Тепловой насос

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Конев Сергей Владимирович Корсеко Аркадий Леонидович Домород Леонид Семенович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Тепловой насос, содержащий циркуляционный контур рабочего тела, который включает последовательно соединенные компрессор, конденсатор, испаритель и дроссельный вентиль, связывающий компрессор с испарителем, а также линию потребителя и линию источника низкопотенциального подвода тепла, отличающийся тем, что снабжен двумя кожухотрубными регенеративными теплообменниками, выполненными в виде тепловых труб, одна из которых трактом, включающим внутреннюю трубу, проходящую через конденсатор тепловой трубы, связывает выход испарителя с выходом конденсатора теплового насоса, а вторая тепловая труба встроена в трубопровод линии подачи низкопотенциального источника тепла, внутренняя труба которой является частью трубопровода и проходит через конденсатор тепловой трубы, при этом конденсаторы тепловых труб транспортными трубопроводами связаны с трактом, связывающим конденсатор теплового насоса с его испарителем. 2. Тепловой насос по п. 1, отличающийся тем, что транспортные трубопроводы тепловых труб выполнены многоканальными.(56) 1. Кондрашова Н.Г., Лашутина Н.Г. Холодильно-компрессорные машины. - М. Высшая школа, 1966. - С. 370. 2. Патент РФ 204434, МПК 25 9/00, 1995. Предлагаемое техническое решение относится к области теплоснабжения и может быть использовано в системах централизованного и автономного теплоснабжения. Известен тепловой насос 1, содержащий циркуляционный контур рабочего тела,включающий в себя компрессор, конденсатор, ресивер, фильтр-осушитель, электромагнитный клапан, терморегулирующий вентиль, испаритель. Работает известный тепловой насос следующим образом. Сжатый компрессором пар рабочего тела в перегретом состоянии поступает в конденсатор, в котором происходит его конденсация с отдачей тепла теплоносителю. Далее конденсат рабочего тела в переохлажденном состоянии поступает в ресивер. Из ресивера жидкое рабочее тело, пройдя фильтросушитель, электромагнитный клапан поступает в терморегулирующий вентиль, где дросселируется и при низком давлении поступает в испаритель. В испарителе рабочее тело испаряется, отбирая тепло у низкопотенциального источника тепла и, частично перегретым,поступает в компрессор. Далее цикл повторяется. К недостаткам такого теплового насоса можно отнести то, что при конденсации жидкий агент выходит из конденсатора достаточно горячим. Теплоноситель не может отобрать от агента больше тепловой энергии, а агент отдать теплоносителю. Высокая температура жидкого агента, поступающего в терморегулирующий вентиль, сказывается на производительности теплового насоса по холоду и на общий коэффициент полезного действия. Другим недостатком является невозможность повышения температуры низкопотенциального источника тепла на входе в испаритель. Наиболее близким техническим решением является тепловой насос 2, содержащий циркуляционный контур рабочего тела, который включает последовательно соединенные компрессор, охладитель пара, конденсатор, охладитель конденсата, регенеративный теплообменник, соединенный через дроссельный вентиль с входом испарителя, выход которого через регенеративный теплообменник подключен к входу компрессора, линию низкопотенциального подвода тепла. Причем вход охладителя конденсата по нагреваемой среде соединен со входом теплового насоса. Выход конденсатора по нагреваемой среде подключен к линии первого потребителя, а выход охладителя пара по нагреваемой среде подключен к линии второго потребителя. Охладитель конденсата по нагреваемой среде снабжен бейпасной линией, подключенной к входу конденсатора, а выход охладителя по нагреваемой среде соединен с входом охладителя пара. При работе теплового насоса сжатый компрессором пар рабочего тела в перегретом состоянии поступает в охладитель пара, где охлаждается с отдачей теплоты нагреваемой среде. После охлаждения пар рабочего тела подается в конденсатор с отдачей теплоты нагреваемой среде, после чего конденсат рабочего тела поступает в регенеративный теплообменник, в котором происходит его дальнейшее охлаждение с отдачей тепла потоку рабочего тела, поступающего в компрессор. Затем жидкое рабочее тело проходит через дроссельный вентиль, дросселируется и при низком давлении поступает в испаритель. Там оно испаряется и, превращаясь в пар, отбирает тепло у низкотемпературного источника тепла и газообразным поступает в регенеративный теплообменник, где догревается за счет тепла конденсата рабочего тела. Недостатками такого теплового насоса является сложность изготовления и монтажа рекуперативного теплообменника, увеличение гидравлического сопротивления циркуляционного контура после испарителя за счет увеличения его длины. Недостатком является также отсутствие возможности повышения температуры входящего в испаритель низкотемпературного источника тепла и тем самым отсутствие возможности снижения потерь энергии тепла в процессе охлаждения и конденсации пара. 2 94672013.08.30 Задачей предлагаемой полезной модели является повышение теплопроизводительности теплового насоса за счет снижения температуры рабочего тела после конденсатора теплового насоса и повышения температуры низкопотенциального источника тепла на входе в испаритель. Задача решается следующим образом. Известный тепловой насос содержит циркуляционный контур рабочего тела, который включает последовательно соединенные компрессор, конденсатор, испаритель и дроссельный вентиль, связывающий компрессор с испарителем, а также линию потребителя и линию источника подачи низкопотенциального тепла. Согласно предлагаемому техническому решению тепловой насос снабжен двумя кожухотрубными регенеративными теплообменниками, выполненными в виде тепловых труб, одна из которых трактом, включающим внутреннюю трубу, проходящую через конденсатор этой тепловой трубы, соединяет выход испарителя с выходом конденсатора теплового насоса. Вторая тепловая труба встроена в трубопровод линии подачи низкопотенциального источника тепла, внутренняя труба которой является частью трубопровода и также проходит через конденсатор этой тепловой трубы. При этом конденсаторы тепловых труб транспортными трубопроводами связаны с трактом, связывающим выход конденсатора теплового насоса со входом его испарителя. Этот тракт служит испарителем для обеих тепловых труб. Кроме того, для усиления тепловой мощности тепловых труб транспортные трубопроводы могут быть выполнены многоканальными. Это обеспечивает увеличение поступления парообразного рабочего тела в конденсаторы тепловых труб. Таким образом, применение тепловых труб в качестве кожухотрубных регенеративных теплообменников обеспечивает доохлаждение конденсата рабочего тела на выходе из конденсатора теплового насоса и догрев газообразного рабочего тела на входе в компрессор, а также догрев низкопотенциального источника тепла. Это обеспечивает значительное повышение теплопроизводительности теплового насоса. На фигуре изображена схема предлагаемого теплового насоса. Тепловой насос содержит циркуляционный контур рабочего тела, включающий компрессор 1, выход которого трактом 2 связан с входом конденсатора 3 и с линией потребителя тепла 4. Вход дроссельного вентиля 5 трактом 6 связан с выходом конденсатора 3. Вход испарителя 7 трактом 8 связан с выходом дроссельного вентиля 5. Тракт 9 связывает выход испарителя 7 со входом компрессора 1 и проходит через конденсатор 10 кожухотрубного регенеративного теплообменника в виде тепловой трубы, который транспортным трубопроводом 11 соединяет ее с трактом 6, служащим испарителем для данной тепловой трубы. Внутренняя труба 12 является частью тракта 9, проходя через конденсатор 10 тепловой трубы, служит теплообменной поверхностью, осуществляющей теплообмен между паром рабочего тела тракта 6, которое поступает по транспортному трубопроводу 11 в конденсатор 10, и паром рабочего тела, поступающего по тракту 9 в компрессор 1. В трубопровод 13 линии подачи низкопотенциального тепла в испаритель 7 встроен второй кожухотрубный теплообменник в виде тепловой трубы. Тепловая труба включает конденсатор 14, трубу 16, проходящую через конденсатор 14 и являющуюся частью трубопровода 13, и транспортный трубопровод 15, который связывает ее с трактом 6, служащим испарителем для данной тепловой трубы. Труба 16, являющаяся частью трубопровода 13, служит теплообменной поверхностью конденсатора 14 тепловой трубы, осуществляющей теплообмен между парами рабочего тела тракта 6, поступающего в конденсатор 14 тепловой трубы по транспортному трубопроводу 15, и низкопотенциальным источником тепла, поступающего в испаритель 7 через трубопровод 13. Тепловой насос работает следующим образом. Сжатый компрессором 1 пар рабочего тела в перегретом состоянии поступает в конденсатор 3, в котором происходит его конденсация с отдачей тепла рабочему телу. Далее конденсат рабочего тела в переохлажденном состоянии и высоком давлении поступает в терморегулирующий вентиль 5, где дросселируется и при низком давлении поступает в 3 94672013.08.30 испаритель 7 по тракту 8. В испарителе 7 рабочее тело испаряется, забрав тепло у низкопотенциального источника тепла, и частично перегретым поступает в компрессор 1. При работе теплового насоса пары жидкого нагретого рабочего тела, проходящего по тракту 6 и по транспортным трубопроводам 11 и 15, попадают в конденсаторы 10 и 14 тепловых труб. В конденсаторе 10 пары рабочего тела охлаждаются и конденсируются за счет более низкой температуры парообразного рабочего тела, проходящего через внутреннюю трубу 12 тракта 9. Охлажденные пары в виде конденсата по трубопроводу 11 стекают в тракт 6 и охлаждают рабочее тело, поступающее в испаритель 7. Одновременно в конденсаторе 14 пары рабочего тела за счет более низкой температуры низкопотенциального источника тепла проходящего через внутреннюю трубу 16, конденсируются, отдав тепло низкопотенциальному источнику. Охлажденное рабочее тепло в виде конденсата по трубопроводу 15 стекает в тракт 6 и доохлаждает рабочее тело, проходящее через этот тракт. Процесс теплообмена в предлагаемой конструкции теплового насоса происходит непрерывно в процессе его работы. При этом частичное охлаждение сконденсированного рабочего тела,выходящего из конденсатора 3, обеспечивает тепловая труба, конденсатор 10 которой установлен на тракте 9 циркуляционного контура рабочего тела на входе его в компрессор 1. Частичный догрев газообразного рабочего тела, выходящего из испарителя 7, обеспечивается на входе его в компрессор 1. Это происходит за счет перекачки тепловой трубой тепла от сконденсированного рабочего тела, выходящего из конденсатора 3 теплового насоса,пары которого поступают в конденсатор 10 тепловой трубы. Тепловая труба, конденсатор 14 которой встроен в трубопровод 13, обеспечивает дополнительное охлаждение сконденсированного рабочего тепла от конденсатора 3 и догрев низкопотенциального источника тепла,проходящего через трубу 16 в испаритель. Это обеспечивается за счет перекачки тепловой трубой теплоты от сконденсированного рабочего тела, выходящего из конденсатора 3, пары которого поступают в конденсатор 14 тепловой трубы. Таким образом, применение тепловых труб в качестве кожухотрубных регенеративных теплообменников теплового насоса позволяет осуществить частичное охлаждение рабочего тела, выходящего из конденсатора 3, и подогрев рабочего тела, поступающего в компрессор 1, выходящего из испарителя 7 теплового насоса. Вторая тепловая труба в качестве регенеративного теплообменника обеспечивает дополнительное доохлаждение рабочего тела после его выхода из конденсатора 3 и подогрев низкопотенциального источника тепла на входе в испаритель 7 теплового насоса, что приводит к повышению его теплопроизводительности на выходе линии потребителя 4. Транспортные трубопроводы 11 и 15 тепловых труб могут быть выполнены многоканальными. При этом в конденсаторы 10 и 14 тепловых труб будет поступать больше парообразного рабочего тела, что увеличит тепловую мощность тепловой трубы. При осуществлении регенерации тепла кожухотрубных теплообменников, выполненных в виде тепловых труб,очевидно, что для того, чтобы обеспечить повышение температуры догрева газообразного рабочего тела и низкопотенциального источника тепла, а также охлаждение сконденсированного рабочего тела на выходе из конденсатора 3, нужно обеспечить увеличение площади теплообмена в конденсаторах 10 и 14 тепловых труб. Для этого кожухи конденсаторов тепловых труб должны охватывать участки тракта 9 и участки трубопровода 13 как можно большей длины. Таким образом, теплопроизводительность предлагаемого теплового насоса значительно повышается за счет применения тепловых труб в качестве кожухотрубных регенеративных теплообменников для доохлаждения конденсата рабочего тела и догрева газообразного рабочего тела на входе в испаритель. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4