Нагревательная установка и способ нагревания - RU2381418C2

Чертежи

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ, И ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к нагревательной установке согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения и к способу нагревания согласно ограничительной части пункта 15 формулы изобретения. Изобретение также относится к использованию нагревательной установки в соответствии с изобретением для снабжения водопроводной горячей водой.

Нагревательная установка согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения ранее известна из патентного документа WO 00/32992 A1. Эта ранее известная нагревательная установка содержит два или три теплопередающих устройства в виде теплообменников, расположенных во втором контуре циркуляции, содержащем вторую среду, например, в виде водопроводной горячей воды, для передачи теплоты от первой среды в первом контуре циркуляции ко второй среде во втором контуре циркуляции. Первое вырабатывающее теплоту устройство в виде отопительного котла и второе вырабатывающее теплоту устройство в виде теплового насоса расположены в первом контуре циркуляции для выделения теплоты в первую среду в первом контуре циркуляции. Посредством теплопередающих устройств обеспечивается возможность постепенного нагревания второй среды во втором контуре циркуляции до заданной конечной температуры. Данная ранее известная нагревательная установка обеспечивает возможность использования, в значительной степени, теплового насоса в качестве основного источника энергии в нагревательной установке для нагревания водопроводной горячей воды, а также радиаторов (батарей отопления), в то время как потребность в работе отопительного котла возникает только при сравнительно большой нагрузке для удовлетворения превалирующих потребностей в тепле, что, тем не менее, позволяет уменьшить затраты на эксплуатацию нагревательной установки.

ЗАДАЧА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача настоящего изобретения заключается в создании нагревательной установки и способа, который обеспечивает возможность эффективного использования теплового насоса, включенного в нагревательную установку.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с изобретением поставленная задача достигается посредством нагревательной установки, имеющей признаки, указанные в пункте 1 формулы изобретения, и способа, имеющего признаки, указанные в пункте 15 формулы изобретения.

Согласно изобретению теплообменник, подсоединенный между конденсатором и расширительным клапаном первого теплового насоса, используется для передачи теплоты от рабочей среды теплового насоса к третьей среде в третьем контуре циркуляции, при этом дополнительный тепловой насос, названный здесь вторым тепловым насосом, размещен с возможностью нагревания второй среды во втором контуре циркуляции посредством поглощения тепловой энергии из третьей среды в третьем контуре циркуляции. Вторая среда во втором контуре циркуляции предпочтительно представляет собой воду, предназначенную для нагревания ее для снабжения водопроводной горячей водой. Указанное нагревание посредством второго теплового насоса соответственно представляет собой конечную стадию нагревания в процессе нагревания водопроводной горячей воды до заданной температуры, то есть до конечного нагревания водопроводной горячей воды. При использовании решения согласно изобретению избыточная теплота рабочей среды первого теплового насоса используется для обеспечения повышения температуры второй среды во втором контуре циркуляции, когда первый тепловой насос работает. Посредством использования избыточной теплоты рабочей среды теплового насоса при нагревании второй среды вместо ее непроизводительной потери достигается повышение кпд теплового насоса.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения нагревательная установка содержит дополнительный теплообменник, названный здесь вторым теплообменником, расположенный в третьем контуре циркуляции последовательно с первым теплообменником для передачи теплоты от третьей среды в третьем контуре циркуляции ко второй среде во втором контуре циркуляции. Данная теплопередача соответственно представляет собой первую исходную стадию нагревания в процессе нагревания водопроводной горячей воды до заданной температуры, то есть предварительное нагревание водопроводной горячей воды. Кроме того, на данной стадии нагревания избыточная теплота рабочей среды первого теплового насоса используется для обеспечения повышения температуры второй среды, когда первый тепловой насос работает, в результате чего энергия, требуемая на последующей стадии нагревания или на последующих стадиях нагревания для повышения температуры второй среды до заданной конечной температуры, соответственно уменьшается. Посредством второго теплообменника также будет обеспечена возможность использования тепловой энергии в третьем контуре циркуляции для нагревания второй среды во втором контуре циркуляции и при этом не потребуется, чтобы второй тепловой насос работал.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления изобретения нагревательная установка содержит дополнительный теплообменник, названный здесь третьим теплообменником, расположенный в третьем контуре циркуляции последовательно с первым теплообменником для передачи теплоты от четвертой среды, например окружающего воздуха, к третьей среде в третьем контуре циркуляции. Данный третий теплообменник может «помогать» первому теплообменнику и обеспечивать дополнительную подачу теплоты для второго теплообменника, и может каждый раз применяться для второго теплообменника. Третий теплообменник также может быть использован для подачи тепловой энергии ко второму тепловому насосу и может всякий раз применяться для второго теплообменника, когда первый тепловой насос не работает.

Дополнительные предпочтительные варианты осуществления нагревательной установки согласно изобретению и способа согласно изобретению станут очевидными из зависимых пунктов формулы изобретения и из последующего описания.

Изобретение также относится к использованию нагревательной установки согласно изобретению для снабжения водопроводной горячей водой, при этом, в данном случае, вторая среда во втором контуре циркуляции представляет собой воду, которая нагревается для обеспечения водопроводной горячей водой.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Более конкретное описание примерных вариантов осуществления изобретения будет представлено ниже со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:

фиг.1 - схематическая иллюстрация нагревательной установки в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения,

фиг.2 - схематическая иллюстрация нагревательной установки в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения,

фиг.3 - схематическая иллюстрация нагревательной установки в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения,

фиг.4 - схематическая иллюстрация нагревательной установки в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего изобретения,

фиг.5 - схематическая иллюстрация нагревательной установки в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего изобретения, и

фиг.6 - схематическая иллюстрация нагревательной установки в соответствии с шестым вариантом осуществления настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Нагревательная установка 1 согласно изобретению содержит, по меньшей мере, три контура K1, K2, К3 циркуляции для трех отдельных сред, а именно, первый контур К1 циркуляции, содержащий первую среду, например воду, второй контур К2 циркуляции, содержащий вторую среду, например водопроводную горячую воду, и третий контур К3 циркуляции, содержащий третью среду, например воду. Различные варианты осуществления нагревательной установки в соответствии с изобретением схематически показаны на фиг.1-6. Проиллюстрированные нагревательные (отопительные) установки предназначены для отопления дома или другого здания и нагревания водопроводной горячей воды, подаваемой в данный дом или здание. Тем не менее, нагревательная установка согласно изобретению также может быть предназначена для удовлетворения потребностей в тепле других типов.

Нагревательная установка согласно изобретению дополнительно содержит:

- первое устройство для выработки теплоты в виде теплового насоса 2, в дальнейшем названного первым тепловым насосом, расположенного в первом контуре К1 циркуляции для нагревания первой среды в первом контуре К1 циркуляции, например, посредством использования теплоты грунта и/или солнечного тепла, и

- второе устройство для выработки теплоты в виде теплового насоса 3, в дальнейшем названного вторым тепловым насосом, размещенного с возможностью нагревания второй среды во втором контуре К2 циркуляции посредством поглощения тепловой энергии из третьей среды в третьем контуре К3 циркуляции.

В вариантах осуществления, показанных на фиг.1-6, третье устройство 4 для выработки теплоты, например в виде обычного мазутного и/или дровяного отопительного котла, которое также может содержать средство для нагревания с так называемым нагревательным элементом патронного типа, также расположено в первом контуре К1 циркуляции последовательно с первым тепловым насосом 2 для подачи теплоты в первую среду.

Первый тепловой насос 2 содержит испаритель 2с, конденсатор 2d, компрессор 2е и расширительный клапан 2f, предпочтительно электромеханический расширительный клапан. Посредством теплообмена со средой в контуре циркуляции, не показанном здесь, соединенном с испарителем 2с, рабочая среда теплового насоса поглощает тепловую энергию посредством испарителя 2с. Работа добавляется посредством компрессора 2е, в результате чего давление и температура рабочей среды теплового насоса повышаются. В конденсаторе 2d тепловая энергия выделяется затем в первую среду в первом контуре К1 циркуляции посредством теплообмена, и рабочая среда теплового насоса возвращается затем в испаритель 2с через расширительный клапан 2f, при этом она подвергается воздействию уменьшения давления и температуры. Следовательно, нагнетательная сторона теплового насоса 2 соединена с первым контуром К1 циркуляции так, что обеспечивается возможность теплообмена между первой средой в первом контуре циркуляции и конденсатором 2d теплового насоса.

Посредством питающего трубопровода 6 выход 4b отопительного котла 4 соединен с входом 7 одного или нескольких теплоотдающих устройств 8. Данные устройства 8 используются для нагревания дополнительной среды, в данном случае воздуха внутри здания, и, например, образованы обычными радиаторами, предназначенными для приведения их в действие посредством горячей воды или другой среды. Выход 9 теплоотдающих устройств посредством возвратного трубопровода 10 соединен с всасывающей стороной 2а первого теплового насоса, и нагнетательная сторона 2b первого теплового насоса посредством возвратного трубопровода 10 соединена с входом 4а отопительного котла.

Возвратный трубопровод 10 и питающий трубопровод 6 соединены друг с другом посредством первого соединительного трубопровода 11А, расположенного от первой точки Р1, находящейся у питающего трубопровода 6, до точки Р2, находящейся между выходом 2b первого теплового насоса и входом 4а отопительного котла. Возвратный трубопровод 10 и питающий трубопровод 6 также соединены друг с другом посредством второго соединительного трубопровода 11В, расположенного от точки Р3, находящейся между выходом 2b первого теплового насоса и входом 4а отопительного котла, до точки Р4, находящейся у питающего трубопровода 6. Нагревательная установка дополнительно содержит третий соединительный трубопровод 11С, расположенный от точки Р5, находящейся между точкой Р4 и входом 7 радиаторов, до точки Р6, находящейся между выходом 9 радиаторов и входом 2а первого теплового насоса, и четвертый соединительный трубопровод 11D, расположенный от точки Р7, находящейся между точкой Р4 и точкой Р5, до точки Р8, находящейся между точкой Р6 и входом 2а первого теплового насоса. Регулировочный клапан 12 расположен в точке Р4, то есть в месте соединения второго соединительного трубопровода 11В и питающего трубопровода 6, и регулировочный клапан 13 дополнительно расположен в точке Р5, то есть в месте соединения третьего соединительного трубопровода 11С и питающего трубопровода 6. Обратный клапан 14 расположен в первом соединительном трубопроводе 11А, и обратный клапан 15 также расположен в четвертом соединительном трубопроводе 11D. Кроме того, обратный клапан 16 расположен в возвратном трубопроводе 10 в месте, где возвратный трубопровод 10 также образует средство для обхода первого теплового насоса 2, то есть перепускной трубопровод 17 для первого теплового насоса 2. Следовательно, обратный клапан 16, упомянутый последним, расположен в части возвратного трубопровода 10, проходящей между входом 2а и выходом 2b первого теплового насоса. Циркуляционный насос 18 расположен в одном из соединительных трубопроводов между конденсатором 2d первого теплового насоса и возвратным трубопроводом 10. Циркуляционный насос 19 также расположен в питающем трубопроводе 6. Циркуляционный насос 19, упомянутый последним, в альтернативном варианте может быть расположен в возвратном трубопроводе 10.

Второй тепловой насос 3 содержит испаритель 3с, конденсатор 3d, компрессор 3е и расширительный клапан 3f, предпочтительно электромеханический расширительный клапан. Посредством теплообмена с третьей средой в третьем контуре К3 циркуляции, соединенном с испарителем 3с, рабочая среда теплового насоса поглощает тепловую энергию посредством испарителя 3с. Работа добавляется посредством компрессора 3е, в результате чего давление и температура рабочей среды теплового насоса повышаются. В конденсаторе 3d тепловая энергия выделяется затем во вторую среду во втором контуре К2 циркуляции посредством теплообмена, и рабочая среда теплового насоса возвращается затем в испаритель 3с через расширительный клапан 3f, при этом она подвергается воздействию уменьшения давления и температуры. Следовательно, выход второго теплового насоса 3 соединен со вторым контуром К2 циркуляции так, что обеспечивается возможность теплообмена между второй средой во втором контуре циркуляции и конденсатором 3d теплового насоса.

Нагревательная установка 1 согласно изобретению дополнительно содержит теплообменник 40, в дальнейшем названный первым теплообменником, который расположен в третьем контуре К3 циркуляции и который подсоединен между конденсатором 2d и расширительным клапаном 2f первого теплового насоса для передачи теплоты от рабочей среды первого теплового насоса к третьей среде в третьем контуре К3 циркуляции. Кроме того, циркуляционный насос 43 расположен в третьем контуре К3 циркуляции. Первый теплообменник 40 посредством третьего контура К3 циркуляции соединен с испарителем 3с второго теплового насоса и расположен в третьем контуре К3 циркуляции последовательно с испарителем 3с второго теплового насоса. Следовательно, в соответствии с изобретением конденсат, образующийся в первом тепловом насосе 2, используется для подачи тепловой энергии второму тепловому насосу 3, который, в свою очередь, использует данную тепловую энергию для нагревания второй среды, например, для обеспечения нагревания водопроводной горячей воды. Указанный теплообменник 40 образует так называемый переохладитель первого теплового насоса 2.

Во всех из проиллюстрированных вариантов осуществления второй тепловой насос 2 предусмотрен для конечного нагревания второй среды, которая, как упомянуто выше, может состоять из воды, которая нагревается для снабжения водопроводной горячей водой. Окончательно нагретая водопроводная горячая вода соответствующим образом накапливается в аккумуляторе 27, расположенном во втором контуре К2 циркуляции, при этом аккумулятор соединен со вторым тепловым насосом 3 посредством двух соединительных трубопроводов 28, 29. Циркуляционный насос 30 расположен в одном из данных соединительных трубопроводов. Возвратный трубопровод 31 с циркуляционным насосом 32 расположен между верхним выходом 27b и нижним входом 27а аккумулятора.

Вариант осуществления, показанный на фиг.2, соответствует варианту осуществления, показанному на фиг.1, за исключением того, что нагревательная установка 1 в данном случае содержит теплообменник 21, расположенный в первом контуре К1 циркуляции для передачи теплоты от первой среды в первом контуре К1 циркуляции ко второй среде во втором контуре К2 циркуляции или, наоборот, посредством теплообмена между первой средой и второй средой. Следовательно, данный теплообменник 21 может быть использован для того, чтобы способствовать нагреванию второй среды во втором контуре К2 циркуляции посредством передачи теплоты от первой среды в первом контуре К1 циркуляции ко второй среде во втором контуре К2 циркуляции при возникновении данной потребности. Когда потребность нагревания, возникающая по отношению ко второй среде во втором контуре К2 циркуляции, будет удовлетворена, теплообменник 21 взамен может быть использован для того, чтобы обеспечить отдачу теплоты первой среде в первом контуре К1 циркуляции посредством теплопередачи от второй среды во втором контуре К2 циркуляции к первой среде в первом контуре К1 циркуляции. В данном случае теплообменник 21 соединен с питающим трубопроводом 6 посредством двух соединительных трубопроводов 22, 23. Циркуляционный насос 24 расположен в одном из данных соединительных трубопроводов. Обратный клапан 25 расположен в питающем трубопроводе 6 в том месте, где питающий трубопровод 6 образует средство для обхода теплообменника 21, то есть перепускной трубопровод 26 для теплообменника 21. Следовательно, обратный клапан 25, упомянутый последним, расположен в части питающего трубопровода 6, проходящей между соединительными трубопроводами 22, 23. В показанном примере теплообменник 21 соединен с третьим контуром К3 циркуляции между конденсатором 3d второго теплового насоса и аккумулятором 27.

В вариантах осуществления, показанных на фиг.1 и 2, не выполняется никакого предварительного нагревания водопроводной горячей воды, и, следовательно, в данных случаях аккумулятор 27 выполнен с возможностью приема холодной воды непосредственно из трубопровода 80 для холодной воды.

Вариант осуществления, показанный на фиг.3, соответствует варианту осуществления, показанному на фиг.2, за исключением того, что нагревательная установка 1 в данном случае содержит дополнительный теплообменник 42, в дальнейшем названный вторым теплообменником, расположенный в третьем контуре К3 циркуляции последовательно с первым теплообменником 40. Данный второй теплообменник 42 предназначен для передачи теплоты от третьей среды в третьем контуре К3 циркуляции ко второй среде во втором контуре К2 циркуляции посредством теплообмена между третьей средой и второй средой. Второй теплообменник 42 и испаритель 3с второго теплового насоса соответствующим образом расположены в третьем контуре К3 циркуляции последовательно друг относительно друга, как проиллюстрировано на фиг.3, но также могут быть расположены параллельно друг другу. Второй теплообменник 42 соединен со вторым контуром К2 циркуляции по потоку до конденсатора 3d второго теплового насоса и, следовательно, используется для предварительного нагревания водопроводной горячей воды. В варианте осуществления, проиллюстрированном здесь, второй теплообменник 42 посредством трубопровода 81 соединен с аккумулятором 27, который выполнен с возможностью накопления окончательно нагретой водопроводной горячей воды. Второй теплообменник 42 в данном случае выполнен с возможностью приема холодной воды посредством трубопровода 80 для холодной воды и подачи предварительно нагретой водопроводной горячей воды в аккумулятор 27 посредством трубопровода 81.

Само собой разумеется, также существует возможность того, что нагревательная установка, показанная на фиг.1, будет оснащена вторым теплообменником 42 вышеописанного типа, расположенным между третьим контуром К3 циркуляции и вторым контуром К2 циркуляции.

Вариант осуществления, показанный на фиг.4, соответствует варианту осуществления, показанному на фиг.3, за исключением того, что нагревательная установка 1 в данном случае содержит дополнительный теплообменник 45, в дальнейшем названный третьим теплообменником, расположенный в третьем контуре К3 циркуляции последовательно с первым теплообменником 40 для передачи теплоты от четвертой среды к третьей среде в третьем контуре К3 циркуляции посредством теплообмена между четвертой средой и третьей средой. Четвертая среда соответственно представляет собой окружающий воздух, при этом в данном случае третий теплообменник 45 представляет собой воздушный теплообменник. Данный воздушный теплообменник 45 соответственно расположен в том же помещении, что и первый тепловой насос 2, для использования повышенной температуры воздуха, созданной во время работы данного теплового насоса 2. Третий теплообменник 45 также может представлять собой теплообменник другого типа, который отдает [обеспечивает] энергию для нагревания третьей среды в третьем контуре К3 циркуляции, когда первый тепловой насос 2 не используется или используется только в незначительной степени, так что заданный тепловой эффект может быть получен посредством второго теплового насоса 3 и/или посредством второго теплообменника 42 также во время режимов работы, когда первый тепловой насос 2 не выделяет достаточного количества тепловой энергии в третью среду в третьем контуре К3 циркуляции. Третий теплообменник 45 в проиллюстрированном случае расположен в третьем контуре К3 циркуляции между вторым теплообменником 42 и первым теплообменником 40.

Само собой разумеется, также существует возможность того, что тепловые установки, показанные на фиг.1 и 2, будут оснащены теплообменником 45 такого типа, который описан со ссылкой на фиг.4 и который расположен в третьем контуре К3 циркуляции последовательно с первым теплообменником 40.

Вариант осуществления, показанный на фиг.5, соответствует варианту осуществления, показанному на фиг.4, за исключением того, что нагревательная установка 1 в данном случае также содержит аккумулятор 44, расположенный в третьем контуре К3 циркуляции последовательно с первым теплообменником 40 для накопления третьей среды. Аккумулятор 44 в проиллюстрированном случае расположен в третьем контуре К3 циркуляции между вторым теплообменником 42 и третьим теплообменником 45.

Само собой разумеется, также существует возможность того, что нагревательные установки, показанные на фиг.1-3, будут оснащены аккумулятором такого типа, как описанный со ссылкой на фиг.5, при этом данный аккумулятор будет расположен в третьем контуре К3 циркуляции последовательно с первым теплообменником 40.

Вариант осуществления, показанный на фиг.6, соответствует варианту осуществления, показанному на фиг.2, за исключением того, что нагревательная установка 1 в данном случае содержит дополнительный теплообменник 46, который расположен в первом контуре К1 циркуляции и который подсоединен между конденсатором 3d и расширительным клапаном 3f второго теплового насоса для передачи теплоты от рабочей среды второго теплового насоса к первой среде в первом контуре К1 циркуляции. Следовательно, в соответствии с данным вариантом осуществления конденсат, образующийся во втором тепловом насосе 3, используется для подачи тепловой энергии первой среде. Теплообменник 46 образует так называемый переохладитель второго теплового насоса 3. Данный теплообменник 46 в данном случае соединен с питающим трубопроводом 6 посредством двух соединительных трубопроводов 47, 48. Дроссельный клапан 49 расположен в части питающего трубопровода 6, проходящей между соединительными трубопроводами 47, 48.

Само собой разумеется, также существует возможность того, что нагревательные установки, показанные на фиг.1 и 3-5, будут оснащены теплообменником 46 такого типа, как описано со ссылкой на фиг.6, при этом данный теплообменник будет расположен в первом контуре К1 циркуляции и подсоединен между конденсатором 3d и расширительным клапаном 3f второго теплового насоса.

Следует отметить, что изобретение никоим образом не ограничивается предпочтительными вариантами осуществления, описанными выше. Напротив, множество возможностей их модификации будет очевидно для специалиста в данной области техники, при этом не будет отхода от базовой идеи изобретения в том виде, как оно определено в приложенной формуле изобретения.

Реферат

Изобретение относится к нагревательной установке, способу нагревания и использованию нагревательной установки для снабжения водопроводной горячей водой. Технический результат: создание нагревательной установки и способа, обеспечивающего возможность эффективного использования теплового насоса, включенного в нагревательную установку. Нагревательная установка, содержащая первый контур (К1) циркуляции, содержащий первую среду, второй контур (К2) циркуляции, содержащий вторую среду, и первое вырабатывающее теплоту устройство в виде теплового насоса, названного первым тепловым насосом, расположенного в первом контуре (К1) циркуляции для нагревания первой среды в первом контуре (К1) циркуляции. Нагревательная установка дополнительно содержит: третий контур (К3) циркуляции, содержащий третью среду; теплообменник, названный первым теплообменником, который расположен в третьем контуре (К3) циркуляции и который подсоединен между конденсатором и расширительным клапаном первого теплового насоса для передачи теплоты от рабочей среды первого теплового насоса к третьей среде в третьем контуре (К3) циркуляции, и второе вырабатывающее теплоту устройство в виде теплового насоса, названного вторым тепловым насосом, расположенного с возможностью нагревания второй среды во втором контуре (К2) циркуляции посредством поглощения тепловой энергии из третьей среды в третьем контуре (К3) циркуляции. Также описаны применение нагревательной установки для снабжения водопроводной горячей водой, а также способ нагрева второй среды во втором контуре циркуляции. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула