УЛУЧШЕНИЕ ОТТАИВАНИЯ РЕВЕРСИВНЫМ ЦИКЛОМ В ПАРОКОМПРЕССИОННЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ СИСТЕМАХ, ОСНОВАННОЕ НА МАТЕРИАЛЕ С ФАЗОВЫМ ПЕРЕХОДОМ
IMPROVED THAWING BY REVERSIBLE CYCLE IN VAPOR COMPRESSION REFRIGERATION SYSTEMS, BASED ON MATERIAL WITH PHASE TRANSITION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к способу и структуре оттаивания для оттаивания испарителей в тепловых насосах и любых парокомпрессионных холодильных системах. Настоящее изобретение также относится к системе аккумулирования тепловой энергии, подходящей для использования с системами, выполненными с возможностью передачи тепла от по меньшей мере одного источника тепла по меньшей мере одному потребителю тепла (система теплопередачи), содержащей по меньшей мере один блок аккумулирования тепловой энергии. В частности, настоящее изобретение относится к системам аккумулирования тепловой энергии для использования с тепловым насосом и любыми парокомпрессионными холодильными системами для оттаивания испарителей без влияния на энергию, поступившую в конденсатор до цикла оттаивания. Настоящее изобретение также относится к системам аккумулирования тепловой энергии для использования с тепловым насосом или парокомпрессионными холодильными системами, способу оттаивания испарителей без влияния на энергию, поступившую в конденсатор до цикла оттаивания, и системным конфигурациям для оттаивания испарителей в тепловых насосах или в парокомпрессионных холодильных системах.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Тепловые насосы и парокомпрессионные холодильные системы предназначены для передачи тепла в направлении, противоположном самопроизвольному направлению теплового потока, с использованием внешнего источника энергии, например, электрической энергии, для передачи тепла от по меньшей мере одного источника тепла по меньшей мере одному потребителю тепла. Это относится либо к повышению температуры потребителя тепла путем увеличения тепловой энергии от источника тепла, либо к снижению температуры потребителя тепла путем уменьшения тепловой энергии от источника тепла.
Парокомпрессионные циклы хорошо известны и, как правило, используются в различных областях для передачи тепла из более холодной среды к более теплой среде, например, для обогрева жилых помещений, охлаждения салона автомобиля, а также для охлаждения воздуха в холодильных камерах.
Как показано на фиг. 1, рабочая текучая среда, как правило, хладагент, сжимается компрессором (1) до состояния пара высокой температуры и высокого давления; затем горячий пар высокого давления охлаждается в конденсаторе (2), где он (пар) выделяет тепло и конденсируется в жидкость или смесь жидкости и пара умеренной температуры и высокого давления; затем эта жидкость или смесь жидкости и пара подпадает в устройство (3) понижения давления, где она превращается в жидкость или смесь жидкости и пара низкой температуры; и наконец она попадает в испаритель (4), где нагревается и снова испаряется перед возвращением в компрессор.
Общеизвестная проблема этой технологии заключается в том, что, когда температура окружающей среды вокруг испарителя достигает условий обледенения, на змеевике образуется лед, что приводит к снижению интенсивности теплообмена между хладагентом и окружающим воздухом. Это может привести к потере эффективности испарителя, и, если не предпринять меры, к остановке теплового насоса или парокомпрессионной холодильной системы.
В уровне техники известны различные способы оттаивания испарителя в случае достижения условий обледенения и образования льда. На сегодняшний день широко используется оттаивание реверсивным циклом. Как показано на фиг. 2, этот способ заключается во временном реверсировании потока хладагента путем переключения положения четырехходового реверсивного клапана (5), так что компрессор (1) подает горячий пар высокого давления в испаритель (4), служащий в качестве конденсатора, где он охлаждается при одновременном таянии льда.
Жидкость высокого давления и умеренной температуры последовательно расширяется с помощью устройства (3) понижения давления перед попаданием в конденсатор (2), служащий в качестве испарителя, для повторного нагрева. Затем пар низкого давления и высокой температуры попадает в компрессор, и цикл начинается снова до тех пор, пока весь лед на испарителе не растает. В случае, когда тепловой насос или любая парокомпрессионная холодильная система используется в нормальном режиме работы для нагрева целевого потребителя тепла, соединенного с конденсатором (2), например, бака с водой для подготовки горячей воды или контура радиаторной системы для обогрева дома, оттаивание реверсивным циклом имеет очевидный недостаток, заключающийся в том, что часть энергии, ранее подаваемой этому потребителю тепла, используется для оттаивания льда на испарителе, что в конечном итоге приводит к охлаждению бака с горячей водой или снижению температуры радиаторов, снижая комфортность внутренней среды.
Следовательно, необходимо обеспечить улучшенную систему оттаивания.
Таким образом, необходимо обеспечить улучшенную систему оттаивания, которая решает проблему обледенения, не оказывая влияния на связанные дополнительные системы, например, баки с горячей водой, радиаторы и т.п.
Заявитель разработал новую систему аккумулирования тепловой энергии, которая включает в себя улучшенную систему оттаивания и решает проблемы систем известного уровня техники.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с первым аспектом настоящее изобретение раскрывает систему аккумулирования тепловой энергии, подходящую для использования с системами, выполненными с возможностью передачи тепла от по меньшей мере одного источника тепла по меньшей мере одному потребителю тепла (система теплопередачи), содержащую по меньшей мере один блок аккумулирования тепловой энергии, причем указанный по меньшей мере один блок аккумулирования тепловой энергии содержит теплоаккумулятор, содержащий теплообменник с по меньшей мере одним змеевиком, причем упомянутый по меньшей мере один змеевик окружен подходящим материалом с фазовым переходом, и упомянутый блок аккумулирования тепловой энергии включает в себя средство соединения друг с другом и/или с одним или более компонентами системы теплопередачи.
Настоящее изобретение также раскрывает систему аккумулирования тепловой энергии в соответствии с первым или любым другим аспектом, причем упомянутая система содержит по меньшей мере два блока аккумулирования тепловой энергии, причем по меньшей мере один блок аккумулирования тепловой энергии содержит теплоаккумулятор, содержащий теплообменник с одним змеевиком, причем упомянутый один змеевик окружен подходящим материалом с фазовым переходом, по меньшей мере один дополнительный блок аккумулирования тепловой энергии содержит теплоаккумулятор, содержащий теплообменник, который содержит два или более змеевиков, и каждый из упомянутых блоков аккумулирования тепловой энергии может как вариант и независимо включать в себя байпасное средство для теплоаккумулятора.
Настоящее изобретение также раскрывает систему теплопередачи, включающую в себя один или более блоков аккумулирования тепловой энергии в соответствии с первым аспектом или любыми другими аспектами систем аккумулирования тепловой энергии, как подробно описано в настоящем документе, причем упомянутая система теплопередачи дополнительно содержит один или более компрессоров, один или более испарителей, одно или более устройств понижения давления и один или более конденсаторов, и упомянутые компоненты взаимно соединены друг с другом и/или с одним или более блоками аккумулирования тепловой энергии.
По меньшей мере один блок аккумулирования тепловой энергии дополнительно может включать в себя внутренние металлические ребра, совмещенные с одним или более змеевиками.
Система аккумулирования тепловой энергии также может содержать по меньшей мере два блока аккумулирования тепловой энергии.
Каждый из блоков аккумулирования тепловой энергии может включать в себя материал с фазовым переходом, который может быть независимо выбран из композиций, содержащих одно из следующего или их сочетание: один или более видов воска; парафин; одна или более жирных кислот или гидратов солей; одно или более эвтектических соединений системы органика-органика, одно или более эвтектических соединений системы органика-неорганика; одно или более эвтектических соединений системы неорганика-неорганика; или один или более гигроскопичных материалов; или любое их сочетание.
Система аккумулирования тепловой энергии также может содержать по меньшей мере два блока аккумулирования тепловой энергии, и каждый блок аккумулирования тепловой энергии может как вариант и независимо включать в себя байпасное средство для блока аккумулирования тепловой энергии.
Система аккумулирования тепловой энергии также может содержать байпасное средство для каждого блока аккумулирования тепловой энергии, которое может быть независимо выбрано из одного или более байпасных клапанов, одного или более системных клапанов или одного или более электромагнитных клапанов.
Система аккумулирования тепловой энергии также может содержать по меньшей мере два блока аккумулирования тепловой энергии, причем по меньшей мере один блок аккумулирования тепловой энергии может содержать теплоаккумулятор, содержащий теплообменник с одним змеевиком, причем упомянутый один змеевик окружен подходящим материалом с фазовым переходом, по меньшей мере один дополнительный блок аккумулирования тепловой энергии содержит теплоаккумулятор, содержащий теплообменник, который содержит два или более змеевиков, и каждый из упомянутых блоков аккумулирования тепловой энергии может как вариант и независимо включать в себя байпасное средство для теплоаккумулятора.
Система аккумулирования тепловой энергии также может содержать по меньшей мере один из блоков аккумулирования тепловой энергии, который может включать в себя байпасное средство для теплоаккумулятора, и упомянутое байпасное средство независимо выбрано из одного или более байпасных клапанов, одного или более системных клапанов или одного или более электромагнитных клапанов.
Система аккумулирования тепловой энергии также может содержать по меньшей мере два блока аккумулирования тепловой энергии, содержащих теплообменник с одним змеевиком, окруженным подходящим материалом с фазовым переходом, и каждый из упомянутых двух или более блоков может содержать одинаковые или разные материалы с фазовым переходом, причем упомянутые материалы с фазовым переходом могут быть независимо выбраны из композиций, содержащих: один или более видов воска; парафин; одну или более жирных кислот или гидратов солей; одно или более эвтектических соединений системы органика-органика, одно или более эвтектических соединений системы органика-неорганика; одно или более эвтектических соединений системы неорганика-неорганика; или один или более гигроскопичных материалов; или любое их сочетание.
Система аккумулирования тепловой энергии также может содержать один змеевик в по меньшей мере одном дополнительном блоке аккумулирования тепловой энергии, в частности, первичный змеевик, предназначенный для использования с хладагентами и соответственно выполненный с возможностью взаимного соединения как с конденсатором, так и с устройством понижения давления для использования с системой теплопередачи.
Система аккумулирования тепловой энергии также может содержать один или более змеевиков в по меньшей мере одном дополнительном блоке аккумулирования тепловой энергии, в частности, вторичные змеевики, предназначенные для использования с теплоносителями, причем указанные вторичные змеевики выполнены с возможностью теплообмена с материалом с фазовым переходом в каждом блоке аккумулирования тепловой энергии.
Вторичный змеевик или змеевики подходят для соединения с дополнительными служебными элементами для оттаивания или аккумулирования тепловой энергии в системе теплопередачи.
Теплоноситель может представлять собой воду, водно-гликолевые смеси и/или хладагент.
В структуре теплоаккумулятора, содержащего материал с фазовым переходом, конструкция блока аккумулирования тепловой энергии является по существу такой же, как показано и описано в отношении фиг. 6.
В структуре теплоаккумулятора, содержащего материал с фазовым переходом, конструкция блока аккумулирования тепловой энергии является по существу такой же, как показано и описано в отношении фиг. 7.
Система теплопередачи может дополнительно содержать один или более компрессоров, один или более испарителей, одно или более устройств понижения давления и один или более конденсаторов, причем упомянутые компоненты соединены друг с другом и/или с одним или более блоками аккумулирования тепловой энергии.
Один или более блоков аккумулирования тепловой энергии могут быть расположены в системе теплопередачи.
Один или более блоков аккумулирования тепловой энергии могут быть расположены снаружи системы теплопередачи и связаны с системой с помощью подходящего средства соединения.
Упомянутое средство соединения может представлять собой подходящее соединение для передачи хладагента, например, одну или более трубок.
Устройство понижения давления может представлять собой расширительный клапан.
Один или более блоков аккумулирования тепловой энергии могут быть соединены с компонентами системы теплопередачи в положении между по меньшей мере одним конденсатором и по меньшей мере одним устройством понижения давления, и подходящие средства соединения установлены к/от упомянутого конденсатора и упомянутого устройства понижения давления в один или более блоков аккумулирования тепловой энергии.
Система может быть независимо выбрана из следующего: парокомпрессионная система; парокомпрессионная система с оттаиванием реверсивным циклом; парокомпрессионная холодильная система; парокомпрессионная холодильная система с оттаиванием реверсивным циклом; или теплонасосная система.
Система может представлять собой парокомпрессионную холодильную систему с оттаиванием реверсивным циклом, в которой один или более блоков аккумулирования тепловой энергии могут быть расположены снаружи и в соединении с внутренним блоком, содержащим один или более компрессоров, один или более испарителей, одно или более устройств понижения давления и один или более конденсаторов, через подходящее соединение для передачи хладагента, и система теплопередачи дополнительно содержит байпасное средство для одного или более компрессоров.
Система может представлять собой парокомпрессионную холодильную систему с оттаиванием реверсивным циклом, в которой один или более блоков аккумулирования тепловой энергии и один или более компрессоров могут быть расположены снаружи и в соединении с внутренним блоком, содержащим один или более испарителей, одно или более устройств понижения давления и один или более конденсаторов, через подходящее соединение для передачи хладагента, и система теплопередачи дополнительно содержит байпасное средство для одного или более компрессоров.
Упомянутое байпасное средство может содержать переключающий клапан, систему электромагнитных клапанов или их сочетание.
Система аккумулирования тепловой энергии может иметь средство обнаружения и управления условиями обледенения.
Средство обнаружения может быть снабжено множеством датчиков для измерения температуры, давления и мощности в определенных местах упомянутой системы.
Средство управления условиями обледенения может представлять собой сочетание четырехходового реверсивного клапана (5), который расположен между компрессором и конденсатором, и средства (7) переключения конденсатора, причем реверсивный клапан выполнен с возможностью прекращения потока текучей среды/пара из одного или более компрессоров (1) в один или более конденсаторов (2), средство переключения выводит один или более конденсаторов (2) из потока текучей среды/пара в системе, и цикл реверсируется для подачи пара в один или более испарителей (4) из одного или более компрессоров (1), после этого в одно или более устройств (3) понижения давления и затем в один или более блоков (6) аккумулирования тепловой энергии, и при необходимости этот реверсивный цикл повторяется.
В соответствии с дополнительными аспектами может быть дополнительно обеспечена система теплопередачи, включающая в себя систему аккумулирования тепловой энергии в соответствии с первым аспектом или любыми другими аспектами систем аккумулирования тепловой энергии, как подробно описано в настоящем документе, причем структура упомянутых систем теплопередачи выбрана независимо и по существу является такой же, как показано и описано в отношение любой из фигур 3-8.
В соответствии с еще одним дополнительным аспектом могут быть установлены блоки аккумулирования тепловой энергии в холодильном процессе в системе теплопередачи, содержащей один или более компрессоров, один или более испарителей, одно или более устройств понижения давления и один или более конденсаторов, причем указанные компрессоры, испарители, устройства понижения давления и конденсаторы взаимно соединены друг с другом и/или с одним или более блоками аккумулирования тепловой энергии, и указанный холодильный процесс содержит этапы, на которых:
(i) подают подходящий хладагент или рабочую текучую среду в систему теплопередачи;
(ii) повышают давление и нагревают текучую среду при подходящих условиях давления и температуры для испарения текучей среды в одном или более компрессорах;
(iii) подают полученный пар высокого давления и повышенной температуры в один или более конденсаторов через подходящее средство;
(iv)  охлаждают пар для обеспечения жидкости или смеси пара и жидкости высокого давления и пониженной температуры;
(v) подают жидкость или смесь жидкости и пара в один или более блоков аккумулирования тепловой энергии;
(vi) понижают температуру с помощью средства обмена тепловой энергией в блоках аккумулирования тепловой энергии; подают жидкость или смесь жидкости и пара в одно или более устройств понижения давления;
(vii) подают жидкость или смесь жидкости и пара пониженной температуры и пониженного давления в один или более испарителей;
(viii) повторно нагревают жидкость или смесь жидкости и пара для обеспечения пара; подают полученную в результате повторного испарения текучую среду в один или более компрессоров.
Эти и другие аспекты настоящего изобретения подробно рассмотрены ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее будут описаны варианты осуществления настоящего изобретения исключительно путем примера со ссылкой на следующие фигуры.
Фиг. 1 иллюстрирует парокомпрессионный холодильный цикл в соответствии с известным уровнем техники.
Фиг. 2 иллюстрирует типичную системную структуру/структурную схему цикла оттаивания реверсивным циклом в соответствии с известным уровнем техники.
Фиг. 3 иллюстрирует системную структуру/структурную схему системы теплопередачи в соответствии с настоящим изобретением, включающей в себя блок аккумулирования тепловой энергии, как определено в настоящем документе, и использование упомянутой системы в «нормальных рабочих условиях» цикла оттаивания реверсивным циклом в парокомпрессионной холодильной системе.
Фиг. 4 иллюстрирует системную структуру/структурную схему системы теплопередачи в соответствии с настоящим изобретением, включающей в себя блок аккумулирования тепловой энергии, как определено в настоящем документе, и использование упомянутой системы в «условиях обледенения» цикла оттаивания реверсивным циклом в парокомпрессионной холодильной системе.
Фиг. 5 иллюстрирует системную структуру/структурную схему системы теплопередачи в соответствии с настоящим изобретением, включающей в себя блок аккумулирования тепловой энергии, как определено в настоящем документе, и использование упомянутой системы для осуществления оттаивания реверсивным циклом в парокомпрессионном холодильном цикле, имеющем байпасное средство теплоаккумулятора.
Фиг. 6 иллюстрирует системную структуру/структурную схему для теплоаккумулятора, содержащего материал с фазовым переходом, имеющего байпасное средство и подходящего для использования в системе теплопередачи в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 7 иллюстрирует системную структуру/структурную схему для альтернативного теплоаккумулятора, содержащего материал с фазовым переходом, отличного от показанного на фиг. 6. Теплоаккумулятор, показанный на фиг. 7, включает в себя байпасное средство и подходит для использования в системе теплопередачи в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 8 иллюстрирует системную конфигурацию/структурную схему системы теплопередачи в соответствии с альтернативным вариантом выполнения настоящего изобретения, включающей в себя блок аккумулирования тепловой энергии, как определено в настоящем документе, и использование упомянутой системы в «нормальных рабочих условиях» цикла оттаивания в парокомпрессионной холодильной системе без реверсивного цикла.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к системам аккумулирования тепловой энергии, подходящим для использования с системами, выполненными с возможностью передачи тепла от по меньшей мере одного источника тепла по меньшей мере одному потребителю тепла (система теплопередачи), содержащим по меньшей мере один блок аккумулирования тепловой энергии.
Примерами систем теплопередачи, которые могут использовать системы аккумулирования тепловой энергии, подробно описанные в настоящем документе, являются: парокомпрессионные системы; парокомпрессионные системы с оттаиванием реверсивным циклом; парокомпрессионные холодильные системы; парокомпрессионные холодильные системы с оттаиванием реверсивным циклом; и/или теплонасосные системы.
Настоящее изобретение описывает тепловой насос или любые парокомпрессионные холодильные системы, включающие в себя один или множество блоков аккумулирования тепловой энергии, предназначенных для цикла оттаивания, в дополнение к обычным компонентам, присутствующим в этих системах, таким как: один или множество компрессоров, один или множество испарителей, одно или множество устройств понижения давления и один или множество конденсаторов.
Настоящее изобретение также относится к системам аккумулирования тепловой энергии, подходящим для использования с тепловым насосом или любыми парокомпрессионными холодильными системами, которые включают в себя один или более блоков аккумулирования тепловой энергии, предназначенных для цикла оттаивания, в дополнение к компонентам теплового насоса или парокомпрессионных холодильных систем, включающим в себя: один или множество компрессоров, один или более испарителей; одно или более устройств понижения давления; и один или более конденсаторов.
Во избежание сомнений комплектующие части, определенные в системах аккумулирования тепловой энергии в настоящем документе, включают в себя: блоки аккумулирования тепловой энергии; компрессоры; испарители; устройства понижения давления; и конденсаторы, соединены друг с другом с помощью подходящих дополнительных компонентов, которые обычно присутствуют в системах аккумулирования тепловой энергии для обеспечения потока хладагента, и включают в себя такие дополнительные компоненты, которые обычно присутствуют в системах аккумулирования тепловой энергии для обеспечения измерения значений (температуры/давления и т.д.) которые могут потребоваться в определенных местах системы. Для ясности, такие дополнительные комплектующие части включают в себя, но не ограничиваются: клапаны; датчики; трубки; сборники жидкости; и/или фильтры. И хотя они подробно не описаны, необходимость и расположение таких дополнительных комплектующих частей (при необходимости) считаются общеизвестными среди специалистов в данной области техники. Необходимо понимать, что, не смотря на то, что при иллюстрации системных структур и описании систем, такие дополнительное комплектующие части не перечисляются, их наличие является неотъемлемым, если они необходимы для соединения одного или более ключевых компонентов друг с другом или для реализации необходимой функции. Считается, что выбор таких дополнительных комплектующих частей находится в пределах компетенции специалистов в данной области техники.
Для ясности все остальные компоненты, которые обычно присутствуют в реальной системе, например, клапаны, датчики, трубки, сборники жидкости, фильтры, конкретно не упоминаются, но считаются, что установлены. Для упрощения применения оттаивания реверсивным циклом настоящее изобретение определяет в качестве наиболее подходящего положения для блока аккумулирования тепловой энергии положение между конденсатором и расширительным клапаном, смотри компонент 6 на фиг. 3. В настоящем изобретении блок аккумулирования тепловой энергии не является частью внутреннего блока, содержащего конденсатор в обычной структуре парокомпрессионной холодильной системы, но он соединен с ним через соединение для передачи хладагента, например, трубку. Будучи отсоединенным от внутреннего блока парокомпрессионной холодильной системы, конденсатор (2) можно полностью обойти с помощью системы электромагнитных клапанов, или переключающего клапана, или любой другой системы, способной реализовать этот обход. Это позволяет проводить оттаивание, забирая энергию только от блока (6) аккумулирования тепловой энергии, не оказывая влияния на энергию, уже аккумулированную в конечном потребителе через конденсатор во внутренний блок.
Как отмечено ранее, Заявитель разработал новую систему аккумулирования тепловой энергии, которая особенно подходит для использования в областях применения оттаивания реверсивным циклом. Во избежание сомнений настоящая система аккумулирования тепловой энергии подходит для использования с любой системой, выполненной с возможностью передачи тепла от по меньшей мере одного источника тепла по меньшей мере одному потребителю тепла (системы теплопередачи).
В настоящем документе представлена новая система аккумулирования тепловой энергии, подходящая для использования с системами, выполненными с возможностью передачи тепла от по меньшей мере одного источника тепла по меньшей мере одному потребителю тепла (система теплопередачи), причем упомянутая система аккумулирования тепловой энергии содержит по меньшей мере один блок аккумулирования тепловой энергии, при этом упомянутый по меньшей мере один блок аккумулирования тепловой энергии содержит теплоаккумулятор, содержащий теплообменник с по меньшей мере одним змеевиком, а упомянутый по меньшей мере один змеевик окружен подходящим материалом с фазовым переходом, и упомянутый блок (блоки) аккумулирования тепловой энергии включает в себя средство соединения друг с другом и/или с одним или более компонентами системы теплопередачи.
Во избежание сомнений блок аккумулирования тепловой энергии, также называемый в настоящем документе аккумулятором тепловой энергии, означает блок, который содержит теплоаккумулятор, содержащий теплообменник с по меньшей мере одним змеевиком, причем упомянутый по меньшей мере один змеевик окружен подходящим материалом с фазовым переходом, и упомянутый блок (блоки) аккумулирования тепловой энергии включает в себя средство соединения друг с другом и/или с одним или более компонентами системы теплопередачи.
Заявитель обнаружил, что настоящая система решает проблемы, связанные с условиями обледенения в парокомпрессионном цикле и системами оттаивания реверсивным циклом известного уровня техники.
В частности, как проиллюстрировано на фиг. 3, Заявитель разработал новую систему теплопередачи, включающую в себя по меньшей мере один блок (6) аккумулирования тепловой энергии, причем по меньшей мере один блок (6) аккумулирования тепловой энергии расположен между конденсатором (2) и расширительным клапаном.
Важно отметить, что для использования в областях, подверженных условиям обледенения, например, в парокомпрессионных холодильных системах, настоящая система аккумулирования тепловой энергии не является частью внутреннего блока, содержащего компрессор, конденсатор, устройство понижения давления и испаритель в системной структуре. В отличие от систем известного уровня техники, в настоящей системе один или более блоков аккумулирования тепловой энергии соединены с холодильной системой через подходящее средство соединения для передачи хладагента, например, трубку или любой другой подходящий соединитель, как проиллюстрировано на фиг. 3 и рассмотрено ниже.
Таким образом, в настоящем документе также обеспечена новая система теплопередачи, включающая в себя по меньшей мере один блок (6) аккумулирования тепловой энергии, как определено выше, причем система теплопередачи дополнительно содержит один или более компрессоров, один или более испарителей, одно или более устройств понижения давления и один или более конденсаторов, причем упомянутые компоненты соединены друг с другом и/или с одним или более блоками аккумулирования тепловой энергии, и по меньшей мере один блок (6) аккумулирования тепловой энергии расположен между конденсатором (2) и расширительным клапаном системы теплопередачи, и система аккумулирования тепловой энергии не является частью внутреннего блока в системной структуре. Предпочтительно в системах теплопередачи в соответствии с настоящим изобретением, как определено выше, конденсатор (2) отсоединен от внутреннего участка парокомпрессионной холодильной системы и можно полностью обойти с помощью системы электромагнитных клапанов, или переключающего клапана, или любой другой системы, способной реализовать обход. Заявитель обнаружил, что обход конденсатора обеспечивает эффективную теплопередачу и, в частности, позволяет проводить процесс оттаивания с использованием тепла (энергии) только от блока (6) аккумулирования тепловой энергии, не оказывая влияния на аккумулированное тепло (энергию), переданную конечному потребителю тепла через конденсатор во внутренний блок (парокомпрессионной холодильной системы).
Таким образом, настоящее изобретение дополнительно обеспечивает новую систему теплопередачи, включающую в себя по меньшей мере один блок (6) аккумулирования тепловой энергии, как определено выше, причем система теплопередачи дополнительно содержит один или более компрессоров, один или более испарителей, одно или более устройств понижения давления и один или более конденсаторов, причем упомянутые компоненты соединены друг с другом и/или с одним или более блоками аккумулирования тепловой энергии, и по меньшей мере один блок (6) аккумулирования тепловой энергии расположен между конденсатором (2) и расширительным клапаном системы теплопередачи, и система аккумулирования тепловой энергии и один или более конденсаторов не являются частью внутреннего блока, содержащего конденсатор в системной структуре.
В системах теплопередачи в соответствии с настоящим изобретением, как определено в настоящем документе, и независимо от того, будет ли конденсатор обойден в системе, во время нормальной работы жидкость или смесь жидкости и пара, покидающая конденсатор (2), сохраняет воспринимаемые и/или скрытые уровни теплоты. В доступных на сегодняшний день системах теплопередачи эта остаточная тепловая энергия, как правило, теряется или растрачивается.
Выражения «скрытая» теплота и «воспринимаемая» теплота определены в настоящем документе, по существу воспринимаемая теплота может быть определена путем измерения температуры. При плавлении твердого вещества воспринимаемая теплота - это тепловая энергия, выделяемая при изменении температуры, а скрытая теплота - это тепловая энергия, выделяемая при незначительном изменении температуры. Например, при таянии куска льда с -5°C до 20°C энергия, высвобождаемая при температуре от -5°C до 0°C из твердого тела, а также энергия, высвобождаемая при температуре от 0°C до 20°C в жидком состоянии, представляют собой воспринимаемую теплоту. Остальная энергия, высвобождаемая при температуре 0°C во время фазы таяния, является скрытой энергией.
Предпочтительно система теплопередачи в соответствии с настоящим изобретением в дополнение к обеспечению более эффективного средства оттаивания также обеспечивает средство рекуперации такой остаточной тепловой энергии, т.е. в материале, покидающем конденсатор (2), в по меньшей мере одном специальном блоке (6) аккумулирования тепловой энергии, перед расширением и дополнительным охлаждением в устройстве (3) понижения давления.
При использовании настоящей системы теплопередачи для обеспечения оттаивания реверсивным циклом в парокомпрессионном холодильном цикле, как проиллюстрировано на фиг. 3, во время нормальной работы системы рабочая текучая среда, как правило, хладагент, сжимается компрессором (1) до состояния пара. Затем пар высокой температуры и высокого давления охлаждается в конденсаторе (2), где он выделяет тепло и конденсируется в жидкость или смесь жидкости и пара умеренной температуры и высокого давления. Эта жидкость или смесь жидкости и пара попадает в блок (6) аккумулирования тепловой энергии, где она обменивается с ним тепловой энергией, что еще больше снижает ее температуру. Затем жидкость или смесь жидкости и пара попадает в устройство (3) понижения давления, где она превращается в низкотемпературную жидкость или смесь жидкости и пара низкой температуры и низкого давления. И наконец, она попадает в испаритель (4), где нагревается и испаряется перед возвращением в компрессор.
Выражения «нормальная работа» и «работа в условиях обледенения», используемые в отношении новых систем теплопередачи, обеспеченных в соответствии с настоящим изобретением, означают нормальные условия нагрева и ненормальные условия, когда в ответ на предпосылки, связанные с обледенением, средство переключения и обхода может обеспечивать оттаивание, сохраняя при этом необходимое аккумулирование тепла/отдачу тепла (уровни нагрева горячей воды/радиатора).
Предпосылки, связанные с обледенением, как определено в настоящем документе, включают в себя: образование льда на змеевиках испарителя; обнаружение температур, ниже которых возможно обледенение, с помощью любого подходящего средства обнаружения.
Во избежание сомнений обнаружение условий обледенения может выполняться либо в тепловом насосе, либо в системе аккумулирования тепловой энергии. В связи с этим настоящее изобретение обеспечивает системы аккумулирования тепловой энергии, которые дополнительно включают в себя средство обнаружения условий обледенения.
Может быть использовано любое подходящее средство обнаружения. Подходящее средство обнаружения условий обледенения включает в себя средство измерения температуры испарителя, как правило, средство измерения температуры внешней поверхности испарителя. Например, в системе аккумулирования тепловой энергии в соответствии с настоящим изобретением, которая включает в себя средство измерения температуры внешней поверхности испарителя, когда измеренная температура достигает 0°C, начинается цикл оттаивания. Когда температура принимает значение около 10-15°C, цикл оттаивания прекращается, и снова начинается нормальная работа.
В альтернативном способе, подходящем для использования в системах аккумулирования тепловой энергии в соответствии с настоящим изобретением, средство измерения температуры испарителя позволяет проводить измерения воздушного потока, давления хладагента, температуры воздуха или змеевика и перепада давления на наружном змеевике для обнаружения инея на наружном змеевике. В этом альтернативном способе, когда измеренная температура достигает 0°C, начинается цикл оттаивания. Когда температура принимает значение около 10-15°C, цикл оттаивания прекращается, и снова начинается нормальная работа.
Во избежание сомнений в системах аккумулирования тепловой энергии в настоящем документе может быть использовано любое подходящее средство измерения температуры внешней поверхности испарителя, и/или может быть использовано любое подходящее средство измерения воздушного потока, давления хладагента, температуры воздуха или змеевика и перепада давления на наружном змеевике.
При нормальной работе жидкость или смесь жидкости и пара, покидающая конденсатор (2), все еще обладает воспринимаемой и/или скрытой теплотой, которая обычно теряется. В настоящем изобретении она рекуперируется в специальном блоке (6) аккумулирования тепловой энергии перед расширением и дополнительным охлаждением в устройстве (3) понижения давления. В связи с этим, настоящее изобретение включает в себя следующий холодильный цикл во время нормальной работы системы: рабочая текучая среда, как правило, хладагент, сжимается компрессором (1) до состояния пара; затем пар высокой температуры и высокого давления охлаждается в конденсаторе (2), где пар выделяет тепло и конденсируется в жидкость или смесь жидкости и пара умеренной температуры и высокого давления; эта жидкость или смесь жидкости и пара попадает в блок (6) аккумулирования тепловой энергии, где обменивается с ним тепловой энергией, что дополнительно снижает ее температуру; затем эта жидкость или смесь жидкости и пара попадает в устройство (3) понижения давления, где превращается в жидкость или смесь жидкости и пара низкой температуры и низкого давления; и наконец, она попадает в испаритель (4), где нагревается и снова испаряется перед возвращением в компрессор.
При обнаружении условий обледенения в парокомпрессионной холодильной системе компрессор останавливается, и цикл реверсируется путем переключения положения четырехходового реверсивного клапана (5), смотри фиг. 4; конденсатор отсекается с помощью системы электромагнитных клапанов или переключающих клапанов (7); компрессор (1) запускается; пар высокой температуры и высокого давления попадает в испаритель (4), где горячий пар выделяет тепло при конденсации, оттаивая лед на змеевике; пар или смесь жидкости и пара умеренной температуры и высокого давления расширяется с помощью устройства (3) понижения давления; затем низкотемпературная жидкость нагревается в блоке (6) аккумулирования тепловой энергии, и ее температура повышается; в блоке аккумулирования тепловой энергии хладагент частично или полностью испаряется; этот пар или смесь жидкости и пара умеренной температуры и низкого давления дополнительно нагревается в компрессоре, превращаясь в пар высокой температуры и высокого давления; этот пар попадает в испаритель для оттаивания льда, и цикл продолжается до тех пор, пока не будет гарантирована безопасная и эффективная нормальная работа.
В частности, настоящее изобретение относится к системам теплопередачи, как подробно описано в настоящем документе, в которых блок (6) аккумулирования тепловой энергии включает в себя материал с фазовым переходом.
Таким образом, в настоящем документе обеспечена новая система теплопередачи, включающая в себя по меньшей мере один блок (6) аккумулирования тепловой энергии, как определено выше, причем система теплопередачи дополнительно содержит один или более компрессоров, один или более испарителей, одно или более устройств понижения давления и один или более конденсаторов, причем упомянутые компоненты соединены друг с другом и/или с одним или более блоками аккумулирования тепловой энергии, и по меньшей мере один блок (6) аккумулирования тепловой энергии расположен между конденсатором (2) и расширительным клапаном системы (3) теплопередачи, система аккумулирования тепловой энергии не является частью внутреннего блока, содержащего конденсатор в системной конфигурации, и по меньшей мере один блок (6) аккумулирования тепловой энергии включает в себя материал с фазовым переходом.
В этих системах теплопередачи блок аккумулирования тепловой энергии содержит теплообменник с по меньшей мере одним змеевиком, причем хладагент в жидком или газообразном состоянии циркулирует в змеевике, и змеевик окружен материалом с фазовым переходом, что усиливает теплопередачу между материалом с фазовым переходом и хладагентом. Заявитель обнаружил, что в настоящих системах теплопередачи улучшенная теплопередача может быть дополнительно усилена путем добавления подходящего средства усиления теплообмена в теплообменном компоненте теплоаккумулятора. Может быть использовано любое подходящее средство усиления теплообмена, в том числе: металлические ребра; дисперсия графита в материале с фазовым переходом (PCM); ребристые трубки; разделение трубок на микроканалы.
Заявитель обнаружил, что включение множества металлических ребер в теплообменный компонент особенно эффективно для усиления теплообмена. Следовательно, в настоящем изобретении может быть использован теплообменник, включающий в себя металлические ребра, в том числе ребристую трубку. Следует понимать, что конкретное количество металлических ребер или конкретное количество ребер на ребристой трубке будет зависеть от размера конкретного теплоаккумулятора.
Заявитель также обнаружил, что дисперсия графита в PCM эффективна для улучшения теплопроводности в теплоаккумуляторе.
Таким образом, в настоящем документе дополнительно обеспечена система аккумулирования тепловой энергии, подходящая для использования с системами, выполненными с возможностью передачи тепла от по меньшей мере одного источника тепла по меньшей мере одному потребителю тепла (система теплопередачи), причем указанная система аккумулирования тепловой энергии содержит по меньшей мере один блок аккумулирования тепловой энергии, причем указанный по меньшей мере один блок аккумулирования тепловой энергии содержит теплоаккумулятор, содержащий теплообменник с по меньшей мере одним змеевиком, причем упомянутый по меньшей мере один змеевик окружен подходящим материалом с фазовым переходом, и указанный блок (блоки) аккумулирования тепловой энергии включает в себя средство соединения друг с другом и/или с одним или более компонентами системы теплопередачи, и по меньшей мере один блок аккумулирования тепловой энергии дополнительно включает в себя множество внутренних металлических ребер, совмещенных с одним или более змеевиками теплообменника.
Подходящие материалы с фазовым переходом для использования в системах аккумулирования тепловой энергии в настоящем документе включают в себя любую композицию, содержащую воск, или парафин, или жирную кислоту, или гидрат соли, или эвтектическую композицию системы органика-органика, органика-неорганика, неорганика-неорганика, или гигроскопичный материал, или любое их сочетание.
Таким образом, в настоящем документе дополнительно обеспечена система аккумулирования тепловой энергии, подходящая для использования с системами, выполненными с возможностью передачи тепла от по меньшей мере одного источника тепла по меньшей мере одному потребителю тепла (система теплопередачи), причем упомянутая система аккумулирования тепловой энергии содержит по меньшей мере один блок аккумулирования тепловой энергии, причем упомянутый по меньшей мере один блок аккумулирования тепловой энергии содержит теплоаккумулятор, содержащий теплообменник с по меньшей мере одним змеевиком, при этом упомянутый по меньшей мере один змеевик окружен подходящим материалом с фазовым переходом, и упомянутый блок (блоки) аккумулирования тепловой энергии включает в себя средство соединения друг с другом и/или с одним или более компонентами системы теплопередачи, и по меньшей мере один из блоков аккумулирования тепловой энергии включает в себя множество внутренних металлических ребер, совмещенных с одним или более змеевиками теплообменника, и/или материал с фазовым переходом, который независимо выбран из композиций, содержащих: один или более видов воска; парафин; одну или более жирных кислот или гидратов солей; одно или более эвтектических соединений системы органика-органика, одно или более эвтектических соединений системы органика-неорганика; одно или более эвтектических соединений системы неорганика-неорганика; или один или более гигроскопичных материалов; или любое их сочетание.
Заявитель обнаружил, что использование материалов с фазовым переходом обеспечивает преимущество по сравнению с использованием альтернативной теплоаккумулирующей среды, например, воды или камней. В частности, использование материалов с фазовым переходом обеспечивает поглощение и выделение тепла в течение более длительного периода времени и в пределах заданного диапазона температур. Эта особенность позволяет обеспечить систему аккумулирования тепловой энергии, адаптированную в соответствии с требованиями к производительности и установке для конкретной области применения, за счет использования упомянутых материалов с фазовым переходом.
Кроме того, конкретное преимущество конструкции настоящей системы, в которой блок аккумулирования тепловой энергии не встроен во внутренний блок, содержащий конденсатор (2), заключается в том, что блок аккумулирования тепловой энергии может быть легко адаптирован в соответствии с предполагаемыми требованиями к производительности и установке, прост в обслуживании, может быть заменен или усовершенствован без прерывания нормальной работы парокомпрессионного холодильного цикла.
Другое преимущество использования невстроенного блока аккумулирования тепловой энергии, как определено в настоящем документе, заключается в том, что блок аккумулирования тепловой энергии может быть установлен в системе теплопередачи в любом подходящем месте между внутренним блоком, содержащим конденсатор (2), и устройством (3) понижения давления.
В частности, настоящее изобретение относится к использованию материала с фазовым переходом в блоке (6) аккумулирования тепловой энергии, причем блок аккумулирования тепловой энергии состоит из теплообменника с по меньшей мере одним змеевиком, причем хладагент в жидком или газообразном состоянии циркулирует в змеевике, и змеевик окружен материалом с фазовым переходом и улучшает теплопередачу между материалом с фазовым переходом и хладагентом, например, с помощью металлических ребер. Материал с фазовым переходом может представлять собой любую композицию, содержащую воск, или парафин, или жирную кислоту, или гидрат соли, или эвтектическую композицию системы органика-органика, органика-неорганика, неорганика-неорганика, или гигроскопичный материал, или любое их сочетание. Преимущество материала с фазовым переходом по сравнению с другой теплоаккумулирующей средой, например, водой или камнями, заключается в том, что он может поглощать и выделять тепло в течение длительного периода времени в заданном диапазоне температур. В связи с этим материал с фазовым переходом может быть подобран к системе в соответствии с предполагаемыми требованиями к производительности и установке.
Например, при использовании теплового насоса для подготовки горячей воды может быть использован материал с температурой фазового перехода 34°C и/или 28°C, но без ограничения; при использовании теплового насоса для обогрева теплых полов может быть использован материал с температурой фазового перехода 28°C и или 12°C, но без ограничения. Кроме того, преимущество блока аккумулирования тепловой энергии, который не встроен во внутренний блок, содержащий конденсатор (2), заключается в том, что блок аккумулирования тепловой энергии может быть легко адаптирован в зависимости от предполагаемых требований к производительности и установке, прост в обслуживании и может быть легко заменен или усовершенствован без прерывания нормальной работы парокомпрессионного холодильного цикла. Другое преимущество заключается в том, что блок аккумулирования тепловой энергии может быть установлен в любом месте между внутренним блоком, содержащим конденсатор (2), и устройством (3) понижения давления. Настоящее изобретение относится к любой системе, в которой на испарителе (4) могут образовываться лед или иней, например, если этот испаритель (4) подвержен воздействию условий внешней окружающей среды, или если этот испаритель (4) находится в закрытой среде, например, в холодильной камере, морозильной камере, авторефрижераторе, климатической камере. Настоящее изобретение также относится к любым другим компонентам теплонасосной системы, отличным от испарителя, на которых может образовываться лед или иней, например, к трубкам, дополнительным теплообменникам, в которых другие текучие среды могут изменять фазовое состояние или циркулировать при температурах ниже условий замерзания или обледенения, и, следовательно, требуют оттаивания. Это, например, может быть система, используемая для стационарной или мобильной морозильной камеры/рефрижератора, состоящая из разных теплообменников, в одном или более из которых течет и испаряется жидкий азот из бака, а другой или другие теплообменники имеют множество трубок, в некоторых из которых испаряется хладагент из теплонасосной системы, а в некоторых течет другой теплоноситель, который протекал в первом теплообменнике (теплообменниках), для усиления испарения. В обоих случаях может образовываться иней или лед, и, следовательно, может применяться предложенное изобретение.
В другом варианте выполнения изобретения, смотри фигуры 5 и 6, соединение между внутренним блоком и блоком аккумулирования тепловой энергии также может содержать один или множество электромагнитных клапанов или переключающих клапанов (8) или любую другую систему для обхода блока аккумулирования тепловой энергии в зависимости от рабочих условий всей системы. Это обеспечивает преимущество по сравнению с предыдущей структурой, заключающееся в том, что в период или в рабочих условиях, когда условия обледенения невозможны, блок аккумулирования тепловой энергии может отсекаться для экономии энергии, необходимой для аккумулирования тепла, и энергии, которая будет растрачиваться, если блок аккумулирования тепловой энергии не используется.
В дополнительном варианте выполнения изобретения, как проиллюстрировано на фиг. 5 и рассмотрено ниже, соединение между внутренним блоком и блоком аккумулирования тепловой энергии может дополнительно содержать один или более электромагнитных клапанов или переключающих клапанов (8) для блока аккумулирования тепловой энергии или любую другую систему для обхода блока аккумулирования тепловой энергии в зависимости от рабочих условий всей системы. Обход блока аккумулирования тепловой энергии обеспечивает встроенную функцию экономии энергии/эффективность процесса для настоящих систем теплопередачи, а также обеспечивает дополнительную гибкость проектирования системы. В частности, во время периодов или рабочих условий, когда условия обледенения невозможны, например, когда температура окружающей среды и относительная влажность, окружающие испаритель, выше условий замерзания, или когда температура испарителя выше, чем температура, требуемая для замерзания окружающего воздуха, блок аккумулирования тепловой энергии можно обойти. Такой обход экономит энергию, которая была бы необходима для аккумулирования тепла в системе аккумулирования тепловой энергии, и энергию, которую растрачивал бы теплоаккумулятор, когда он не используется.
Таким образом, в настоящем документе обеспечен теплоаккумулятор, содержащий теплообменник с по меньшей мере одним змеевиком, причем упомянутый по меньшей мере один змеевик окружен подходящим материалом с фазовым переходом, и упомянутый блок (блоки) аккумулирования тепловой энергии включает в себя средство соединения друг с другом и/или с одним или более компонентами системы теплопередачи, и по меньшей мере один из блоков аккумулирования тепловой энергии включает в себя множество внутренних металлических ребер, совмещенных с одним или более змеевиками теплообменника, и/или материал с фазовым переходом, который независимо выбран из композиций, содержащих: один или более видов воска; парафин; одну или более жирных кислот или гидратов солей; одно или более эвтектических соединений системы органика-органика, одно или более эвтектических соединений системы органика-неорганика; одно или более эвтектических соединений системы неорганика-неорганика; или один или более гигроскопичных материалов; или любое их сочетание.
1
2
n
1
2
n
В другом варианте осуществления настоящего изобретения, смотри фиг. 7, блок (6) аккумулирования тепловой энергии состоит из двух или более аккумулирующих блоков s, s, …, s, каждый из которых содержит одинаковые или разные материалы с фазовым переходом, и ни одного, один или более переключающих клапанов d, d, …, d, или систему электромагнитных клапанов или любое средство переключения потока хладагента в аккумулирующий блок или его обхода. Преимущество этой структуры заключается в том, что теплоаккумулирующая способность может быть адаптирована к изменяющимся условиям окружающей среды, влияющим на обледенение испарителя (4), например, в жилых помещениях, где испаритель подвергается воздействию внешних условий в местоположении с высоким отклонением от тепловых параметров в течение года.
1
2
n
1
2
n
В блоке аккумулирования тепловой энергии, как определено в настоящем документе, который включает в себя байпасную систему, проиллюстрированную на фиг. 6, каждый аккумулирующий блок содержит змеевик, через который может течь пар или жидкость. Каждый змеевик независимо соединен на одном конце (вход) с соответствующим переключающим клапаном d, d, …, d, а на другом конце с пропускным каналом теплоаккумулятора. Переключающие клапаны d, d, …, d соединены последовательно, и во время использования пар или жидкость может протекать через каждый аккумулятор, ни один из аккумуляторов или любое сочетание аккумуляторов в соответствии с требованиями пользователя. Необходимо понимать, что количества аккумулирующих блоков и тип системы клапанов для теплоаккумулятора могут меняться в соответствии с требованиями к системе, как рассмотрено в настоящем документе.
Преимущество этой изменяемой байпасной структуры с множеством аккумулирующих блоков заключается в том, что теплоаккумулирующая способность системы может быть адаптирована к изменяющимся условиям окружающей среды, влияющим на обледенение испарителя (4), например, в жилых помещениях, где испаритель подвергается воздействию внешних условий в местоположении с высоким отклонением от тепловых параметров в течение года.
Таким образом, настоящее изобретение дополнительно обеспечивает систему аккумулирования тепловой энергии, подходящую для использования в системах теплопередачи, как определено в настоящем документе, причем система аккумулирования тепловой энергии содержит множество блоков аккумулирования тепловой энергии, каждый из который содержит теплоаккумулятор, содержащий теплообменник с по меньшей мере одним змеевиком, при этом упомянутый по меньшей мере один змеевик окружен подходящим материалом с фазовым переходом, блоки аккумулирования тепловой энергии включают в себя средство соединения друг с другом и/или с одним или более компонентами системы теплопередачи, и блоки аккумулирования тепловой энергии включает в себя множество внутренних металлических ребер, совмещенных с одним или более змеевиками теплообменника, и система аккумулирования тепловой энергии содержит по меньшей мере два блока аккумулирования тепловой энергии, и материалы с фазовым переходом в каждом из блоков аккумулирования тепловой энергии могут быть одинаковыми или разными. В настоящем документе дополнительно обеспечена система аккумулирования тепловой энергии (теплоаккумулятор), включающая в себя множество блоков аккумулирования тепловой энергии, каждый из которых имеет теплообменник, материалы с фазовым переходом, средство соединения и металлические ребра, как подробно описано выше, причем теплоаккумулятор содержит по меньшей мере два блока аккумулирования тепловой энергии (аккумулирующие блоки), материалы с фазовым переходом в каждом аккумулирующем блоке могут быть одинаковыми или разными, и теплоаккумулятор включает в себя байпасное средство для каждого из аккумулирующих блоков в теплоаккумуляторе, и как вариант упомянутое байпасное средство содержит систему клапанов для аккумулирующего блока.
В частности, система клапанов для аккумулирующего блока содержит множество переключающих клапанов, или множество системных или электромагнитных клапанов, или любое другое подходящее средство для переключения потока хладагента в любой конкретный аккумулирующий блок в теплоаккумуляторе или его обход.
В частности, обеспечена система аккумулирования тепловой энергии в соответствии с любым аспектом или вариантом выполнения, как определено в настоящем документе, причем упомянутая система аккумулирования тепловой энергии содержит по меньшей мере два блока аккумулирования тепловой энергии.
1
2
n
1
2
n
1
2
n
1
2
n
1
2
n
1
2
n
В другом варианте выполнения настоящего изобретения, смотри фиг. 8, теплоаккумулятор (6) может состоять из одного или более блоков s, s, …, …, sаккумулирования тепловой энергии, каждый из которых содержит одинаковые или разные материалы с фазовым переходом, и ни одного, один или более переключающих клапанов d, d, …, …, d, или систему электромагнитных клапанов или любое средство переключения потока хладагента в аккумулирующий блок или его обход, при этом один или более блоков s, s, …, … , s аккумулирования тепловой энергии могут содержать два или более змеевиков. Первичный змеевик предназначен для хладагента и соединен с конденсатором (2) внутреннего блока и устройством (3) понижения давления. Вторичный змеевик или змеевики содержат теплоноситель, например, воду или водно-гликолевые смеси или хладагент. Кроме того, ни один, один или более переключающих клапанов c, c, …, c или системных или электромагнитных клапанов или любое средство для переключения потока хладагента в аккумуляторный блок или его обход, соединены с вторичным змеевиком или змеевиками. Вторичные змеевики могут быть использованы для теплообмена с материалом с фазовым переходом в каждом из блоков s, s, …, …, sаккумулирования тепловой энергии. Следовательно, вторичный змеевик может быть соединен с различными служебными элементами либо для обеспечения оттаивания, либо для использования тепла, аккумулированного в блоках s, s, …, …, s для различных служебных элементов.
1
2
n
В еще одном дополнительном варианте выполнения один или более блоков s, s, …, …, s аккумулирования тепловой энергии могут содержать два или более змеевиков. В аккумулирующем блоке, содержащем два или более змеевиков, один змеевик, так называемый первичный змеевик, предназначен для хладагента. На одном конце первичный змеевик или система первичных змеевиков для последовательности блоков аккумулирования тепловой энергии находится в сообщении по текучей среде через дополнительную систему клапанов для теплоаккумулятора, как определено выше, с конденсатором (2) внутреннего блока системы теплопередачи в соответствии с настоящим изобретением, как определено в настоящем документе. На другом конце первичный змеевик или система первичных змеевиков для последовательности блоков аккумулирования тепловой энергии находится в сообщении по текучей среде через дополнительную систему клапанов для теплоаккумулятора, как определено выше, с устройством (3) понижения давления внутреннего блока системы теплопередачи в соответствии с настоящим изобретением. Необходимо понимать, что любой конец аккумулирующих блоков может служить в качестве входов или выходов в зависимости от того, работает ли система теплопередачи, в которой используются один или более аккумулирующих блоков, в нормальных условиях или в условиях реверсивного цикла.
В системах, содержащих два или более змеевиков, второй, так называемый вторичный, змеевик или змеевики содержат теплоноситель. При наличии двух или более последовательно соединенных вторичных змеевиков, например, в конструкции, проиллюстрированной на фиг. 7, они должны содержать одинаковый теплоноситель. Подходящие теплоносители для использования в системе вторичных змеевиков в настоящем документе включают в себя, но не ограничиваются: воду; водно-гликолевые смеси; или хладагент.
1
2
n
Во избежание сомнений ни один из вторичных змеевиков не находится в сообщении по текучей среде с хладагентом, который циркулирует в системе первичных змеевиков. В системах, использующих множество вторичных змеевиков, каждый из вторичных змеевиков может подключаться или отключаться с помощью специализированной системы клапанов для вторичных змеевиков, как проиллюстрировано переключающими клапанами c, c, …, c на фиг. 7. Система клапанов для вторичных змеевиков может содержать один или более переключающих клапанов или систему электромагнитных клапанов или любое другое подходящее средство переключения потока теплоносителя через вторичные змеевики аккумулирующего блока.
Сообщение по текучей среде, как определено в настоящем документе, означает соединения, при которых жидкость, пар или смесь жидкости и пара течет из одного компонента в смежный компонент в пределах системы.
1
2
n
1
2
n
Предпочтительно система вторичных змеевиков может использоваться для теплообмена с материалом с фазовым переходом в каждом из блоков s, s, …, …, s аккумулирования тепловой энергии в пределах теплоаккумулятора. Система вторичных змеевиков может быть соединена с различными служебными элементами либо для обеспечения оттаивания, либо для использования тепла, аккумулированного в блоках s, s, …, …, s для различных служебных элементов.
Таким образом, дополнительно обеспечена система аккумулирования тепловой энергии, содержащая по меньшей мере два блока аккумулирования тепловой энергии, причем по меньшей мере один блок аккумулирования тепловой энергии содержит теплоаккумулятор, содержащий теплообменник с одним змеевиком, при этом упомянутый один змеевик окружен подходящим материалом с фазовым переходом, и по меньшей мере один дополнительный блок аккумулирования тепловой энергии содержит теплоаккумулятор, содержащий теплообменник, который содержит два или более змеевиков, и каждый из указанных блоков аккумулирования тепловой энергии может опционально и независимо включать в себя байпасное средство для теплоаккумулятора.
В частности, в настоящем документе обеспечена система аккумулирования тепловой энергии (теплоаккумулятор), включающая в себя множество блоков аккумулирования тепловой энергии, каждый из которых имеет теплообменник, материалы с фазовым переходом, средство соединения и металлические ребра, как подробно описано выше, причем теплоаккумулятор содержит по меньшей мере два блока аккумулирования тепловой энергии (аккумулирующие блоки), материалы с фазовым переходом в каждом аккумулирующем блоке могут быть одинаковыми или разными, причем теплоаккумулятор включает в себя байпасное средство для каждого из аккумулирующих блоков в пределах теплоаккумулятора, по меньшей мере один из блоков аккумулирования тепловой энергии включает в себя два змеевика, причем первичный змеевик соединен с системой передачи хладагента, а вторичный змеевик содержит теплоноситель, и опционально и независимо включает в себя байпасное средство для систем первичных и/или вторичных змеевиков.
В другом варианте выполнения в настоящем документе раскрыта система теплопередачи, в которой используются новые системы аккумулирования тепловой энергии на основе материала с фазовым переходом в соответствии с настоящим изобретением для оттаивания испарителя в системе теплопередачи без реверсирования цикла и без прекращения подачи тепла в конденсатор. Этот вариант выполнения проиллюстрирован на фиг. 8.
На фиг. 8 отсутствует четырехходовой клапан, так как цикл не реверсируется. Подобным образом байпасные устройства для конденсатора (2), как проиллюстрировано на фигурах 3 и 4, также не нужны в этом варианте выполнения, так как подача тепла в конденсатор (2) не прекращается во время циклов оттаивания. Во время нормальной работы парокомпрессионного цикла эта система работает таким же образом, как описано выше для рабочей текучей среды, как правило, хладагента, сжимаемого компрессором (1) до состояния пара высокой температуры и высокого давления. Затем пар высокой температуры и высокого давления охлаждается в конденсаторе (2), где он выделяет тепло и конденсируется в жидкость или смесь жидкости и пара умеренной температуры и высокого давления. Эта жидкость или смесь жидкости и пара попадает в блок (6) аккумулирования тепловой энергии, где она обменивается тепловой энергией с теплоаккумулятором, что еще больше снижает температуру жидкости или смеси. Затем эта жидкость или смесь жидкости и пара попадает в устройство (3) понижения давления, где она превращается в жидкость или смесь жидкости и пара низкой температуры и низкого давления. И наконец, она попадает в испаритель (4), где нагревается и испаряется перед возвращением в компрессор (1).
Во избежание сомнений новые системы аккумулирования тепловой энергии, как подробно описано выше, подходят для использования в вышеописанном варианте осуществления системы теплопередачи, в которой цикл не реверсируется, и подача тепла в конденсатор не прекращается. Таким образом, в настоящем документе также обеспечена новая система теплопередачи, включающая в себя один или более блоков аккумулирования тепловой энергии, как подробно описано выше, подходящая для использования с целью оттаивания испарителя в системе теплопередачи без реверсирования цикла и без прекращения подачи тепла в конденсатор, причем система теплопередачи содержит один или более компрессоров, один или более испарителей, одно или более устройств понижения давления и один или более конденсаторов, причем указанные компоненты соединены друг с другом и/или с одним или более блоками аккумулирования тепловой энергии, и используется система множества клапанов для переключения потока хладагента в двух разных местах и в два разных компонента в системе.
При обнаружении условий обледенения в парокомпрессионной холодильной системе применяется система множества клапанов для переключения потока хладагента в двух разных местах и в два разных компонента в системе. Примерная система, использующая систему (9), (10) множества клапанов, проиллюстрирована на фиг. 9. Системы (9) и (10) клапанов могут представлять собой последовательность переключающих клапанов или систему электромагнитных клапанов или любое другое подходящее средство для изменения потока хладагента при необходимости. Во время использования компрессор (1) подает пар высокой температуры и высокого давления в конденсатор (2), где горячий пар выделяет тепло при конденсации. Полученный пар умеренной температуры и высокого давления направляется системой (9) клапанов в испаритель (4) для оттаивания или частичного оттаивания образовавшегося льда. На выходе из испарителя эта жидкость или смесь жидкости и пара низкой температуры и высокого давления расширяется с помощью устройства (3) понижения давления для образования жидкости или смеси жидкости и пара низкой температуры и низкого давления. Затем эта смесь подается в блок (6) аккумулирования тепловой энергии, где она нагревается для повышения температуры во время прохождения через блок аккумулирования тепловой энергии, во время этого этапа хладагент частично или полностью испаряется. На выходе из блока (6) аккумулирования тепловой энергии пар или смесь жидкости и пара умеренной температуры и низкого давления направляется системой (10) клапанов в компрессор (1) для перезапуска цикла до тех пор, пока не будут гарантированы условия для безопасной и эффективной нормальной работы.
ОПИСАНИЕ ФИГУР
Фиг. 1: иллюстрирует типичную системную структуру/структурную схему для парокомпрессионного холодильного цикла в соответствии с известным уровнем техники. На фиг. 1 показаны компрессор (1), конденсатор (2); устройство (3) понижения давления; и испаритель (4). При использовании рабочая текучая среда, как правило, хладагент, сжимается компрессором (1) до состояния пара высокой температуры и высокого давления; затем, как указано направлением стрелки, горячий пар высокого давления охлаждается в конденсаторе (2), где он выделяет тепло и конденсируется в жидкость или смесь жидкости и пара умеренной температуры и высокого давления; затем, как указано направлением стрелки, эта жидкость или смесь жидкости и пара попадает в устройство (3) понижения давления, где она превращается в низкотемпературную жидкость (или смесь жидкости и пара); и наконец, как обозначено направлением стрелки, эта низкотемпературная жидкость (или смесь жидкости и пара) попадает в испаритель (4), где она нагревается и снова испаряется перед возвращением в компрессор (1) для повторного использования в случае необходимости.
Фиг.. 2: иллюстрирует типичную системную структуру/структурную схему для цикла оттаивания реверсивным циклом в соответствии с известным уровнем техники. На фиг. 2 показаны компрессор (1), конденсатор (2); устройство (3) понижения давления; испаритель (4); и четырехходовой реверсивный клапан (5). При использовании хладагент сжимается компрессором (1); затем, как указано направлением стрелки, этот горячий пар высокого давления охлаждается в испарителе (4), одновременно растапливая образовавшийся лед; затем, как указано направлением стрелки, эта жидкость пониженной температуры и высокого давления попадает в устройство (3) понижения давления, где она последовательно расширяется перед попаданием в конденсатор (2), где она нагревается, превращаясь в высокотемпературный пар, и, как указано направлением стрелки, подается в компрессор (1) для повторного использования.
Во избежание сомнений на фиг. 2 во время использования при оттаивании реверсивным циклом испаритель (4) служит в качестве конденсатора, а конденсатор (2) служит в качестве испарителя.
Фиг. 3: иллюстрирует системную структуру/структурную схему для системы теплопередачи в соответствии с настоящим изобретением, включающей в себя блок аккумулирования тепловой энергии, как определено в настоящем документе, и использование указанной системы в «нормальных рабочих условиях» цикла оттаивания реверсивным циклом в парокомпрессионной холодильной системе. На фиг. 3 показаны компрессор (1), конденсатор (2); устройство (3) понижения давления; испаритель (4); четырехходовой реверсивный клапан (5); блок (6) аккумулирования тепловой энергии между устройством (3) понижения давления и системой (7) клапанов. Во время нормального использования рабочая текучая среда, как привило, подходящий хладагент, сжимается до состояния пара в компрессоре (1), затем, как указано направлением стрелки, этот горячий пар высокого давления охлаждается в конденсаторе (2), где он выделяет тепло и конденсируется в жидкость или смесь жидкости и пара умеренной температуры и высокого давления; затем, как указано направлением стрелки, эта жидкость или смесь жидкости и пара попадает в блок (6) аккумулирования тепловой энергии, где жидкость или смесь жидкости и пара обменивается тепловой энергией с теплоаккумулятором, затем, как указано направлением стрелки, полученная жидкость или смесь жидкости и пара еще более низкой, но умеренной температуры попадает в устройство (3) понижения давления, где она превращается в жидкость или смесь жидкости и пара низкой температуры и низкого давления, и наконец, как обозначено направлением стрелки, эта жидкость низкой температуры и низкого давления (или смесь жидкости и пара) попадает в испаритель (4), где она нагревается и снова испаряется перед возвращением в компрессор (1) для повторного использования в случае необходимости.
Фиг. 4: иллюстрирует системную структуру/структурную схему для системы теплопередачи в соответствии с настоящим изобретением, включающей в себя блок аккумулирования тепловой энергии, как определено в настоящем документе, и использование упомянутой системы в «условиях обледенения» цикла оттаивания реверсивным циклом в парокомпрессионной холодильной системе. Компоненты, показанные на фиг. 4 под ссылочными позициями (1), (2), (3), (4), (5), (6) и (7), определены на фиг. 3.
В условиях обледенения или при обнаружении условий обледенения применяется двухэтапный процесс: сначала компрессор (1) останавливается, и цикл реверсируется путем переключения положения четырехходового реверсивного клапана (5), конденсатор (2) обходят с помощью системы (7) клапанов; после выполнения обхода компрессор (1) перезапускается, и пар высокой температуры и высокого давления из компрессора направляется в испаритель (4), где горячий пар конденсируется на змеевике, превращаясь в пар или смесь жидкости и пара более низкой температуры, при этом растапливая лед на змеевике; после выхода из испарителя пар или смесь жидкости и пара более низкой температуры и высокого давления расширяется с помощью устройства (3) понижения давления; затем эта жидкость или смесь жидкости и пара низкой температуры и пониженного давления подается в блок (6) аккумулирования тепловой энергии, где ее температура повышается; в блоке аккумулирования тепловой энергии хладагент частично или полностью испаряется; затем этот пар или смесь жидкости и пара умеренной температуры и низкого давления дополнительно нагревается в компрессоре (2) до состояния пара высокой температуры и высокого давления; затем этот пар направляется в испаритель через четырехходовой реверсивный клапан и попадает в испаритель, продолжая оттаивать лед, и этот реверсивный цикл повторяется до тех пор, пока не будут гарантированы условия для безопасной и эффективной нормальной работы.
Фиг. 5: иллюстрирует системную структуру/структурную схему для системы теплопередачи в соответствии с настоящим изобретением, включающей в себя блок аккумулирования тепловой энергии, как определено в настоящем документе, и использование упомянутой системы для осуществления оттаивания реверсивным циклом в парокомпрессионном холодильном цикле, имеющем байпасное средство блока аккумулирования тепловой энергии. Компоненты, показанные на фиг. 5 под ссылочными позициями (1), (2), (3), (4), (5), (6) и (7), определены на фиг. 3. На фиг. 5 дополнительно проиллюстрирована дополнительная система (8) клапанов для блока аккумулирования тепловой энергии, расположенная между существующей системой (7) клапанов для конденсатора и блоком (6) аккумулирования тепловой энергии. В нормальных рабочих условиях или в заданные периоды в соответствии с конкретной областью применения, в которой должна использоваться система теплопередачи, система (8) клапанов для блока аккумулирования тепловой энергии может быть активирована для обхода блока (6) аккумулирования тепловой энергии во время теплопередачи.
1
2
n
1
2
n
1
2
n
Фиг. 6: иллюстрирует системную структуру/структурную схему для теплоаккумулятора, содержащего материала с фазовым переходом, имеющего байпасное средство и подходящего для использования в системе теплопередачи в соответствии с настоящим изобретением. На фиг. 6 показаны блок (6) аккумулирования тепловой энергии, в котором имеется несколько аккумулирующих блоков, обозначенных ссылочными позициями s, s, …, …, s. Каждый аккумулирующий блок содержит материал с фазовым переходом (не показан), который может быть одинаковым или разным. Каждый аккумулирующий блок содержит змеевик, через который может проходить пар или жидкость, и каждый змеевик независимо соединен на одном конце (вход) с соответствующим переключающим клапаном d, d, …, …, d, а на другом конце с пропускным каналом теплоаккумулятора. Переключающие клапаны d, d, …, …, d соединены последовательно и во время использования пар или жидкость может протекать через каждый из аккумуляторов, ни один из аккумуляторов или любое сочетание аккумуляторов в соответствии с требованиями пользователя. Во избежание сомнений вход и выход аккумулятора соединены с системой теплопередачи, как подробно описано в настоящем документе, например, проиллюстрировано на фигурах 3, 4 или 5.
1
2
n
Фиг. 7: иллюстрирует системную структуру/структурную схему для альтернативного теплоаккумулятора, содержащего материал с фазовым переходом, отличного от показанного на фиг. 6. Теплоаккумулятор, показанный на фиг. 7, включает в себя байпасное средство и подходит для использования в системе теплопередачи в соответствии с настоящим изобретением. На фиг. 7 показаны блок (6) аккумулирования тепловой энергии, в котором имеется несколько аккумулирующих блоков, обозначенных ссылочными позициями s, s, …, …, s.
1
2
n
1
2
n
Каждый аккумулирующий блок содержит материал с фазовым переходом (не показан), и первичный змеевик, через которой может протекать пар или жидкость, и каждый первичный змеевик независимо соединен на одном конце (вход) с соответствующим переключающим клапаном d, d, …, …, d, а на другом конце с пропускным каналом теплоаккумулятора. Переключающие клапаны d, d, …, …, d соединены последовательно и во время использования пар или жидкость может протекать через каждый из аккумуляторов, ни один из аккумуляторов или любое сочетание аккумуляторов в соответствии с требованиями пользователя. Во избежание сомнений вход и выход для системы первичных змеевиков аккумулятора соединены с системой теплопередачи, как подробно описано в настоящем документе, например, проиллюстрировано на фигурах 3, 4 или 5.
1
2
n
1
2
n
Каждый аккумулирующий блок также содержит вторичный змеевик, через который может протекать теплоноситель, и каждый вторичный змеевик независимо соединен на одном конце (вход) с соответствующим переключающим клапаном c, c, …, c для вторичного змеевика, а на другом конце с пропускным каналом вторичного змеевика. Переключающие клапаны c, c, …, c для вторичного змеевика соединены последовательно и во время использования общий теплоноситель может протекать через каждый вторичный змеевик, ни один из змеевиков или любое сочетание змеевиков в соответствии с требованиями пользователя. Во избежание сомнений вход и выход для системы вторичных змеевиков аккумулятора соединены со служебными элементами, необходимыми для конкретной области применения, в которой используется система аккумулирования тепловой энергии в любой заданной системе теплопередачи.
Фиг. 8: иллюстрирует системную структуру/структурную схему для системы теплопередачи в соответствии с альтернативным вариантом выполнения настоящего изобретения, включающей в себя блок аккумулирования тепловой энергии, как определено в настоящем документе, и использование упомянутой системы в «нормальных рабочих условиях» цикла оттаивания в парокомпрессионной холодильной системе без реверсивного цикла. Следующие компоненты, показанные на фиг. 8, под ссылочными позициями (1), (2), (3), (4) и (6), определены на фиг. 3. Во время нормальной работы хладагент проходит через систему из компрессора в конденсатор, затем в блок аккумулирования тепловой энергии, после чего в устройство понижения давления, затем в испаритель перед возвращением в компрессор, таким же образом, как рассмотрено в отношении фиг. 3.
На фиг. 8 показаны системы (9) и (10) клапанов, которые используются при обнаружении условий обледенения, и которые описаны в отношении фиг. 9. Во избежание сомнений пунктирные линии на фиг. 8 явно указывают на то, что хладагент не течет по траекториям пунктирных линий, начинающимся от систем (9) и (10) клапанов, во время нормальной работы.
Фиг. 9: иллюстрирует системную структуру/структурную схему для системы теплопередачи в соответствии с альтернативным вариантом выполнения настоящего изобретения, подробно описанной на фиг. 8, включающей в себя блок аккумулирования тепловой энергии, как определено в настоящем документе, и использование указанной системы в «рабочих условиях обледенения» цикла оттаивания без реверсивного цикла в парокомпрессионной холодильной системе. Следующие компоненты, показанные на фиг. 9, под ссылочными позициями (1), (2), (3), (4) и (6), определены на фиг. 3.
При обнаружении условий обледенения, и как указано направлением стрелки, компрессор (1) подает пар высокой температуры и высокого давления в конденсатор (2), затем, как указано направлением стрелки, пар умеренной температуры и высокого давления направляется системой (9) клапанов в испаритель (4), растапливая образовавшийся лед, затем, как указано направлением стрелки, жидкость низкой температуры и высокого давления (или смесь жидкости и пара) расширяется с помощью устройства (3) понижения давления, и, как указано направлением стрелки, жидкость низкой температуры и низкого давления (или смесь жидкости и пара) нагревается в блоке (6) аккумулирования тепловой энергии, затем, как указано направлением стрелки, полученный пар умеренной температуры и низкого давления (или смесь жидкости и пара) направляется системой (10) клапанов в компрессор (1), перезапуская цикл до тех пор, пока не будут гарантированы условия для безопасной и эффективной нормальной работы.
Фиг. 10: иллюстрирует два альтернативных средства усиления теплопередачи в настоящих системах теплопередачи. На фиг. 10(a) показан блок аккумулирования тепловой энергии, включающий в себя множество внутренних металлических ребер, совмещенных со змеевиком теплообменника. Блок аккумулирования тепловой энергии может дополнительно включать в себя материал с фазовым переходом (не проиллюстрирован), который может содержать графит. На фиг. 10(b) показан блок аккумулирования тепловой энергии, имеющий множество металлических ребер, обеспеченных на змеевике теплообменника. Блок аккумулирования тепловой энергии может дополнительно включать в себя материал с фазовым переходом (не проиллюстрирован), который может содержать графит.