обратимая система сжатия пара и обратимый теплообменник для текучего хладагента

Формула изобретения

1. Обратимая система сжатия пара, содержащая компрессор (1), внутренний теплообменник (2), расширительное устройство (6) и внешний теплообменник (3), соединенные трубопроводами в рабочей взаимосвязи для образования единой системы, отличающаяся тем, что внутренний и внешний теплообменники установлены в основном контуре, а компрессор и расширительное устройство установлены в подконтурах А и В, соответственно, при этом подконтуры А и В сообщаются с основным контуром посредством устройств (4) и (5) переключения потока, соответственно, для обеспечения переключения системы из режима охлаждения в режим нагрева.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что устройства (4) и (5) переключения потока выполнены в одном узле, выполняя одинаковую функцию.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что содержит дополнительную обводную линию, содержащую обезвоживающий теплообменник (25), расширительное устройство (23) и клапан (24), установленный между устройством (5) переключения и расширительным устройством (6) на стороне впуска и устройством (4) переключения и стороной всасывания компрессора на стороне выпуска.

4. Система по п.3, отличающаяся тем, что содержит теплообменник (25), соединенный параллельно в режиме нагрева и последовательно в режиме охлаждения с помощью устройств (26 и 26') изменения потока.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что расширительное устройство (6) в подконтуре (В) дополнительно содержит три взаимно соединенных параллельных патрубка (В1, В2, В3), внешние параллельные патрубки (В1, В3) которых соединены с основным контуром посредством устройств переключения потока, представляющих собой отклоняющие поток расширительные устройства (17', 16').

6. Система по одному из пп.1-5, отличающаяся тем, что первый подконтур (А) имеет дополнительный теплообменник (23) после компрессора, и подконтур (В) имеет дополнительный теплообменник (24) перед расширительным устройством (6).

7. Система по одному из пп.1-5, отличающаяся тем, что подконтуры до компрессора в подконтуре (А), соответственно, до расширительного устройства (6) в подконтуре (В) имеют дополнительный внутренний теплообменник (9).

8. Система по одному из пп.1-5, отличающаяся тем, что подконтур (В) имеет сборник (7) после расширительного устройства (6), но до дополнительного расширительного устройства (8).

9. Система по одному из пп.1-8, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью осуществления сжатия в два этапа, причем пар мгновенного испарения из сборника (7) откачивается через обводную линию (12') второй ступенью компрессора (1).

10. Система по п.9, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью обеспечения дополнительной производительности по охлаждению при промежуточных давлении и температуре с помощью теплообменника 10.

11. Система по п.10, отличающаяся тем, что теплообменник (10) является испарителем с подачей самотеком или насосом, соединенным со сборником (7).

12. Система по п.10, отличающаяся тем, что теплообменник (10) расположен в обводной линии D, использующей еще одно расширительное устройство (20), причем впуск обводной линии соединен между устройством 5 переключения и расширительным устройством (6), и выпуск обводной линии соединен со сборником 7.

13. Система по одному из пп.9-12, отличающаяся тем, что сжатие выполняется с помощью двухступенчатого компрессора.

14. Система по одному из пп.9-12, отличающаяся тем, что сжатие является сжатием типа двойного эффекта.

15. Система по одному из пп.9-12, отличающаяся тем, что компрессор (1) является компрессором с переменным ходом.

16. Система по одному из пп.9-12, отличающаяся тем, что сжатие осуществляется посредством двух отдельных компрессоров (1', 1'') первой и второй ступени.

17. Система по п.9 или 16, отличающаяся тем, что исходящий газ из компрессора (1') первой ступени подается в сборник (7) через обводную линию (12') перед его откачкой из сборника через обводную линию (12) компрессором (1'') второй ступени.

18. Система по одному из пп.9-17, отличающаяся тем, что дополнительный внутренний теплообменник (9) установлен в подконтуре (А) до компрессора (1) и предназначен для теплообмена между контуром и подконтуром (В) через соединительную обводную линию (18), установленную до расширительного устройства (6).

19. Система по п.18, отличающаяся тем, что дополнительный сборник (15) расположен в подконтуре (А) перед дополнительным теплообменником (9).

20. Система по п.19, отличающаяся тем, что сжатие осуществляется в два этапа или как сжатие двойного эффекта.

21. Система по п.20, отличающаяся тем, что дополнительный теплообменник промежуточного охлаждения (14) установлен в обводной линии (12) после внутреннего теплообменника (9), при этом часть хладагента из обводной линии (12) отбирается и пропускается через сторону низкого давления теплообменника (14) промежуточного охлаждения и затем в компрессор (1) через обводную линию (19), причем основная часть хладагента возвращается в подконтур (В).

22. Система по п.5, отличающаяся тем, что сборник (7) установлен в среднем патрубке (В2).

23. Система по п.5, отличающаяся тем, что расширительное устройство (6) расположено в среднем патрубке (В2), а отклоняющие поток расширительные устройства (16', 17') выполнены в виде двух отклоняющих поток устройств (16, 17).

24. Система по п.5 или 23, отличающаяся тем, что сборник (7) расположен в среднем патрубке (В2) после расширительного устройства (6).

25. Система по п.24, отличающаяся тем, что дополнительное расширительное устройство (8) установлено после сборника (7).

26. Система по одному из пп.1-25, отличающаяся тем, что цикл является транскритическим.

27. Система по одному из пп.1-26, отличающаяся тем, что хладагентом является диоксид углерода.

28. Система по одному из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что оттаивание замерзшего теплообменника (испарителя) выполняются посредством процесса переключения из теплонасосного режима в режим охлаждения.

29. Обратимый теплообменник для текучего хладагента, в частности для диоксида углерода, в системе сжатия пара, содержащий несколько взаимно соединенных секций (22), выполненных с возможностью последовательного прохождения воздуха по ним, имеющих контур хладагента, соединенный со взаимно соединенными посредством соединений (21) первой и второй секциями, отличающийся тем, что поток текучего хладагента переключается с режима нагрева в режим охлаждения с помощью устройств (20) переключения потока, установленных в соответствующих секциях (22).

30. Теплообменник по п.29, отличающийся тем, что устройствами переключения потока являются стопорные клапаны (20).

31. Теплообменник по п.29 или 30, отличающийся тем, что соединения (21) представляют собой патрубки.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к системам сжатия пара, таким как системы охлаждения, кондиционирования воздуха, теплонасосные системы, и/или их комбинации, работающие при транскритических или субкритических условиях с использованием любого хладагента и, в частности, с использованием диоксида углерода, и более конкретно, но не только, к устройству, работающему как обратимая система охлаждения/теплонасосная система.

Необратимая система сжатия пара состоит из одного основного контура, содержащего компрессор 1, устройство 2 отвода тепла, устройство 3 поглощения тепла и расширительное устройство 6, как показано на Фиг.1. Эта система может функционировать либо в нагревательном, либо в охлаждающем режиме. Чтобы сделать систему обратимой, т.е., чтобы она могла работать и как теплонасосная система, и как охлаждающая система, в известном уровне техники в этих целях используют различные конструкционные изменения в системе и вводят новые узлы в контур. Ниже характеризуется известный уровень техники и его недостатки.

Наиболее широко распространенная система содержит компрессор, клапан переключения потока, внутренний теплообменник, два дроссельных клапана, два стопорных клапана, внешний теплообменник и сборник низкого давления. Обратимость обеспечивается с помощью клапана переключения потока, двух стопорных клапанов и двух дроссельных клапанов. Недостаток этого технического решения заключается в использовании двух дроссельных клапанов, причем внутренний теплообменник будет работать в параллельном потоке либо в нагревательном, либо в охлаждающем режиме, что является значительным недостатком. Кроме того, это техническое решение негибкое, и его невозможно эффективно применить с системами, использующими сборник промежуточного давления.

В публикациях ЕР 0604417 В1 и WO 90/07683 описаны транскритическое устройство сжатия пара и способы регулирования сверхкритического давления его стороны высокого давления. Раскрываемая в этих публикациях система содержит компрессор, газоохладитель (конденсатор), противоточный внутренний теплообменник, испаритель и сборник/накопитель. Высокое давление регулируется за счет изменения количества хладагента в сборнике/накопителе. Дроссельное устройство между выходом высокого давления противоточного внутреннего теплообменника и входом испарителя действует как регулятор. Это техническое решение можно применять либо в режиме теплового насоса, либо в режиме охлаждения.

Кроме того, в публикации DE 19806654 описана обратимая теплонасосная система для наземных транспортных средств с двигателем внутреннего сгорания, в которых система охлаждения двигателя используется как источник тепла. В описанной в этой публикации системе используется сборник промежуточного давления с однократным равновесным испарением хладагента высокого давления нижней подачи в режиме теплового насоса, но это техническое решение не является идеальным.

В публикации DE 19813674 С1 описана обратимая теплонасосная система для кондиционирования воздуха в автомобиле, в которой выхлопной газ используется как источник тепла. Недостаток этой системы заключается в возможности разложения масла в теплообменнике (когда он не находится в работе) рекуперации тепла выхлопного газа, поскольку температура выхлопного газа относительно высокая.

В патенте US 5890370 описана одноступенчатая обратимая транскритическая система сжатия пара, в которой используются одно переключающее устройство и обратимый дроссельный клапан особой конструкции, выполненный с возможностью действия в обоих направлениях потока. Основной недостаток этой системы заключается в сложной методике управления, необходимой для дроссельного клапана особой конструкции. Кроме того, эту систему в ее существующем виде можно использовать только для одноступенчатых систем.

В патенте US 5473906 описан кондиционер воздуха для автомобиля, в котором используется два или более переключающих устройства для перехода работы системы с режима нагревания в режим охлаждения. При этом описанная в этом патенте система имеет два внутренних теплообменника. По сравнению с настоящим изобретением в одном варианте осуществления кондиционера в указанном патенте внутренний теплообменник расположен между дроссельным клапаном и вторым переключающим устройством.

Основной недостаток этого устройства заключается в том, что пар низкого давления из выхода внутреннего теплообменника должен проходить через второе переключающее устройство, в результате чего происходит дополнительный перепад давления хладагента низкого давления (газ всасывания) в режиме охлаждения. В режиме нагревания в системе происходит также повышение перепада давления на стороне отвода тепла системы, так как исходящий газ должен проходить через два переключающих устройства до его охлаждения. Согласно еще одному варианту осуществления кондиционера в этом патенте тот же внутренний теплообменник расположен между первым переключающим устройством и компрессором. Такое расположение также приводит к повышенному перепаду давления на стороне отвода тепла в режиме нагрева. Согласно еще одному варианту осуществления компрессор непосредственно сообщается с двумя четырехходовыми клапанами. Это техническое решение также приводит к дополнительному перепаду давления в хладагенте низкого давления (газ всасывания) в режиме охлаждения, так как газ всасывания должен пройти через два четырехходовых клапана до поступления в компрессор. В режиме нагрева в этой системе также происходит повышение перепада давления. Кроме того, размещение сборника после конденсатора в предложенных вариантах осуществления позволяет использовать его только для обычной системы с конденсатором и испарительным теплообменником, так как он не соответствует транскритическому режиму работы, поскольку применяемый сборник давления не выполняет какую-либо функцию в транскритическом режиме работы. Еще один общий недостаток системы заключается в том, что она не может использоваться для таких применений, как простая единая система, двухступенчатое сжатие, комбинированное водяное нагревание и охлаждение, как это предусматривается настоящим изобретением, поскольку система в этом патенте предназначена исключительно для кондиционирования воздуха в автомобиле.

Относительно второй особенности настоящего изобретения в публикации US-Re030433 описана работа теплообменника как конденсатора и испарителя, а в настоящей заявке раскрывается его работа в качестве испарителя и газоохладителя. В последнем случае хладагентом является однофазовая текучая среда, и вопрос дренажа конденсатора отсутствует. Функция газоохладителя часто заключается в нагревании потока воздуха в некотором диапазоне температур, и это невозможно выполнить, если секции теплообменника работают параллельно на стороне воздуха. Поэтому в газоохладителях конструкция контура будет отличаться от теплообменника, который должен служить в качестве конденсатора. В данном случае применения воздух всегда проходит последовательно через секции теплообменника, в то время как согласно изобретению в публикации US-Re030433 воздух проходит через все "зоны теплопередачи" параллельно.

В патенте US-Re030745 описан обратимый теплообменник, который во многом похож на описанный выше (US-Re030433), включая тот факт, что работа ограничивается испарительным и конденсаторным режимами. В этом случае воздух также проходит параллельно через все секции. Еще одно важное отличие заключается в том, что в теплообменнике согласно патенту все секции соединены параллельно на стороне хладагента во время работы в качестве испарителя. В настоящей заявке хладагент проходит последовательно через теплообменник также в испарительном режиме.

Задачей настоящего изобретения является создание обратимого теплообменника, служащего нагревателем в одном режиме, охлаждая хладагент с суперкритическим давлением, и испарителем в другом режиме; в обоих случаях хладагент и воздух проходят последовательно через секции. Единственное отличие в том, что во время работы в режиме охлаждения газа хладагент проходит последовательно через все секции противотоком по отношению к воздуху, а во время работы в режиме испарения две и две секции соединены параллельно.

Технический результат достигается посредством обратимой системы сжатия пара, содержащей компрессор, внутренний теплообменник, расширительное устройство и внешний теплообменник, соединенные трубопроводами в рабочей взаимосвязи для образования единой системы, при этом внутренний и внешний теплообменники установлены в основном контуре, а компрессор и расширительное устройство установлены в подконтурах соответственно, при этом подконтуры сообщаются с основным контуром посредством устройств переключения потока соответственно для обеспечения переключения системы из режима охлаждения в режим нагрева.

Устройства переключения потока выполнены в одном узле, выполняя одинаковую функцию.

Система содержит дополнительную обводную линию, содержащую обезвоживающий теплообменник, расширительное устройство и клапан, установленный между устройством переключения и расширительным устройством на стороне впуска, и устройством переключения и стороной всасывания компрессора на стороне выпуска.

Система также содержит теплообменник, соединенный параллельно в режиме нагрева и последовательно в режиме охлаждения с помощью устройств изменения потока.

Предпочтительно, расширительное устройство в подконтуре дополнительно содержит три взаимно соединенных параллельных патрубка, внешние параллельные патрубки которых соединены с основным контуром посредством устройств переключения потока, представляющих собой отклоняющие поток расширительные устройства.

В одном варианте осуществления изобретения первый подконтур имеет дополнительный теплообменник после компрессора, и второй подконтур имеет дополнительный теплообменник перед расширительным устройством.

При этом подконтуры до компрессора в первом подконтуре, соответственно до расширительного устройства во втором подконтуре имеют дополнительный внутренний теплообменник.

В другом варианте осуществления изобретения второй подконтур имеет сборник (7) после расширительного устройства, но до дополнительного расширительного устройства.

Система выполнена с возможностью осуществления сжатия в два этапа, причем пар мгновенного испарения из сборника откачивается через обводную линию второй ступенью компрессора.

Система выполнена с возможностью обеспечения дополнительной производительности по охлаждению при промежуточных давлении и температуре с помощью теплообменника. При этом теплообменник является испарителем с подачей самотеком или насосом, соединенным со сборником, и расположен в обводной линии, использующей еще одно расширительное устройство, причем впуск обводной линии соединен между устройством переключения и расширительным устройством, и выпуск обводной линии соединен со сборником.

Предпочтительно, сжатие в системе выполняется с помощью двухступенчатого компрессора, который является компрессором с переменным ходом. При этом сжатие является сжатием типа двойного эффекта и осуществляется посредством двух отдельных компрессоров первой и второй ступеней.

Исходящий газ из компрессора первой ступени подается в сборник через обводную линию перед его откачкой из сборника через обводную линию компрессором второй ступени.

Система дополнительно содержит внутренний теплообменник, установленный в первом подконтуре до компрессора, и предназначен для теплообмена между контуром и вторым подконтуром через соединительную обводную линию, установленную до расширительного устройства.

Предпочтительно, в первом подконтуре перед дополнительным теплообменником установлен дополнительный сборник.

В обводной линии после внутреннего теплообменника установлен дополнительный теплообменник промежуточного охлаждения, при этом часть хладагента из обводной линии отбирается и пропускается через сторону низкого давления теплообменника промежуточного охлаждения и затем в компрессор через обводную линию, причем основная часть хладагента возвращается во второй подконтур.

Предпочтительно, сборник расположен в среднем патрубке после расширительного устройства, которое также расположено в среднем патрубке, а отклоняющие поток расширительные устройства выполнены в виде двух отклоняющих поток устройств. Дополнительное расширительное устройство может быть установлено после сборника.

Система, предпочтительно, работает при транскритических условиях с использованием диоксида углерода как обратимая система охлаждения и теплонасосная система. При этом оттаивание замерзшего теплообменника (испарителя) выполняется посредством процесса переключения из теплонасосного режима в режим охлаждения.

Технический результат достигается также посредством обратимого теплообменник для текучего хладагента, в частности для диоксида углерода, в системе сжатия пара, содержащего несколько взаимно соединенных секций, выполненных с возможностью последовательного прохождения воздуха по ним, имеющих контур хладагента, соединенный со взаимно соединенными посредством соединений первой и второй секциями, при этом поток текучего хладагента переключается с режима нагрева в режим охлаждения с помощью устройств переключения потока, установленных в соответствующих секциях.

Предпочтительно, устройствами переключения потока являются стопорные клапаны, а соединения представляют собой патрубки.

Изобретение отличается тем, что поток текучего хладагента в теплообменнике может переключаться с режима нагрева на режим охлаждения с помощью устройств переключения потока, установленных между секциями теплообменника.

Дополнительный вариант осуществления изобретения относится к обратимой системе сжатия пара с оттаиванием, которая является хорошо известной системой размораживания теплообменника, например, в системе теплового насоса, использующей воздух в качестве источника тепла. Этот вариант осуществления отличается тем, что переключение выполняют двумя переключающими устройствами.

Областью применения данного изобретения могут быть, но не только, стационарные и подвижные установки кондиционирования воздуха/теплонасосные установки и холодильники/морозильники. В частности, это устройство можно использовать для систем кондиционирования воздуха и теплонасосных систем и для систем кондиционирования воздуха/теплонасосных систем в автомобилях с двигателем внутреннего сгорания и также в электромобилях или в смешанных наземных транспортных средствах.

Изобретение далее описывается более подробно на конкретных примерах и со ссылкой на чертежи, на которых:

Фиг.1 - схематический вид необратимой системы сжатия пара.

Фиг.2 - схематический вид наиболее распространенного вида компоновки системы, используемого для обратимой теплонасосной системы.

Фиг.3 - схематический вид первого варианта осуществления системы в режиме нагрева.

Фиг.4 - схематический вид первого варианта осуществления системы в режиме охлаждения.

Фиг.5 - схематический вид второго варианта осуществления системы в режиме нагрева.

Фиг.6 - схематический вид второго варианта осуществления системы в режиме охлаждения.

Фиг.7 - схематический вид третьего варианта осуществления системы в режиме нагрева.

Фиг.8 - схематический вид третьего варианта осуществления системы в режиме охлаждения.

Фиг.9 - схематический вид четвертого варианта осуществления системы в теплонасосном режиме работы.

Фиг.10 - схематический вид четвертого варианта осуществления системы в режиме охлаждения.

Фиг.11 - схематический вид пятого варианта осуществления системы в теплонасосном режиме работы.

Фиг.12 - схематический вид пятого варианта осуществления системы в режиме охлаждения.

Фиг.13 - схематический вид шестого варианта осуществления системы в теплонасосном режиме работы.

Фиг.14 - схематический вид шестого варианта осуществления системы в режиме охлаждения.

Фиг.15 - схематический вид седьмого варианта осуществления системы в теплонасосном режиме работы.

Фиг.16 - схематический вид седьмого варианта осуществления системы в режиме охлаждения.

Фиг.17 - схематический вид восьмого варианта осуществления системы в теплонасосном режиме работы.

Фиг.18 - схематический вид восьмого варианта осуществления системы в режиме охлаждения.

Фиг.19 - схематический вид девятого варианта осуществления системы в теплонасосном режиме работы.

Фиг.20 - схематический вид девятого варианта осуществления системы в режиме охлаждения.

Фиг.21 - схематический вид десятого варианта осуществления системы в теплонасосном режиме работы.

Фиг.22 - схематический вид десятого варианта осуществления системы в режиме охлаждения.

Фиг.23 - схематический вид одиннадцатого варианта осуществления системы в теплонасосном режиме работы.

Фиг.24 - схематический вид одиннадцатого варианта осуществления системы в режиме охлаждения.

Фиг.25 - схематический вид двенадцатого варианта осуществления системы в теплонасосном режиме работы.

Фиг.26 - схематический вид двенадцатого варианта осуществления системы в режиме охлаждения.

Фиг.27 - схематический вид тринадцатого варианта осуществления системы в теплонасосном режиме работы.

Фиг.28 - схематический вид тринадцатого варианта осуществления системы в режиме охлаждения.

Фиг.29 - схематический вид четырнадцатого варианта осуществления системы в режиме нагрева.

Фиг.30 - схематический вид четырнадцатого варианта осуществления системы в режиме охлаждения.

Фиг.31 - схематический вид пятнадцатого варианта осуществления системы в режиме нагрева.

Фиг.32 - схематический вид пятнадцатого варианта осуществления системы в режиме охлаждения.

Фиг.33 - схематический вид шестнадцатого варианта осуществления системы в режиме нагрева.

Фиг.34 - схематический вид шестнадцатого варианта осуществления системы в режиме охлаждения.

Фиг.35 - схематический вид семнадцатого варианта осуществления системы в режиме нагрева.

Фиг.36 - схематический вид семнадцатого варианта осуществления системы в режиме охлаждения.

Фиг.37 - схематический вид восемнадцатого варианта осуществления системы в режиме нагрева.

Фиг.38 - схематический вид восемнадцатого варианта осуществления системы в режиме охлаждения.

Фиг.39-46 - схематические виды второй особенности настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

Первый вариант осуществления изобретения

На фиг.1 показан схематический вид необратимой системы сжатия пара, содержащей компрессор 1, теплообменники 2, 3 и расширительное устройство 6.

На фиг.2 показан схематический вид наиболее распространенной системы сжатия пара для обратимой теплонасосной системы. На чертеже показаны элементы, входящие в эту известную систему. Режим переключается с помощью двух разных расширительных клапанов со стопорными клапанами на байпасе и 4-ходовым клапаном.

Первый вариант осуществления настоящего изобретения для одноступенчатого обратимого цикла сжатия пара схематически изображен на фиг.3 в режиме нагрева и на фиг.4 в режиме охлаждения. В соответствии с настоящим изобретением система содержит компрессор 1, внутренний теплообменник 2, расширительное устройство 6 (например, дроссельный клапан) и внешний теплообменник 3. Необходимо отметить, что вся система содержит соединительные трубопроводы для создания замкнутого основного циркуляционного контура, в котором циркулирует хладагент. Отличительными признаками первого варианта осуществления изобретения являются использование двух подконтуров, первого контура А и второго контура В, соответственно соединенных с основным циркуляционным контуром через первое 4 и второе 5 устройства переключения потока, которые могут быть выполнены, например, в виде 4-ходового клапана. Компрессор 1 и расширительное устройство 6 установлены в первом подконтуре А и втором подконтуре В соответственно, при этом внутренний теплообменник 2 и внешний теплообменник 3 установлены в основном контуре, который сообщается с подконтурами через первое и второе устройства переключения потока. Этот основной вариант осуществления (который представляет собой основу других вариантов осуществления в этом заявке) работает с минимальным перепадом давления как в режиме нагрева, так и в режиме охлаждения, без снижения кпд системы. Кроме того, оно включает новые элементы, обеспечивающие новые варианты осуществления, которые расширяют его применимость, включая широкий диапазон применений обратимой системы охлаждения и теплонасосной системы.

Этот вариант осуществления и дополнительные варианты осуществления, без сборника низкого давления, имеют то преимущество, что устраняется необходимость дополнительного регулирования обратного потока масла. Переключение из режима охлаждения в режим нагрева осуществляется просто и эффективно с помощью двух устройств переключения 4 и 5, которые соединяют основной контур с подконтуром А и подконтуром В соответственно.

Принцип работы является следующим.

Теплонасосный режим работы

На фиг.3 устройства 4 и 5 переключения потока находятся в положении режима нагрева, в результате чего внешний теплообменник 3 действует как испаритель, а внутренний теплообменник 2 как газоохладитель (конденсатор). Циркулирующий хладагент испаряется во внешнем теплообменнике 3 за счет поглощения тепла из источника тепла. Пар проходит через устройство 4 переключения потока и затем откачивается компрессором 1. Давление и температура пара повышаются компрессором, после чего пар поступает во внутренний теплообменник 2, пройдя через устройство 4 переключения потока. В зависимости от давления пар хладагента либо конденсируется (при субкритическом давлении), либо охлаждается (при сверхкритическом давлении), отдавая тепло в поглотитель тепла (внутренний воздух в случае воздушной системы). Хладагент высокого давления затем проходит через устройство 5 переключения потока, и затем его давление снижается расширительным устройством 6 до давления испарения. Хладагент проходит через устройство 5 переключения потока, затем поступает во внешний теплообменник 3, завершая цикл.

Работа в режиме охлаждения

На фиг.4 устройства 4 и 5 переключения потока находятся в положении режима охлаждения, в результате чего внутренний теплообменник 2 действует как испаритель, а внешний теплообменник 3 как газоохладитель (конденсатор). Циркулирующий хладагент испаряется во внутреннем теплообменнике 2 за счет поглощения тепла из внутренней охлаждающей среды. Пар проходит через устройство 4 переключения потока и затем откачивается компрессором 1. Давление и температура пара повышаются компрессором 1, после чего пар поступает во внешний теплообменник 3, пройдя через устройство 4 переключения потока. В зависимости от давления пар хладагента либо конденсируется (при субкритическом давлении), либо охлаждается (при сверхкритическом давлении), отдавая тепло в поглотитель тепла. Хладагент высокого давления затем проходит через устройство 5 переключения потока, и затем его давление снижается расширительным устройством 6 до давления испарения. Хладагент низкого давления проходит через устройство 5 переключения потока, затем поступает во внутренний теплообменник 2, завершая цикл.

Основное преимущество этого варианта осуществления заключается в том, что для него требуется минимальное количество элементов, а также в простоте принципа работы системы и управления ею. С другой стороны, из-за отсутствия сборника/накопителя на энергетическом кпд и общих характеристиках системы сказываются изменения нагрузки по охлаждению/нагреванию и любые возможные утечки хладагента.

Второй вариант осуществления изобретения

На фиг.5 и 6 показаны схематические виды второго варианта осуществления системы во время работы в режимах нагрева и охлаждения соответственно. По сравнению с первым вариантом осуществления в этом варианте имеется дополнительная обводная линия С, которая содержит обезвоживающий теплообменник 25, расширительное устройство 23 и клапан 24. Теплообменник 25 выполняет функцию обезвоживания во время работы в режиме нагрева и работает как обычный испаритель в режиме охлаждения. В режиме нагрева некоторое количество хладагента высокого давления после устройства 5 переключения отводят через расширительное устройство 23, где давление хладагента снижается до давления испарения в теплообменнике. Хладагент затем испаряется за счет поглощения тепла в теплообменнике 25, и потом он проходит через клапан 24. Таким образом, внутренний воздух проходит через обезвоживающий теплообменник 25 и затем снова нагревается внутренним теплообменником 2, подавая более сухой воздух во внутреннее пространство для предотвращения запотевания, например, ветрового стекла в автомобильной системе кондиционирования воздуха. В режиме охлаждения теплообменник 25 обеспечивает дополнительную площадь теплопередачи для охлаждения внутреннего воздуха. Переключение этой системы выполняют так же, как и в первом варианте осуществления, т.е. посредством изменения положения двух устройств 4 и 5 переключения потока из режима нагрева в режим охлаждения, и наоборот.

Третий вариант осуществления изобретения

На фиг.7 и 8 показаны схематические виды третьего варианта осуществления системы во время работы в режимах нагревания и охлаждения соответственно. По сравнению со вторым вариантом осуществления обводная линия С относительно основного контура выполнена таким образом, что обезвоживающий теплообменник 25 и внутренний теплообменник 2 соединены последовательно во время работы в режиме охлаждения с помощью дополнительных устройств 26 и 26' переключения потока (например, стопорный клапан), в противоположность второму варианту осуществления, в котором теплообменники соединены параллельно независимо от режима работы. Переключение системы выполняют, как и в первом варианте осуществления, т.е. посредством изменения положения двух устройств 4 и 5 переключения потока из режима нагрева в режим охлаждения, и наоборот.

Четвертый вариант осуществления изобретения

Этот вариант является усовершенствованием первого варианта осуществления и схематически показан на фиг.9 в режиме нагрева и на Фиг.10 - в режиме охлаждения. В соответствии с настоящим изобретением устройство содержит компрессор 1, подконтур с устройством 4 переключения потока, внутренний теплообменник 2 и внешний теплообменник 3. Отличие от предыдущего варианта осуществления заключается в том, что расширительное устройство (6) в подконтуре (В) дополнительно содержит три взаимно соединенных параллельных патрубков (B1, B2, В3), внешние параллельные патрубки (B1, B3) которых соединены с основным контуром посредством устройств переключения потока, представляющих собой отклоняющие поток расширительные устройства (17', 16').

Переключение из работы в режиме охлаждения в работу в режиме нагрева осуществляется просто и эффективно с помощью устройства 4 переключения потока и двух отклоняющих поток расширительных устройств 16' и 17'.

Принцип действия является следующим.

Теплонасосный режим работы

На фиг.9 устройство 4 переключения потока и отклоняющие поток расширительные устройства 16' и 17' находятся в положении режима нагрева, в результате чего теплообменник 3 действует как испаритель, а внутренний теплообменник 2 как газоохладитель (конденсатор). Циркулирующий хладагент испаряется в теплообменнике 3 за счет поглощения тепла из источника тепла. Пар проходит через устройство 4 переключения потока и затем откачивается компрессором 1. Давление и температура пара повышаются компрессором 1, после чего пар поступает во внутренний теплообменник 2, пройдя через устройство 4 переключения потока. В зависимости от давления пар хладагента либо конденсируется (под субкритическим давлением), либо охлаждается (под сверхкритическом давлением), отдавая тепло поглотителю тепла (внутреннему воздуху в случае воздушной системы). Хладагент высокого давления затем проходит через первое отклоняющее поток устройство 16', затем его давление понижается посредством второго отклоняющего поток устройства 17' до давления испарения во внутреннем теплообменнике 3, завершая цикл.

Работа в режиме охлаждения

На фиг.10 устройство 4 переключения потока и отклоняющие поток расширительные устройства 16' и 17' находятся в положении режима охлаждения, в результате чего внутренний теплообменник 2 действует как испаритель, а внешний теплообменник 3 как газоохладитель (конденсатор). Циркулирующий хладагент испаряется во внутреннем теплообменнике 2 за счет поглощения тепла из источника тепла. Хладагент проходит через устройство 4 переключения потока и затем откачивается компрессором 1. Давление и температура пара повышаются компрессором 1, после чего он проходит во внешний теплообменник 3, пройдя через устройство 4 переключения потока. В зависимости от давления пар хладагента либо конденсируется (под субкритическим давлением), либо охлаждается (под сверхкритическим давлением), отдавая тепло поглотителю тепла. Хладагент высокого давления затем проходит через второе отклоняющее поток расширительное устройство 17', затем его давление понижается посредством первого отклоняющего поток расширительного устройства 16' до давления испарения во внешнем теплообменнике 2, завершая цикл.

Пятый вариант осуществления изобретения

На фиг.11 и 12 показан схематический вид пятого варианта осуществления системы во время работы в режиме нагрева и режиме охлаждения соответственно. Этот вариант осуществления представляет обратимую систему сжатия пара с функцией нагрева водопроводной воды. Водопроводную воду подогревают сначала теплообменником 24 в подконтуре В и затем ее нагревают до нужной температуры вторым теплообменником 23 нагрева воды в подконтуре А. Тепловую нагрузку теплообменника 23 нагрева воды можно регулировать путем изменения расхода воды в теплообменнике 23, либо за счет использования байпаса на стороне хладагента теплообменника.

Шестой вариант осуществления изобретения

На фиг.13 и 14 показаны схематические виды шестого варианта осуществления, который представляет собой усовершенствование первого варианта осуществления изобретения. По сравнению с первым вариантом осуществления этот вариант осуществления имеет дополнительный противоточный внутренний теплообменник 9, расположенный в подконтуре А и осуществляющий теплообмен с хладагентом в подконтуре В посредством соединения 12 обводной линии. Испытания, проведенные на известной установке сжатия пара, работавшей в режиме охлаждения, показали, что применение дополнительного внутреннего теплообменника может снизить энергопотребление и повысить кпд по охлаждению при повышенной температуре поглотителя тепла (высокая нагрузка охлаждения). Процесс переключения выполняется согласно первому варианту осуществления.

Седьмой вариант осуществления изобретения

Седьмой вариант осуществления изобретения схематически показан на фиг.15 в режиме нагрева и на фиг.16 - в режиме охлаждения. Основное отличие между этим вариантом осуществления и первым вариантом осуществления заключается в наличии сборника 7 промежуточного давления в подконтуре В, в результате чего обеспечивается двухступенчатое расширение хладагента высокого давления. В соответствии с этим вариантом осуществления обратимое устройство сжатия пара содержит компрессор 1, устройство 4 переключения потока, еще одно устройство 5 переключения потока, расширительное устройство 6 и внешний теплообменник. Переключение осуществляется так же, как и в предыдущем варианте осуществления, т.е. посредством изменения положения двух устройств 4 и 5 переключения потока из режима нагрева в режим охлаждения, и наоборот. Этот вариант осуществления является усовершенствованием первого варианта осуществления за счет введения сборника/накопителя 7 промежуточного давления, обеспечивающего возможность активного регулирования высокого давления и производительности по охлаждению/нагреву для доведения до максимума производительности. Система становится более устойчивой в работе и на ней не сказываются возможные утечки, поскольку в сборнике/накопителе 7 промежуточного давления обеспечивается некоторый уровень жидкого хладагента.

Восьмой вариант осуществления изобретения

Восьмой вариант осуществления является усовершенствованием четвертого варианта осуществления, и он схематически показан на Фиг.17 в режиме нагрева, и на Фиг.18 - в режиме охлаждения. Основное различие между этим вариантом осуществления и четвертым вариантом осуществлением заключается в использовании сборника 7 промежуточного давления, расположенного в среднем патрубке В2 второго подконтура В, в результате чего обеспечивается двухступенчатое расширение хладагента высокого давления с помощью отводящих поток расширительных устройств 16' и 17' соответственно. Эта система становится более устойчивой и на ней не сказываются возможные утечки, поскольку имеется некоторый уровень жидкого хладагента в сборнике/накопителе 7 промежуточного давления.

Девятый вариант осуществления изобретения

Девятый вариант осуществления изобретения схематически показан на Фиг.19 в режиме нагрева, и на Фиг.20 - в режиме охлаждения. Этот вариант осуществления аналогичен восьмому варианту осуществления, за исключением того факта, что функция отведения потока и расширения выполняется двумя отдельными отводящими устройствами 16 и 17 и двумя расширительными устройствами 6 и 8 в среднем патрубке В2 над и соответственно под сборником 7. Согласно этому варианту осуществления система содержит компрессор 1, устройство 4 переключения потока, внутренний теплообменник 2, отклоняющее поток устройство 16, расширительное устройство 6, сборник 7 промежуточного давления, расширительное устройство 8, отклоняющее поток устройство 17 и внешний теплообменник. В этом варианте осуществления переключение системы осуществляется с помощью одного устройства 4 переключения и двух отклоняющих поток устройств 16 и 17, которые установлены либо в режиме охлаждения, либо в режиме нагрева.

Десятый вариант осуществления изобретения

Десятый вариант осуществления показан на Фиг.21 в режиме нагрева, и на Фиг.22 - в режиме охлаждения. По сравнению с седьмым вариантом осуществления этот вариант осуществления содержит противоточный внутренний теплообменник 9 в подконтуре А, который осуществляет теплообмен с подконтуром В посредством обводной линии 12, которая соединена с подконтуром В до расширительного устройства 6. Испытания, проведенные на известной установке сжатия пара, работавшей в режиме охлаждения, показали, что применение внутреннего теплообменника может снизить энергопотребление и повысить производительность по охлаждению при повышенной температуре поглотителя тепла (высокая нагрузка охлаждения). Принцип работы здесь тот же, что и в пятом варианте осуществления, за исключением того факта, что теплый хладагент высокого давления после устройства 5 переключения потока осуществляет теплообмен через внутренний теплообменник 9 с холодным хладагентом низкого давления после устройства 4 переключения потока до расширения в расширительном устройстве 6 в сборник/накопитель 7 промежуточного давления. Переключение осуществляется согласно первому варианту осуществления.

Одиннадцатый вариант осуществления изобретения

Одиннадцатый вариант осуществления изобретения показан на Фиг.23 в режиме нагрева, и на Фиг.24 - в режиме охлаждения. Основное различие между этим вариантом осуществления и десятым вариантом осуществления заключается в наличии противоточного внутреннего теплообменника 9 на стороне высокого давления. Согласно восьмому варианту осуществления сторона высокого давления внутреннего теплообменника 9 расположена в подконтуре В между устройством 5 переключения и расширительным устройством 8, но в этом осуществлении сторона высокого давления внутреннего теплообменника 9 расположена между устройством 5 переключения и внешним теплообменником 3. Поэтому согласно данному варианту осуществления внутренний теплообменник не будет "активным" ни в режиме нагрева, ни в режиме охлаждения, поскольку для теплообмена имеется очень ограниченная температурная движущая сила.

Двенадцатый вариант осуществления изобретения Этот вариант осуществления показан на Фиг.25 в режиме нагрева и на Фиг.26 - в режиме охлаждения. Этот вариант осуществления представляет собой двухступенчатое обратимое устройство сжатия пара, в котором сжатие осуществляется в две стадии: откачивают пар под промежуточным давлением по патрубку 20 из сборника/накопителя 7 в подконтур В, в результате чего повышается кпд сжатия пара. Кроме того, этот вариант осуществления обеспечивает возможность улучшения регулирования создаваемого при этом промежуточного давления в сборнике/накопителе 7 промежуточного давления. Компрессор 1 может быть выполнен как единая установка двойного расширения с промежуточным входом всасывания или как два отдельных компрессора любого типа первой ступени и второй ступени. Компрессор также может быть компрессором типа "сжатия двойного эффекта" (G.T.Voorhees 1905, British Patent N 4448), в котором цилиндр поршневого компрессора имеет вход, который не закрыт в центре мертвой точки поршня, или вблизи этого центра, вводя пар под промежуточным давлением и тем самым повышая производительность системы по охлаждению или нагреву. При использовании компрессора "двойного эффекта" с переменным рабочим ходом (рабочим объемом) этот вход можно открывать только в случае увеличения потребности в нагреве или охлаждении, чтобы повысить производительность системы.

Принцип действия в этом варианте осуществления тот же, что и в первом варианте осуществления, за исключением того факта, что сжатие выполняется в два этапа, и полученный пар мгновенного испарения в сборнике/накопителе 7 промежуточного давления после расширительного устройства 6 откачивается компрессором второй ступени по линии 12. Если используется двухступенчатый компрессор или два отдельных компрессора, то холодный пар мгновенного испарения смешивается с исходящим газом из первой ступени сжатия, в результате чего температура газа снижается в начале второй ступени сжатия. Поэтому вся работа сжатия согласно данному варианту осуществления будет меньше, чем в вариантах осуществления одноступенчатого обратимого транскритического сжатия пара, что, как правило, обеспечивает повышение энергетического кпд.

Тринадцатый вариант осуществления изобретения

Тринадцатый вариант осуществления схематически показан на Фиг.27 и 28 в режиме нагрева и в режиме охлаждения соответственно. По сравнению с двенадцатым вариантом осуществления этот вариант осуществления предусматривает дополнительный теплообменник 10, который обеспечивает дополнительную производительность по охлаждению при промежуточных давлении и температуре. Теплообменник 10 может быть теплообменником/испарителем с подачей самотеком или насосом. Теплообменник 10 может быть также выполнен заодно со сборником 7 промежуточного давления. Этот вариант осуществления является усовершенствованием двенадцатого варианта осуществления, поскольку его можно выполнить аналогично системам, в которых охлаждение необходимо проводить на двух температурных уровнях. Например, система кондиционирования воздуха для смешанных наземных транспортных средств или электромобилей должна обеспечивать охлаждение для двигателя и для кабины. Настоящее изобретение может обеспечить охлаждение внутреннего пространства при давлении и температуре испарения, а охлаждение двигателя будет обеспечиваться за счет промежуточных давления и температуры. Тепло, поглощаемое теплообменником, можно также использовать как дополнительный источник тепла в режиме нагрева. Переключение системы выполняется так же, как и в первом варианте осуществления, т.е. посредством изменения положения двух устройств 4 и 5 переключения потока из режима нагрева в режим охлаждения, и наоборот.

Четырнадцатый вариант осуществления изобретения

Четырнадцатый вариант осуществления показан схематически на Фиг.29 и 30 в режиме нагрева и охлаждения соответственно. Этот вариант осуществления тот же, что и тринадцатый вариант осуществления, за исключением, что теплообменник 10 здесь находится в подконтуре D. Этот подконтур также имеет дополнительное расширительное устройство 20. И в режиме нагрева, и в режиме охлаждения часть хладагента высокого давления отводится с помощью расширительного устройства 20, в котором давление хладагента снижается до уровня промежуточного давления. Хладагент затем испаряется за счет поглощения тепла в теплообменнике, и затем он проходит в сборник 7 промежуточного давления. Переключение системы осуществляется так же, как и в первом варианте осуществления, т.е. посредством изменения положения двух устройств 4 и 5 переключения из режима нагрева в режим охлаждения, и наоборот.

Пятнадцатый вариант осуществления изобретения

Пятнадцатый вариант осуществления изобретения схематически показан на Фиг.31 и 32 в режиме нагрева и режиме охлаждения соответственно. Этот вариант осуществления отличается двухступенчатым сжатием с "промежуточным охлаждением", достигаемым посредством выпуска по патрубку 12' горячего газа из компрессора 1 первой ступени в сборник/накопитель 7 промежуточного давления. При этом температура газа всасывания компрессора 1'' второй ступени будет насыщенной при температуре, соответствующей давлению насыщения в сборнике/накопителе 7 промежуточного давления. Поэтому в противоположность вариантам осуществления с одноступенчатым сжатием общее количество работы сжатия будет меньшим и кпд системы будет выше. При необходимости также имеется возможность регулировать перегрев газа всасывания для второй ступени сжатия за счет направления некоторого количества горячего исходящего газа из первой ступени непосредственно в линию всасывания второй ступени сжатия, т.е. за счет обхода сборника/накопителя 7 промежуточного давления. Переключение системы осуществляется так же, как и в первом варианте осуществления, т.е. посредством изменения положения двух устройств 4 и 5 переключения потока из режима нагрева в режим охлаждения, и наоборот.

Шестнадцатый вариант осуществления изобретения

На фиг.33 и 34 показан шестнадцатый вариант осуществления системы сжатия пара, работающей в режиме охлаждения и режиме нагрева соответственно. Этот вариант осуществления представляет собой двухступенчатую обратимую систему сжатия пара, аналогичную пятнадцатому варианту осуществления, но также имеет противоточный внутренний теплообменник 9 в подконтуре А, который обеспечивает теплообмен с подконтуром В через обводную линию 18. Преимущество использования противоточного внутреннего теплообменника 9 заключается в снижении температуры хладагента высокого давления до его прохождения через расширительное устройство 6, в результате чего обеспечивается повышение производительности по охлаждению и более высокий энергетический кпд. Принцип работы этого варианта осуществления тот же, что и в пятнадцатом варианте осуществления, за исключением того факта, что хладагент высокого давления после устройства 5 переключения потока проходит через внутренний теплообменник 9 до прохождения через расширительное устройство 6. Переключение системы осуществляется так же, как и в первом варианте осуществления, т.е. посредством изменения положения двух устройств 4 и 5 переключения потока из режима нагрева в режим охлаждения, и наоборот.

Семнадцатый вариант осуществления изобретения

Этот вариант осуществления схематически показан на фиг.35 и 36 в режиме нагрева и в режиме охлаждения соответственно. Этот вариант осуществления аналогичен шестому варианту осуществления, за исключением того факта, что имеет дополнительный сборник 15 низкого давления в подконтуре В. Переключение системы осуществляется так же, как и в первом варианте осуществления, т.е. посредством изменения положения двух устройств 4 и 5 переключения потока из режима нагрева в режим охлаждения, и наоборот.

Восемнадцатый вариант осуществления изобретения

Восемнадцатый вариант осуществления схематически показан на Фиг.37 в режиме нагрева, и на Фиг.38 - в режиме охлаждения. В соответствии с этим вариантом осуществления система обеспечивает двухступенчатое обратимое сжатие пара, причем сжатие пара выполняется в две стадии с "промежуточным охлаждением", в результате чего повышается кпд сжатия пара и общие характеристики системы. Этот вариант осуществления содержит основной контур, внутренний теплообменник 2, подконтур А, соединенный с основным контуром через устройство 4 переключения потока, и подконтур В, соединенный с основным контуром через второе устройство 5 переключения потока. Подконтур А содержит компрессор 1, сборник 15 низкого давления и противоточный внутренний теплообменник 9. Подконтур В содержит расширительное устройство 6. Теплообмен происходит между двумя подконтурами посредством внутреннего теплообменника 9 при прохождении хладагента из подконтура В по линии 12. Также установлен теплообменник 14 промежуточного охлаждения. Часть хладагента пропускается через этот теплообменник и возвращается в подконтур В, при этом другая часть хладагента пропускается по другому подконтуру 19 через детандер 13 в другую линию потока теплообменника 14 промежуточного охлаждения и во вторую ступень компрессора 1. По сравнению с тринадцатым вариантом осуществления введение теплообменника 14 промежуточного охлаждения в результате обеспечивает повышенную производительность по охлаждению и уменьшение количества работы сжатия.

Компрессор 1 может быть компрессором (одно)многократного расширения с промежуточным входом всасывания или с двумя отдельными компрессорами любого типа первой и второй ступеней. Переключение системы осуществляется так же, как и в первом варианте осуществления, т.е. посредством изменения положения двух устройств 4 и 5 переключения потока из режима нагрева в режим охлаждения, и наоборот.

Система сжатия пара может работать либо в режиме кондиционирования воздуха для охлаждения, либо в режиме нагрева - для нагрева. Режим работы изменяется путем изменения направления потока хладагента в контуре.

В процессе кондиционирования воздуха внутренний теплообменник поглощает тепло за счет испарения хладагента, и тепло отводится через внешний теплообменник. В процессе нагрева внешний теплообменник действует как испаритель, а тепло отводится через внешний теплообменник.

Поскольку внутренний и внешний теплообменники должны выполнять двойное назначение, эта конструкция является компромиссом, не являющимся оптимальным для обоих режимов. Если в качестве хладагента используется диоксид углерода, то теплообменники должны действовать и как испаритель, и как газоохладитель, с очень разными требованиями для оптимальной конструкции. В процессе охлаждения газа желательны противоточный теплообменник и относительно высокий массовый расход хладагента. Следует отметить, что в процессе испарения желателен пониженный массовый расход, и приемлемым является перекрестное циркулирование хладагента.

С помощью соответствующих средств (напр., стопорные клапаны) схему контура в теплообменнике можно изменять при соответстующем изменении режима работы. Клапаны могут обеспечить для теплообменника другую схему контура в зависимости от направления потока хладагента. На фиг.39-46 показаны разные теплообменники с двумя, тремя, четырьмя и шестью секциями в режиме нагрева и режиме охлаждения соответственно. При работе в режиме нагрева, согласно Фиг.39, 41, 43 и 45, хладагент проходит последовательно по каждой из четырех секций в перекрестном течении. С другой стороны, за счет изменения направления потока хладагент циркулирует параллельно через одну и две, или две и две пластины, входя в сторону впуска воздуха согласно Фиг.40, 42, 44 и 46. Изменение направления потока предпочтительно осуществляется стопорными клапанами, но могут быть использованы также и другие типы клапанов.