Бездроссельная теплонасосная установка с регенеративным теплообменником

Полезная модель относится к теплотехнике и может быть использована для теплоснабжения, холодоснабжения, утилизации сбросной теплоты, трансформации температуры теплоносителя производственных и автономных объектов.
Известна бездроссельная теплонасосная установка (RU №2614133, МПК F25B 29/00), содержащая два компрессора, испаритель, конденсатор и дополнительный резервуар. Компрессоры, испаритель и конденсатор образуют один контур, по которому циркулирует рабочее тело. В испарителе и конденсаторе происходит фазовый переход рабочего тела в зависимости от давлений, создаваемых компрессорами, что позволяет осуществлять независимое регулирование температур нагрева и охлаждения. Недостатком данного устройства является невозможность переохлаждения и перегрева рабочего тела в жидком и газообразном состоянии соответственно, что может спровоцировать гидравлический удар в компрессоре и протекание теплообменных процессов за пределами испарителя или конденсатора (в трубопроводах). Следствием недостатка является снижение энергоэффективности и надежности работы бездроссельной теплонасосной установки.
Задача полезной модели - создание бездроссельной теплонасосной установки, содержащей конструктивную особенность, обеспечивающую перегрев газообразной и переохлаждение жидкой фракций рабочего тела для повышения энергоэффективности и надежности.
Для обеспечения поставленной задачи конструкция бездроссельной теплонасосной установки дополняется регенеративным теплообменником.
Принцип действия теплонасосной установки основан на отдаче и поглощении теплоты рабочим агентом «хладагентом» при периодическом переходе его из одного агрегатного состояния в другое. Данное явление описывается обратным циклом Карно.
Бездроссельная теплонасосная установка состоит из конденсатора и испарителя с теплообменными камерами, регенеративного теплообменника, медных трубок, двух компрессоров, резервуара, заполненного хладагентом, и электрозадвижки.
Конденсатор предназначен для передачи тепловой энергии от хладагента к нагреваемому объекту или к окружающей среде, а также для перехода хладагента из газообразного состояния в жидкое состояние (конденсации), процесс которого неизбежен.
Испаритель предназначен для передачи тепловой энергии от источника тепла или охлаждаемого объекта к хладагенту, а также для перехода хладагента из жидкого состояния в газообразное состояние в результате его кипения.
Медные трубки предназначены для направленного движения хладагента, а также для поддержания необходимой разности давления внутри относительно давления снаружи.
Компрессор предназначен для создания разности давления в системе до и после его места установки, увеличивая или уменьшая его.
Резервуар предназначен для хранения хладагента, периодически наполняясь или опустошаясь, в зависимости от создаваемой компрессорами разности давлений и режимов работы электрозадвижки.
Электрозадвижка предназначена для запирания или отпирания медной трубки, соединяющей дополнительный резервуар с одним из контуров.
Регенеративный теплообменник необходим для перегрева парообразного и переохлаждения жидкого хладагента, поступающего из испарителя и конденсатора соответственно.
Для обеспечения эффективности работы теплонасосной установки (ТНУ), необходим выбор оптимального режима параметров (ТНУ) ее работы. Для определения оптимального режима необходимо выполнение ряда лабораторных исследований. Изменение параметров ТНУ требует изменения конструктивных особенностей (изменение массы хладагента, замена компрессора, замена дросселя, изменение числа рядов трубок в теплообменниках), что приводит к нецелесообразности применения ТНУ в условиях широкого изменения температур (например, резко-континентальный климат). Кроме того, оптимизация параметров одного из контуров (нагрева или охлаждения) приводит к зависимому изменению параметров другого контура, что приводит к невозможности подстройки ТНУ к оптимальной работе при изменении температур источника и потребителя тепловой энергии.
Сущность полезной модели поясняется схемой установки, представленной на чертеже (Фиг. 1.)
Полезная модель состоит из двух компрессоров 1, обеспечивающих перемещение заданных масс хладагента из зоны нагрева в зону охлаждения и обратно. Контур охлаждения включает в себя испаритель 3, представляющий теплообменник. С другой стороны установки расположен контур нагрева с конденсатором 2, представляющим из себя теплообменник. Для перегрева паров и переохлаждения жидкости между контурами нагрева и охлаждения установлен регенеративный теплообменник 4. К медной трубке, со стороны контура нагрева между регенеративным теплообменником 4 и компрессором 1 через электрозадвижку 6 подсоединен дополнительный резервуар 5, содержащий в себе хладагент.
Принцип работы бездроссельной ТНУ заключается в создании требуемых давлений хладагента в конденсаторе 2 и испарителе 3, для обеспечения регулирования температур нагрева и охлаждения, с возможностью регулирования мощности посредством изменения скорости перемещения хладагента производительностью компрессоров 1. Для повышения эффективности работы бездроссельной ТНУ используется регенеративный теплообменник 4, перегревающий пар и переохлаждающий жидкость. Для обеспечения стабильности регулирования параметров бездроссельной ТНУ в условиях постоянства внутреннего объема предусмотрен резервуар 5, сообщающийся с контуром ТНУ посредством электрозадвижки 6, что позволяет вытеснить лишнюю массу хладагента их ТНУ в резервуар 5 или компенсировать недостаток массы хладагента в ТНУ из резервуара 5.
Так, например, для увеличения температуры нагрева и/или снижения температуры охлаждения необходимо увеличить давление в конденсаторе 2 посредством открывания электрозадвижки 6 и увеличением производительности компрессора 1 между регенеративным теплообменником 4 и испарителем 3 и/или снижением производительности компрессора 1 между регенеративным теплообменником 4 и конденсатором 2. Таким образом, из резервуара 5 будет добавлена необходимая масса хладагента. При достижении требуемой массы хладагента в контуре бездроссельной ТНУ (с учетом требуемой докачки высвободившегося из резервуара 5 объема хладагента, давления в испарителе 3 и конденсаторе 2), необходимо закрыть электрозадвижку 6 и сравнять производительности компрессоров 1 до номинального значения после выравнивания давлений в испарителе 3 и конденсаторе 2 до начального уровня.
Для уменьшения температуры нагрева и/или снижения температуры охлаждения необходимо снизить давление в конденсаторе 2 посредством открывания электрозадвижки 6 и уменьшением производительности компрессора 1 между регенеративным теплообменником 4 и испарителем 3 и/или увеличением производительности компрессора 1 между регенеративным теплообменником 4 и конденсатором 2. Таким образом, в резервуар 5 будет удалена необходимая масса хладагента. При достижении требуемой массы хладагента в контуре бездроссельной ТНУ (с учетом требуемого удаления избыточной массы хладагента в резервуар 5, давления в испарителе 3 и конденсаторе 2), необходимо закрыть электрозадвижку 6 и сравнять производительности компрессоров 1 до номинального значения после выравнивания давлений в испарителе 3 и конденсаторе 2 до начального уровня.
Температурные параметры контура охлаждения (испаритель 3) и контура охлаждения (конденсатор 2) при закрытой электрозадвижке 6 регулируются зависимо друг от друга посредством изменения разности давлений в испарителе 3 и конденсаторе 2 за счет кратковременного изменения производительностей компрессоров 1 с последующим согласованием их производительностей по массе хладагента.
Использование полезной модели позволяет осуществлять нагрев и охлаждение газов, жидкостей и твердых тел, а также осушение воздуха и утилизацию теплоты с возможностью независимого регулирования температурных параметров контура нагрева и контура охлаждения с обеспечением оптимальной работы за счет применения регенеративного теплообменника. Использование бездроссельной теплонасосной установки с двумя компрессорами, регенеративным теплообменником и дополнительным резервуаром с хладагентом позволит расширить область применения таких систем в условиях континентального и резко континентального климата, где температура варьируется от -35 до+35 градусов Цельсия, и использование уже известных конструкций теплонасосных установок является экономически не оправданным. Установку подобного типа можно применять непосредственно во всех помещениях, где необходимо поддержание температуры на требуемом уровне без каких-либо малейших колебаний, связанных с изменением температурных параметров окружающей среды. Это позволит снизить затраты на нагрев, охлаждение, осушение и утилизацию теплоты, и повысить качественные показатели хранимой продукции, условий труда, а также места отдыха людей и животных.