PL209839B1 - Wodna pompa ciepła i sposób optymalizacji pracy wodnej pompy ciepła - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest wodna pompa ciepła i sposób optymalizacji pracy wodnej pompy ciepła. Pompa może być wykorzystana w instalacjach obsługujących indywidualne klimatyzatory, instalacje grzewcze domów jednorodzinnych i wielorodzinnych, obok których jest zbiornik wodny lub gdzie można go utworzyć, lub istnieje inne źródło wody.

Znana jest z literatury „Kompendium ogrzewnictwa i klimatyzacji” Rekcnagel, Sprenger, Schramek, wydawnictwa OMNI SCALA, Wrocław 08/09 i przedstawiona na schemacie na str. 596 wodna pompa ciepła, która zasilana jest powietrzem w dolnym źródle ciepła, może być także zasilana wodą, zawierająca układ chłodzenia powietrza zewnętrznego składający się ze sprężarki połączonej poprzez rurociągi z dwoma wymiennikami ciepła, parowaczem i skraplaczem, wyposażona w element dławiący i zawór sterujący pracą w cyklach grzania i odszraniania. W tej samej publikacji przedstawiony jest na str. 2051 schemat pompy ciepła zasilanej ze studni wodą gruntową składający się z rurociągów wymiennika ciepła, zaworu zwrotnego, pomp. Woda gruntowa czerpana jest ze studni zasilającej i doprowadzana do parownika pompy ciepła. Tu odbierane jest zawarte w niej ciepło, a ochłodzona woda odprowadzana jest do studni spustowej. W znanych pompach ciepła wymienniki ciepła w celu powiększenia powierzchni wymiany ciepła zwykle wyposażone są w ożebrowanie. Pompy ciepła wykorzystujące do zasilania dolnego źródła ciepła wodę są stosowane tam gdzie temperatura wody jest stosunkowo wysoka, a więc tam gdzie mamy tzw. ciepło odpadowe: wód geotermalnych, wód zrzutowych elektrowni, ścieków itp. W dotychczas stosowanych pompach ciepłą dolne źródło ciepła zasilane jest energia cieplna pochodzącą z różnicy temperatur wody.

Wodna pompa ciepła według wynalazku, zawierająca dolne źródło ciepła, górne źródło ciepła, połączone w obiegu termodynamicznym lewobieżnym, wyposażona w układ do regulacji i sterowania i urządzenie do odwracania obiegu czynnika, element rozprężający, źródło wody, charakteryzuje się tym, że dolne źródło ciepła ma, co najmniej dwa wymienniki: parowacz i doziębiacz pracujące naprzemiennie, tak, że parowacz staje się doziębiaczem a doziębiacz staje się parowaczem. Wymienniki dolnego źródła ciepła są obustronnie płaskie i usytuowane pionowo. Wymienniki dolnego źródła ciepła mogą być płaskie jednostronnie i usytuowane pod kątem od 0 do 45° względem poziomu. Istotą działania pompy ciepła według wynalazku jest to, że dolne źródło ciepła jest zasilane energią cieplną pochodzącą z przejścia fazowego wody ze stanu ciekłego w stan stały.

Sposób optymalizacji pracy wodnej pompy ciepła według wynalazku, w którym wykorzystuje się odwracanie obiegu czynnika chłodniczego, charakteryzuje się tym, że do zasilania dolnego źródła ciepła wykorzystuje się energię cieplną pochodzącą z przejścia fazowego wody ze stanu ciekłego w stan stał y. Istota wynalazku polega na tym, ze czynnik chł odniczy kieruje się poprzez dozię biacz na parowacz aż do momentu, kiedy na parowaczu utworzy się warstwa lodu nie większa niż 5 mm. Po oblodzeniu się parowacza odwraca się obieg czynnika chłodniczego tak, że parowacz staje się doziębiaczem, a doziębiacz staje się parowaczem. Zakumulowane w doziębiaczu „zimno” zawarte w różnicy temperatur mas, w cieple topienia lodu, służy do doziębienia ciekłego czynnika w obiegu. Ponownie zamienia się funkcję wymienników dolnego źródła ciepła najwcześniej po uwolnieniu się doziębiacza z lodu. I tak na przemian, jeden wymiennik się obladza, a na drugim wymienniku pod wpływem ciepła dostarczonego przez skroplony czynnik chłodniczy lód topi się i odpada od powierzchni wymiennika.

Proponowane rozwiązanie pozwala na praktycznie prawie ciągłą pracę pompy ciepła. Okresy przełączeń wymienników nie mają znaczenia w zasilaniu ciepłem górnego źródła ciepła. Zaproponowany wynalazek usuwa też typowe niedomogi wodnych pomp ciepła szczególnie, gdy temperatury otoczenia w danym regionie spadają poniżej 0°C gwarantuje wysoką i stabilną moc cieplną zasilania. Usuwa praktycznie przerwę na czas odszraniania parowacza i eliminuje charakterystyczne niekorzystne chłodzenie pomieszczenia w okresie odszraniania. Ponadto pozwala na znaczne zwiększenie efektywności pompy ciepła dwiema drogami: podnosząc temperaturę i ciśnienie parowania i eliminując moc zużytą na proces odszraniania w funkcjonowaniu pompy ciepła. Warstwa lodu tworząca się na doziębiaczu zwiększa wydajność cieplną dolnego źródła ciepła, i efektywność obiegu. Rozwiązanie według wynalazku zmniejsza znacznie zużycie energii przez pompę ciepła, a więc wzrasta jej efektywność w warunkach zewnętrznych, gdy temperatura otoczenia jest zbliżona do 0°C lub mniejsza od 0°C.

Rozwiązanie według wynalazku przedstawione jest w przykładach wykonania i na rysunkach, na których fig. 1 przedstawia schemat wodnej pompy ciepła w pierwszej fazie działania, fig. 2 przedstawia schemat wodnej pompy ciepła w drugiej fazie działania, po zmianie funkcji wymienników dolnego źródła ciepła, kiedy parowacz staje się doziębiaczem, a doziębiacz parowaczem.

PL 209 839 B1

P r z y k ł a d 1

Pompa wodna zawiera dolne źródło ciepła z dwoma połączonymi ze sobą wymiennikami: parowaczem 1 i doziębiaczem 2, pomiędzy którymi umieszczony jest element rozprężny w postaci rurki kapilarnej 3. Wymienniki 1,2 umieszczone są w zbiorniku 4 stanowiącym źródło wody. Parowacz 1 poprzez zawór czterodrożny 5 połączony jest z osuszaczem 6 i sprężarką 7 ze skraplaczem 8. Skraplacz 8 z drugiej strony połączony jest poprzez zawór czterodrożny 5 z doziębiaczem 2. Praca pompy regulowana jest układem sterującym poprzez sterownik elektroniczny 9. Czynnik chłodniczy ze skraplacza poprzez zawór czterodrożny 5 kieruje się do doziębiacza 2, w którym następuje jego ochłodzenie. Dalej czynnik kieruje się do parowacza 1, gdzie zmienia swój stan skupienia pobierając ciepło od wody znajdującej się w zbiorniku 4. Oddająca ciepło woda zamarza na powierzchni parowacza 1 tworząc warstwę lodu. Gazowy czynnik jest zasysany przez sprężarkę 7, która kieruje się go do skraplacza 8, gdzie oddaje ciepło skraplania. W chwili, kiedy warstwa lodu osiągnie grubość 4 mm sterownik elektroniczny wyłącza sprężarkę 7 i przełączając zawór czterodrożny 5, odwraca obieg czynnika chłodniczego. Parowacz 1 staję się doziębiaczem 2', zaś doziębiacz 2 staje się parowaczem 1'. Czynnik chłodniczy ze skraplacza 8 wpływa do doziębiacza 2' ochładza się wykorzystując zimno zakumulowane w warstwie lodu i oddając ciepło powoduje topnienie lodu i w konsekwencji jego oderwanie się od powierzchni doziębiacza 2'. Dalej doziębiony czynnik chłodniczy kieruje się do parowacza T, gdzie parując pobiera ciepło przejścia fazowego wody, zmienia też swój stan skupienia z ciekłego na gazowy, a na powierzchni parowacza 1' tworzy się warstwa lodu. Ponowna zamiana funkcji wymienników dolnego źródła ciepła następuje, po oderwaniu lodu z doziębiacza 2' i osiągnięciu warstwy lodu na parowaczu 1' równej 4 mm.

P r z y k ł a d 2

Pompa jak w przykładzie 1, z tym, że sterownik 9 wyłącza sprężarkę 7 i przełączając zawór czterodrożny 5, odwraca obieg czynnika chłodniczego, kiedy warstwa lodu na parowaczu 1 osiągnie grubość 1 mm.

P r z y k ł a d 3

Pompa jak w przykładzie 1, z tym, że wymienniki dolnego źródła ciepła, parowacz 1 i doziębiacz 2 nie są umieszczone w zbiorniku, lecz są polewane wodą, zaś sterownik 9 wyłącza sprężarkę 7 i przełączając zawór czterodrożny 5, odwraca obieg czynnika chłodniczego, kiedy warstwa lodu na parowaczu 1 osiągnie grubość 5 mm.

Claims (6)

1. Wodna pompa ciepła zawierająca dolne źródło ciepła, górne źródło ciepła, połączone w obiegu termodynamicznym lewobież nym, wyposaż ona w ukł ad do regulacji i sterowania i urzą dzenie do odwracania obiegu czynnika, element rozprężający, źródło wody, znamienna tym, że dolne źródło ciepła ma co najmniej dwa wymienniki: parowacz (1,1') i doziębiacz (2,2') pracujące naprzemiennie, przy czym dolne źródło jest zasilane energią cieplną pochodzącą z przejścia fazowego wody ze stanu ciekłego w stan stały.

2. Wodna pompa według zastrz. 1, znamienna tym, że wymienniki dolnego źródła ciepła są płaskie obustronnie.

3. Wodna pompa według zastrz. 2, znamienna tym, że wymienniki dolnego źródła ciepła są usytuowane pionowo.

4. Wodna pompa według zastrz. 1, znamienna tym, że wymienniki dolnego źródła ciepła są płaskie jednostronnie.

5. Wodna pompa według zastrz. 4, znamienna tym, że wymienniki dolnego źródła ciepła są usytuowane pod kątem od 0 do 45 względem poziomu.

6. Sposób optymalizacji pracy wodnej pompy ciepła, w którym wykorzystuje się odwracanie obiegu czynnika chłodniczego, znamienny tym, że do zasilania dolnego źródła ciepła wykorzystuje się energię cieplną pochodzącą z przejścia fazowego wody ze stanu ciekłego w stan stały uzyskując ją tak, że w czasie pracy pompy czynnik chłodniczy kieruje się poprzez doziębiacz (2,2') na parowacz (1,1') aż do momentu kiedy na parowaczu (1,1') utworzy się warstwa lodu nie większa niż 5 mm, po czym odwraca się obieg czynnika chłodniczego tak, że parowacz (1,1') staje się doziębiaczem (2,2') a dozię biacz (2,2') staje się parowaczem (1,1'), przy czym ponownie zamienia się funkcję wymienników dolnego źródła ciepła najwcześniej po uwolnieniu się doziębiacza (2,2') z lodu.