PL224444B1 - Sprężarkowa pompa ciepła z akceleratorem termicznym - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sprężarkowa pompa ciepła z akceleratorem termicznym, gdzie czynnikiem roboczym jest gaz propan- butan, który w temperaturze dolnego źródła, wynoszącej 5°C, ma prężność par na poziomie 4 barów. W obiegu czynnika roboczego, pomiędzy parownikiem (1), a sprężarką (10), umiejscowione jest urządzenie Vortex Tube (4). Czynnik roboczy w fazie ciekłej w parowniku (1) pobiera ciepło z dolnego źródła, paruje, co powoduje podniesienie ciśnienia w parowniku (1) do poziomu 4 barów. Czynnik roboczy w fazie gazowej o temperaturze 5°C i ciśnieniu 4 barów trafia za pośrednictwem zaworu regulacyjnego (2) do wejścia (3) urządzenia Vortex Tube (4), gdzie jest rozdzielany na dwa strumienie o niskim ciśnieniu, ciepły (5) o temperaturze 62°C i zimny (6) o temperaturze -35°C (stosunek objętości strumienia ciepłego do zimnego wynosi 4/6). Strumień zimny (6), poprzez zawór regulacyjny (7) i za pośrednictwem wymiennika ciepła (8) jest ocieplany do temperatury 5°C (korzystając z energii dolnego źródła), a następnie mieszany (9) ze strumieniem ciepłym (5), co w konsekwencji daje strumień czynnika roboczego trafiającego do sprężarki (10) o temperaturze 22°C. W kolejnym etapie czynnik roboczy trafia do skraplacza (11), gdzie jest skraplany i oddaje ciepło, a następnie, już w fazie ciekłej, poprzez zawór ekspansywny (12) trafia do parownika (1).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sprężarkowa pompa ciepła z akceleratorem termicznym, przeznaczona do pozyskiwania energii z tzw. dolnego źródła (gruntu, powietrza, wody itp.) i jej zamianę na użyteczną energię cieplną. Szczególnie korzystnym obszarem zastosowań sprężarkowej pompy ciepła z akceleratorem termicznym jest szeroko rozumiane ciepłownictwo, a w szczególności ogrzewanie pomieszczeń mieszkalnych, biurowych, przemysłowych jak również urządzeń czy linii technologic znych w przemyśle lub rolnictwie.

Znane są sprężarkowe pompy ciepła, działające w następujący sposób: „Sprężarkowe pompy ciepła realizują obieg termodynamiczny (obieg Lindego), będący odwróceniem obiegu silnika cieplnego. Ciepło jest pobierane przez roboczy czynnik termodynamiczny (freon, amoniak, sprężony dwutl enek węgla) w parowniku (dolne źródło ciepła), w którym czynnik odparowuje i trafia do sprężarki, gdzie rośnie energia wewnętrzna czynnika (a więc i temperatura), a następnie w skraplaczu oddaje ciepło (górne źródło ciepła) skraplając się i przez zawór dławiący lub rurkę kapilarną, trafia z powrotem do parownika. [źródło: Wikipedia].

Powyższy opis w dalszej części dokumentu będzie definiował klasyczny sposób działania pompy ciepła.

Współczynnik wydajności cieplnej COP (coefficient of performance) charakteryzujący sprawność pompy ciepła, jest to stosunek pomiędzy mocą grzewczą pompy ciepła a niezbędną do napędu sprężarki mocą elektryczną.

Obecnie stosowane pompy ciepła pracują ze średnią wydajnością współczynnika COP od 2 do nawet 5, choć znane są rozwiązania o współczynnikach COP na poziomie wartości 6. Poziom sprawności uzależniony jest od wielu czynników, z których najważniejsze to temperatura dolnego i górnego źródła [źródło: Wikipedia].

Znane jest urządzenie o nazwie Vortex Tube działające w ten sposób, że strumień sprężonego gazu podany do wejścia tego urządzenia, rozdzielany jest na dwa strumienie gazu zimnego i ciepłego o ciśnieniu niższym niż strumień wejściowy. [Rudolf Hilsch, The Use of the Expansion of Gases in A Centrifugal Field as Cooling Process, The Review of Scientific Instruments, vol. 18(2), 108-1113, (1947), translation of an article in Zeit. Naturwis. 1 (1946) 208; źródło: Wikipedia].

Znane jest wykorzystanie wspomnianych wyżej urządzeń Vortex Tube w konfiguracjach kaskadowych, w których dwa lub więcej urządzeń Vortex Tube są połączone w taki sposób, że wyjście strumienia zimnego lub ciepłego łączy się z wejściem kolejnego urządzenia Vortex Tube.

Znane jest również wykorzystanie urządzeń Vortex Tube jako pomp ciepła służących do ogrzewania lub chłodzenia, jednak ze względu na bardzo niską efektywność COP oscylującą w okolicy 0,2, zastosowanie takich rozwiązań jest mocno ograniczone.

Celem wynalazku jest pompa ciepła z akceleratorem termicznym o wysokim współczynniku COP, bazujących na istniejących na rynku komponentach: sprężarkach, parownikach, skraplaczach, zaworach itp. oraz wykorzystujące istniejące w chwili obecnej źródła pozyskiwania energii z tzw. do lnego źródła (np. wymienniki gruntowe, powietrze, wody morskie itp.).

Sprężarkowa pompa ciepła z akceleratorem termicznym od znanych rozwiązań sprężarkowych pomp ciepła różni się tym, że w obieg klasycznej pompy cieplnej, pomiędzy parownikiem a sprężarką wbudowane jest urządzenie Vortex Tube, podnoszący temperaturę czynnika roboczego a tym samym istotnie zwiększając sprawność całego rozwiązania.

Powyższy cel został osiągnięty poprzez zastosowanie w klasycznej pompie ciepła urządzenia Vortex Tube, włączonego do obiegu cyrkulacyjnego czynnika roboczego w taki sposób, że:

1. Strumień czynnika roboczego, pod ciśnieniem, z parownika (1) trafia do wejścia (3) urządzenia Vortex Tube (4) poprzez zawór regulacyjny (2).

2. W urządzeniu Vortex Tube (4) strumień czynnika roboczego rozdzielany jest na dwa strumienie: ciepły (5) i zimny (6).

3. Wyjście z urządzenia Vortex Tube (4) z, którego uchodzi ciepły strumień czynnika roboczego poprzez zawór regulacyjny (9) kierowany jest do sprężarki (10).

4. Wyjście z urządzenia Vortex Tube (4) z którego uchodzi zimny strumień czynnika roboczego poprzez zawór regulacyjny (7) skierowane jest do innych urządzeń (8,9), takich jak np. wymiennik ciepła (8), odpowiedzialnych za wprowadzenie czynnika roboczego z powrotem do obiegu. Zimny strumień czynnika roboczego traktowany jest jako strumień odpadowy.

5. Po wejściu strumienia roboczego do sprężarki (10), pompa ciepła pracuje w klasycznym cyklu.

PL 224 444 B1

Zastosowanie powyższego rozwiązania do budowy pomp ciepła powoduje to, że energia strumienia roboczego trafiającego do sprężarki z wyjścia urządzenia Vortex Tube ma znacznie wyższą energię niż w przypadku gdy strumień czynnika roboczego trafiającego do sprężarki wychodziłby wprost z parownika. Fakt ten pociąga za sobą istotne zwiększenie efektywności działania pompy cieplnej z akceleratorem termicznym (zwiększenie wartości współczynnika COP).

Możliwe jest również budowanie pomp ciepła z akceleratorem termicznym z kaskadą urządzeń Vortex Tube w taki sposób, że pojedyncze urządzenie Vortex Tube zastąpione jest kaskadą urządzeń Vortex Tube. Zastosowanie kaskady urządzeń Vortex Tube ma na celu zwiększenie efektu podnoszenia energii niesionego przez ciepły strumień czynnika roboczego.

Przedmiot wynalazku w przykładzie najprostszego wykonania, jest uwidoczniony na rysunku fig. 1. Przy omówieniu sposobu działania zakłada się, że czynnikiem roboczym w tym modelu jest gaz propan-butan, który w temperaturze dolnego źródła wynoszącej 5°C, ma prężność par na poziomie 4 barów.

Czynnik roboczy w fazie ciekłej w parowniku (1) pobiera ciepło z dolnego źródła, paruje, co powoduje podniesienie ciśnienia w parowniku (1) do poziomu 4 barów. Czynnik roboczy w fazie gazowej o temperaturze 5°C i ciśnieniu 4 barów trafia za pośrednictwem zaworu regulacyjnego (2) do wejścia (3) urządzenia Vortex Tube (4), gdzie jest rozdzielany na dwa strumienie o niskim ciśnieniu: ciepły (5) o temperaturze 62°C i zimny (6) o temperaturze -35°C (stosunek objętości strumienia ciepłego do zimnego to 4/6).

Strumień zimny (6), poprzez zawór regulacyjny (7) i za pośrednictwem wymiennika ciepła (8) jest ocieplany do temperatury 5°C (korzystając z energii dolnego źródła) a następnie mieszany (9) ze strumieniem ciepłym (5), co w konsekwencji daje strumień czynnika roboczego trafiającego do sprężarki (10) o temperaturze 22°C. Dalsze etapy pracy pompy ciepła są identyczne tak jak w klasycznej pompie ciepła, to znaczy czynnik roboczy trafia do skraplacza (11), gdzie jest skraplany i oddaje ciepło a następnie, już w fazie ciekłej, poprzez zawór ekspansywny (12) trafia do parownika (1).

Na powyższym przykładzie widać różnicę polegającą na tym, że w przypadku klasycznego rozwiązania temperatura czynnika roboczego trafiającego do sprężarki ma temperaturę co najwyżej 5°C, w przypadku zastosowania pompy ciepła z akceleratorem termicznym czynnik roboczy trafiający do sprężarki ma temperaturę aż 22°C. Przykład ten tłumaczy też zastosowanie zwrotu akcelerator termiczny w tytule - urządzenie Vortex Tube akceleruje energię przenoszoną przez czynnik roboczy poprzez temperaturę.

Przemysłowe zastosowanie przedmiotu wynalazku obejmować może szeroko rozumiane ciepłownictwo, a w szczególności: ogrzewanie domów jednorodzinnych, budynków mieszkalnych, budynków użyteczności publicznej, osiedli mieszkaniowych, pomieszczeń przemysłowych jak również w procesach technologicznych, do ogrzewania szklarni, basenów itp.

Szczególne interesujące zastosowanie wynalazku polega na tym, że dolnym źródłem pompy ciepła z akceleratorem termicznym mogą być wody morskie (np. Bałtyku). Budowa wysokosprawnej ciepłowni w miastach położonych blisko morza (takich jak np. Gdańsk, Sopot, Gdynia, Hel) może być tańszą i przede wszystkim ekologiczną alternatywa dla ciepłowni opalanych węglem. W tym przypadku wstępne obliczenia dla wód Bałtyku w Zatoce Gdańskiej wykazały, że cena 1 GJ energii cieplnej wytworzonej przez urządzenie na podstawie przedmiotu wynalazku może być tańsze nawet o 400% w stosunku do ceny 1 GJ energii cieplnej wytworzonej w sposób konwencjonalny.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Sprężarkowa pompa ciepła z akceleratorem termicznym jest rozwiązaniem technicznym charakteryzującym się tym, że w obiegu czynnika roboczego klasycznej pompy ciepła, pomiędzy parownikiem a sprężarką, umiejscowione jest urządzenie Vortex Tube, znamienna tym, że wejście (3) urządzenia Vortex Tube (4) połączone jest z wyjściem parownika (1) za pośrednictwem zaworu regulacyjnego (2), natomiast wyjście (5) urządzenia Vortex Tube (4), którym uchodzi ciepły strumień czynnika roboczego w postaci gazowej, połączony jest ze sprężarką (10) za pośrednictwem zaworu regulacyjnego (9) lub pośrednio za pośrednictwem wymiennika ciepła, wyjście (6) urządzenia Vortex Tube (4), którym uchodzi zimny strumień czynnika roboczego w postaci gazowej połączony jest ze sprężarką (10) za pośrednictwem zaworu regulacyjnego (7), wymiennik ciepła (8) oraz zaworu regulacyjnego (9).