ТЕПЛОВОЙ НАСОС

Полезная модель относится к области теплотехники, а именно к области парокомпрессионных холодильных и теплонасосных установок и может найти применение в системах вентиляции и кондиционирования воздуха различных помещений.
Известен тепловой насос, содержащий отделитель жидкости и последовательно включенные в замкнутый контур циркуляции хладагента компрессор с форсунками, конденсатор, терморегулирующий вентиль и испаритель, причем жидкостная полость отделителя жидкости подключена через бустерный насос жидкостным трубопроводом к форсункам компрессора (RU 2018064 C1, 15.08.1994).
При эксплуатации теплового насоса с парокомпрессионным циклом работы следует учитывать, что окружающая среда не всегда обладает бесконечной теплоемкостью. Во время работы теплового насоса максимальная потребность в генерации тепла приходится на минимум температуры окружающего воздуха, который в некоторых случаях является источником низкопотенциального тепла. Поэтому для местностей с резкими сезонными перепадами температуры более предпочтительны грунтовые источники теплоты. При этом из-за ограниченной теплопроводности грунта может происходить вымораживание источника.
Одним из способов увеличения теплогенерации является увеличение массового расхода хладагента через компрессор. Для этого применяются специальные инверторные компрессоры с изменяемым числом оборотов.
Недостатком указанной схемы является то, что при ограниченном тепловом потоке от источника тепла дополнительное количество хладагента не будет успевать полностью, испариться в испарителе.
Другим недостатком является высокая температура нагнетания, способствующая разложению хладагента и образованию масляного нагара, который будет вызывать преждевременный износ деталей компрессора.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является снижение температуры нагнетания, увеличение отопительного коэффициента теплового насоса с применением компрессора с дополнительным портом инжекции.
Технический результат заключается в снижении энергопотребления теплового насоса во всем диапазоне изменения температуры окружающей среды и повышении надежности и долговечности теплового насоса в целом.
Поставленная задача решается и технический результат достигается за счет того, что тепловой насос содержит отделитель жидкости и последовательно включенные в замкнутый контур циркуляции хладагента компрессор с форсунками, конденсатор, терморегулирующий вентиль и испаритель, причем жидкостная полость отделителя жидкости подключена через бустерный насос жидкостным трубопроводом к форсункам компрессора. При этом новым является то, что, он снабжен приводом бустерного насоса с регулятором скорости вращения, выполненным в виде блока порошковых электромагнитных муфт, и регулятора температуры с датчиком температуры, установленным в линии нагнетания компрессора, причем регулятор температуры содержит блок сравнения и блок задания, при этом блок сравнения соединен с входом электронного усилителя, оборудованного блоком нелинейной обратной связи, кроме того, выход электронного усилителя соединен с входом магнитного усилителя с выпрямителем, выход которого подключен к регулятору скорости вращения привода бустерного насоса, причем отделитель жидкости установлен после конденсатора, а форсунки выполнены с низкой дисперсностью распыляемого факела и высокой скоростью впрыска.
Выполнение привода бустерного насоса с регулятором скорости вращения, выполненным в виде блока порошковых электромагнитных муфт и регулятора температуры с датчиком температуры, установленным в линии нагнетания компрессора, приводит к увеличению массового расхода хладагента через компрессор, что повышает теплогенерацию теплового насоса.
Выполнение форсунок с низкой дисперсностью распыляемого факела и высокой скоростью впрыска позволяет улучшить теплообмен со сжимаемым в компрессоре газом.
На фиг.1 показана схема теплового насоса.
На фиг.2 - диаграмма цикла работы теплового насоса.
Тепловой насос содержит отделитель 1 жидкости и последовательно включенные в замкнутый контур циркуляции хладагента компрессор 2 с форсунками 3, конденсатор 4, терморегулирующий вентиль 5 и испаритель 6, причем жидкостная полость 7 отделителя 1 жидкости подключена через бустерный насос 8 жидкостным трубопроводом 9 к форсункам 3 компрессора 2. Тепловой насос снабжен приводом 10 бустерного насоса 8 с регулятором 11 скорости вращения, выполненным в виде блока порошковых электромагнитных муфт, и регулятором 12 температуры с датчиком 13 температуры, установленным в линии 14 нагнетания компрессора 2, причем регулятор 12 температуры содержит блок 15 сравнения, к которому подключен блок 16 задания и датчик 13 температуры. Выход блока 15 сравнения соединен с входом электронного усилителя 17, оборудованного блоком 18 нелинейной обратной связи. Выход электронного усилителя 17 соединен с входом магнитного усилителя 19 с выпрямителем, выход которого подключен к регулятору 11 скорости вращения привода 10 бустерного насоса 8, при этом отделитель 1 жидкости установлен после конденсатора 4, а форсунки 3 выполнены с низкой дисперсностью распыляемого факела и высокой скоростью впрыска. На выходе испарителя 6 также установлен датчик 20 температуры, сообщенный линией связи с терморегулирующим вентилем 5.
Тепловой насос работает следующим образом.
Хладагент, сжатый в компрессоре 2 до необходимого давления и температуры, подается в линию 14 нагнетания компрессора 2, откуда он поступает на охлаждение в конденсатор 4, в котором охлаждается, отдавая тепло проходящей охлаждающей среде, например воздуху или воде. При этом в конденсаторе 4 образуется двухфазная газожидкостная смесь, которая поступает в отделитель 1 жидкости. Из отделителя 1 жидкости одна часть потока хладагента направляется на дросселирование в терморегулирующий вентиль 5 и в испаритель 6, а другая часть потока хладагента отбирается и сжимается бустерным насосом 8 и подается по жидкостному трубопроводу 9 к форсункам 3 в порт инжекции компрессора 2. За счет бустерного насоса 8 жидкость в компрессор 2 через форсунки 3 может подаваться с давлением, превышающим давление нагнетания компрессора 2. При этом снижается температура нагнетания и увеличивается эффективность работы компрессора, увеличивается массовый расход хладагента и повышается теплогенерация.
Сжатие хладагента в компрессоре теплового насоса происходит совместно с подачей жидкого хладагента в полость сжатия. Процесс впрыска хладагента происходит импульсно (многократно в процессе сжатия) и для распыливания применяются форсунки 3, аналогичные используемым в двигателях внутреннего сгорания или как описано в патенте RU 2301710, с высокой скоростью и низкой дисперсностью факела. Это позволяет улучшить теплообмен со сжимаемым в компрессоре газом, уменьшить работу компрессора и температуру нагнетания.
Низкая дисперсность потока увеличивает поверхность теплообмена между каплями жидкого хладагента и сжимаемым газом, что уменьшает время их испарения. При попадании на стенки полости сжатия, такие капли не приводят к срыву масляной пленки после их вскипания на поверхности. Высокая скорость впрыска позволяет реализовать сжатие в полости компрессора 2, близкое к линии насыщения. На фиг.2 цикл без распыливания фреона в полости сжатия компрессора обозначен цифрами 1-2-3-4. Многократный импульсный распыл жидкого хладагента в процессе сжатия позволяет вести процесс по линии 4-1', близкой к линии насыщения. Массовый расход хладагента через форсунки 3 зависит от перепада давления на ней и частоты открытия форсунки 3, которая регулируется в зависимости от температуры нагнетания. При ее повышении частота и давление увеличивается, и большее количество хладагента поступает в полость сжатия, что приводит к уменьшению температуры нагнетания.
Для обеспечения необходимого перепада давления на форсунке применяется привод 10 бустерного насоса 8 с регулятором 11 скорости вращения, выполненным в виде блока порошковых электромагнитных муфт и регулятора 12 температуры с датчиком 13 температуры, установленным в линии 14 нагнетания компрессора 2. При превышении температуры в линии 14 нагнетания компрессора 2 от заданной, сигнал датчика 13 температуры становится большим сигнала блока 16 задания, и на выходе блока 15 сравнения появляется сигнал отрицательной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 17. Сюда поступает и сигнал отрицательной обратной связи с блока 18, который вычитается из сигнала блока 15 сравнения. За счет этого в усилителе 17 компенсируется нелинейность характеристики бустерного насоса 8. Сигнал с выхода электронного усилителя 17 поступает на вход магнитного усилителя 19, где он усиливается по мощности, выпрямляется и поступает на обмотку блока 11 порошковых электромагнитных муфт бустерного насоса 8, вызывая увеличение тока возбуждения на выходе магнитного усилителя 19, тем самым увеличивая частоту вращения бустерного насоса 8 и давление на выходе из него.