ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ КОТЕЛ НА CO2 И ТЕПЛОВОЙ КОМПРЕССОР
2
THERMODYNAMIC CO BOILER AND THERMAL COMPRESSOR

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к системам обогрева, которые включают в себя устройства, называемые котлами. В частности, в рамках изобретения рассматриваются термодинамические котлы, в которых используют так называемое теплонасосное устройство (сокращенно «ТНУ»).
Уровень техники
Уже известны несколько технических решений для применения теплонасосного устройства в котле.
Прежде всего известно использование электрических компрессоров для сжатия и обеспечения циркуляции рабочей среды-теплоносителя. Говорят также об «электрических ТНУ».
Известны также тепловые насосы с газовым двигателем (ТНУ с газовым двигателем). Эта система предполагает использование двигателя внутреннего сгорания, который является шумным и требует регулярного технического обслуживания.
Известны также десорбционные/адсорбционные газовые тепловые насосы, например, насосы, использующие пару вода/аммиак или вода/цеолит. Однако эти устройства являются сложными и дорогими; кроме того, в них используют потенциально загрязняющие или вредные материалы.
Кроме того, в целом предпочтительно, чтобы котел этого типа можно было адаптировать по мощности и чтобы его можно было предусмотреть для обеспечения горячего водоснабжения («ГВС») по требованию.
Кроме того, в целом хорошо известно, что характеристики теплонасосного контура существенно понижаются при низкой наружной температуре, в частности, в аэротермодинамических энергетических системах, в частности, ниже 0°С, и отбор тепловой энергии снаружи становится почти ничтожным и даже нулевым при наружных температурах ниже -10°С.
По этой причине многие котлы оснащают вспомогательной (или «резервной» горелкой), отдельной от компрессора теплового насоса, которая выдает тепло в контур обогрева, как указано, например, в документе WO 2014083440. Эти котлы называются «гибридными», так как они сочетают в себе контур теплового насоса и классическую резервную горелку. Однако эти «гибридные» котлы являются сложными и дорогими.
С учетом этих обстоятельств существует потребность в более оптимизированных решениях для систем термодинамических котлов с теплонасосным эффектом.
Для этого предложен термодинамический котел для передачи тепла по меньшей мере в один контур (30) обогрева, при этом котел содержит по меньшей мере один компрессор (М1), выполняющий функцию сжатия для контура теплонасосного типа (31, 34), использующего хладагент, при этом котел дополнительно содержит топливную горелку (11), которая передает тепло по меньшей мере хладагенту, при этом топливная горелка передает тепло в хладагент за компрессором.
Благодаря этим признакам, в контур хладагента поступает «дополнительное» или «вспомогательное» тепло, что упрощает архитектуру котла и предпочтительно позволяет использовать только один теплообменник с системой обогрева для функции ТНУ и для «вспомогательной» функции.
2
Предпочтительно в качестве хладагента выбирают сжимаемую текучую среду типа R744 (то есть в основном СО).
Примечание 1: В вышеупомянутом контуре теплонасосного типа с сжимаемой текучей средой типа R744 используют явление испарения на одном теплообменнике и явление охлаждения/конденсации на другом теплообменнике. Следует отметить, что в соответствии с настоящим изобретением можно также использовать любой тип хладагента, имеющий физические свойства, близкие к R744.
Примечание 2: Что касается терминологии, используемой в настоящем документе, следует отметить, что то, что называется «контуром обогрева», следует понимать в широком толковании как основной контур теплообмена с соответствующим объектом, чаще всего с помещением, при этом ставится задача обогрева помещения, но в некоторых случаях, в частности, когда тепловой насос является реверсивным, система может служить для охлаждения помещения.
В различных вариантах осуществления изобретения можно использовать один или другой из следующих отличительных признаков.
Согласно отличительному признаку изобретения, компрессор является тепловым компрессором, содержащим по меньшей мере одну ступень сжатия с поршнем возвратно-поступательного действия, при этом топливная горелка дополнительно образует горячий источник компрессора, а контур обогрева образует холодный источник компрессора. В этих условиях, с точки зрения термической эффективности, всю энергию, получаемую на горелке, либо непосредственно используют для сжатия, либо напрямую направляют в сжимаемую текучую среду, и часть в виде дымов может быть направлена в систему обогрева.
Согласно отличительному признаку изобретения, термодинамический котел содержит контур горячей хозяйственно-питьевой воды. Предпочтительно можно выдавать мощность, достаточную, чтобы почти мгновенно получать горячую хозяйственно-питьевую воду для бытовых нужд без необходимости наличия бака-накопителя соответствующего размера.
Согласно отличительному признаку изобретения, топливная горелка представляет собой единственную горелку котла. При помощи этой единственной горелки можно удовлетворить энергетические потребности, в том числе потребности в пиковом режиме (подача горячей хозяйственно -питьевой воды, обогрев жилого помещения).
Согласно отличительному признаку, термодинамический котел содержит контур (38) дополнительного нагрева сжимаемой текучей среды, которая циркулирует в горелке компрессора, и вентиль (75) регулирования дополнительного нагрева, обеспечивающий циркуляцию контролируемой части сжимаемой текучей среды в указанном контуре дополнительного нагрева; благодаря этому, котел может работать с модулируемым дополнительным нагревом или без дополнительного нагрева в зависимости от положения вентиля регулирования дополнительного нагрева. Кроме того, мощность дополнительного нагрева предпочтительно является модулируемой в зависимости от количества газа, нагнетаемого в горелку, и от степени открывания вентиля регулирования дополнительного нагрева.
2
Согласно отличительному признаку, горелка компрессора полностью обеспечивает всю мощность котла и предпочтительно имеет мощность, составляющую от 20 до 25Квт. Этой мощности оказывается достаточно для дома индивидуального типа, например, площадью 100 м, рассчитанного на 4-6 жильцов.
Согласно отличительному признаку, термодинамический котел может содержать теплообменник (5), образующий термический интерфейс между контуром (31) сжимаемой текучей среды и контуром (30) обогрева, при этом теплообменник включает в себя высокотемпературный теплообменник (50) и низкотемпературный теплообменник (51), при этом высокотемпературный теплообменник связан с контуром горячей хозяйственно -питьевой воды, что позволяет практически моментально иметь в распоряжении горячую хозяйственно-питьевую воду с высокой температурой.
2
2
Согласно отличительному признаку, контур теплонасосного типа может включать в себя два расположенных в виде каскада контура, а именно рабочий контур (31, М1, 5, 7, 6) сжимаемого газа R744 и контур (34, 4, 6) смеси воды с этиленгликолем. При этом контур СО может быть заключен внутри котла без необходимости вмешательства в контур СО сантехника-монтажника на месте установки.
Согласно отличительному признаку, может быть предусмотрен блок модулирования и двигатель (17) для регулирования, то есть повышения и/или понижения скорости вращения компрессора; это позволяет адаптировать в реальном времени режим вращения компрессора к потребности в обогреве и в горячей хозяйственно -питьевой воде.
2
2
Согласно отличительному признаку, компрессор может содержать по меньшей мере две последовательные ступени сжатия, а именно первую ступень сжатия (U1) и вторую ступень сжатия (U2). Это позволяет использовать текучую среду типа СО (R744) в большом диапазоне значений давления и температуры текучей среды СО, адаптируемых в зависимости от температур контуров нагреваемой воды. Это обеспечивает высокую общую термодинамическую эффективность.
2
Согласно отличительному признаку, компрессор может содержать 3 ступени. Это позволяет оптимизировать ступенчатость повышения давления и приводить в соответствие температуру текучей среды СО в зависимости от температуры нагреваемой воды и от выдаваемой тепловой мощности.
Согласно отличительному признаку, предпочтительно ступени являются независимыми. Это облегчает расчет параметров и увеличивает возможности модулирования каждой ступени.
Согласно отличительному признаку, компрессор может содержать по меньшей мере две параллельные ступени сжатия. Это представляет собой конфигурацию, альтернативную по отношению к последовательной конфигурации.
Согласно отличительному признаку, термодинамический котел может содержать подогреватель (9) воздуха на входе первой горелки. Таким образом, отбирают тепловую энергию из горячих отработанных выхлопных газов и отдают ее в воздух, подаваемый в горелку; это позволяет повысить общий КПД.
В так называемой конфигурации обогрева термодинамический котел питает тепловой энергией контур обогрева (режим «обогрева» или «зимний»), и контур типа реверсивного теплового насоса отбирает это тепло из внешней установки.
В другой конфигурации, называемой конфигурацией кондиционирования воздуха, термодинамический котел отбирает тепло из контура 30 обогрева и передает это тепло либо в контур горячей хозяйственно -питьевой воды (ГВС), либо во внешнюю установку 4 (летний режим); таким образом, котел может обеспечивать функцию кондиционирования и, кроме того, горячего водоснабжения без дополнительных энергетических затрат.
Другие отличительные признаки, задачи и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания варианта осуществления изобретения, представленного в качестве неограничивающего примера. Изобретение представлено со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 представлена схема системы обогрева, содержащей заявленный котел;
на фиг. 2 показана система, аналогичная системе, изображенной на фиг. 1, при этом котел содержит тепловой компрессор;
на фиг. 3 показана система, аналогичная системе, изображенной на фиг. 2, в которой дополнительная энергия подается непосредственно в горячую часть теплового компрессора;
на фиг. 4 схематично показана ступень теплового компрессора;
на фиг. 5 представлен график мощности в зависимости от температуры;
на фиг. 6 более детально показана ступень теплового компрессора;
на фиг. 7 представлен термодинамический цикл;
на фиг. 8 показана трехступенчатая конфигурация теплового компрессора;
на фиг. 9 представлена диаграмма системы регулирования;
на фиг. 10 представлена реверсивность теплонасосного контура.
На различных фигурах идентичные или подобные элементы имеют одинаковые обозначения.
На фиг. 1 представлен общий вид системы обогрева, как правило, предназначенной для обогрева промышленного здания, индивидуального дома или многоквартирного жилого дома. Система обогрева содержит котел 10, который будет описан ниже.
Система содержит контур обогрева, обозначенный позицией 30; как было указано выше, термин «контур обогрева» не исключает возможности отбора тепла контуром, однако в первом представленном примере контур обогрева содержит устройства-потребители 3 тепла в виде радиаторов/конвекторов 3 и/или подогреваемого пола, находящихся в комнатах обогреваемого помещения.
Может существовать несколько потребителей тепла, например, один с низкой температурой (подогреваемый пол) и другой с более высокой температурой (конвекторы, система горячего водоснабжения). Циркуляционный насос М3 заставляет воду циркулировать в контуре 30 обогрева.
Можно также рассмотреть случай, когда потребителем тепла является бассейн или теплица. Точно так же, систему обогрева можно использовать в промышленном контексте с потребителем тепла в виде оборудования, предназначенного для промышленного процесса.
Систему горячего водоснабжения (ГВС) можно предусмотреть с баком-накопителем 16 горячей хозяйственно-питьевой воды, что само по себе известно и не будет подробно описано в настоящей заявке. Вода в этом баке-накопителе нагревается за счет циркуляции текучей среды 36 во время ее прохождения по теплообменнику ГВС 15.
Предпочтительно в рамках настоящего изобретения объем бака-накопителя 16 может быть очень небольшим, например, 5 литров, как правило менее 10 литров.
В этом теплообменнике ГВС 15 проходит байпасная ветвь 33 контура 30 обогрева. Эта байпасная ветвь отбирает тепло из высокотемпературного (ВТ) теплообменника 50 и передает его горячей воде через теплообменник ГВС 15.
Расходом текучей среды в байпасной ветви 33 может управлять обычный вентиль 78 регулирования ГВС. Этот расход определяют в зависимости от потребностей системы регулирования бака-накопителя горячей хозяйственно-питьевой воды.
Котел 10 содержит компрессор М1, который образует двигатель теплонасосного контура. В представленном примере снаружи помещения (здания, жилого дома и т.д.) находится только внешняя установка, обозначенная позицией 4, остальные основные компоненты расположены внутри помещения и даже в кожухе котла 10.
Следует отметить, что на фигурах трубопроводы показаны символически.
2
Теплонасосное устройство содержит, с одной стороны, контур 34 смеси воды с этиленгликолем, которая циркулирует во внешней установке 4, и контур 31 рабочей текучей среды, которая проходит через компрессор М1. В представленном примере рабочая текучая среда представляет собой R744, то есть СО, хотя можно выбрать и другую текучую среду с аналогичными свойствами. Чтобы отличать рабочую текучую среду контура 31 от других текучих сред, в дальнейшем она будет называться «сжимаемой» текучей средой (называемой также в данной области «хладагентом»). Это отличает ее от текучей среды, которая проходит наружу во внешнюю установку (контур 34) и которая представляет собой текучую среду в основном на основе воды (смесь воды с этиленгликолем), а также от текучей среды, которая циркулирует в вышеупомянутом контуре 30 обогрева и которая тоже является текучей средой в основном на основе воды, то есть несжимаемой текучей средой.
Различные текучие среды, используемые в контурах 30, 31, 34, представляют собой среды-теплоносители, которые являются сжимаемыми или нет и позволяют переносить тепло в основном от внешней установки к потребителям 3, а также от горелки 11 к потребителям 3.
Возможный также режим кондиционирования воздуха будет описан ниже.
Необходимо отметить, что внешняя установка 4 может быть аэротермической или геотермической установкой.
2
Можно отметить, что отбор внешнего тепла за счет теплонасосного эффекта требует наличия двух последовательных контуров текучей среды, соединенных через теплообменник 6, называемый интерфейсным теплообменником 6, который является противоточным теплообменником. Контур 34 смеси воды с этиленгликолем содержит циркуляционный насос М4, который отбирает тепло от внешней установки 4 и направляет это в интерфейсный теплообменник 6. Следует отметить, что весь контур 31 сжимаемой текучей среды, то есть контур СО, заключен внутрь котла 10 еще на стадии изготовления на заводе; монтажник подключает на месте только контур 34 смеси воды с этиленгликолем.
Кроме того, теплонасосное устройство содержит регулирующий вентиль 7, который сам по себе известен и который выполняет противоположную роль относительно компрессора для давления, и теплообменник 5, который термически соединяет контур 31 сжимаемой текучей среды на выходе компрессора с контуром 30 обогрева.
2
2
В данном случае теплообменник 5 включает в себя два теплообменника, установленные последовательно на контуре 31 СО: так называемый «высокотемпературный ВТ» теплообменник 50, в котором проходит отвод 33 и который выполнен с возможностью подогрева горячей хозяйственно-питьевой воды, и так называемый «низкотемпературный НТ» теплообменник 51, который обеспечивает основную связь контура СО 31 с контуром 30 обогрева.
Главный теплообменник 5 может представлять собой только один теплообменник с первым участком, соединенным с контуром 33 горячей хозяйственно-питьевой воды, и вторым участком, соединенным с контуром 30 обогрева.
Контур 31 сжимаемой текучей среды содержит текучую среду в двухфазном виде, которая отбирает тепло от интерфейсного теплообменника 6 (так называемая «испарительная» сторона, где двухфазная текучая среда переходит из жидкого состояния в состояние пара) и отдает это тепло на главный теплообменник 5 (так называемая «конденсирующая» сторона, где двухфазная текучая среда охлаждается). Сжимаемая текучая среда охлаждается в теплообменнике 5, но остается в основном в паровой фазе; только после расширения на уровне регулирующий вентиль 7 она переходит в основном в жидкую фазу.
В конфигурации, показанной на фиг. 1, компрессор М1 может быть компрессором с электрическим двигателем; в этом случае на выходе компрессора предусмотрена вспомогательная горелка 11, которая передает тепло напрямую в сжимаемую текучую среду на выходе компрессора с мощностью, модулируемой в зависимости от потребности в энергии на контуре обогрева и/или на контуре горячей хозяйственно-питьевой воды.
Следует отметить, что дополнительное тепло поступает в сжимаемую текучую среду, а не в теплообменник, напрямую соединенный с контуром обогрева.
В конфигурации, показанной на фиг. 2, компрессор М1 может быть компрессором, приводимым в действие газовым двигателем. Газовый двигатель использует горелку, обозначенную позицией 11а. Газовый двигатель приводит во вращение указанный компрессор М1, а другая горелка 11b обеспечивает подачу дополнительного тепла в контур сжимаемой текучей среды, как в предыдущем случае, то есть на выходе компрессора М1.
В конфигурации, показанной на фиг. 3, компрессор М1 является тепловым компрессором, то есть он использует тепловую энергию в качестве горячего источника и холодного источника для приведения в действие поршня, возвратно-поступательное движение которого и использование обратных клапанов образуют компрессор. Пример теплового компрессора этого типа детально раскрыт в документе WO2014202885 и показан на фиг.6 настоящего документа.
В конфигурации, показанной на фиг. 3, существует одна-единственная горелка 11, которая образует одновременно горячий источник теплового компрессора М1 и источник дополнительного тепла, поскольку, действительно, на выходе ступени сжатия сжимаемая текучая среда R744 направляется в сторону горелки компрессора и циркулирует там, отбирая тепло от горелки (без дополнительного сжатия) в этом месте. На фиг. 3, 4, 6, 8 этот контур циркуляции в горячем участке компрессора обозначен позицией 38. В дальнейшем тексте этого документа он будет также называться «контуром дополнительного нагрева» 38. Контур 38 дополнительного нагрева содержит первый участок, называемый также входным участком 38а, и второй участок, называемый также выходным участком 38b.
2
2
Следует отметить, что циркуляция в горячем участке компрессора обусловлена присутствием вентиля 75 регулирования дополнительного нагрева, который может иметь любую степень открывания между двумя положениями: первым крайним положением, в котором весь СО направляется в горячий участок компрессора (случай потребности в дополнительном нагреве), и вторым крайним положением (полностью закрытым), в котором весь СО направляется напрямую в главный теплообменник 5 с контуром обогрева, не проходя через горячий участок компрессора.
2
Следует отметить, что, когда компрессор М1 работает и вентиль 75 выбора находится в полностью закрытом положении, в контуре 38 дополнительного нагрева остается рабочая среда в месте, где ее температура повышается до температуры, близкой к температуре горелки, то есть, как правило, до температуры 600°С-700°С (см. ниже). Однако, учитывая физические свойства выбранной текучей среды, то есть СО, отсутствует риск сильного превышения давления и даже взрыва.
Когда компрессор работает и когда вентиль выбора находится в первом положении, в выходной части 38b контура рециркуляции температура сжимаемой текучей среды составляет от 100°С до 300°С в зависимости от дополнительной мощности, сообщаемой горелке.
В конфигурации, показанной на фиг. 3, мощность, подаваемую на единственную горелку 11, можно модулировать от 0 до 20 кВт. Когда компрессор работает без необходимости в дополнительной энергии, выдаваемая мощность находится в пределах от 3 до 6 кВт. Когда необходима дополнительная энергия, компрессор работает (при мощности 3-6 кВт), а остальная часть мощности (от 2 до 15 кВт) поступает от горелки напрямую в рабочую текучую среду, которая проходит обратно в контур 38 дополнительного нагрева.
Получаемый баланс мощности показан на фиг. 5. Кривая 55 «получаемая мощность без дополнительной энергии» показывает сумму мощности, обеспечиваемой компрессором, и бесплатного отбора энергии из внешней среды. Кривые 56а, 56b, 56с показывают потребность в нагреве для трех типов жилых домов в установившемся режиме.
Потребность в дополнительном нагреве начинает ощущаться, когда наружная температура находится в зоне ниже порога вокруг значений от -5°С до 0°С.
Кроме того, эта диаграмма не показывает пиковых потребностей, таких как производство горячей хозяйственно-питьевой воды, зависящее от числа лиц, использующих такое оборудование как душ, туалет, кухня и т.д. Эта диаграмма не показывает также пиковую потребность в восстановлении температуры жилого дома, занимаемого от случая к случаю.
В конфигурации на фиг. 2 и 3 отмечается, что обратный путь контура 30 обогрева проходит сначала через главный теплообменник 5, 51, затем в сторону холодной зоны компрессора, где текучая среда контура обогрева охлаждает компрессор М1.
Во всех конфигурациях можно предусмотреть, чтобы контур выхода газообразных продуктов сгорания (обозначенный 32) из горелки 11 проходил внутрь теплообменника 21, связанного с контуром обогрева, где отработанные газы (получаемые в результате сгорания) передают свою тепловую энергию текучей среде главного контура 30 обогрева.
С другой стороны, во всех конфигурация можно предусмотреть теплообменник для подогрева входа воздуха, обозначенный 9, который использует тепловую энергию, присутствующую в газах, выходящих из горелки 11, для подогрева свежего воздуха 35, подводимого к пламени горелки. Теплообменник 9 подогрева является в данном случае теплообменником типа воздух/воздух, который сам по себе известен и который в представленном примере является противоточным.
Воздух, поступающий в форсунку горелки 11, оказывается, таким образом, при температуре, составляющей от 100°С до 200°С.
Количеством газа, поступающего и сжигаемого горелкой 11, управляет блок 1 регулирования (см. фиг. 9), который содержит по меньшей мере один контур автоматического регулирования для поддержания температуры горячей части компрессора М1 в значении целевой температуры (как правило, от 600°С до 700°С). Блок 1 регулирования управляет не только количеством газа, подаваемого в горелку 11 (с управлением степенью обогащения), но также вентилем 78 регулирования ГВС, а также, в случае необходимости, скоростью вращения двигателя 17 регулирования, о котором речь пойдет ниже. Кроме того, чтобы управлять потребностью в дополнительном нагреве, блок регулирования управляет также положением вентиля 75 выбора, который приводит или не приводит в действие контур 38 дополнительного нагрева.
В частности, предусмотрен температурный датчик 61, который измеряет температуру картера 110, в котором заключен корпус компрессора (см. фиг. 6). Блок регулирования может также получать различные данные температуры и расхода 62, 63, поступающие из контура горячей хозяйственно-питьевой воды, из общего термостата регулирования обогрева в жилом доме, на котором пользователь устанавливает заданную температуру 66, и т.д.
В зависимости от текущих конфигураций и температур регулирование предполагает решения «все или ничего» (периодическое переключение ВКЛЮЧЕНО/ВЫКЛЮЧЕНО) и/или непрерывное автоматическое регулирование горелки по расходу, вентиля 75 регулирования дополнительного нагрева, вентиля 78 регулирования ГВС.
В частности, если говорить об устройстве компрессора М1, показанного на фиг. 6, то речь идет о так называемом «регенеративном» тепловом компрессоре с зоной подачи тепловой энергии (горячая зона), зоной охлаждения (холодная зона), закрытым пространством 8, которое сообщается с наружным пространством при помощи двух обратных клапанов, а именно входного клапана 41 (впуск) и выходного клапана 42 (выпуск).
В примере, показанном на фиг. 4 и 6, имеется только одна ступень сжатия, обозначенная U1, тогда как в примере на фиг. 8 речь идет о трехступенчатой конфигурации сжатия, иначе говоря о трех устройствах сжатия U1, U2, U3.
В закрытом пространстве 8 сжимаемая текучая среда занимает почти постоянный объем, и находящийся в ней вытесняющий поршень 71, выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения сверху вниз в представленном примере, чтобы вытеснять основной объем сжимаемой текучей среды в горячую зону или в холодную зону. Поршень связан с системой кривошипно-шатунного механизма и приводного коленчатого вала в системе автоматического привода, которая будет описана ниже.
Как показано на фиг. 6, конструкция компрессора выстроена вокруг осевого направления Х, которое предпочтительно расположено вертикально, но при этом не исключено и другое расположение. Вдоль этой оси может перемещаться поршень 71, который установлен с возможностью перемещения в цилиндрической гильзе 90. Указанный поршень разделяет первую камеру 81 и вторую камеру 82, причем эти две камеры включены в рабочее закрытое пространство 8 при по существу постоянной сумме их объемов V1+V2. Поршень 71 имеет верхний участок в виде купола, например, полусферической формы.
Рабочее закрытое пространство 8 конструктивно содержится в сборке, образованной горячим картером 96 и холодной головкой 95, между которыми расположено теплоизоляционное кольцо 97.
Первая камера 81, называемая также «горячей камерой», расположена над поршнем и термически связана с горячим источником 11 (топливной горелкой 11), который подает тепло непосредственно в газообразную текучую среду. Первая камера представляет собой тело вращения с цилиндрическим участком, имеющим диаметр, соответствующий диаметру D1 поршня, и с полусферическим участком в верхней части, который содержит центральное отверстие 83 для входа и выхода сжимаемой текучей среды. Горячий источник 11 образует колпак 110, расположенный вокруг горячей камеры 81, с форсункой горелки в центре.
Вторая камера 82, называемая также «холодной камерой», расположена под поршнем и термически связана с холодным источником (в данном случае, обратным каналом 91 контура обогрева), чтобы передавать калории от сжимаемой текучей среды в контур обогрева. Вторая камера является цилиндрической, имеет диаметр D1 и содержит несколько отверстий 84, расположенных по окружности вокруг оси под поршнем для входа и выхода сжимаемой текучей среды.
Вокруг стенки цилиндрической гильзы 90 расположен регенеративный теплообменник 19 типа теплообменников, классически используемых в термодинамических машинах типа машины Стирлинга. Этот теплообменник 19 (который в дальнейшем будет называться просто «регенератором») содержит гидравлические каналы небольшого сечения и элементы накопления тепловой энергии и/или плотную сеть металлических проводов. Этот регенератор 19 расположен на промежуточной высоте между верхним концом и нижним концом закрытого пространства и имеет горячую сторону 19а, обращенную вверх, и холодную сторону 19b, обращенную вниз.
Внутри регенератора между горячей стороной и холодной стороной отмечается большой температурный градиент, при этом горячая сторона имеет температуру, близкую к температуре колпака горелки, а именно 700°С, и холодная сторона имеет температуру, близкую к температуре контура обогрева, то есть температуру, составляющую от 30°С до 70°С в зависимости от объекта или объектов, находящихся в контуре обогрева.
Кольцевой циркуляционный зазор 24, расположенный напротив внутренней поверхности горячего картера 96, соединяет отверстие 83 первой камеры с горячей стороной 19а регенератора.
Каналы 25 в головке 95 соединяют отверстия 84 второй камеры с холодной стороной 19b регенератора.
Таким образом, когда поршень поднимается, сжимаемый газ вытесняется из первой камеры 81 через циркуляционный зазор 24, регенератор 19 и каналы 25 в направлении второй холодной камеры 82. Когда поршень, наоборот, опускается, сжимаемый газ вытесняется из второй холодной камеры 82 через каналы 25, регенератор 19 и циркуляционный зазор 24 в направлении первой камеры 81.
Работа компрессора обеспечивается возвратно-поступательным перемещением поршня 71 между нижней мертвой точкой НМТ и верхней мертвой точкой ВМТ, а также действием впускного клапана 41 на входе, выпускного обратного клапана 42 на выходе. Различные этапы А, В, С, D описаны ниже со ссылками на фиг. 6 и 7.
Этап А.
Поршень, который сначала находится вверху, перемещается вниз, и объем первой камеры 81 увеличивается, тогда как объем второй камеры 82 уменьшается. За счет этого текучая среда выталкивается через регенератор 19 снизу вверх и при прохождении нагревается. Соответственно повышается давление Pw.
Этап В.
Когда давление Pw превышает определенное значение, выпускной клапан 42 открывается, и давление Pw становится равным выходному давлению Р2 сжимаемой текучей среды, и часть текучей среды выталкивается в сторону выхода (разумеется, в течение этого времени впускной клапан 41 остается закрытым). Это продолжается до нижней мертвой точки поршня.
Этап С.
Теперь поршень перемещается снизу вверх, и объем второй камеры увеличивается, тогда как объем первой камеры уменьшается. За счет этого текучая среда выталкивается через регенератор 19 сверху вниз и при прохождении охлаждается. Соответственно понижается давление Pw. В начале подъема выпускной клапан 42 закрывается.
Этап D.
Когда давление Pw становится ниже определенного значения, впускной клапан 41 открывается, и давление Pw становится равным входному давлению Р1 текучей среды, и текучая среда засасывается через вход (разумеется, выпускной клапан 42 в течение этого времени остается закрытым). Это продолжается до верхней мертвой точки поршня. Впускной клапан 41 закрывается, как только поршень начинает опускаться.
Движениями штока 18 управляет устройство 14 автоматического привода, действующее на конец штока. Это устройство автоматического привода содержит маховик 142, установленный с возможностью вращения вокруг оси Y1, шатун 141, соединенный с указанным маховиком через поворотную связь, например, шарикоподшипник 143. Шатун 141 соединен со штоком через другую поворотную связь, например, шарикоподшипник 144.
Вспомогательная камера 88 заполнена газообразной рабочей текучей средой при давлении Ра. Когда устройство работает, давление Ра во вспомогательной камере приводится к среднему давлению, по существу равному половине суммы минимального Р1 и максимального Р2 давлений. Действительно, с учетом уменьшенного функционального зазора между втулкой 118 и штоком 18 в динамическом режиме эта незначительная утечка не мешает работе и остается ничтожной.
Когда маховик совершает один оборот, поршень проходит через объем, соответствующий расстоянию между верхней мертвой точкой и нижней мертвой точкой, умноженному на диаметр D1.
Термодинамический цикл, показанный на фиг. 7, обеспечивает положительную работу для устройства автоматического привода.
Однако для первоначального запуска и для нужд регулирования скорости вращения предусмотрен двигатель 17, связанный с маховиком 142.
Этот двигатель предпочтительно может быть установлен во вспомогательной камере 88 или снаружи при магнитной связи со стенкой.
Двигателем 17 управляет блок регулирования, не показанный на фигурах; управление двигателем позволяет повышать или понижать скорость вращения маховика, при этом обмениваемые тепловые потоки почти пропорционально связаны со скоростью вращения маховика. Благодаря двигателю 17, блок регулирования может корректировать скорость вращения, как правило, в пределах от 100 об/мин до 500 об/мин, предпочтительно в диапазоне [200-300 об/мин].
Следует также отметить, что двигатель 17 служит для запуска устройства 14 автоматического привода.
Отмечается, что поршень 71 не является поршнем-потребителем мощности (в отличие от двигателя внутреннего сгорания или двигателя Стирлинга), а просто является вытесняющим поршнем; мощность получают в виде повышения давления рабочего газа.
Следует отметить, что V1 + V2 + Vканалов = Vобщий, если абстрагироваться от изменений объема штока 18, при этом V1 является объемом первой камеры, V2 является объемом второй камеры, и Vканалов является объемом каналов 24, 25. Предпочтительно стремятся уменьшить до минимума мертвый объем за счет каналов небольшого сечения, например, Vканалов < 10% от V1 + V2.
На фиг. 8 представлен дополнительный отличительный признак, то есть трехступенчатая конфигурация сжатия, иначе говоря три устройства сжатия U1, U2, U3.
Вторая ступень U2 и третья ступень U3 аналогичны или подобны первой ступени U1; каждая из них содержит горелку 12, 13, где происходит сгорание газа. смешиваемого с поступающим воздухом, и вытесняющий поршень 72, 73, которые аналогичны таким же элементам первой ступени и движение и скорость вращения которых не зависят от первой ступени.
Предпочтительно ступени работают независимо друг от друга, и скорость вращения может отличаться от одной ступени к другой.
Можно отметить, что контур обогрева охлаждает три холодные зоны компрессоров через последовательные каналы 93, 92 и 91.
Выход первой ступени, то есть клапан 42, соединен с входом второй ступени, то есть с клапаном 43. Выход второй ступени, то есть клапан 44, соединен с входом третьей ступени, то есть с клапаном 45. Выходной клапан 46 образует общий выход компрессора 1.
Как правило, распределение давления по ступеням является следующим: впускное давление первой ступени U1 составляет порядка 20 бар, выпускное давление первой ступени (впуск второй ступени) составляет порядка 40 бар; выпускное давление второй ступени U2 (впуск третьей ступени) составляет порядка 60 бар; выход третьей ступени U2 может составлять порядка 80 бар.
Можно предусмотреть, чтобы все три холодные зоны трех ступеней U1, U2, U3 образовали единую деталь, называемую холодной головкой.
Разумеется, можно также предусмотреть конфигурацию с двумя ступенями U1, U2.
Кроме того, предусмотреть конфигурацию, в которой две ступени (или более) расположены параллельно, при этом ступени подобны описанным выше.
В целом, можно отметить, что топливо, используемое в горелке, может быть природным газом или биогазом растительного или животного происхождения, или легкими углеводородными соединениями, которые являются отходами промышленных нефтеперерабатывающих процессов.
Кроме случая горячего водоснабжения, потребность в мощности существует в случае вспомогательного помещения, которое необходимо обогреть в момент заезда временных жильцов. Представленная конфигурация позволяет выдавать более 20 кВт в течение относительно длительного времени для обогрева жилого помещения.
Как показано на фиг. 10, описанный выше тепловой компрессор 1 можно использовать в контексте схем на фиг. 1-3, разумеется, в режиме обогрева, а также за счет реверсивности в так называемом режиме кондиционирования.
В данном случае в этом режиме кондиционирования отбор тепла происходит в контуре 30 обогрева (например, на уровне подогреваемого пола), и отбираемое тепло направляется либо в контур 15, 16 горячей хозяйственно-питьевой воды, либо во внешнюю установку 4.
Этот результата можно добиться, меняя на обратную роль теплообменников 5’, 6’ испарения и конденсации на контуре 31 сжимаемого газа.
Для большей ясности четырехходовой вентиль 77, который позволяет менять направление циркуляции текучей среды на обратное, на фиг. 1-3 не показан, но принцип представлен на фиг. 10, где четырехходовой вентиль 77 имеет нормальное положение, называемое положением режима обогрева, и специальное положение, называемое положением режима кондиционирования, которое меняет ролями теплообменники 5’ и 6’, что само по себе известно.
В системе котла для упрощения некоторые компоненты не показаны, хотя они в системе могут присутствовать. В частности, речь идет о:
- расширительных емкостях на контурах 34, 30 воды,
- кранах заполнения и опорожнения контура обогрева,
2
- кранах заполнения и опорожнения контура СО,
- различных манометрах и температурных датчиках, необходимых для управления системой при помощи блока регулирования.
Обозначения контуров
30: контур обогрева
2
31: сжимаемая текучая среда СО
32: дымы сгорания
33: отвод для ГВС
34: смесь воды с этиленгликолем (обмен с наружным пространством)
35: поступающий подогретый воздух
36: специальный контур ГВС