Теплонасосная установка с использованием низкопотенциальной теплоты водной среды

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.
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.
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.
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.
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.
Задачей предлагаемой полезной модели является увеличение эффективности отбора теплоты от водной среды за счет использования теплоты кристаллизации воды.
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.
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.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежом, на котором представлена общая схема установки.
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.
Работает предлагаемая установка следующим образом.
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.
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.
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.
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.
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.
В случае использования реверсивного теплового насоса 1 предлагаемая теплонасосная установка может работать в режиме охлаждения объекта и сброса теплоты в водоем или водоток.