Каскадная теплонасосная установка для отопления и горячего водоснабжения помещений сферы быта и коммунального хозяйства
CASCADE HEAT PUMP SYSTEM FOR HEATING AND HOT WATER SUPPLY OF PRIVATE AND UTILITY SPACES

Изобретение относится к системам отопления с тепловыми насосами, использующими тепло низкотемпературных источников естественного или искусственного происхождения для получения воды, пригодной для автономного отопления и горячего водоснабжения помещений предприятий сферы ЖКХ и быта, а также дач и домов частного сектора.
Известно, что применение многоступенчатых (каскадных) схем теплонасосных установок (ТНУ) вместо одноступенчатых ТНУ позволяет повысить коэффициент трансформации тепла и обеспечить потребителя теплом высокого потенциала. Однако возможности использования подобных ТНУ ограничиваются достаточно высокой стоимостью более сложных каскадных схем.
Создание каскадных ТНУ на базе простых по конструкции и надежных типовых тепловых насосов малой и средней мощности, без необходимости их значительной модернизации, позволяет существенно снизить стоимость автономных систем отопления и горячего водоснабжения и сделать их более доступными для индивидуальных потребителей. Для снижения энергопотребления каскадных ТНУ, повышения надежности их работы, сокращения необратимых потерь тепла решаются задачи наиболее эффективного объединения нескольких тепловых насосов в единую тепловую систему.
Известна двухступенчатая ТНУ по патенту RU №2306496 [1], содержащая насос, циркуляционный контур с установленными в нем двумя компрессорами, к каждому из которых последовательно подключены конденсатор, дроссельный вентиль, испаритель, отличающаяся тем, что оба компрессора установлены в верхней ступени, также установка дополнительно содержит разделительную емкость, включенную в циркуляционный контур между двумя компрессорами в верхней ступени, разделяющую циркуляционный контур на два контура, два пароструйных эжектора в нижней ступени, один из которых подключен между одним конденсатором и компрессором, другой между другим конденсатором и компрессором, а разделительная емкость имеет дополнительное подключение к циркуляционному контуру на участке между соплами пароструйных эжекторов, каждый из которых соединен с испарителем, два последовательно включенных регенеративных теплообменника, каждый из которых установлен на участке между конденсатором и дроссельным вентилем и соединенных с входом разделительной емкости, а выход разделительной емкости соединен с входом каждого компрессора верхней ступени, при этом испаритель по сетевой воде подключен с одной стороны к насосу, с другой - к верхней части разделительной емкости, а по рабочему агенту соединен с входом каждого пароструйного эжектора и выходом каждого дроссельного вентиля.
В данной установке, вместо парокомпрессионного компрессора нижней ступени, для достижения требуемых параметров (давления и температуры) рабочего агента используются пароструйные эжекторы, не требующие дополнительных затрат электрической энергии. Однако пароэжекторные устройства характеризуются низким КПД на номинальной нагрузке, причем КПД еще более снижается при снижении нагрузки. Кроме того, пароструйные эжекторы соединены последовательно, что снижает общий КПД теплонасосной установки. Работа пароструйных эжекторов также сопровождается повышенным шумовым эффектом, поэтому, для соблюдения санитарно-гигиенических норм по уровню шума в жилых и общественных зданиях, требуется дополнительная звукоизоляция помещения, в котором установлена ТНУ, что существенно увеличивает затраты на обустройство такой системы.
Известен тепловой насос (патент на полезную модель RU №121044 [2]), содержащий две ступени - верхнюю и нижнюю, при этом верхняя ступень включает последовательно установленные компрессорный агрегат, нагреватель внешнего теплоносителя, распределитель потоков рабочего тела между ступенями, регулирующий вентиль и испаритель-конденсатор, а нижняя ступень включает последовательно установленные испаритель-конденсатор, регулирующий вентиль, испаритель и компрессорный агрегат нижней ступени. Техническим результатом предложенного технического решения является возможность выполнить процесс теплообмена эффективным, достичь высоких температур подогрева и утилизировать в конденсаторе все тепло.
Однако в комбинированных теплообменниках типа испаритель-конденсатор, где с одной стороны циркулирует конденсирующийся хладагент, а с другой - испаряющийся, существует опасность, вследствие проходящих в теплоносителях фазовых переходов, возникновения резких изменений температуры хладагентов и потери управляемости проходящими в теплообменниках тепловыми процессами. Требуется более сложная и дорогостоящая система управления, что приведет к росту стоимости и сложности эксплуатации такой ТНУ.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению является теплонасосная установка по патенту RU №2382282 [3]. Каскадная теплонасосная установка содержит источник низкопотенциального тепла и установленные перед потребителем тепла по крайней мере два последовательно соединенных тепловых насоса, образующие ступени каскада, причем конденсатор предыдущей ступени каскада и испаритель последующей ступени каскада совмещены в одном двухконтурном теплообменнике, причем конденсатор последней ступени каскада включен в циркуляционный контур потребителя тепла, а испаритель первой ступени каскада включен в циркуляционный контур источника тепла. В ТНУ могут быть использованы различные источники низкопотенциального тепла - теплоэлектроцентраль, котельная, электростанция, система оборотного водоснабжения предприятий, сточные воды жилых зданий, промышленных и сельскохозяйственных предприятий, геотермальные воды и другие. ТНУ данной схемы может обеспечить горячую воду достаточно высокой температуры для отопления и горячего водоснабжения в холодное время года.
Помимо типовых для тепловых насосов узлов, в прототипе используется двухконтурный теплообменник, в котором совмещены конденсатор первого каскада и испаритель второго каскада, что позволяет существенно снизить необратимые тепловые потери и благодаря этому уменьшить потребляемую теплонасосной установкой мощность. Однако в двухконтурном теплообменнике происходит интенсивный теплообмен между конденсирующимся и испаряющимся хладагентами, сопровождающийся практически не управляемыми фазовыми переходами. Существует опасность возникновения резких изменений температуры хладагентов, что может вызвать тепловые удары в системе. Опасность особенно велика, если в ТНУ имеется несколько компрессоров. Для предотвращения повреждения компонентов ТНУ из-за возможных тепловых ударов, особенно в процессе запуска ТНУ, и для обеспечения необходимой эксплуатационной надежности существенно ужесточаются требования к управлению работой такой ТНУ, что приводит к усложнению структуры системы управления и удорожанию всей ТНУ. Кроме того, практика применения ТНУ компрессионного типа показывает, что пар хладагента при выходе из испарителя может содержать капли жидкого хладагента, а попадание жидкости вместе с паром на вход компрессора снижает его производительность и может вообще вывести его из строя. Кроме того, эффективность ТНУ снижается из-за необратимых потерь тепла вследствие возможной неполной конденсации хладагента в конденсаторе последнего контура.
Задачей предложенного изобретения является повышение надежности и эффективности работы каскадной двухступенчатой ТНУ компрессионного типа, построенной на базе типовых элементов тепловых насосов, за счет повышения надежности и эффективности работы второй ступени теплонасосной установки.
Поставленная задача решается за счет того, что каскадная теплонасосная установка, содержащая установленные перед потребителем тепла два последовательно соединенных тепловых насоса, образующих ступени каскада, причем испаритель первой ступени каскада включен в циркуляционный контур низкопотенциального источника тепла, а конденсатор второй ступени каскада включен в циркуляционный контур потребителя тепла, отличается тем, что содержит дополнительный циркуляционный контур с технологическим среднетемпературным теплоносителем, причем конденсатор первой ступени каскада и испаритель второй ступени каскада включены в указанный дополнительный циркуляционный контур, а на выходе из испарителя второй ступени каскада содержит дополнительную емкость для перегрева насыщенного пара хладагента, а на выходе из конденсатора второй ступени каскада содержит дополнительную емкость для отбора избыточной теплоты хладагента, при этом часть избыточной теплоты, полученной при охлаждении хладагента в дополнительной емкости на выходе из конденсатора второй ступени каскада, утилизируется и используется для перегрева насыщенного пара хладагента в дополнительной емкости на выходе из испарителя второй ступени каскада.
В качестве технологического среднетемпературного теплоносителя в дополнительном циркуляционном контуре может быть использована вода.
Отбор избыточной теплоты от хладагента в дополнительной емкости на выходе из конденсатора второй ступени каскада может осуществляться за счет передачи тепла от хладагента в окружающую среду через стенки дополнительной емкости. Дополнительная емкость на выходе из конденсатора второй ступени каскада может представлять собой цилиндрическую емкость объемом не более 1/3 от объема конденсатора второй ступени. На наружной поверхности дополнительной емкости на выходе из конденсатора второй ступени каскада могут быть закреплены многослойные пленочные термопары, преобразующие часть избыточной теплоты, полученной при охлаждении хладагента, в электроэнергию, причем полученная электрическая энергия может накапливаться в аккумуляторе утилизированной электроэнергии.
Перегрев насыщенного пара хладагента в дополнительной емкости на выходе из испарителя второй ступени каскада может происходить за счет подвода тепла от внешнего источника тепла через стенки дополнительной емкости. Дополнительная емкость на выходе из испарителя второй ступени каскада может представлять собой цилиндрическую емкость объемом не более  от объема испарителя второй ступени. В качестве внешнего источника тепла для перегрева насыщенного пара хладагента в дополнительной емкости на выходе из испарителя второй ступени каскада могут использоваться пленочные электронагреватели, закрепленные на наружной поверхности дополнительной емкости, причем электрическая энергия к пленочным электронагревателям может подаваться от аккумулятора утилизированной электроэнергии.
Управление работой многослойных пленочных термопар, пленочных электронагревателей и аккумулятора утилизированной электроэнергии может осуществляться с помощью программируемого логического контроллера.
Содержание заявленного изобретения иллюстрируется чертежом - принципиальной схемой общего вида ТНУ.
1
1
1
1
Теплонасосная установка имеет две ступени - А и Б на основе тепловых насосов компрессионного типа. Первая ступень А включает емкость 2 для поступления низкотемпературного теплоносителя от грунтового теплообменника и с трубчатым испарителем первого теплового насоса, помещенным в данную емкость, компрессор 3, дроссель 1, емкость 4 для технологического среднетемпературного теплоносителя и с трубчатым конденсатором первого теплового насоса, помещенным в данную емкость. Вторая ступень Б включает емкость 2 для технологического среднетемпературного теплоносителя с трубчатым испарителем второго теплового насоса, помещенным в данную емкость, компрессор 3, дроссель 1, дополнительную емкость 5, на поверхности которой закреплены пленочные электронагреватели (не показано), дополнительную емкость 6, на поверхности которой закреплены многослойные пленочные термопары (не показано), емкость 4 для отопительной воды с трубчатым конденсатором второго теплового насоса, помещенным в данную емкость.
1
1
2
Емкости 4 и 2 связаны между собой трубопроводами С, C и С и образуют дополнительный циркуляционный контур.
1
1
Емкость 4 связана с системой отопления помещения через трубопроводы d, d, Е и с центральным трубопроводом Д - через вентиль 7 (показан условно).
1
На чертеже не показаны жидкостные насосы для прокачки теплоносителей, аккумулятор для утилизации электроэнергии от пленочных многослойных термопар, логический контроллер для управления, а также фильтр и емкость - накопитель для подачи из емкости 4 воды для горячего водоснабжения.
1
2
1
1
1
Каскадная ТНУ работает следующим образом. Рабочая жидкость (чаще всего, антифриз или специальный рассол) грунтового теплообменника внешнего контура поступает в емкость 2, где по трубчатому испарителю, помещенному в данную емкость, циркулирует хладагент. На выходе из испарителя хладагент находится в виде пара, который поступает в компрессор 3, где сжимается, приобретая высокую температуру, и далее поступает в трубчатый конденсатор, помещенный в емкость 4. Трубчатый конденсатор нагревает циркулирующий в дополнительном циркуляционном контуре между емкостями 4 и 2 технологический среднетемпературный теплоноситель, например, воду, до температуры 50-55°С. Нагретый технологический среднетемпературный теплоноситель из емкости 4 поступает по трубопроводу С в емкость 2 и нагревает хладагент, циркулирующий в трубчатом испарителе второго теплового насоса. Отработанный технологический среднетемпературный теплоноситель из емкости 2 поступает по трубопроводу C и С в емкость 4. Использование дополнительного циркуляционного контура с технологическим среднетемпературным теплоносителем позволяет стабилизировать процессы теплообмена при испарении и конденсации хладагентов и снизить уровень термических напряжений в конструкциях.
Пар хладагента на выходе из трубчатого испарителя второго теплового насоса может содержать некоторое количество жидкости, что снижает производительность и надежность работы компрессора теплового насоса. Поэтому, для предотвращения попадания капель жидкого хладагента в компрессор, после трубчатого испарителя второго теплового насоса пар хладагента поступает в дополнительную емкость 5, где перегревается под воздействием тепла, вырабатываемого пленочными электронагревателями, закрепленными на наружной поверхности дополнительной емкости 5. Пленочные электронагреватели могут быть выполнены, например, по патенту RU №2234822 [4]. Электрическая энергия к пленочным электронагревателям подается от аккумулятора утилизированной электроэнергии.
1
1
1
1
Из дополнительной емкости 5 полученный сухой пар хладагента поступает в компрессор 3 и далее - в трубчатый конденсатор второго теплового насоса, помещенный в емкость 4. Находящаяся в емкости 4 вода для отопления и горячего водоснабжения нагревается от трубчатого конденсатора до температуры 90-95°С и поступает по трубопроводу d во внутренний теплообменник контура ТНУ - к приборам отопления помещения (батареям) и через фильтр и емкость-накопитель - в систему горячего водоснабжения. Процесс конденсации хладагента происходит, в основном, в трубчатом конденсаторе второго теплового насоса, расположенном в емкости 4, а продолжение конденсации происходит при прохождении хладагента через дополнительную емкость 6, на поверхности которой закреплены многослойные пленочные термопары (выполненные, например, по патенту RU №2131156 [5]), преобразующие часть избыточной тепловой энергии хладагента в электрическую. Выработанная многослойными пленочными термопарами электроэнергия поступает в аккумулятор для утилизации и используется в дальнейшем для питания пленочных электронагревателей, закрепленных на наружной поверхности дополнительной емкости 5. Аккумулятор для утилизации электроэнергии, помимо пленочных многослойных термопар, также может подзаряжаться и от других источников электропитания (солнечных батарей, ветрогенератора и т.д.).
Таким образом, за счет полезного использования тепла конденсация хладагента в дополнительной емкости 6, снижаются необратимые потери тепла и повышается теплоэффективность ТНУ.
1
1
Переохлажденный жидкий хладагент после дополнительной емкости 6 через дроссель 1 поступает снова в трубчатый испаритель второго теплового насоса, расположенный в емкости 2.
1
1
1
Отработанная вода из системы отопления и горячего водоснабжения возвращается в емкость 4 по трубопроводу d через трубопровод обратной воды Е. Подпитка, в случае необходимости, емкости 4 отопительной водой осуществляется от центрального трубопровода Д с помощью вентиля 7.
Управление работой многослойных пленочных термопар, пленочных электронагревателей и аккумулятора утилизированной электроэнергии осуществляется с помощью программируемого логического контроллера (ПЛК). ПЛК также используется для контроля различных параметров ТНУ - температуры, давления и расхода теплоносителя, скорости изменения температуры, температуры хладагента в различных участках контура ТНУ и т.д.
Реализация приведенных технических решений обеспечивает повышение эффективности работы, надежности и производительности каскадной ТНУ.
Источники информации
1. Патент на изобретение RU №2306496 «Двухступенчатая теплонасосная установка».
2. Патент на полезную модель RU №121044 «Тепловой насос».
3. Патент на изобретение RU №2382282 «Система теплоснабжения».
4. Патент на изобретение RU №2234822 «Гибкий электронагреватель».
5. Патент на изобретение RU №2131156 «Термоэлектрический преобразователь».