00). К недостаткам данного устройства, осуществляющего известный способ, относится, во-первых, невозможность использования остаточной энергии сжатого охлажденного рабочего тела (как тепловой, так и механической), во-вторых, для отвода и подвода тепла в одном цилиндре размещены два независимых теплообменника, что снижает эффективную площадь теплопередачи, в-третьих, в установке рассмотрен частный случай соотношения сложных сосудов. Кроме того, последовательность процессов подвода тепловой энергии к рабочему телу и отвода в нагреваемую среду сопровождается задержкой передачи тепла, не позволяющей обеспечить плавность подачи тепла в нагреваемую среду. Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение отопительного коэффициента теплового насоса, повышение степени использования остаточной тепловой и механической энергии охлажденного и расширяемого рабочего тела, возможность использования теплового насоса при отрицательных температурах охлаждаемой среды, увеличение плавности передачи тепловой энергии от охлаждаемой среды к нагреваемой. Поставленная цель в устройстве достигается тем, что тепловой насос снабжен теплообменным контуром с теплообменником и с охлаждаемой средой и теплообменным контуром с теплообменником и с нагреваемой средой, а также блоком управления тепловым насосом, блоком создания давления в емкостях с рабочим телом и блоком управления тепловыми потоками, причем теплообменники, размещенные в емкостях, связаны с теплообменником контура охлаждаемой среды и теплообменником контура нагреваемой среды, а также между собой посредством блока управления тепловыми потоками, вход которого соединен с выходом блока управления теплового насоса, другой выход которого соединен с входом блока создания давления, один вход которого связан с одной емкостью с рабочим телом, а второй - с другой емкостью с рабочим телом, при этом входы блока управления теплового насоса связаны с блоками управления тепловыми потоками, создания давления в емкостях и емкостями с рабочим телом. Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 представлена блок-схема устройства;
- на фиг.2 представлена функциональная схема блока управления тепловым насосом;
- на фиг. 3 представлена температурная циклограмма передачи тепловой энергии в устройстве;
- на фиг. 4 представлена схема перераспределения механической энергии сжимаемой и расширяемой порции рабочего тела;
- на фиг. 5 показано устройство 1, реализующее установку с двумя независимыми поршнями;
- на фиг.6 представлена схема устройства 2, реализующая установку с двумя поршнями, расположенными на одном штоке. Тепловой насос содержит емкости 1 и 2 с рабочим телом (см. фиг.1), внутри которых размещены теплообменники 3 и 4 соответственно, теплообменник 5 в охлаждаемой среде, а теплообменник 6 в нагреваемой среде, блок управления тепловыми потоками 7, блок управления тепловым насосом 8 и блок создания давления 9. Теплообменник 3 связан с теплообменниками 4, 5, 6 через насос 60 (фиг.5) и блок управления тепловыми потоками 7. Теплообменник 4 связан с теплообменниками 3, 5 и 6 через насос 64 (фиг.5) и блок управления тепловыми потоками 7, один вход которого связан с выходом блока управления тепловым насосом 8, другой выход которого соединен с входом блока создания давления 9, один выход которого связан с емкостью с рабочим телом 1, а другой - с емкостью с рабочим телом 2. Входы блока управления тепловым насосом 8 связаны с блоком управления тепловыми потоками 7, емкостями 1 и 2 и блоком создания давления 9. Теплообменники выбираются из стандартных, типовых устройств в зависимости от географической среды применения, от типов охлаждаемой и нагреваемой сред, системы отопления или кондиционирования помещений, условий производственных процессов. В табл. 1 приведен состав теплообменных контуров устройства, из которой видно, что теплообменники переключаются на соответствующую среду в зависимости от состояния рабочего тела в емкостях 1 и 2, причем один и тот теплообменник может работать в разных контурах в соответствии с командами блока управления тепловыми потоками 7. В табл. 2 приведен перечень команд, вырабатываемых в блоке управления тепловыми потоками 7, из которой видна последовательность включения/выключения теплообменных контуров в устройстве, причем в качестве дополнительной информации используются сигналы измерительного блока 47 (по температуре, давлению, влажности и т.п.). Емкости для рабочего тела представляют собой типовые сосуды (цилиндры сжатия), или иные какие-либо объемные пространства, позволяющие обеспечить сжатие и расширение порции РТ при выбранных проектировщиком температурах, давлениях и плотностях рабочего тела. Рабочее тело выбирается исходя из условий функционирования теплового насоса, требований безопасности, надежности и экологичности установки (например, фреон, азот, двуокись углерода, ксенон и др.). Блок управления тепловыми потоками может быть реализован с помощью вентильных устройств, либо магнитных переключателей, либо каким-либо иным устройством, обеспечивающим переключение потоков теплоносителя от различных теплообменников в соответствующие контура. В блок управления тепловыми потоками 7 (фиг.5, 6) могут входить клапаны переливные 61 и 62, насосы с регулируемой производительностью реверсивным потоком 60 и 64, переключатель контуров 62. Блок создания давления в сосудах может представлять собой любое техническое устройство изменения объема РТ (например, с помощью типового масляного насоса). На фиг.5 и 6 блок создания давления в сосудах 9 включает насос шестереночный 69, клапан 70, гидроклапан "ИЛИ" 68. Вход 10 блока управления тепловыми потоками 7 соединен с выходом 11 теплообменника 3, а выход 12 - с входом 13 теплообменника 3, вход 14 блока управления тепловыми потоками 7 соединен с выходом 15 теплообменника 5, выход 16 блока 7 соединен с входом 17 теплообменника 5; вход 18 блока управления 7 соединен с выходом 19 теплообменника 6, а выход 20 блока 7 - с входом 21 теплообменника 6. Вход 22 блока 7 соединен с выходом 23 теплообменника 4, а выход 24 блока 7 - с входом 25 теплообменника 4. Вход 26 блока управления 7 соединен с выходом 27 блока управления тепловым насосом 8, выход 28 блока 8 - с входом 29 блока создания давления 9. Вход 32 блока 9 соединен с выходом 33 емкости 1, выход 30 блока 9 - с входом 31 емкости 1. Вход 36 блока 9 соединен с выходом 37 емкости 2, выход 34 блока 9 - с входом 35 емкости 2. Входы 38, 40, 42, 44 блока 8 соединены с выходами 39 блока 9, 41 - блока 7, 43 - емкости 1, 45 - емкости 2, соответственно. Для реализации функций управления тепловым насосом может быть применен блок 8 (фиг.2), который состоит из измерительного блока 47, решающего устройства 46, блока команд 48, блока начальных условий 49 и блока изменения режима работы теплового насоса 50. Вход 51 соединен с входами 38, 40, 42, 44 блока 8, выход 52 измерительного блока 47 соединен с входом 53 решающего устройства 46, выход 54 которого соединен с входом 55 блока команд 48; входы решающего устройства 57 и 59 соединены с выходами блока начальных условий 49 и блока изменения циклограммы работы теплового насоса 50. Выход 54 соединен с выходами 27, 28 (см. фиг.1), которые соединены с входами 26 блока 7 и 29 блока 9. Блок управления тепловым насосом может быть реализован (фиг.2) в виде вычислительного устройства (например, процессора), соединенного через модемы и платы цифроаналогового преобразования и аналого-цифрового преобразования сигналов (ЦАП/АЦП) с блоками 7 и 9 (фиг.1). Может быть аналоговая и механическая схемы реализации. Измерительный блок включает в себя датчики температуры, давления, временных параметров, влажности, а при необходимости, объема РТ, требуемых параметров охлаждаемой и нагреваемой сред.(фиг.5 и 6, позиции 66, 67, 72, 73). Блоки начальных условий и изменения режима работы теплового насоса представляют собой базы данных по рабочему телу, характеристикам теплообменников, емкостей, режимов работы ТН. Устройство работает следующим образом (фиг.5). В исходном состоянии или начале цикла РТ в емкости 1 находится в расширенном состоянии, а в емкости 2 - в сжатом состоянии. По команде от блока 8 блок создания давления в емкостях 9 осуществляет сжатие РТ в емкости 1 совместно с расширением РТ в емкости 2. После завершения указанных циклов сжатия и расширения, блок 8 подает команду блоку управления тепловыми потоками 7 на включение:
- теплообменного контура из теплообменников 3,6 для отбора тепловой энергии от РТ в емкости 1 и передаче в нагреваемую среду;
- теплообменного контура из теплообменников 4,5 для отбора тепла от охлаждаемой среды и передачи к РТ в емкость 2. По информации от измерительного блока 47 блок 46 вырабатывает команду блоку 48 на отключение перечисленных теплообменных контуров и на включение
- теплообменного контура из теплообменников 3, 4 для передачи тепловой энергии из емкости 1 к РТ в емкость 2. После установления теплового баланса температур по информации измерительного блока 47 блок 46 дает команды блоку 48 на отключение теплообменного контура между емкостями 1 и 2 и блоку 9, который осуществляет сжатие РТ в емкости 2 совместно с расширением РТ в емкости 1. После завершения указанных циклов сжатия и расширения блок 8 подает команду блоку управления тепловыми потоками 7 на включение
- теплообменного контура из теплообменников 4, 6 для отбора тепловой энергии от РТ в емкости 2 и передачи в нагреваемую среду;
- теплообменного контура из теплообменников 3, 5 для отбора тепла от охлаждаемой среды и передачи к РТ в емкость 1. По информации от измерительного блока 47 блок 46 (фиг.2) дает команду блоку 48 на отключение перечисленных теплообменных контуров и на включение
- теплообменного контура из теплообменников 3,4, для передачи тепловой энергии из емкости 2 к РТ в емкость 1. После установления теплового баланса температур, по информации измерительного блока 47 блок 46 дает команды блоку 48 на отключение теплообменного контура между емкостями 1 и 2 и блоку 9, который осуществляет сжатие РТ в емкости 1 совместно с расширением РТ в емкости 2. После этого цикл повторяется. Повышение отопительного коэффициента предлагаемого теплового насоса следует из фиг.3. Действительно, для прототипа ТН (см. фиг.3а) РТ с температурой T1 сжимается и приобретает температуру Т2. Затем, отдавая часть тепловой энергии, охлаждается до температуры Т3. После чего расширяется и приобретает температуру Т4. Затем нагревается охлаждаемой средой до T1, после чего заново сжимается. В предлагаемом ТН (см. фиг.3б) охлаждение РТ от температуры Т3 до Т3", которое не может быть использовано в однокамерных ТН, используется в многокамерной системе (в частном случае, 2-х камерной) для нагревания РТ от температуры T1 до Т1", при этом получаем, что разность
![тепловой насос, патент № 2200282](/images/patents/270/2200043/916.gif)
![тепловой насос, патент № 2200282](/images/patents/270/2200043/916.gif)
![тепловой насос, патент № 2200282](/images/patents/270/2200043/916.gif)
![тепловой насос, патент № 2200282](/images/patents/270/2200043/916.gif)
![тепловой насос, патент № 2200282](/images/patents/270/2200043/916.gif)
![тепловой насос, патент № 2200282](/images/patents/270/2200043/916.gif)
Класс F25B30/00 Тепловые насосы
Класс F25B49/00 Устройство или монтаж управляющих или предохранительных средств