ВОЗДУШНО-ВОДЯНОЙ ТЕПЛОВОЙ НАСОС

Техническая область
Изобретение относится к области энергетики, точнее, изобретение рассматривает воздушно-водяной тепловой насос, предназначенный для экономичного отопления и производства горячей бытовой воды.
Технический уровень
Принцип работы теплового насоса основан на термодинамическом цикле Карно. Развитие и использование тепловых насосов тесно связано с ростом цен на энергию на мировом рынке. Тепловые насосы нашли широкое применение, особенно в США, Канаде и Северной Европе. Тепловые насосы поглощают энергию из природы, т.е. из почвы, водоемов, грунтовых вод и воздуха, где аккумулирована энергия солнца, а также из сточных вод, вентилируемого воздуха или из нескольких источников сразу.
Известно тепловое устройство с тепловым насосом (WO 79/00874, Eurocdevelopment AB, опубликовано 01.11.1979), которое предназначено для отопления дома. Испаритель теплового насоса защищен от дождя и ветра кожухом. Наружный воздух отдает свое тепло испарителю. Теплообменник теплового насоса состоит из одного или нескольких элементов, которые согревают окружающий воздух. Применению такого решения сопутствуют дополнительные расходы на защиту испарителя.
Известен тепловой насос (ЕР1707886, Hitachi Home & Life Solutions, Inc., опубликовано 04.10.2006), у которого есть циркуляционный контур с хладагентом, в который объединен компрессор, теплообменник, расширительный клапан для снижения давления хладагента, испаритель, предусмотренный для теплообмена между декомпрессированным хладагентом и воздухом, а также тепловая цепь, объединяющая циркуляционный насос и оборудование управления тепловым насосом. Недостатком такого решения является большие эксплуатационные расходы.
Упрощенно принцип работы устройства такой: компрессор сжимает накопившее в испарителе энергию газообразное холодное вещество, в результате холодное вещество нагревается, горячее вещество направляется в теплообменник, т.е. конденсор, где оно конденсируется и отдает свое тепло теплоносителю, циркулирующему в радиаторах или в системе отопления пола.
Известен тепловой насос Thermia Atria (http://www.movekgrupp.com), в котором используется технология TWS (Tap Water Stratification). Наружный модуль устанавливается снаружи дома, а тепловой насос - внутри. Компрессор работает при наружной температуре до -20°С, плавление происходит при помощи шунтирующего клапана. Недостатком этого решения является периодическое плавление, которое потребляет дополнительную энергию.
Известен тепловой насос Nibe Fighter 2010 (http://www.kliimaseade.ee), где в вентиляторе и компрессоре используется двухступенчатый регулятор мощности, который обеспечивает высокую мощность отопительной системы при низких наружных температурах; управление системой происходит при помощи панели управления SMO-10. Недостатком является большой расход энергии.
Самый близкий по технической сути к представленным воздушно-водяным тепловым насосам является воздушно-водяной тепловой насос фирмы Octopus Energi AB (http://www.octopus.ee), который содержит испаритель, компрессор, конденсор, управляющую электронику и циркулирующий в тепловом насосе хладагент. Недостатком этого решения является то, что отсуствует восможность регулровать площадь испарителя.
Суть изобретения
Была поставлена задача разработать конструкцию воздушно-водяного теплового насоса, которая увеличит ресурс работы компрессора и производительность насоса. Представленный воздушно-водяной тепловой насос содержит испаритель, компрессор, конденсор, расширительный вентиль, управляющее оборудование и циркулирующий в тепловом насосе хладагент. Испаритель насоса пассивный, содержит оптимально 12 ребристых стояков. Для увеличения поверхности теплообмена, по крайней мере так, чтобы это отвечало мощности компрессора, в почве закапывается испарительный змеевик или к стоякам испарителя дополнительно ставятся еще два стояка. Для усиления циркуляции масла в системе смазки компрессора вертикальные части соединительных дуг стояков с ребрами испарителя соединены горизонтальными трубками. В качестве хладагента в тепловом насосе используется безопасный для природы чистый пропан.
Перечень рисунков
На рисунке фиг.1 изображена блок-схема воздушно-водяного теплового насоса;
на рисунке фиг.2 изображен испаритель вместе с дополнительным змеевиком, а также увеличенное изображение соединительной трубки вертикальных соединительных дуг стояка с ребрами.
Пример реализации изобретения
Для достижения поставленной цели предлагается воздушно-водяной тепловой насос, который содержит испаритель (коллектор) 1, компрессор 2, конденсор 3, расширительный вентиль 4, змеевик 5, управляющее оборудование и циркулирующий в тепловом насосе хладагент. Испаритель содержит звездообразные в разрезе алюминиевые ребристые стояки 6.
В представленном изобретении испаритель 1 - пассивный испаритель. Для увеличения площади теплообмена: к 12 ребристым стоякам 6 добавляются змеевиков 5 из медной трубки наружным диаметром 22 мм и внутренним диаметром 18 мм, длиной 30-60 м. Хладагент сначала проходит через ребристый стояк и перед тем, как пойти в компрессор, проходит еще через змеевик 5. Змеевик можно поместить в почву, в один канал вместе с трубами, которые соединяют испаритель с расположенным в здании тепловым узлом. В представленном изобретении пассивный испаритель 1, который берет энергию из наружного воздуха и не нуждается в оттаивании или направлении воздуха через вентилятор, благодаря чему эффективность пассивного испарителя на 30% выше, чем у активного. В основе эффективности пассивного испарителя лежит конструкция ребристых стояков 6, которые в разрезе имеют звездчатую форму и поверхность ребер рифленая. Рифленая поверхность ребер увеличивает площадь ребер в 3 раза по сравнению с гладкой поверхностью.
Эффективность теплового насоса можно увеличить также за счет увеличения количества ребристых стояков 6 до 14, но в этом случае змеевик 5 не используется.
Смазочное масло компрессора циркулирует в тепловом насосе вместе с хладагентом. Наибольшее сопротивление при циркуляции оказывают соединительные трубы 7 ребристых стояков, где масло стекает на дно соединительных дуг. Для устранения этого недостатка вертикальные части соединительных дуг соединяются горизонтальными трубками 8, длина и диаметр которых не определен. Благодаря этому распыленное масло не стекает на дно соединительной дуги, а постоянно циркулирует вместе с хладагентом. Такая система смазки компрессора в 2-3 раза продляет его рабочий ресурс.
В представленном изобретении в качестве хладагента теплового насоса используется технически чистый пропан (R290), натуральный, безопасный для природы газ с температурой кипения -43°С. Использование этого газа делает эксплуатацию теплового насоса дешевле.
Воздушно-водяной тепловой насос работает так: необходимая для испарения энергия берется из наружного воздуха, при этом содержащаяся в воздухе влага конденсируется на поверхности ребристого стояка испарителя, который поглощает высвобождающуюся при конденсации энергию. Пар сжимается в компрессоре, в результате сжатия температура пара возрастает. В конденсоре пар конденсируется, и высвобождаемая энергия передается в отопительную систему.
Хладагент через расширительный вентиль, где его давление и температура падают до начального уровня, снова поступает в испаритель. Хладагент постоянно циркулирует, поглощая и отдавая тепло, при этом его количество сохраняется.