Нагревательное устройство, работающее по необратимому термодинамическому циклу, для нагревательных установок с высокой температурой подачи
Группа изобретений относится к нагревательному устройству с необратимым термодинамическим циклом. Устройство содержит низкотемпературный контур и высокотемпературный контур, в которых циркулируют первое и второе рабочие тела соответственно. Каждый контур содержит средство испарения, сжатия, конденсации и расширения соответствующего рабочего тела. Низкотемпературный контур поглощает теплоту от подаваемого потока воды для испарения первого рабочего тела. Теплоту, извлеченную при конденсации первого рабочего тела, используют для испарения второго рабочего тела. В то же время теплоту, извлеченную в процессе конденсации, используют для нагревания подаваемого потока воды. В соответствии с изобретением два рабочих контура содержат каждый средство охлаждения, размещенное между соответствующими средствами конденсации и расширения. Такое средство охлаждения находится в тепловом контакте с независимыми частичными потоками подаваемого потока воды для нагревания последнего в целом за счет теплоты, отведенной от рабочих тел, циркулирующих в двух контурах. Группа изобретений направлена на обеспечение одновременного получения высокой температуры подачи и высоких величин коэффициента преобразования нагревательной установки. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области создания нагревательных устройств для обогрева помещений. В частности, объектом настоящего изобретения является нагревательное устройство, работающее по необратимому термодинамическому циклу, предназначенное для использования в нагревательных установках, имеющих высокую температуру подачи (более 80°С). Устройство в соответствии с изобретением выделяется высокими достигаемыми величинами коэффициента преобразования (отопительного коэффициента) (3-4) и, соответственно, значительной экономией энергии.
Уровень техники
Широко известно использование устройств, называемых «тепловыми насосами», для обогрева помещений. Работа таких устройств основана на принципе отвода тепловой энергии (теплоты) от источника, имеющего более низкую температуру (называемого также холодным источником) для передачи ее источнику, имеющему более высокую температуру (называемому также горячим источником). Энергия передается посредством циркуляции рабочего тела (теплоносителя) в контуре, содержащем испаритель, компрессор, соединенный с выходом испарителя, конденсатор, размещенный последовательно с компрессором, и средство расширения, включенное между конденсатором и испарителем.
Известно также, что тепловые насосы могут быть воздухо-водяного, воздухо-воздушного или водо-водяного типа. В случае воздухо-воздушных и воздухо-водяных насосов холодным источником служит воздух, находящийся снаружи помещения, в котором предполагается создание искусственного климата, в то время как в случае водо-водяных тепловых насосов холодным источником является поток воды, например, поток грунтовой воды или поток глубоко протекающей воды (геотермальный поток). В случае грунтовой воды температура этого источника обычно находится в интервале от 7 до 12°С в течение круглого года, в то же время в случае глубоко протекающей воды температура может достигать 14-15°С. При одинаковых рабочих условиях тепловые насосы водо-водяного типа имеют более высокие величины коэффициента преобразования (СОР) по сравнению с воздухо-воздушными или воздухо-водяными тепловыми насосами.
В случае холодного источника, образованного грунтовой водой, с помощью традиционных тепловых насосов максимальную температуру подачи воды (т.е. горячего источника) получают приблизительно равной 65°C.
Опытным путем было установлено, что в большинстве случаев известные в настоящее время технические решения позволяют получать высокую температуру подачи, но в ущерб величине коэффициента преобразования. Другими словами, почти все технические решения, представленные в настоящее время на рынке, не обеспечивают одновременно получение высокой температуры подачи (т.е. выше 65°C) и высоких величин коэффициента преобразования (т.е. выше 3).
Для того чтобы, по меньшей мере, частично устранить этот недостаток, можно создать «двухступенчатые» тепловые насосы. Такие устройства, иллюстрируемые схемой на фиг. 1, содержат первый и второй контуры, в которых циркулируют соответствующие рабочие среды. Первый контур, называемый низкотемпературным контуром (LOW), поглощает теплоту из потока воды, поступающего обычно из геотермального источника (Hgeo), для испарения первого рабочего тела (R1) в испарителе (Е1). Первое рабочее тело сжимают с помощью компрессора (С1) и затем конденсируют в теплообменнике (Т). После этого рабочее тело расширяют с помощью расширительного клапана (V1) для последующего возвращения в испаритель (Е1).
С помощью теплообменника (Т) теплоту конденсации используют для испарения второго рабочего тела (R2), циркулирующего во втором рабочем контуре, называемом также высокотемпературным контуром (HIGH). Другими словами, теплообменник (Т) действует как конденсатор для рабочего тела низкотемпературного контура и как испаритель для рабочего тела, циркулирующего в высокотемпературном контуре. Подобно низкотемпературному контуру высокотемпературный контур также содержит компрессор (С2) и расширительный клапан (V2), между которыми установлен конденсатор (Т2) для конденсации второго рабочего тела. Скрытая теплота конденсации второго рабочего тела (R2) передается потоку сетевой воды, т.е. потоку воды, предназначенному для использования в качестве нагретой воды или, как альтернатива, в качестве воды для коммунально-бытового применения.
Фиг. 2 с помощью Н, Р - диаграммы (энтальпия-давление) иллюстрирует термодинамические циклы (ABCD-A′B′C′D′), осуществляемые посредством двух рабочих тел, протекающих по двум контурам, показанным на фиг. 1. Диаграмма на фиг. 1 показывает рабочие температуры, относящиеся к рабочим параметрам, достигаемым с помощью устройства такого типа. При выборе, например, для низкотемпературного контура в качестве рабочего тела R12 можно полагать, что соответствующие температуры испарения (Te1) и конденсации (Тс1) составляют 10°С и 42°С соответственно при давлении конденсации и испарения 4,2 бара и 10 бар соответственно. В случае использования R12 также в качестве рабочего тела для второго рабочего контура, температуры испарения (Те2) и конденсации (Тс2) устанавливаются 40°С и 87°С при соответствующих давлениях 9,6 бар и 27 бар. Конечно, величины температуры и давления изменяются в соответствии с типом используемого рабочего тела, и, следовательно, указанные величины являются примером возможного и известного режимов работы.
Кроме того, из диаграммы на фиг.2 следует, что расширение двух рабочих тел (стадии D-A и D'-A') происходит с достижением полной конденсации, т.е. когда паросодержание соответствующего теплоносителя равно 0. В частности, такие процессы расширения при прохождении через дроссельные клапаны V1 и V2 представляют собой по существу изоэнтальпийные процессы, которые приводят к одновременному уменьшению температуры и давления теплоносителя. Стадии сжатия (В-С и В'-С') по существу определяют величину электрической мощности, которая потребляется двухступенчатым тепловым насосом для осуществления термодинамических циклов. При этом величина электрической мощности непосредственно влияет на вычисление коэффициента преобразования. Хотя только что описанное решение и предложенные, таким образом, двухступенчатые тепловые насосы, в общем, позволяют получить более высокие температуры подачи по сравнению с одноступенчатыми тепловыми насосами, они имеют много меньшие величины коэффициента преобразования. Было установлено, что даже в случае использования воды из геотермальных источников с температурами более 30ºС, коэффициент преобразования для этих тепловых машин редко достигает величин более 3. Другими словами, для этого типа устройств трудно достигнуть высоких рабочих характеристик и низкого потребления энергии, которые могли бы оправдать их использование и усиленное технологическое снаряжение.
Таким образом, исходя из этих соображений, основная задача настоящего изобретения заключается в обеспечении нагревательного устройства, которое позволяет устранить недостатки, которые в настоящее время присущи одноступенчатым и двухступенчатым тепловым насосам, используемым для нагревания воды, предназначенной для обогрева помещений, и в качестве воды для коммунально-бытового использования. Одна задача настоящего изобретения как раз в рамках решения этой задачи заключается в создании нагревательного устройства, которое обеспечивает получение высокого коэффициента преобразования и в то же время высокой температуры подачи (более 80ºС) воды, предназначенной для нагревательной установки и/или имеющей коммунально-бытовое применение также и в случае холодного источника, представляющего собой грунтовую воду. Другая задача настоящего изобретения состоит в обеспечении отопительной нагревательной установки, которая является надежной и легкой для изготовления при конкурентоспособной стоимости.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение относится к нагревательному устройству с необратимым термодинамическим циклом, содержащему первый, низкотемпературный рабочий контур для циркуляции первого рабочего тела. Такой первый контур содержит средство испарения первого рабочего тела, предназначенное для теплообмена с подаваемым потоком воды (грунтовой воды или воды из геотермального источника) с целью извлечения из нее теплоты, необходимой для испарения. Первый контур, кроме того, содержит средство сжатия, средство конденсации и средство расширения первого рабочего тела. Устройство в соответствии с изобретением содержит также второй, высокотемпературный рабочий контур циркуляции второго рабочего тела. Такой второй контур содержит средство испарения второго рабочего тела, которое осуществляют его испарение за счет теплоты, извлеченной при конденсации рабочего тела, циркулирующего в низкотемпературном контуре. Второй рабочий контур содержит, кроме того, средство сжатия, предназначенное для сжатия второго рабочего тела после его испарения, и средство конденсации, служащее для конденсации второго рабочего тела после его сжатия. Такое средство конденсации второго рабочего тела обеспечивает передачу теплоты потоку сетевой воды и его нагревание. Второй рабочий контур, помимо того, обеспечен средством расширения второго рабочего тела. Нагревательное устройство в соответствии с изобретением отличается тем, что первый контур содержит первое средство охлаждения, установленное для осуществления свой функции между средством конденсации и средством расширения первого рабочего тела. Такое первое средство охлаждения охлаждает первое рабочее тело, в то же время нагревая первый частичный поток подводимого потока воды. Кроме того, согласно изобретению второй контур содержит второе средство охлаждения, размещенное для осуществления своей функции между средством конденсации средством расширения второго рабочего тела с тем, чтобы осуществить охлаждение второго рабочего тела после его конденсации и нагревание второго частичного потока указанного подводимого потока воды, который является независимым от первого частичного потока.
Использование первого и второго средств охлаждения обеспечивает эффективное нагревание подаваемого потока воды прежде, чем он передаст свою теплоту средству испарения первого контура. Такие средства охлаждения, за счет параллельного нагревания первого и второго частичных потоков, обеспечивают увеличение тепловой энергии потока воды, т.е. достижение более высоких величин коэффициента преобразования (СОР). Использование рабочих тел, оптимальных для целей нагревания, практически делает высоко- и низкотемпературные циклы необратимыми. Тем не менее такая необратимость цикла выгодным образом обеспечивает также возможность получения коэффициентов преобразования (СОР) более 3-4 с заданной температурой более 85°C (данное выражение используется для указания температуры потока сетевой воды).
Краткое описание чертежей
Другие дополнительные особенности и преимущества настоящего изобретения станут более ясными из нижеследующего описания предпочтительных, но не единственных воплощений нагревательного устройства с необратимым термодинамическим циклом в соответствии с настоящим изобретением, которые представлены с помощью приложенных чертежей в целях иллюстрации и не ограничивают изобретение.
Фиг. 1 - схема двухступенчатого теплового насоса обычного типа.
Фиг. 2 - Н, Р - диаграмма (энтальпия-давление), относящаяся к двухступенчатому насосу, схематически показанному на фиг. 1.
Фиг. 3 - схема, иллюстрирующая функционирование нагревательного устройства в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 4 - Н, Р - диаграмма (энтальпия-давление), относящаяся к необратимому термодинамическому циклу работы нагревательного устройства, показанного на фиг. 3.
Подробное описание изобретения
На фиг. 3 представлена схема нагревательного устройства 1 в соответствии с настоящим изобретением. Предлагаемое устройство 1 содержит первый рабочий контур 10 (здесь и далее называемый «низкотемпературный контур 10»), в котором циркулирует первое рабочее тело R1. Первый рабочий контур 10 содержит средство 11 испарения первого рабочего тела R1 (называемое далее - «первое средство 11 испарения»). Такое средство 11 испарения спроектировано для отвода теплоты от подаваемого потока F воды (называемого далее - «подаваемый поток F»), которым может быть поток грунтовой воды или также поток воды из геотермального источника. Для термодинамического цикла подаваемый поток F воды представляет собой холодный источник для теплообмена. Первый контур содержит, кроме того, средство 21 сжатия первого рабочего тела R1 (называемое далее термином «первое средство 11 сжатия»), которое производит сжатие первого рабочего тела после его испарения.
Первый контур 10 содержит средство 31 конденсации первого рабочего тела R1 (называемое далее термином «первое средство 31 конденсации») для конденсации первого рабочего тела после его сжатия. Средство 41 расширения первого рабочего тела R1 (называемое далее термином «первое средство 41 расширения») используют для изменения давления от величины, при которой достигается конденсация первого рабочего тела R1, вновь до величины, при которой происходит соответствующее испарение. Нагревательное устройство 1, кроме того, содержит второй рабочий контур 100 (называемый далее термином «высокотемпературный контур 100»), в котором циркулирует второе рабочее тело R2. Второй рабочий контур 100 содержит второе средство 111 испарения второго рабочего тела R2 (называемое также вторым средством 111 испарения), которое испаряет второе рабочее тело за счет извлечения теплоты, отведенной при конденсации первого рабочего тела R1, циркулирующего в низкотемпературной контуре 10. Как более подробно изложено ниже, второе средство 111 испарения и первое средство 31 конденсации предпочтительно объединены в единый теплообменник, показанный на фиг. 3 позицией 50. На практике с помощью теплообменника 50 теплота конденсации, которая выделилась при конденсации первого рабочего тела R1, непосредственно передается рабочему телу R2 высокотемпературного контура 100 без использования промежуточных переходов.
Второй рабочий контур 100, помимо того, содержит средство 121 сжатия второго рабочего тела R2 (называемое также - «второе средство 121 сжатия»), предназначенное для повышения давления и перегрева этого же рабочего тела после осуществления соответствующего испарения с помощью второго средства 111 испарения. Средство 131 конденсации второго рабочего тела R2 (называемое далее - «второе средство 131 конденсации») используется для передачи теплоты конденсации (называемой далее «скрытая теплота конденсации») подаваемому потоку Hman сетевой воды, при этом указанное выражение используется для обозначения, например, потока воды, предназначенного для коммунального предприятия бытового или коммунально-бытового назначения. Такой подаваемый сетевой поток Hman воды представляет собой горячий источник для термодинамического цикла, реализуемого устройством 1. Второе средство 141 расширения второго рабочего тела R2 обеспечивают для изменения давления второго рабочего тела R2 от соответствующего давления Рс2 конденсации обратно до давления Ре2 испарения.
В соответствии с изобретением первый контур 10 содержит средство 72 охлаждения первого рабочего тела R1 (далее называемое - «первое средство 72 охлаждения»), размещенное для выполнения свой функции между первым средством 31 конденсации и первым средством 41 расширения. Такое первое средство 72 охлаждения первого рабочего тела R1 выполняет функцию охлаждения первого рабочего тела R1, которое выходит из средства 31 конденсации, нагревая в то же время первый частичный поток F1 подводимого потока F воды, предназначенного для передачи своей теплоты (после нагревания первого частичного потока F1) первому рабочему телу R1 с помощью средства 11 испарения того же низкотемпературного контура 10.
В соответствии с изобретением второй контур 100 содержит средство 71 охлаждения второго рабочего тела R2 (далее называемое также «второе средство охлаждения»), размещенное для выполнения своей функции между вторым средством 131 конденсации и вторым средством 141 расширения. Такое второе средство 71 охлаждения выполняет функцию промежуточного охлаждения второго рабочего тела R2, которое выходит из средства 131 конденсации второго контура 100, нагревая в то же время первый частичный поток F2 подводимого потока F воды, предназначенный для передачи своей теплоты (после нагревания первого частичного потока F2) первому рабочему телу R1 с помощью средства 11 испарения того же низкотемпературного контура 10.
Другими словами, первое средство 72 охлаждения и второе средство 72 охлаждения выполняют функцию отвода теплоты от соответствующего рабочего тела R1, R2 с повышением, в конце концов, температурного уровня подводимого потока F, т.е. температурного уровня холодного источника нагревательного устройства 1. В частности, первый частичный поток F1 и второй частичный поток F2 гидравлически «независимы», т.е. они нагреваются независимо с помощью первого средства 72 охлаждения и второго средства 71 охлаждения соответственно. По существу подводимый поток F воды, поступающий, например, из геотермального источника, разделяют, по меньшей мере, на первый частичный поток F1 и второй частичный поток F2, которые нагревают по существу «параллельно», чтобы затем вновь объединить их с тем, чтобы восстановить величину подводимого потока F воды, направляемого в средство 11 испарения первого рабочего тела R1 первого контура 10.
Опытным путем было установлено, что такое решение позволяет получить высокую степень нагрева подаваемого потока F воды, поскольку увеличение теплового уровня, полученное для первого частичного потока F1, суммируется с тепловым уровнем, полученным для второго частичного потока F2. Первое средство 72 охлаждения и второе средство 71 охлаждения по существу сконфигурированы в виде теплообменника, способного отводить часть теплоты первого рабочего тела R1 и второго рабочего тела R2 соответственно, для повышения теплового уровня соответствующих частичных потоков F1 и F2, т.е. содержащего их потока F воды. Поскольку коэффициент преобразования (СОР) зависит от разности температур горячего источника и холодного источника, это решение позволяет получить величину СОР больше, чем имеют рассмотренные выше традиционные двухступенчатые тепловые насосы, при сохранении других рабочих параметров одинаковыми. Нагревание по существу параллельно двух частичных потоков F1 и F2 позволяет ограничить размеры средств охлаждения 71, 72, так как через них протекает только часть подаваемого потока F (первый частичный поток F1 и второй частичный поток F2). Это позволяет получить значительное увеличение температуры подаваемого потока F (опять же при сохранении других рабочих параметров одинаковыми). Уменьшенные размеры средств охлаждения 71 и 72 предпочтительно приводят к ограничению общего объема нагревательного устройства 1.
Следует отметить, что параллельное нагревание первого частичного потока F1 и второго частичного потока F2 с помощью соответствующих средств охлаждения 72 и 71 позволяет выгодным образом оптимизировать работу нагревательного устройства 1 также и в том случае, когда его максимальная мощность не требуется. В конструкции устройства первое средство 72 охлаждения предпочтительно является фактически независимым от второго средства 71 охлаждения. В частности, последнее имеет такие размеры, что второй частичный поток F2 может быть больше, чем первый частичный поток F1, проходящий через первое средство 72 охлаждения. Если максимальная рабочая мощность нагревательного устройства 1 не требуется, средство 131 конденсации второго контура 100 обеспечивает лишь частичную конденсацию, которая завершается ниже по потоку от второго средства 71 охлаждения. При этом часть скрытой теплоты конденсации непосредственно передается второму частичному потоку F2. Это значительно повышает конечную температуру подаваемого потока F, направляемого в средство 11 испарения первого контура 10. Повышенное количество располагаемой тепловой энергии для испарения первого теплоносителя R1 предпочтительно уменьшает количество тепловой энергии, необходимой для сжатия того же первого рабочего тела. Эта особенность изобретения в результате приводит к выгодному увеличению коэффициента преобразования (СОР) теплового насоса.
В соответствии со схемой, показанной на фиг.3, нагревательное устройство 1 согласно изобретению предпочтительно содержит подводящий коллектор 81 и возвратный коллектор 82 для подаваемого потока F воды. В частности, подводящий коллектор 81 содержит первый вход для подаваемого потока F от источника грунтовой воды или воды из геотермального источника. Подводящий коллектор 81, кроме того, содержит первый выход для первого частичного поток F1, направляемого в первое средство 72 охлаждения первого рабочего тела R1, циркулирующего в первом контуре 10. Подводящий коллектор 81 содержит также, по меньшей мере, второй выход для второго частичного потока F2, направляемого во второе средство 71 охлаждения второго рабочего тела R2, циркулирующего во втором контуре 100.
Возвратный коллектор 82 содержит, по меньшей мере, первый вход для первого частичного потока F1, нагреваемого за счет теплообмена в первом средстве 72 охлаждения первого рабочего тела R1. Возвратный коллектор 82, кроме того, содержит второй вход для второго частичного потока, нагреваемого за счет теплообмена во втором средстве 71 охлаждения второго рабочего тела R2. Возвратный коллектор 82 содержит также основной выход для подаваемого потока F воды, направляемого в средство 11 испарения первого контура 10.
Согласно изобретению подаваемый поток F воды поступает, таким образом, в подводящий коллектор 81 с помощью первого входа и затем его разделяют, по меньшей мере, на первый поток F1 и второй поток F2. Указанный первый частичный поток F1 поступает через второй вход в первое средство 72 охлаждения, в котором тот же первый частичный поток F1 нагревается при соответствующем охлаждении первого рабочего тела R1. Одновременно протекающий параллельно второй частичный поток F2 поступает с помощью второго выхода во второе средство 71 охлаждения, где он нагревается при соответствующем охлаждении второго рабочего тела R2. После нагревания первый частичный поток F1 и второй частичный поток F2 поступают в возвратный коллектор 82 с восстановлением общего количества подаваемого потока F, который достигает, посредством основного выхода указанного возвратного коллектора 82, средства 11 испарения первого контура 10, где отдает свою теплоту первому рабочему телу R1.
На фиг.4 представлена Н, Р-диаграмма термодинамического цикла, относящегося к двум рабочим телам R1, R2, для нагревательного устройства 1, соответствующая диаграмме, изображенной на фиг.3. В первом рабочем контуре 10 первое средство 11 испарения осуществляет испарение первого рабочего тела R1 за счет отвода теплоты от подаваемого потока F воды. Такое испарение показано на диаграмме изобарным процессом 6-7 и происходит при давлении Pe1 и постоянной температуре Te1. Вслед за полным испарением первого рабочего тела R1 оно подвергается сжатию с помощью первого средства 21 сжатия (процесс 1-2). В результате такого сжатия температура повышается до величины Т3, соответствующей точке 2 диаграммы, и происходит взаимосвязанное увеличение давления (до величины Pe1) и энтальпии.
Первое рабочее тело R1, выходящее из средства 21 сжатия, поступает в первое средство 31 конденсации для его конденсации при соответствующем постоянном давлении Pe1 конденсации и при постоянной температуре Te1 конденсации. Как видно из фиг. 4, первое рабочее тело R1 сначала подвергается снятию перегрева (процесс 2-3) при постоянном давлении, осуществляемому внутри первого средства 31 конденсации перед конденсацией. Второе средство 111 испарения высокотемпературного контура 100 осуществляет испарение второго рабочего тела R2 за счет использования скрытой теплоты конденсации первого рабочего тела R1. Как было показано выше, первое средство 31 конденсации и второе средство 111 испарения предпочтительно объединены в один единственный теплообменник 50, в котором происходит непосредственная передача теплоты от первого рабочего тела R1 второму рабочему телу R2. В процессе испарения второго рабочего тела R2 второе средство 121 сжатия повышает одновременно давление и температуру второго рабочего тела (процесс 1′-2′). Перегретое второе рабочее тело R2 затем протекает через второе средство 131 конденсации, в котором с пара сначала снимается перегрев (процесс 2′-3′) и затем происходит конденсация пара до тех пор, пока он не превратиться полностью в жидкость (3′-4′). Скрытая теплота конденсации передается посредством теплообмена с помощью второго средства 131 конденсации потока Hman сетевой воды, который соответствующим образом нагревается предпочтительно до температуры более 80°C.
После завершения процесса конденсации второе рабочее тело R2 в жидком состоянии протекает через второе средство 71 охлаждения для дальнейшего охлаждения при постоянном давлении Рс2 (процесс 4′-5′). Как было указано выше, второе средство 71 охлаждения получает часть теплоты, оставшейся в сконденсированном втором рабочем теле R2, с нагреванием при этом второго частичного потока F1 подводимого потока F воды, т.е. холодного источника. Вслед за этим охлаждением, проведенным после конденсации, второе рабочее тело R2 в жидком состоянии расширяют изоэнтальпийно и одновременно изотермически до давления Ре2 испарения с помощью второго средства 141 расширения. На практике прохождение рабочего тела R2 внутри второго средства 141 расширения приводит только к снижению давления, но не к изменению температуры, поскольку рабочее тело R2 во время этого процесса всегда поддерживается в жидком состоянии. Другими словами, в отличие от традиционных тепловых насосов стадия расширения не сопровождается потерями тепловой энергии. Напротив, в процессе переохлаждения жидкости R2 извлекается количество энтальпии (показано на фиг. 4 прямоугольником А), которое с помощью второго частичного потока F2 непосредственно передается подводимой жидкости F. Это означает, что количество теплоты, которая может быть отведена от самой подводимой жидкости F для испарения первого рабочего тела R1 первого контура 10, увеличивается. Как было подчеркнуто выше, в соответствии с задачами настоящего изобретения нагревание подаваемой текучей среды F приводит к повышению температуры холодного источника, т.е. к выгодному повышению коэффициента преобразования, при сохранении таким же потребления энергии на сжатие двух рабочих тел R1 и R2.
Как было указано выше, при отсутствии необходимости работы нагревательного устройства 1 в режиме максимальной мощности средство 131 конденсации второго контура 100 осуществляет частичную конденсацию, которая обеспечивается вторым средством 71 охлаждения. Теплота, извлеченная в результате такой конденсации, отводится и передается первому частичному потоку F1 и, в конце концов, подаваемому потоку F воды. Нагревательное устройство 1, соответствующее изобретению, при практическом осуществлении способно при всех условиях функционирования работать при высоких величинах коэффициента преобразования (СОР).
Как отмечено выше, первое средство 72 охлаждения размещено между средством 31 конденсации и средством 41 расширения первого рабочего тела R1 для переохлаждения первого рабочего тела, которое конденсируется с помощью того же средства 31 конденсации. Первое средство 72 охлаждения обеспечивает повышение температуры первого частичного потока F1, т.е., в конечном счете, подаваемого потока F. В том случае, когда первое рабочее тело R1 конденсируется полностью в средстве 31 конденсации, первое средство 72 охлаждения, кроме того, переохлаждает указанное первое рабочее тело R1 за счет отвода дополнительной части теплоты (показано на фиг.4 буквой В). В том случае, когда средство 31 конденсации первого контура 10, наоборот, осуществляет частичную (не полную) конденсацию с помощью первого средства охлаждения, часть теплоты (показана на фиг.4 буквой С), извлеченную в результате конденсации первого рабочего тела R1, отводят и передают первому частичному потоку F1 и, в конце концов, подаваемому потоку F воды.
При практической реализации изобретения такое решение позволяет полезно использовать то количество теплоты конденсации, которое в противном случае было бы потеряно, как это происходит в традиционных двухступенчатых тепловых насосах. Из представленной на фиг.2 диаграммы можно видеть, что благодаря «колоколообразной» форме диаграммы жидкого и парообразного состояний количество теплоты, извлекаемое при конденсации низкотемпературного рабочего тела (первого рабочего тела R1) больше, чем то количество, которое может быть фактически поглощено высокотемпературным рабочим телом (вторым рабочим телом R2). Следовательно, в традиционных используемых решениях некоторая часть теплоты конденсации по существу теряется, т.к. она не может быть поглощена вторым высокотемпературным рабочим телом R2.
Напротив, в устройстве, представленном на фиг.3, теплота, которая не может быть поглощена вторым рабочим телом R2, выгодно используется для нагревания холодного источника (подаваемого потока F воды) с получением полезного результата повышения коэффициента преобразования теплового насоса.
После завершения процесса конденсации первого теплоносителя R1 первое средство 72 охлаждения дополнительно охлаждает указанный первый теплоноситель R1 так, чтобы извлечь дополнительное количество теплоты (показанное на диаграмме на фиг.4 буквенным обозначением В). Кроме того, эта дополнительная теплота выгодным образом передается первому подводимому потоку F1, т.е. холодному источнику (поток F воды) с тем, чтобы увеличить его теплосодержание.
Первое средство 21 и/или второе средство 121 сжатия могут представлять собой компрессоры, которые обычно используют при создании традиционных тепловых насосов, или другое функционально эквивалентное средство. При этом в соответствии с настоящим изобретением первое средство 21 сжатия первого рабочего тела R1 и/или второе средство 121 сжатия второго рабочего тела R2 сконфигурированы для теплообмена с третьим частичным потоком F3 и с четвертым частичным потоком F4 указанного подводимого потока F воды соответственно (независимых от указанного первого частичного потока F1 и от указанного второго частичного потока F2). Такое решение выгодным образом позволяет ограничить перегрев смазок, используемых для функционирования механических элементов компрессоров, для того чтобы повысить надежность работы и срок их службы. На практике, если предполагается установить заданную температуру устройства приблизительно равной 85ºС, температура конденсации должна составлять приблизительно 87-88ºС, что означает наличие большего перегрева после сжатия (в зависимости от используемого хладагента может быть достигнута температура даже 160ºС). Однако в рабочих условиях внутреннее трение механических элементов, входящих в конструкцию компрессоров, может достигать даже 150ºС. Такая температура представляет реальную опасность для работоспособности используемых смазок и, следовательно, для надежности всего устройства. За счет использования решения, иллюстрируемого на фиг.3, температура перегрева может оставаться в допустимых пределах.
Обращаясь вновь к фиг.3, следует отметить, что подводящий коллектор 81 содержит третий выход, с помощью которого третий частичный поток F3 общего подводимого потока воды поступает в средство 21 сжатия первого контура 10 для отвода от него теплоты. Возвратный коллектор 82 содержит третий вход, через который протекает третий частичный поток F3 после его нагревания, произошедшего при последующем охлаждении средства 21 сжатия первого контура 10.
Подводящий коллектор 81 содержит, кроме того, четвертый выход для четвертого частичного потока F4 подводимого потока F воды. Такой четвертый частичный поток F4 поступает в средство 121 сжатия второго контура 100 для отвода из него теплоты. Возвратный коллектор 82 содержит четвертый вход, через который протекает четвертый частичный поток F4 после его нагревания, произошедшего при последующем охлаждении средства сжатия 121 второго контура 100.
Следует отметить, что третий частичный поток F3 и четвертый частичный поток F4 являются независимыми от первого частичного потока F1 и от второго частичного потока F2. В частности, третий частичный поток F3 и четвертый частичный поток F4 нагреваются по существу «параллельно» друг другу и параллельно с первым частичным потоком F1 и вторым частичным потоком F2. В соответствии с предлагаемым решением подаваемый поток F воды в подводящем коллекторе 81 разделяют на четыре частичных потока, обозначенных как F1, F2, F3 и F4, которые, после их нагревания независимо один от другого, транспортируются в возвратный коллектор 82 для восстановления вновь общего количества подводимого потока F. Тепловой уровень такого подаваемого потока F будет определяться комбинацией тепловых уровней четырех частичных потоков F1, F2, F3 и F4. Было установлено, что теплота, отведенная от средства 21 сжатия, значительно повышает тепловой уровень подаваемого потока F, способствуя тем самым повышению в большей степени величины коэффициента преобразования теплового насоса (более 3). В соответствии с предпочтительным воплощением, иллюстрируемым на фиг.3, подводящий коллектор 81 содержит также четвертый выход, гидравлически соединенный с четвертым входом возвратного коллектора 82 посредством компенсационного трубопровода L. Последний выполняет функцию компенсации различных потерь давления четырех частичных потоков F1, F2, F3 и F4, которые возникают, когда указанные четыре частичных потока протекают от подводящего коллектора 81 к возвратному коллектору 82.
В первом возможном режиме работы два рабочих тела R1 и R2 могут быть одинакового типа и, в частности, могут иметь одинаковую плотность. Однако рассмотренные выше технические решения позволяют выгодно использовать рабочие тела с различными плотностями и, в частности, позволяют использовать в высокотемпературном контуре 100 рабочее тело R2, имеющее меньшую плотность по сравнению с текучей средой, циркулирующей в низкотемпературном контуре 10. В действительности, более высокая величина энтальпии позволяет, по сравнению с традиционными решениями, уменьшить требуемый массовый расход второго рабочего тела R2. Это позволяет, например, снизить потребление энергии на сжатие второго рабочего тела R2. В этом отношении было установлено, что нагревательное устройство 1 достигает оптимальных рабочих характеристик, если используют рабочее тело R600 в качестве первого рабочего тела R1 в низкотемпературном контуре 10 и рабочее тело (Z)-2-бутан в качестве второго рабочего тела R2 в высокотемпературном контуре 100. Помимо того, в соответствии с другим возможным режимом работы в качестве теплоносителя R2, циркулирующего в высокотемпературном контуре 100, может быть использован раствор воды (или даже одна вода), принимая во внимание давление и температуру, реализуемые в процессе функционирования указанного высокотемпературного контура 100.
Решения, реализованные для нагревательного устройства в соответствии с изобретением, позволяют полностью решить вышеуказанные техническую проблему и задачи. В частности, устройство согласно изобретению позволяет получить высокие величины коэффициента преобразования (СОР) с достижением явных преимуществ с точки зрения потребления энергии. Другими словами, устройство, соответствующее настоящему изобретению, позволяет получить высокую заданную температуру при низком потреблении энергии в системе, использующей тепловой насос.
Предложенное, таким образом, устройство может быть подвержено многим модификациям и изменениям, которые все находятся в пределах объема идеи настоящего изобретения. Помимо того, все элементы устройства могут быть заменены другими технически эквивалентными средствами.
При практическом осуществлении могут быть использованы любые материалы, а также геометрические размеры и конкретные формы, в зависимости от необходимости и существующего уровня техники.
1. Нагревательное устройство (1) с необратимым термодинамическим циклом, содержащее
первый контур (10) для циркуляции первого рабочего тела (R1), при этом первый контур (10) содержит:
средство испарения (11) первого рабочего тела (R1), выполненное с возможностью отвода тепловой энергии от подаваемого потока (F) воды для испарения первого рабочего тела (R1);
средство (21) сжатия первого рабочего тела (R1), которое производит сжатие первого рабочего тела (R1) после его испарения;
средство (31) конденсации первого рабочего тела (R1), которое обеспечивает конденсацию первого рабочего тела (R1) после его сжатия; и
средство (41) расширения первого рабочего тела (R1);
второй контур (100) для циркуляции второго рабочего тела (R2), при этом второй контур (100) содержит:
средство (111) испарения второго рабочего тела (R2), которое выполнено с возможностью испарения второго рабочего тела (R2) за счет тепловой энергии, извлекаемой при конденсации первого рабочего тела (R1), циркулирующего в первом контуре (10);
средство (121) сжатия второго рабочего тела (R2), обеспечивающее сжатие второго рабочего тела (R2) после его испарения;
средство (131) конденсации второго рабочего тела (R2), выполненное с возможностью конденсации второго рабочего тела (R2) после его сжатия, при этом средство (131) конденсации второго рабочего тела (R2) обеспечивает конденсацию второго рабочего тела (R2) после его сжатия, причем средство (131) конденсации второго рабочего тела (R2) выполнено с возможностью нагрева потока (Hman) сетевой воды за счет тепловой энергии, извлекаемой при конденсации второго рабочего тела (R2);
средство (141) расширения второго рабочего тела (R2);
при этом указанный первый контур (10) содержит первое средство (72) охлаждения, установленное с возможностью функционирования между средством (31) конденсации и средством (41) расширения первого контура (10), при этом указанное первое средство (72) охлаждения обеспечивает охлаждение первого рабочего тела (R1) и нагрев первого частичного потока (F1) указанного подаваемого потока (F) воды;
второй контур (100) содержит второе средство (71) охлаждения, размещенное с возможностью функционирования между средством (131) конденсации и средством (141) расширения второго рабочего тела (R2) так, чтобы охлаждать второе рабочее тело (R2) после его конденсации и нагревать второй частичный поток (F2) указанного подводимого потока (F) воды, который является независимым от первого частичного потока (F1),
указанное нагревательное устройство (1) содержит подводящий коллектор (81) и возвратный коллектор (82) подаваемой воды, при этом
подводящий коллектор (81) содержит по меньшей мере первый вход для подаваемого потока (F) воды, первый выход для первого частичного потока (F1) воды подаваемого потока (F) воды и по меньшей мере второй выход для второго частичного пока (F2) воды указанного подаваемого потока (F) воды;
возвратный коллектор (82) содержит по меньшей мере один вход для первого частичного потока (F1) воды и по меньшей мере второй вход для второго частичного потока (F2) воды, поступающего из второго средства (71) охлаждения; при этом возвратный коллектор (82) содержит основной выход для подаваемого потока (F) воды, предназначенного для указанного средства испарения (11) первого контура (10).
2. Устройство по п. 1, в котором подводящий коллектор (81) содержит третий выход для третьего частичного потока (F3) указанного подаваемого потока, независимого от первого частичного (F1) потока и от второго частичного потока (F2), при этом первое средство (21) сжатия первого контура (10) выполнено с возможностью теплообмена с третьим частичным потоком (F3) для его нагревания, а возвратный коллектор (82) содержит третий вход для третьего частичного потока (F3), нагреваемого посредством теплообмена со средством (21) сжатия первого контура (10).
3. Устройство (1) по п. 1, в котором подводящий коллектор содержит четвертый выход для четвертого частичного потока (F4) указанного подаваемого потока (F), независимого от указанного первого частичного потока (F1) и от второго частичного потока (F2), при этом второе средство (121) сжатия второго контура (100) выполнено с возможностью теплообмена с четвертым частичным потоком (F4) для его нагревания, а возвратный коллектор (82) содержит четвертый вход для четвертого частичного потока (F4), нагреваемого за счет теплообмена со средством (121) сжатия второго контура (100).
4. Устройство (1) по п. 1, в котором подводящий коллектор (81) и возвратный коллектор (82) гидравлически соединены с помощью компенсационного гидравлического трубопровода (L).
5. Устройство (1) по п. 1, в котором второе рабочее тело (R2) имеет плотность, меньшую, чем плотность первого рабочего тела (R1).
6. Устройство (1) по п. 1, в котором второе рабочее тело (R2), циркулирующее во втором рабочем контуре (100), представляет собой водный раствор или даже одну воду.
7. Устройство (1) по п. 1, в котором первым рабочим телом является R600, причем указанным рабочим телом является (Z)-2-бутан.
8. Устройство (1) по п. 1, в котором средство (111) испарения второго рабочего тела (R2) и средство (31) конденсации первого рабочего тела (R1) объединены в единый теплообменник (50) так, что тепловая энергия, извлеченная в результате конденсации первого рабочего тела (R1), непосредственно передается второму рабочему телу (R2) без промежуточных переходов.
9. Нагревательная установка, характеризующаяся тем, что содержит нагревательное устройство (1) по любому из пп. 1-8.
