СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗМОРАЖИВАНИЯ ИСПАРИТЕЛЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К УСТАНОВКЕ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА
METHOD AND DEVICE FOR DEFROSTING EVAPORATOR RELATING TO FOR AIR CONDITIONING UNIT

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для размораживания испарителя в устройстве теплового насоса применительно к установке кондиционирования воздуха, причем указанная установка кондиционирования воздуха использует регенерацию тепла энергии от отработанного воздуха, например, в здании.
Предпосылки создания изобретения
В области кондиционирования воздуха общепринятой практикой является оборудовать установку кондиционирования воздуха каким-либо устройством регенерации тепла с целью регенерации энергии от отработанного воздуха и передачи этой энергии приточному воздуху в случае, когда требуется нагрев приточного воздуха. Напротив, охлаждение приточного воздуха в случае, когда отработанный воздух холоднее наружного воздуха, также является распространенной задачей устройства регенерации тепла. Независимо от типа регенерации тепла, распространенным является наличие какого-либо устройства дополнительной обработки приточного воздуха, например, нагревательного элемента и/или охлаждающего змеевика, для регулирования температуры приточного воздуха до нужного значения, так называемой контрольной точки, независимо от наружной температуры.
Современный уровень техники предлагает также решения для теплового насоса применительно к установкам кондиционирования воздуха, которые называются, например, тепловые насосы, охлаждающие устройства и тому подобное, в зависимости от того, является ли основной функцией нагрев, охлаждение или регенерация тепла. На практике тепловой насос соединяется с установкой кондиционирования воздуха или располагается внутри нее, причем указанный тепловой насос включает контур циркуляции хладагента с определенной теплообменной средой, испаритель, конденсатор, а также компрессор и расширительный клапан. Тепловой насос может включать в конструкцию так называемый контур циркуляции холодильного агента с обратным ходом, что означает, что многоходовой клапан может, при необходимости, менять направление движения потока холодильного агента на противоположное по сравнению с нормальным направлением потока. Применительно к установке кондиционирования воздуха один так называемый змеевик непосредственного охлаждения (DX змеевик) располагается в приточном воздухе и один змеевик непосредственного охлаждения (DX змеевик) - в отработанном воздухе, то есть, в воздухе, выпускаемом в направлении движения потока после теплообменника, следовательно, в воздухе, готовом для выпуска наружу. Указанные змеевики непосредственного охлаждения (DX змеевики) представляют собой испаритель и конденсатор, в зависимости от направления движения потока, в котором холодильный агент накачивается в систему. Змеевики непосредственного охлаждения (DX змеевики) обычно состоят из нескольких медных трубок с алюминиевыми охлаждающими ребрами, так что холодильный агент проходит через медные трубки, при этом тепло выделяется или поглощается посредством теплообмена с окружающим воздухом, проходящим через DX змеевик. Алюминиевые охлаждающие ребра увеличивают площадь поверхности теплопередачи DX змеевика.
Основная функция теплового насоса состоит в том, чтобы теплосодержание среды, такой как воздух, перемещалось из места, где тепло можно собрать, в другое место, где это тепло требуется и где оно может выделяться. В процессе работы теплового насоса холодильный агент системы переносится из места с высоким давлением в место со значительно более низким давлением, проходя через расширительный клапан, что также означает, что температура холодильного агента резко падает. Затем холодильный агент поступает в испаритель, где он испаряется благодаря поглощению тепла из окружающей среды, такой как наружный воздух, или, как в данном случае, из отработанного \ выпускаемого воздуха из блока кондиционирования воздуха. Затем поток проходит через компрессор, где он сжимается, чтобы опять приобрести высокое давление, причем температура во время сжатия повышается, и в большинстве случаев тепло компрессора регенерируется и передается холодильному агенту. Затем холодильный агент направляется, в виде нагретого потока высокого давления, на конденсатор, где указанный поток высокого давления конденсируется и становится жидким. Во время этого процесса конденсатор выделяет тепло, и это тепло, наряду с теплом компрессора, используется для нагревания той части, которая нуждается в нагреве. Затем холодильный агент подается на расширительный клапан, и цикл работы теплового насоса таким образом завершается. Когда контур циркуляции используется для охлаждения в установке кондиционирования воздуха, процесс протекает в обратном порядке, то есть холодильный агент подается в другом направлении внутри системы, в которой один змеевик непосредственного охлаждения (DX змеевик), так сказать, сменяет другой, так что испарение осуществляется в приточный воздух, который затем охлаждается, в то время как конденсация происходит в отработанный \ выпускаемый воздух.
Когда указанные системы находятся в рабочем состоянии, периодически возникает необходимость размораживания испарителя, так как испаряющая сторона змеевика непосредственного охлаждения (DX змеевика) быстро охлаждается, как из-за самого процесса испарения, с очень холодным холодильным агентом в испарителе, так и по причине того, что испаритель подвергается действию холодного и часто влажного воздуха, который проходит через испаритель \ DX змеевик. Это особенно проявляется в случае нагревания, то есть, когда тепло поглощается из отработанного \ выпускаемого воздуха и переносится в приточный воздух с целью его нагрева. Результатом вышесказанного является то, что в испарителе может происходить сильное обледенение, если не производить размораживание. Довольно широко распространено использование теплового насоса, работающего в режиме охлаждения, применительно к установке кондиционирования воздуха, а иногда также когда установка имеет теплообменное устройство. В силу вышеописанных проблем обледенения не существует решений, сочетающих теплообменные устройства и тепловой насос, используемых для нагревания и имеющих эффективную и полезную технологию размораживания, так как пока нет достаточно хорошей технологии размораживания испарителя. Это требует слишком больших энергетических затрат, при этом температура приточного воздуха колеблется вследствие размораживания (охлаждение приточного воздуха во время размораживания вместо требуемого нагревания). Так как установка кондиционирования воздуха включает теплообменник, который путем нагрева регулируется с целью максимальной регенерации тепла из отработанного воздуха, это означает, что температура после регенерации тепла и перед испарителем низкая. Этот факт, а также наличие холодного холодильного агента внутри испарителя увеличивают риск образования льда на испарителе, что может вызвать сильное обледенение, как указывалось выше. В соответствии с традиционными способами, используемыми в большинстве типов тепловых насосов, размораживание производится путем запуска с обратным ходом контура циркуляции холодильного агента с использованием многоходового клапана или подобного ему устройства в контуре циркуляции, причем указанный клапан, при поступлении запроса на размораживание, меняет направление движения потока холодильного агента, при этом теплый холодильный агент направляется на испаритель вместо конденсатора в течение времени, необходимого для таяния льда, и таким образом змеевик непосредственного охлаждения (DX змеевик) нагревается изнутри с помощью холодильного агента. Контроль за указанным процессом осуществляется либо с помощью таймера, регулирующего последовательность размораживания, причем эта последовательность повторяется в соответствии с заранее заданными интервалами, либо с помощью защитного устройства, показывающего, когда появляется обледенение, после чего начинается процесс размораживания. В указанных случаях размораживание осуществляется по принципу «включить \ выключить», то есть размораживание либо идет, либо нет, причем размораживание продолжается в течение заранее определенного времени или до тех пор, пока система не пошлет сигнал, что льда больше нет.
В других вариантах применения тепловых насосов, например в традиционном подогревателе или охладителе воздуха, испаритель располагается отдельно за пределами помещения, например, на крыше или на стене. Испаритель в этих устройствах часто оборудован вентилятором, который продувает или всасывает воздух через испаритель. Во время размораживания циркуляция идет в обратном направлении, когда вентилятор выключен, чтобы не увеличивать цикл размораживания, если окружающий воздух холодный. Существуют другие условия с точки зрения вентиляции, когда вентиляторы для кондиционирования воздуха должны работать непрерывно, даже во время размораживания испарителя, в силу требований к вентиляции. Это влияет на продолжительность цикла размораживания, который увеличивается, при этом здание, в котором используется установка кондиционирования воздуха, должно вентилироваться и во время цикла размораживания. Чем дольше продолжается цикл размораживания, тем больше энергии теряется, при этом приточный воздух становится холоднее, и эта проблема ведет к тому, что тепловые насосы редко используются для нагревания приточного воздуха. Однако, охлаждение с помощью теплового насоса является распространенным явлением,. как указывалось выше, так как испаритель настраивается таким образом, чтобы температура никогда не снижалась ниже, например, 15 градусов Цельсия, так как редко нужна температура приточного воздуха ниже этой.
Когда установка кондиционирования воздуха с тепловым насосом работает в режиме нагревания, то есть в холодное время года, постоянно существует необходимость размораживания во время работы. Что касается приточного воздуха в условиях использования вентиляции, существует еще один недостаток, упомянутый выше, а именно, требования к температуре приточного воздуха, что не является проблемой в других тепловых насосах, установленных на нагревание, где нет требований к вентиляции. В случае использования режима обратного хода в качестве техники размораживания соответствующий змеевик непосредственного охлаждения (DX змеевик) меняется, по крайней мере иногда, с испарителя на конденсатор и наоборот. Змеевик непосредственного охлаждения (DX змеевик), находящийся в приточном воздухе после теплообменника, обычно в случае нагревания является последним нагревательным прибором для нагревания приточного воздуха до нужного значения, после того как теплообменник перенес тепло приточному воздуху. Змеевик непосредственного охлаждения (DX змеевик) приточного воздуха представляет собой конденсатор в случае нагревания, но в случае размораживания испарителя (в выпускаемом воздухе) при режиме с обратным ходом, указанный DX змеевик приточного воздуха становится холодной стороной. В случае, когда вентиляцию нельзя отключить, это означает, что приточный воздух периодически охлаждается, несмотря на необходимость тепла. Температуру приточного воздуха нельзя поддерживать постоянной кроме как путем установки дополнительной батареи нагрева в приточном воздухе. Таким образом, желательно свести к минимуму время размораживания в силу вышеуказанных проблем, связанных с вентиляцией.
Проблема существующего уровня техники заключается в том, что размораживание занимает много времени. В то время как контролируемое размораживание происходит односторонне, с внутренней стороны испарителя путем нагревания холодильного агента. Кроме того, регенерация тепла происходит параллельно с размораживанием, что приводит к охлаждению воздуха, проходящего через испаритель, и, следовательно к увеличению времени размораживания, при этом вентиляторы приточного воздуха и отработанного воздуха должны работать непрерывно.
Краткое описание изобретения
Задачей настоящего изобретения является решение вышеуказанных проблем, причем первым аспектом изобретения является способ размораживания испарителя путем его нагревания одновременно изнутри и снаружи. Это достигается путем повышения температуры холодильного агента, проходящего через испаритель, и таким образом нагревающего испаритель изнутри, при одновременной регуляции в сторону уменьшения устройства регенерации тепла в установке кондиционирования воздуха. При сокращении регенерации тепла во время размораживания температура воздуха после теплообменника растет, то есть перед испарителем, и воздух, проходящий через испаритель, нагревает его снаружи. В предложенном способе время размораживания сокращается по сравнению с предшествующими решениями, использующими одностороннее размораживание, при этом достигается более стабильная температура приточного воздуха, так как размораживание, при желании, может происходить ранее на стадии замерзания, а также более короткими циклами для достижения более однородной температуры приточного воздуха.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, температура холодильного агента повышается во время размораживания посредством того, что тепловой насос работает в режиме с обратным ходом, то есть холодильный агент накачивается в систему в направлении, противоположном по сравнению с нормальным направлением для режима нагревания. Это осуществляется с помощью четырехходового клапана, который переключает направление потока таким образом, что нагретый поток высокого давления после компрессора направляется на испаритель вместо конденсатора, без прохождения через расширительный клапан. Таким образом, испаритель, то есть змеевик непосредственного охлаждения (DX змеевик) в первом воздушном потоке нагревается как изнутри нагретым холодильным агентом, так и снаружи посредством регуляции в сторону уменьшения устройства регенерации тепла, что позволяет нагревать первый воздушный поток выше обычного, выше чем в рабочем режиме, вызывающем замораживание испарителя. Это значительно сокращает время размораживания по сравнению с предыдущими решениями.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления изобретения, контур циркуляции холодильного агента включает так называемый клапан горячего газа, который расположен по ходу движения потока после компрессора как обводной трубопровод для трубы для подачи холодильного агента после расширительного клапана. С помощью этого клапана становится возможным посылать нагретый поток высокого давления после компрессора сразу на испаритель, без прохождения через расширительный клапан или четырехходового клапана. С помощью указанного клапана горячего газа весь поток или его часть направляется в испаритель и, где это целесообразно, оставшаяся часть направляется через четырехходовый клапан на конденсатор, как обычно. Поток нагретого горячего газа, который направляется непосредственно на испаритель, нагревает его изнутри, в то время как устройство регенерации тепла регулируется в сторону уменьшения и обеспечивает нагревание снаружи трубок испарителя.
В вышеуказанном предпочтительном варианте осуществления изобретения энергия со временем будет состоять только из подаваемого компрессором тепла. В соответствии с дальнейшим предпочтительным вариантом осуществления изобретения, к вышеуказанному факту добавляется то обстоятельство, что скорость компрессора увеличивается, в то время как клапан горячего воздуха открывается ограниченно. Это повышает температуру испарителя в достаточной мере для того, чтобы прекратить обледенение и растопить лед, при этом приточный воздух нагревается, и температура этого проточного воздуха является более стабильной, чем при традиционном двустороннем режиме работы, при котором конденсатор прекращает нагревать приточный воздух во время размораживания. При использовании настоящего способа конденсатор продолжает подавать тепло даже во время размораживания.
Альтернативный способ достижения повышения температуры холодильного агента во время размораживания заключается в том, что снижается охлаждающая способность путем снижения скорости работы компрессора, так что снижается охлаждающая способность испарителя. Таким способом температура холодильного агента, проходящего через испаритель, повышается, и в сочетании с регуляцией в сторону уменьшения устройства регенерации тепла, как указывалось выше, достигается двойное размораживание, как изнутри, так и снаружи.
Для того чтобы определить наиболее подходящий способ регулирования процесса размораживания любым из перечисленных выше способов, чтобы достичь двустороннего размораживания испарителя, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, температура измеряется на участке между устройством регенерации тепла и испарителем. В зависимости от этой температуры размораживание регулируется таким образом, чтобы, например, пустить циркуляцию холодильного агента в обратном направлении через четырехходовый клапан, то есть, направить горячий газ на испаритель вместо конденсатора, или, в качестве альтернативы, направить часть горячего газа на испаритель и конденсатор, соответственно, или уменьшить охлаждающую способность испарителя путем регуляции в сторону уменьшения скорости работы компрессора, или, если установка включает клапан горячего воздуха, направить весь горячий воздух или его часть на испаритель и конденсатор, соответственно. Регулирование температуры в сочетании с установкой двух клапанов - четырехходового клапана и клапана горячего газа - обеспечивает особенно хорошую гибкость при выборе способа размораживания, что не было достигнуто на предыдущем уровне техники в области вентиляции.
В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения, тепловой насос включает также резервуар и еще один расширительный клапан, расположенные между первым расширительным клапаном и конденсатором. Предпочтительно, чтобы оба расширительных клапана были электронными и, следовательно, легко регулируемыми. Первый расширительный клапан регулирует циркуляцию потока холодильного агента на испаритель, а второй расширительный клапан регулирует уровень холодильного агента в резервуаре, чтобы во взаимодействии с первым клапаном получить регулируемый перегрев. Перегрев определяется путем измерения давления до компрессора, а затем определяется теоретическая температура холодильного агента, а также измеряется поверхностная температура трубы, перед компрессором. Теоретическая температура сравнивается с измеренной температурой трубы, и разница между ними определяется как перегрев. Если перегрев ниже установленной так называемой контрольной точки, то второй расширительный клапан слегка тормозит впуск потока холодильного агента, что ведет к усилению перегрева. Если, наоборот, перегрев выше контрольной точки, то второй расширительный клапан слегка приоткрывается, и перегрев снижается. Резервуар действует как буфер для холодильного агента, когда потребление \ потребность в холодильном агенте варьируется для разных температур. Преимуществом теплового насоса, включающего резервуар и второй расширительный клапан, помимо непосредственного буферного регулирования холодильного агента в резервуаре, является то, перегрев может регулироваться в зависимости от того, какой из вышеперечисленных способов размораживания используется. Таким способом достигается регулируемое количество холодильного агента для рабочего режима, а также сбалансированное противодавление в конденсаторе также при частичной нагрузке компрессора. Во всех случаях выполняется концепция настоящего изобретения - размораживание испарителя с двух сторон - с помощью нагретого холодильного агента и нагретого отработанного \ выпускаемого воздуха.
Альтернативой регулированию перегрева в соответствии с любым из вышеперечисленных способов размораживания является, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, использование перегрева в целях размораживания. Путем регуляции в сторону уменьшения скорости работы компрессора и при условии, что, первый расширительный клапан тормозит впуск потока холодильного агента, перегрев увеличивается. Этот процесс успешно используется для проведения быстрых и коротких циклов размораживания предпочтительно на ранней стадии обледенения испарителя. Увеличенный перегрев ведет к нагреванию холодильного агента в испарителе, при этом размораживание происходит изнутри испарителя, а в сочетании с уменьшенной регенерацией тепла размораживание испарителя происходит снаружи из-за немного повышенной температуры воздуха после регенерации тепла. Такой тип работы теплового насоса в сопряжении с вентиляционной системой не был ранее известен, и это дает много преимуществ по сравнению с традиционной техникой, так как техника размораживания становится более гибкой, чем в более ранних решениях, что связано с количеством расширительных клапанов, наличием резервуара для холодильного агента и возможностью регулировать размораживание, например, с помощью быстрых и коротких циклов размораживания на ранней стадии обледенения, то есть путем повышения перегрева, или в сочетании с другими вышеописанными способами достижения двухстороннего размораживания.
Второй аспект настоящего изобретения заключается в том, что цель изобретения достигается с помощью устройства, тип которого определен в начале, причем особенность этого устройства заключается а том, что тепловой насос содержит клапан горячего газа, располагающийся за компрессором, если смотреть по направлению движения потока холодильного агента. Тот факт, что указанное устройство содержит клапан горячего газа, делает возможным, в отличие от традиционного применения с движением полного потока в обратном направлении, направлять теплый поток высокого давления непосредственно на испаритель с целью размораживания последнего, без прохождения потока через расширительный клапан. Через клапан горячего газа весь поток или его часть направляется на испаритель и, где это целесообразно, остальная часть направляется через четырехходовый клапан на конденсатор, как обычно. Определенное количество нагретого потока высокого давления, которое направляется непосредственно на испаритель, нагревает его изнутри, в то время как теплообменник регулируется в сторону уменьшения и обеспечивает нагревание внешней стороны трубок испарителя, посредством чего достигается цель изобретения. Используя преимущество того, что можно направить часть нагретого потока высокого давления через клапан горячего газа на испаритель, а остальную часть направить на конденсатор через четырехходовый клапан, можно нагревать входящий воздух с помощью энергии конденсатора, несмотря на процесс размораживания испарителя. Такой возможности не существовало в более ранних применениях, так как только режим работы с обратным ходом не позволяет этого достичь. Результатом возможности нагревания входящего воздуха с помощью энергии конденсатора является то, что температура приточного воздуха в целом гораздо более стабильна, так как конденсатор, так сказать, не становится «холодной стороной» во время размораживания, как было в более ранних решениях.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего устройства, тепловой насос включает также резервуар и второй расширительный клапан, которые располагаются между первым расширительным клапаном и конденсатором. Предпочтительно, чтобы оба расширительных клапана были электронными и, следовательно, легко регулируемыми. Первый расширительный клапан регулирует циркуляцию потока холодильного агента на испаритель, а второй расширительный клапан регулирует уровень холодильного агента в резервуаре, для того чтобы во взаимодействии с первым клапаном получить регулируемое количество холодильного агента, а также сбалансированное противодавление в конденсаторе также при частичной нагрузке компрессора. Резервуар действует как буфер для холодильного агента, когда потребление \ потребность в холодильном агенте варьируется для разных температур. Преимуществом теплового насоса, включающего резервуар и второй расширительный клапан, помимо непосредственного буферного регулирования холодильного агента в резервуаре, является то, что перегрев может регулироваться в зависимости от того, какой из вышеперечисленных способов размораживания используется. Какой бы способ размораживания в соответствии с настоящим изобретением ни использовался, во всех случаях достигается хорошая гибкость и выполняется концепция настоящего изобретения - размораживание испарителя с двух сторон - с помощью нагретого холодильного агента и нагретого отработанного \ выпускаемого воздуха.
В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения, указанное устройство содержит температурный датчик, который располагается между устройством регенерации тепла и испарителем. Температура измеряется на этом участке, чтобы определить наиболее целесообразный способ размораживания в соответствии с любым из предпочтительных вариантов осуществления изобретения, и таким образом осуществить двустороннее размораживание испарителя в соответствии с требованиями и выбранным способом выполнения работы. Руководствуясь полученным значением температуры, размораживание проводится, например, в режиме обратного хода через четырехходовый клапан, то есть, когда холодильный агент направляется в обратном направлении на испаритель вместо конденсатора, или в качестве альтернативы часть холодильного агента направляется на испаритель и конденсатор, соответственно, с помощью клапана горячего газа, или снижается охлаждающая способность в испарителе путем регуляции в сторону понижения скорости работы компрессора. Температурный контроль в сочетании с возможностью одновременного включения в конструкцию четырехходового клапана и клапана горячего газа обеспечивают очень высокую гибкость при выборе способа размораживания, что было ранее невозможно в области вентиляции.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления указанного устройства тепловой насос содержит промежуточный охладитель с впрыском холодильного агента, который располагается по ходу движения потока холодильного агента перед компрессором, но после четырехходового клапана. Чтобы достичь наилучшей работы системы теплового насоса, впрыскивается как можно большее количество холодильного агента в испаритель, чтобы при этом никакое количество холодильного агента не вытекало из испарителя в виде жидкости. Кроме того, компрессор очень чувствителен к жидкости, поэтому предпочтительно использовать промежуточный охладитель с впрыском холодильного агента перед испарителем. Это обеспечивает буфер для холодильного агента для оптимизации работы, а также меры безопасности против попадания жидкости в компрессор. В силу внешних обстоятельств, то есть быстро меняющихся условий, может возникать нестабильность, которая может привести к утечке жидкости из испарителя. Это может также произойти, если, например, контур циркуляции холодильного агента переключается без остановки компрессора или при быстрой остановке вентиляционной системы. Благодаря промежуточному охладителю с впрыском холодильного агента любой жидкости, вытекающей из испарителя, преграждается доступ к компрессору. Таким способом достигается более высокая степень безопасности компрессора, а также работа в особых условиях, которые возникают в тепловых насосах для нагревания приточного воздуха в установках кондиционирования воздуха.
С помощью настоящего изобретения достигается ряд преимуществ по сравнению с решениями предшествующего уровня техники:
- Двустороннее размораживание испарителя, что обеспечивает ускорение цикла размораживания и более стабильную температуру.
- Даже во время размораживания имеется возможность непрерывно нагревать приточный воздух в установке кондиционирования воздуха через конденсатор, посредством чего температура приточного воздуха становится более стабильной.
- Значительная гибкость при выборе способа размораживания, которая достигается с помощью конфигураций, включающих четырехходовый клапан, клапан горячего газа, двойные клапаны расширения, который предпочтительно являются электронными, резервуар для регулирования и использования в качестве буфера для холодильного агента, а также возможность регулировать перегрев.
Краткое описание чертежей
На указанных ниже схематических фигурах показано следующее:
- На Фигуре показана основная схема теплового насоса в соответствии с настоящим изобретением, применительно к установке кондиционирования воздуха, включающей устройство регенерации тепла и работающей в нормальном режиме нагревания приточного воздуха.
- На Фигуре 2 показана основная схема теплового насоса в соответствии с настоящим изобретением в момент одновременного размораживания испарителя и нагревания через конденсатор с помощью, среди прочего, клапана горячего газа.
- На Фигуре 3 показана основная схема теплового насоса в соответствии с настоящим изобретением во время режима обратного хода с целью размораживания испарителя. В принципе, эта Фигура также показывает охлаждающий режим работы, когда имеется такая необходимость.
Конструкция настоящего изобретения становится очевидной из нижеследующего подробного описания приведенного в качестве примера варианта осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, которые показывают предпочтительный, но не ограничивающий вариант осуществления изобретения.
Детальное описание чертежей
На Фигуре 1 показана основная схема предпочтительного варианта осуществления изобретения теплового насоса 2 в соответствии с настоящим изобретением, представляющего собой часть установки кондиционирования воздуха 9. Следует понимать, что заданные функции могут выполняться как на одном полном модуле, так и на нескольких модулях меньшего размера, присоединяемых к установке кондиционирования воздуха 9. Кроме того, следует также упомянуть, что установка кондиционирования воздуха 9 включает и другие компоненты, не показанные на Фигурах, такие как фильтры, любые другие нагреватели и охладители, датчики. В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, показанным на Фигуре 1, первый поток воздуха 11 находится в верхней половине укомплектованной установки кондиционирования воздуха 9, и по направлению движения первого потока воздуха 11, на Фигуре справа налево, указанный первый поток воздуха 11 включает в себя отработанный воздух 18, поступающий, например, из комнаты, квартиры, и т.п. Обычно отработанный воздух 18 проходит через фильтр (не показан), прежде чем он попадает на устройство регенерации тепла 10. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, это устройство представляет собой регулируемое вращающееся устройство регенерации тепла 10. Затем указанный первый поток воздуха 11 поступает в испаритель 1, представляющий собой первый змеевик непосредственного охлаждения (DX змеевик) 29, а затем воздух поступает на вытяжной вентилятор 22, который прокачивает первый поток воздуха 11. Затем воздух покидает установку кондиционирования воздуха 9, и теперь он называется выпускаемый воздух 11, который выводится в наружный воздух за пределами здания. В нижней части установки кондиционирования воздуха 9 находится второй поток воздуха 12, а также в направлении слева направо на Фигуре показан наружный воздух 20, который нагнетается в установку кондиционирования воздуха 9. Наружный воздух 20 обычно проходит через фильтр (не показан), прежде чем он попадает на устройство регенерации тепла 10. Затем второй поток воздуха 12 попадает на конденсатор 6, который состоит из второго змеевика непосредственного охлаждения (DX змеевика) 30, а затем воздух поступает на приточный вентилятор 23, который прогоняет второй поток воздуха 12 через установку кондиционирования воздуха 9 и далее в помещения. После прохождения через приточный вентилятор 23 воздух обычно называется приточный воздух 21.
Тепловой насос 2, в свою очередь, включает систему циркуляции холодильного агента 3 с холодильным агентом 4, и при нормальном режиме работы в случае нагревания следующие компоненты включены в установку, причем все они соединены трубопроводами в нижеследующем порядке. Сначала располагается компрессор 5, за которым следует четырехходовый клапан 8 с первым впускным отверстием 24, предназначенным для притока холодильного агента 4 от компрессора 5, далее следует первое выпускное отверстие 25 для оттока холодильного агента 4 на конденсатор 6 и второе выпускное отверстие 26 для оттока холодильного агента 4 в режиме обратного хода на компрессор 5. Соответственно, между вторым выпускным отверстием 26 и компрессором 5 располагается промежуточный охладитель с впрыском холодильного агента 17, который предназначен для того, чтобы отделить появляющийся иногда холодильный агент 4 в жидком виде, так чтобы в компрессор 5 попадал только газообразный холодильный агент 4. Компрессор 5 очень чувствителен к жидкости, и чтобы достичь наилучшей работы системы, впрыскивается максимальное количество холодильного агента 4 в испаритель 1, чтобы при этом никакое количество холодильного агента 4 не вытекало из испарителя 1 в виде жидкости. В силу внешних обстоятельств, то есть быстро меняющихся условий, может возникать нестабильность, которая может привести к утечке жидкости из испарителя 1. Это может также произойти, если, например, контур циркуляции холодильного агента переключается без остановки компрессора 5. Благодаря промежуточному охладителю с впрыском холодильного агента 17, любой жидкости, вытекающей из испарителя 1, преграждается доступ к компрессору 5. За первым выпускным отверстием 25 четырехходового клапана 8 следует, как уже говорилось выше, конденсатор 6 \ второй змеевик непосредственного охлаждения (DX змеевика) 30, а далее по ходу движения потока следует расширительный клапан 15, за которым следует резервуар 14, представляющий собой буфер для холодильного агента 4 в системе холодильного агента 3. Когда холодильный контур работает в разных рабочих условиях, требуется разное количество холодильного агента 4 в системе, при этом разное количество холодильного агента 4 преобразуется в буферный раствор, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, в резервуаре 14, а не в конденсаторе 6, как это обычно происходит. Далее по направлению потока за резервуаром 14 располагается первый расширительный клапан 7, за которым следует испаритель 1 \ первый змеевик непосредственного охлаждения (DX змеевик) 29, а после этого цикл работы теплового насоса завершается путем соединения испарителя 1 со вторым впускным отверстием 27 четырехходового клапана 8. Помимо этого, существует так называемый обводной трубопровод 28 для холодильного агента 4, который предназначен для того чтобы направлять нагретый воздух высокого давления непосредственно на компрессор 5 и через клапан горячего газа 13 на испаритель 1, минуя первый расширительный клапан 7 или второй расширительный клапан 15.
Выполнение операции нагревания
В те периоды, когда в первую очередь требуется нагревание, устройство регенерации тепла 10 полностью используется для регенерации тепловой энергии из отработанного воздуха 18 с целью нагревания приточного воздуха 21. В соответствии с примером на Фигуре 2, регулируемое вращающееся устройство регенерации тепла 10 работает с максимальной скоростью для достижения максимальной регенерации тепла. Вследствие этого температура Т1 после устройства регенерации тепла 10 становится ниже, и часто также отработанный воздух 18 содержит некоторое количество влаги. Температура Т1 измеряется с помощью температурного датчика 16, который расположен после устройства регенерации тепла 10 по ходу движения первого потока воздуха 11. Когда мощности устройства регенерации тепла 10 недостаточно, добавляется дополнительное тепло к приточному воздуху 21, и происходит это, согласно настоящему изобретению, с помощью теплового насоса 2. Энергия подается на компрессор 5, чтобы запустить в работу тепловой насос и регенерировать дополнительное тепло из отработанного воздуха 18, через испаритель 1, и перенести это тепло в приточный воздух 21 через конденсатор 6. Компрессор 5 в нормальном режиме регулирует температуру приточного воздуха 21 в соответствии с установленным значением, и теплоотдача с конденсатора 6 зависит от скорости работы компенсатора 5. В конденсаторе 6, то есть втором змеевике непосредственного охлаждения (DX змеевика) 30, расположенном в приточном воздухе 21, и тепло компенсатора, и тепло конденсатора подается в приточный воздух 21. Произведенное охлаждение подается на испаритель 1, то есть первый змеевик непосредственного охлаждения (DX змеевик) 29, и вместе с выпускаемым воздухом 19 выходит наружу. Выпускаемый воздух является тем же самым воздухом, что и при регенерации тепла из отработанного воздуха 18, только охлажденным выпускаемым воздухом 19. Во время режима нагревания клапан горячего газа 13 полностью закрыт, при этом второй расширительный клапан 15 полностью открыт, а первый расширительный клапан 7 контролирует поток холодильного агента через испаритель 1 и регулирует его до достижения так называемого перегрева, описанного выше. Перегрев предпочтительно составляет около 4-8 K в оптимальном режиме работы. Когда температура T1 на участке между устройством регенерации тепла 10 и испарителем 1 падает до 2-4 градусов Цельсия, в испарителе 1 начинается процесс образования льда. То, когда начнется образование льда и насколько сильным оно будет, зависит от температуры и влажности воздуха и охлаждающей способности испарителя 1. Таким образом, возникает необходимость размораживания, которое может осуществляться различными способами, описанными ниже.
Слабое размораживание
В случаях, когда обледенение находится в начальной стадии или когда условия таковы, что достаточно бывает нескольких коротких циклов размораживания, чтобы избежать обледенения, тогда может использоваться альтернативный способ снижения охлаждающей способности испарителя 1 путем снижения скорости работы компрессора 5 и регулирования работы второго расширительного клапана 15, что увеличивает перегрев. Так как первый поток воздуха 11 \ отработанный воздух 18 не такой холодный, как при обледенении, в силу снижения охлаждающей способности, а также потому, что холодильный агент 4 нагревается из-за повышенного перегрева, то достигается двустороннее размораживание испарителя 1, причем указанный способ подходит для быстрых и повторяющихся циклов размораживания.
На фигуре 2 показан предпочтительный вариант осуществления изобретения, в котором клапан горячего газа 13 используется для размораживания испарителя 1, в соответствии с нижеприведенным описанием.
Размораживание горячим газом
Когда в испарителе 1 появляются признаки обледенения, клапан горячего газа 13 открывается в рабочем режиме, а именно, в то же время, когда происходит нагревание приточного воздуха 21 конденсатором 6, при этом горячий газ направляется через обводной трубопровод 28 непосредственно на испаритель 1, чтобы разморозить его изнутри. Если никакая новая энергия не подается на испаритель 1, то в дальнейшем энергия тратится в системе, и в итоге энергия системы состоит только из энергии компрессора. Но если вместо этого ограничить раскрытие клапана горячего газа 13 и увеличить скорость работы компрессора 5, то можно регулировать размораживание и потребление энергии, при этом температура в испарителе может повышаться одновременно с подачей энергии нагрева на конденсатор 6. Далее возможно повысить температуру в испарителе 1 до уровня, при котором тает лед, и при этом имеется достаточно энергии как для размораживания, так и для нагревания приточного воздуха 21. Кроме того, размораживание испарителя 1 ускоряется путем снижения скорости работы вращающегося устройства регенерации тепла 10, при этом температура 1 отработанного воздуха 18 между вращающимся устройством и испарителем повышается, и размораживание осуществляется как снаружи, так и изнутри. С помощью резервуара 14, а также первого и второго расширительных клапанов 7, 15 перегрев и количество холодильного агента 4 в системе постоянно регулируются для обеспечения оптимального режима работы. Предпочтительно, чтобы два расширительных клапана 7, 15 и клапан горячего газа 13 были электронными устройствами. Первый расширительный клапан 7 совместно с электронным клапаном горячего газа 13 регулирует соотношение между потоком горячего газа через обводной трубопровод и потоком холодильного агента через испаритель 1, а второй расширительный клапан 15 регулирует поток холодильного агента через конденсатор 6.
На Фигуре 3 показана основная схема теплового насоса 2 в соответствии с настоящим изобретением во время режима обратного хода с целью размораживания испарителя 1. В принципе, эта Фигура также показывает охлаждающий режим работы, когда имеется необходимость охлаждения. Также как и в случае с традиционными тепловыми насосами, имеется возможность использовать тепловой насос 2 с обратным ходом с целью размораживания испарителя 1. При признаках обледенения в испарителе 1 четырехходовый клапан 8 переключается в режим работы с обратным ходом и направляет теплый газ \ холодильный агент 4 непосредственно на испаритель 1, то есть, на первый змеевик непосредственного охлаждения (DX змеевик) 29, расположенный в первом потоке воздуха 11. Таким образом, указанный первый змеевик непосредственного охлаждения (DX змеевик) 29 нагревается изнутри, при этом снижается охлаждающая способность в испарителе 1 \ первом змеевике непосредственного охлаждения (DX змеевике) 29, проходящий отработанный воздух 18 \ выпускаемый воздух 19 становится теплее, и происходит двустороннее размораживание испарителя 1 \ первого змеевика непосредственного охлаждения (DX змеевика) 29. Предпочтительно сочетать этот процесс с одновременной регуляцией в сторону снижения скорости работы вращающегося устройства регенерации тепла 10. Это обеспечивает более быстрое протекание процесса размораживания. С помощью указанного способа первый змеевик непосредственного охлаждения (DX змеевик) 29, то есть, испаритель 1 в режиме нагревания, расположенный в первом потоке воздуха 11, нагревается. При этом второй змеевик непосредственного охлаждения (DX змеевик) 30 охлаждается в режиме работы обратного хода, посредством чего охлаждается приточный воздух 21. Это может создавать неудобства, так как температура приточного воздуха может оказаться слишком низкой для подачи воздуха в помещения. Конечно, это зависит от того, какого типа помещения обслуживает установка кондиционирования воздуха 9, но обычно делаются попытки свести до минимума колебания между холодным и теплым приточным воздухом 21. И здесь становится особенно важно, что размораживание испарителя 1 первого змеевика непосредственного охлаждения (DX змеевика) 29 происходит быстро, что достигается путем двустороннего размораживания способом, являющимся предметом настоящего изобретения.
Режим охлаждения
В те периоды, когда в основном требуется охлаждение, устройство регенерации тепла 10 полностью используется для регенерации охлаждения из отработанного воздуха 18, если этот отработанный воздух 18 холоднее, чем наружный воздух 20, и охлаждения приточного воздуха 21. В соответствии с примером, приведенным на Фигуре 3, регулируемое вращающееся устройство регенерации тепла 10 работает с максимальной скоростью с целью достижения максимальной регенерации охлаждения. Четырехходовый клапан 8 переключает направление потока холодильного агента в обратную сторону в случае режима работы охлаждения. Компрессор 5 доводит температуру приточного воздуха 21 до заранее установленного значения. При этом охлаждающая способность контура холодильного агента зависит от скорости работы компрессора. Со второго змеевика непосредственного охлаждения (DX змеевика) охлаждение подается в приточный воздух 21, при этом тепло конденсатора и тепло компрессора подается в первый змеевик непосредственного охлаждения (DX змеевик) 29 и далее вместе с выпускным воздухом выводится наружу. В режиме охлаждения первый змеевик непосредственного охлаждения (DX змеевик) 29 представляет собой конденсатор 6, а второй змеевик непосредственного охлаждения (DX змеевик) 30 соответственно испаритель 1. Во время охлаждения клапан горячего газа 13 полностью закрыт, при этом первый расширительный клапан 7 полностью открыт, а второй расширительный клапан 15 регулирует поток холодильного агента 4 через второй змеевик непосредственного охлаждения (DX змеевик) 30 и доводит до заранее установленного значения с целью перегрева. Для достижения оптимального режима охлаждения перегрев предпочтительно составляет 4-8 К.
Перечень компонентов: 1 = испаритель
2 = тепловой насос
3 = система циркуляции холодильного агента
4 = холодильный агент
5 = компрессор
6 = конденсатор
7 = первый расширительный клапан
8 = четырехходовый клапан
9 = установка кондиционирования воздуха
10 = устройство регенерации тепла
11 = первый поток воздуха
12 = второй поток воздуха
13 = клапан горячего газа
14 = резервуар
15 = второй расширительный клапан
16 = температурный датчик
17 = промежуточный охладитель с впрыском холодильного агента
18 = отработанный воздух
19 = выпускаемый воздух
20 = наружный воздух
21 = приточный воздух
22 = вытяжной вентилятор
23 = приточный вентилятор
24 = первое впускное отверстие
25 = первое выпускное отверстие
26 = второе выпускное отверстие
27 = второе впускное отверстие
28 = обводной трубопровод
29 = первый змеевик непосредственного охлаждения (DX змеевик)
30 = второй змеевик непосредственного охлаждения (DX змеевик)