Система подогрева горячей воды с гидромеханическим приводом теплового насоса
HOT WATER HEATING SYSTEM WITH HYDROMECHANICAL DRIVE OF THE HEAT PUMP

Изобретение относиться к области теплоэнергетики и может быть использовано в схемном решении индивидуального теплового пункта для организации в нем подогрева горячей воды.
Известен преобразователь энергии потока, включающий вал, трубчатую спираль конической формы, имеющую канал входа и канал выхода. Вал запрессован в упорный подшипник, который жестко крепится к стойке. К валу жестко закреплено конусоидальное основание, к которому в свою очередь жестко крепят трубчатую спираль конической формы. Патрубки входа и выхода рабочей среды соединены через шарнирные соединения с валом. Вал имеет перегородку, а на патрубке выхода установлен ударный узел (RU 2659874, МПК F03B 3/08, F03B 7/00, опубл. 04.07.2018).
Недостатками известного преобразователя является низкая частота вращения, а также значительные потери угловой скорости при вращении трубчатой спирали конической формы от ее вибрации.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является система теплоснабжения, включающая отопительные приборы, подающий и обратный трубопроводы, электропривод, два односекционных мембранных насоса, состоящих из насосной и рабочей камер, соединенных жестким штоком и являющихся левой и правой секциями мембранного насоса, каждая секция мембранного насоса связана только со своим отопительным прибором, входы отопительных приборов подключены к насосным камерам, соответственно правой или левой секции мембранного насоса через нагнетательные обратные клапаны, выходы отопительных приборов подключены одновременно к обратному трубопроводу и соответственно к насосным камерам правой или левой секциям мембранного насоса через всасывающие обратные клапаны правой или левой секции. Дополнительно содержит два теплообменника горячего водоснабжения, два регулятора расхода горячей воды и два импульсных распределителя потока с ударными клапанами во входном и выходном отверстиях и боковыми отводами, связанных с общим электроприводом и подключенных параллельно к подающему трубопроводу, рабочие камеры мембранного насоса соединены с боковыми отводами импульсных распределителей потока, к выходным отверстиям импульсных распределителей потока параллельно подключены входы отопительных приборов и теплообменников горячего водоснабжения через регуляторы расхода горячей воды, причем выходы отопительных приборов и теплообменников горячего водоснабжения соединены с обратным трубопроводом через предохранительные обратные клапаны (RU 2716545, МПК F24D 3/00, F24D 17/00, опубл. 12.03.2020).
Среди недостатков данной конструкции следует отметить относительно низкое использование температурного потенциала греющей среды и гидравлического потенциала нагреваемой среды.
Технический результат заключается в наиболее полном использовании потенциала теплоносителя, а также гидравлического потенциала нагреваемой среды, за счет трансформации тепла отработанного теплоносителя.
Сущность изобретения заключается в том, что система подогрева горячей воды с гидромеханическим приводом теплового насоса включает подающий и обратный трубопроводы, два односекционных мембранных насоса, состоящих из насосных и рабочих камер, два теплообменника горячего водоснабжения (ГВС), ударные клапана, обратные клапана и предохранительные клапана. Система дополнительно содержит клапан, сильфонный регулятор, трубопровод обратного теплоносителя, испаритель, конденсатор, контур теплового насоса, водопровод, потребителя, спиральные части, упоры, пружины, вентиль, регулировочный вентиль, рециркуляционный трубопровод, входной вентиль, гидроаккумулятор. Второй теплообменник ГВС с одной стороны соединен с подающим трубопроводом через клапан, открытие и закрытие которого управляется сильфонным регулятором и обратным трубопроводом через предохранительный клапан, трубопровод обратного теплоносителя, первый теплообменник ГВС, испаритель контура теплового насоса. А с другой стороны второй теплообменник ГВС соединен с водопроводом через сильфонный регулятор, конденсатор контура теплового насоса, первый теплообменник ГВС, и потребителем через предохранительный клапан, параллельно соединенные ударные клапана. Односекционные мембранные насосы соединены с соответствующими ударными клапанами и закреплены с упорами, в которые установлены спиральные части. А в нагнетальные камеры установлены соответственно пружины. Контур теплового насоса с вентилем, включающий в себя конденсатор и испаритель между которыми с одной стороны установлен регулировочный вентиль, а с другой стороны насосные камеры мембранных насосов, включенные параллельно между обратными клапанами. Параллельно водопроводу подключен рециркуляционный трубопровод. На трубопроводе обратного теплоносителя установлен входной вентиль, а потребитель имеет гидроаккумулятор.
На чертеже изображена схема системы подогрева горячей воды с гидромеханическим приводом теплового насоса.
Система подогрева горячей воды с гидромеханическим приводом теплового насоса включает подающий 1 и обратный трубопроводы 2, два односекционных мембранных насоса, состоящих из насосных 3, 4 и рабочих 5, 6 камер, два теплообменника ГВС 7, 8, ударные клапана 9, 10, обратные клапана 11, 12, 13, 14 и предохранительные клапана 15,16. Система дополнительно содержит клапан 17, сильфонный регулятор 18, трубопровод обратного теплоносителя 19, испаритель 20, конденсатор 21, контур теплового насоса 22, водопровод 23, потребителя 24, спиральные части 25, 26, упоры 27, 28, пружины 29, 30, вентиль 31, регулировочный вентиль 32, рециркуляционный трубопровод 33, входной вентиль 34, гидроаккумулятор 35. Второй теплообменник ГВС 8 с одной стороны соединен с подающим трубопроводом 1 через клапан 17, открытие и закрытие которого управляется сильфонным регулятором 18 и обратным трубопроводом 2 через предохранительный клапан 15, трубопровод обратного теплоносителя 19, первый теплообменник ГВС 7, испаритель 20 контура теплового насоса 22. А с другой стороны второй теплообменник ГВС 8 соединен с водопроводом 23 через сильфонный регулятор 18, конденсатор 21 контура теплового насоса 22, первый теплообменник ГВС 7 и потребителем 24 через предохранительный клапан 16, параллельно соединенные ударные клапана 9, 10. Также односекционные мембранные насосы соединены с соответствующими ударными клапанами 9, 10 и закреплены с упорами 27, 28, в которые установлены спиральные части 25, 26. В нагнетальные камеры 3,4 установлены соответственно пружины 29, 30. Контур теплового насоса 22 с вентилем 31 включает в себя конденсатор 21 и испаритель 20, между которыми с одной стороны установлен регулировочный вентиль 32, а с другой стороны насосные камеры 3,4 мембранных насосов, включенные параллельно между обратными клапанами 11, 12, 13, 14. Параллельно водопроводу 23 подключен рециркуляционный трубопровод 33. На трубопроводе обратного теплоносителя 19 установлен входной вентиль 34, а потребитель 24 имеет гидроаккумулятор 35.
Система подогрева горячей воды с гидромеханическим приводом теплового насоса работает следующим образом. Перед началом работы систему заполняют со стороны трубопровода отработанного теплоносителя 19, путем открытия входного вентиля 34, а контур теплового насоса 22, заполняют фреоном, через вентиль 31. После заполнения контуров и удаления из них воздуха включают подачу подогреваемой среды, которая представляет смесь холодной воды из водопровода 23 с возвращаемой горячей водой из рециркуляционного трубопровода 33. Подогреваемая среда последовательно проходит теплообменник ГВС 7, где она предварительно подогревается теплом отработанного теплоносителя из трубопровода 19, далее проходит конденсатор 21, сильфонный регулятор 18, теплообменник ГВС 8, предохранительный клапан 16, раздваивается, проходит через ударные узлы 9 и 10 и направляется потребителю 24. Подогреваемая среда, проходя через сильфонный регулятор 18, открывает его клапан 17 и через теплообменник ГВС 8 из подающего трубопровода 1 проходит греющая среда, а далее через предохранительный клапан 15 отводится в трубопровод отработанного теплоносителя 19 через открытый входной вентиль 34. Греющая среда из подающего трубопровода 1, проходя теплообменник ГВС 8, передает тепло подогреваемой среде. Смешанная после предохранительного клапана 15 и входного вентиля 34 отработанная греющая среда последовательно проходит теплообменник ГВС 7, испаритель 20 частично передает тепло и отводится в обратный трубопровод 2. В испарителе 20 под действием тепла смешанного отработанного теплоносителя фреон будет превращаться в пар. После того как расход подогреваемой среды достигнет расчетного значения сработает один из ударных узлов 9 или 10, у которого меньшее гидравлическое сопротивление. При резком срабатывании ударного узла, например, 9 образуется гидравлический удар, обратная волна которого будет создавать импульс обратного потока нагреваемой среды за счет разности давлений, который будет воздействовать на диафрагму рабочей камеры 5 одноконтурного мембранного насоса. Импульс обратного потока нагреваемой среды, проходя через спиральную часть 25 односекционного мембранного насоса, будет закручивать спиральную часть 25 в упорах 27, которая будет воздействовать на нежесткий корпус рабочей камеры 5, изменяя ее объем. Изменение объема рабочей камеры 5 даст дополнительный ход ее диафрагме, которая, двигаясь вниз, будет вытеснять пары фреона из насосной камеры 3 через обратный клапан 11, в конденсатор 21, где они, конденсируясь, будут отдавать тепло подогреваемой среде. После прекращения действия импульса и открытия ударного узла 9 диафрагма односекционного мембранного насоса под действием пружины 29 возвращается в исходное состояние, всасывая пары фреона из испарителя 20 через обратный клапан 12. Сконденсированные пары фреона из конденсатора будут проходить через регулировочный вентиль 32, на котором будет снижаться давление за счет дросселирования и поступать в испаритель 20. Открытие ударного узла 9 приведет к резкому закрытию ударного узла 10, при этом процессы будут аналогично повторяться. При резком закрытии ударного узла 10 образуется гидравлический удар, обратная волна которого будет создавать импульс обратного потока нагреваемой среды за счет разности давлений, который будет воздействовать на диафрагму рабочей камеры 6 односекционного мембранного насоса. Импульс обратного потока нагреваемой среды, проходя через спиральную часть 26 односекционного мембранного насоса, будет закручивать спиральную часть 26 в упорах 28, которая будет воздействовать на не жесткий корпус рабочей камеры 6, изменяя ее объем. Изменение объема рабочей камеры 6 даст дополнительный ход ее диафрагме, которая, двигаясь вниз, будет вытеснять пары фреона из насосной камеры 4 через обратный клапан 13, в конденсатор 21, где они, конденсируясь, будут отдавать тепло подогреваемой среде. После прекращения действия импульса и открытия ударного узла 10 диафрагма односекционного мембранного насоса под действием пружины 30 возвращается в исходное состояние, всасывая пары фреона из испарителя 20 через обратный клапан 14. Сконденсированные пары фреона из конденсатора будут проходить через регулировочный вентиль 32, на котором будет снижаться давление за счет дросселирования и поступать в испаритель 20.
Периодическая работа ударных клапанов приведет к пульсациям давления нагреваемой среды передаваемой потребителю 24, которые будут сглаживаться в гидроаккумуляторе 35.
Эффективность работы системы подогрева горячей воды с гидромеханическим приводом теплового насоса будет зависеть от расхода подогреваемой среды и частоты срабатывания ударных клапанов. При достижении определенного расхода нагреваемой среды конденсатор 21 будет обеспечивать ее расчетную температуру, и тогда сильфонный регулятор 18 будет полностью закрывать клапан 17, и греющая среда из трубопровода 1 не будет использоваться. Рабочая частота ударных узлов 9 и 10 должна составлять около 1 Гц.
Система подогрева горячей воды с гидромеханическим приводом теплового насоса обеспечивает подогрев нагреваемой среды при снижении температуры греющей среды до 20%, а в обычном режиме до 20% снижает расход греющей среды за счет трансформации тепла отработанного теплоносителя.