ТЕПЛОВОЙ НАСОС

Полезная модель относится к области теплотехники, в частности, к тепловым насосам, работающим в условиях широкого диапазона изменений температуры источника тепла.
Из уровня техники известен тепловой насос, включающий компрессор, конденсатор, расширитель, испаритель и теплообменник, первая полость которого на входе соединена с выходом испарителя, а на выходе - с компрессором, а вторая полость на входе соединена через трехходовой регулирующий клапан с контуром между конденсатором и расширителем, а на выходе - с контуром между трехходовым регулирующим вентилем и расширителем (GB №1542416, F25B 29/00, 1979). В известном устройстве регулирование потока через теплообменник осуществляется в зависимости от температуры в конденсаторе.
Недостатками такого насоса является то, что, во-первых, в условиях динамического изменения температуры окружающей среды возможно создание таких условий, когда ее температура превысит 12-15°С и тогда к температуре перегрева рабочего тела в испарителе добавляется повышение температуры рабочего тела, внесенного теплообменником, что в итоге приведет к его перегреву и выходу из строя. Это происходит из-за того, что на компрессор будет подано рабочее тело с перегревом до 25-30°С, что является критической температурой для многих компрессоров. Во-вторых, в момент запуска компрессора и в условиях изменяющейся температуры источника теплообменник не оказывает существенного влияния на работу компрессора и не устраняет вероятность "мокрого пуска". Кроме того, данная конструкция не обеспечивает одинаковую эффективность работы компрессора во всем интервале температур источника.
Указанные недостатки частично устранены в известном из уровня
техники тепловом насосе, являющемся наиболее близким к заявленному (RU 2285872 C1 20.10.2006 F25B 30/02). Описанный в данном патенте тепловой насос, включает компрессор, конденсатор, расширитель, испаритель и теплообменник, первая полость которого на входе соединена с выходом испарителя, а на выходе - с компрессором, а вторая полость на входе соединена через трехходовой регулирующий клапан с контуром между конденсатором и расширителем, а на выходе - с контуром между трехходовым регулирующим вентилем и расширителем, выполненным в виде дросселя, а между компрессором и первой полостью теплообменника установлен датчик температуры, связанный через контроллер с трехходовым регулирующим вентилем. Надежность повышается путем регулирования температуры рабочего тела на выходе компрессора за счет управляемого контролером перегрева рабочего тела с помощью теплообменника и управляемого трехходового вентиля. Это приводит к уменьшению эффективности работы теплового насоса при перекрытии контура теплообменника.
Недостатком известного устройства является низкая эффективность и нестабильность его работы при необходимости изменять температуру низкопотенциального источника тепла в широком диапазоне.
В заявленном тепловом насосе максимальная эффективность (и, соответственно, температура рабочего тела на выходе из компрессора) достигается за счет регулирования производительностью компрессора контроллером, например, путем уменьшения или увеличения скорости вращения двигателя компрессора.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение эффективности, надежности и стабильности работы теплового насоса при изменении в широком диапазоне температуры низко потенциального источника тепла.
Данный технический результат достигается тем, что в тепловой насос, который включает компрессор, два теплообменника, контроллер и
регулирующий клапан, дополнительно введены рекуператор и инжектор с контроллером. Регулирующий клапан выполнен четырехвходовым. Управляющий вход инжектора соединен с выходом контроллера. Первый вход/выход второго теплообменника соединен трубопроводом через рекуператор и инжектор с первым входом/выходом первого теплообменника, второй вход/выход которого трубопроводом соединен с четвертым входом/выходом четырехвходового регулирующего клапана. Второй вход/выход четырехвходового регулирующего клапана трубопроводом соединен со втором входом/выходом второго теплообменника. Третий вход/выход четырехвходового регулирующего клапана соединен трубопроводом через рекуператор со входом компрессора. Выход компрессора соединен трубопроводом с первым входом/выходом четырехвходового регулирующего клапана.
Кроме того, участок трубопровода перед входом в компрессор выполнен вертикальным, а в качестве рабочего тела, используют фреон.
Полезную модель иллюстрирует чертеж, на котором представлен тепловой насос, и где:
1 - инжектор
2 - контроллер,
3 - первый теплообменник,
4 - рекуператор,
5 - компрессор,
6 - четырехвходовой регулирующий клапан с четырьмя входами/выходами,
7 - второй теплообменник,
8 - первый вход/выход четырехвходового регулирующего клапана,
9 - второй вход/выход четырехвходового регулирующего клапана,
10 - третий вход/выход четырехвходового регулирующего клапана,
11 - четвертый вход/выход четырехвходового регулирующего клапана.
Тепловой насос представляет собой замкнутый контур, состоящий из компрессора 5 на выходе которого установлен четырехвходовой регулирующий клапан 6 с четырьмя входами/выходами. Выход компрессора 5 соединен трубопроводом с первым входом/выходом четырехвходового регулирующего клапана 6. Второй вход/выход четырехвходового регулирующего клапана 6 соединен трубопроводом со вторым входом/выходом второго теплообменника 7. Третий вход/выход четырехвходового регулирующего клапана 6 соединен через рекуператор 4 со входом компрессора 5, при этом участок трубопровода перед входом компрессора 5 преимущественно выполнен вертикальным. Первый вход/выход второго теплообменника 7 соединен трубопроводом через рекуператор 4 и электрически управляемый инжектор 1 с первым входом/выходом первого теплообменника 3. Второй вход/выход первого теплообменника 3 соединен трубопроводом с четвертым входом/выходом четырехвходового регулирующего клапана 6.
Общие принципы работы теплового насоса таковы - тепловой насос представляет собой устройство преобразования тепловой энергии внешней среды с одного потенциального уровня на другой в обоих направлениях. Как правило, в качестве среды рассматриваются комбинации: воздух-воздух, воздух-вода, вода-вода. В качестве рабочего тела в тепловом насосе, как правило, используется двухфазная жидкость (фреон) с заданными характеристиками испарения и конденсации.
Работа теплового насоса осуществляется по следующему циклу:
В первом теплообменнике 3 рабочее тело испаряется, поглощая энергию внешней среды, и в газообразном виде поступает в компрессор 5. За счет адиабатического сжатия рабочего тела в компрессоре 5 оно нагревается.
Нагретое рабочее тело поступает во второй теплообменник 7, в котором происходит теплообмен с другой внешней средой. В результате температура рабочего тела понижается, что приводит к его конденсации (фазовый переход газ-жидкость).
Далее жидкость поступает за счет разности давлений в первый теплообменник 3 (во втором теплообменнике 7 высокое давление, а в первом теплообменнике 3 низкое) и цикл повторяется.
При необходимости изменить направление преобразования тепловой энергии, включается четырехвходовой регулирующий клапан 6, который меняет направления движения рабочего тела, при этом первый теплообменник 3 и второй теплообменник 7 меняются функциями, то есть тепловой насос может работать в двух режимах.
Первый режим - «отопление».
В режиме отопления тепловой насос переносит низкопотенциальное тепло внешней среды со стороны первого теплообменника в высокопотенциальное тепло на сторону второго теплообменника для нагрева внутренней среды. При этом низкопотенциальное тепло понимаем как низкую температуру внешней среды (воздуха или воды) которая ниже, чем требуемая температура внутренней среды (воздуха или воды) и на подогрев которой требуются затраты энергии.
При работе устройства в режиме «отопление» в четырехвходовом регулирующем вентиле соединены следующие входы/выходы:
первый вход/выход 8 соединен со вторым входом/выходом с 9, а третий вход/выход 10 соединен с четвертым входом/выходом 11.
Устройство работает следующим образом. На вход компрессора 5 поступает рабочее тело, например, газ фреон. После компрессора 5 сжатый и разогретый фреон через соединенные входы/выходы 8 и 9 четырехвходового регулирующего клапана 6 поступает во второй теплообменник 7. Во втором теплообменнике 7 происходит нагрев внешней среды и соответственно охлаждение рабочего тела, при этом рабочее тело конденсируется и конденсат под действием силы тяжести устремляется вниз. Под действием избыточного давления конденсат проходит через рекуператор 4 и поступает через электрически управляемый инжектор 1 в первый теплообменник 3, который выполняет в этом режиме функцию испарителя.
При испарении рабочее тело поглощает тепло из окружающей среды. Полученный в первом теплообменнике 3 газ через соединенные входы/выходы 11 и 10 четырехвходового регулирующего клапана 6 и через рекуператор 4 поступает на вход компрессора 5, где он сжимается, нагревается и цикл повторяется. Рекуператор 4, установленный перед входом компрессора 5 позволяет дополнительно подогреть рабочее тело, поступающее в компрессор 5, что повышает эффективность работы компрессора.
Второй режим работы устройства - «охлаждение».
В режиме охлаждения тепловой насос переносит избыточное тепло внутренней среды и сбрасывает его во внешнюю среду, тем самым охлаждая внутреннюю среду.
При работе устройства в режиме «охлаждение» в четырехвходовом регулирующем клапане 6 входы/выходы соединены следующим образом:
первый вход/выход 8 соединен с четвертым входом/выходом 11, а второй вход/выход 9 соединен с третьим входом/выходом 10.
В этом случае сжатый газ после компрессора 5 поступает в первый теплообменник 3 и первый теплообменник 3 и второй теплообменник 7 меняются функциями (первый выполняет функцию конденсатора, а второй - испарителя). При этом цикл работы устройства не меняется.
В заявленном тепловом насосе контроллер 2 подключен к источнику питания (на чертеже не показан) и управляет работой инжектора 1.
Заявленная конструкция теплового насоса по сравнению с известными позволяет повысить эффективность работы теплового насоса по преобразованию тепловой энергии среды с одного потенциального уровня на другой, что объясняется следующим: при подаче среды - жидкого фреона в первый теплообменник через электрически управляемый инжектор появляется возможность регулировать подачу жидкого фреона в него. Такое
решение позволяет, за счет управления подачей рабочего тела в первый теплообменник с помощью контроллера, достигать максимальной эффективности работы теплового насоса во всем диапазоне его работы по производительности (от минимальной до максимальной).
Жидкий фреон подается в первый теплообменник сверху, а выводится газообразный фреон снизу. В результате, не успевший испариться фреон, как жидкость, под действием силы гравитации, будет перемещаться вниз, смачивая стенки первого теплообменника, что приведет к максимальному теплообмену (смоченная площадь рекуператора - теплообменника увеличится, и за счет прямого контакта со стенкой теплообменника, который в свою очередь взаимодействует с внешней стороны с окружающей средой, достигается максимальная эффективность поглощения тепловой энергии). Для уменьшения вероятности попадания жидкой фазы фреона в компрессор вместе с потоком газообразного фреона, следует организовать вертикальный участок трубопровода к входу компрессора.
Заявленный тепловой насос снабжен рекуператором (теплообменником), который обеспечивает теплообмен между жидким и еще теплым (выше температуры окружающей среды) фреоном на выходе второго теплообменника 7 с еще холодным (ниже температуры окружающей среды) газообразным фреоном на выходе из первого теплообменника 3. В результате, температура газа на входе в компрессор 5 увеличится, что приводит к повышению температуры газа на выходе из компрессора 5, то есть на входе второго теплообменника 7. Таким образом, удается получить на выходе компрессора 5 больше тепловой энергии без дополнительных затрат энергии на работу компрессора. С другой стороны, на выходе из второго теплообменника 7, жидкий фреон охладиться и при поступлении в первый теплообменник 3 начнет сразу же забирать тепловую энергию из окружающей среды без ее предварительного нагрева. В известных случаях, когда температура жидкого фреона будет выше температуры окружающей
среды, фреон сначала будет отдавать тепло в окружающую среду, а затем за счет уменьшения температуры при испарении будет забирать тепло. Таким образом, удается поглотить больше тепловой энергии среды со стороны первого теплообменника 3. Так как описанные процессы, по воздействию на рабочее тело образуют положительную обратную связь, то общая эффективность работы теплового насоса будет максимально возможной. Регулирование температуры рабочего тела на выходе из компрессора осуществляется регулированием его производительности.
Таким образом, по сравнению с предшествующим уровнем техники эффективность, надежность и стабильность работы заявленного теплового насоса при изменении в широком диапазоне температуры низко потенциального источника тепла увеличивается.