Двухступенчатая теплонасосная установка

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к сфере отопления, вентиляции и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий, промышленных объектов с использованием парокомпрессионных компрессоров. Двухступенчатая теплонасосная установка содержит насос, циркуляционный контур с двумя компрессорами в верхней ступени, к каждому из которых последовательно подключены конденсатор, дроссельный вентиль, испаритель. Установка дополнительно содержит разделительную емкость, включенную в циркуляционный контур между двумя компрессорами в верхней ступени, разделяющую циркуляционный контур на два контура, два пароструйных эжектора в нижней ступени, подключенных между соответствующими конденсатором и компрессором. Разделительная емкость имеет дополнительное подключение к циркуляционному контуру на участке между соплами пароструйных эжекторов. Установка содержит два регенеративных теплообменника, каждый из которых установлен на участке между конденсатором и дроссельным вентилем. Испаритель по сетевой воде подключен с одной стороны к насосу, с другой - к верхней части разделительной емкости, а по рабочему агенту соединен с входом каждого пароструйного эжектора и выходом каждого дроссельного вентиля. Техническим результатом является улучшение энергетической эффективности работы с уменьшением эксергетических потерь из-за необратимости теплообмена и снижением энергозатрат на привод компрессора теплового насоса с увеличением при этом количества единиц выработанного тепла. 2 ил.

 

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к сфере отопления, вентиляции и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий, промышленных объектов с использованием парокомпрессионных компрессоров.

Изобретение направленно на решение круглогодичного теплоснабжения потребителей теплоносителем различной температуры в зависимости от температуры наружного воздуха, а также утилизирование тепла низкопотенциальных источников промышленных предприятий и ТЭЦ.

Известны двухступенчатые парокомпрессионные теплонасосные установки, содержащие замкнутый контур для хладагента, в котором установлены компрессоры низкого и высокого давления, охладитель сжатых паров и конденсатор, заключенные в общий корпус, теплообменник-регенератор с греющей и охлаждающей полостями и испаритель (кн. Мартышевский B.C. Тепловые насосы. М., Госторгиздат, 1955, с.51, фиг 2-6).

Недостатком известных установок является их низкая экономичность вследствие более высоких температур всасываемых и нагнетаемых паров хладагента в компрессоре высокого давления по сравнению с компрессором низкого давления.

Известна двухступенчатая теплонасосная установка, содержащая циркуляционный контур с установленным в нем двумя компрессорами верхней и нижней ступени, к каждому из которых последовательно подключены конденсатор и дроссельный вентиль, испаритель и насос (кн. Соколов Э.Я - Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. Энергия, 1967, с.65-68).

Указанная теплонасосная установка, наиболее близкая к предлагаемой, обладает малой энергетической эффективностью, значительными затратами электрической энергии на привод компрессоров и имеет более высокие эксергетические потери в конденсаторах верхней и нижней ступени при нагревании теплоносителя в широком диапазоне температур.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в улучшении энергетической эффективности работы с уменьшением эксергетических потерь из-за необратимости теплообмена в теплонасосной установке и снижением энергозатрат на привод компрессора теплового насоса с увеличением при этом количества единиц выработанного тепла.

Для достижения указанного технического результата в двухступенчатую теплонасосную установку, содержащую насос, циркуляционный контур с установленными в нем двумя компрессорами, к каждому из которых последовательно подключены конденсатор, дроссельный вентиль, испаритель, согласно изобретению оба компрессора установлены в верхней ступени, также установка дополнительно содержит разделительную емкость, включенную в циркуляционный контур между двумя компрессорами в верхней ступени, разделяющую циркуляционный контур на два контура, два пароструйных эжектора в нижней ступени, один из которых подключен между одним конденсатором и компрессором, другой - между другим конденсатором и компрессором, а разделительная емкость имеет дополнительное подключение к циркуляционному контуру на участке между соплами пароструйных эжекторов, каждый из которых соединен с испарителем, два последовательно включенных регенеративных теплообменника, каждый из которых установлен на участке между конденсатором и дроссельным вентилем и соединенных с входом разделительной емкости, а выход разделительной емкости соединен с входом каждого компрессора верхней ступени, при этом испаритель по сетевой воде подключен с одной стороны к насосу, с другой - к верхней части разделительной емкости, а по рабочему агенту соединен с входом каждого пароструйного эжектора и выходом каждого дроссельного вентиля.

Отличительными признаками предлагаемой двухступенчатой теплонасосной установки от указанной выше известной является установка обоих компрессоров в верхней ступени, наличие разделительной емкости, включенной в циркуляционный контур между двумя компрессорами верхней ступени, разделяющей циркуляционный контур на два контура, двух пароструйных эжекторов в нижней ступени, один из которых подключен между одним конденсатором и компрессором, другой - между другим конденсатором и компрессором, а разделительная емкость имеет дополнительное подключение к циркуляционному контуру на участке между соплами пароструйных эжекторов, каждый из которых соединен с испарителем, двух последовательно включенных регенеративных теплообменников, каждый из которых установлен на участке между конденсатором и дроссельным вентилем и соединенных с входом разделительной емкости, соединение выхода разделительной емкости с входом каждого компрессора верхней ступени, подключение испарителя по сетевой воде с одной стороны к насосу, с другой - к верхней части разделительной емкости и соединение по рабочему агенту с входом каждого пароструйного эжектора и выходом каждого дроссельного вентиля.

Благодаря наличию этих признаков при работе двухступенчатой теплонасосной установки происходит значительное снижение затрат электрической энергии на привод компрессоров за счет замещения в нижней ступени парокомпрессионного компрессора на пароструйный эжектор, который для поднятия потенциала (давления и температуры) рабочего агента до заданных значений не требует дополнительных затрат электрической энергии, а также улучшает при этом энергетические характеристики и снижает себестоимость теплонасосной установки. Применение разделительной емкости (охладитель-подогреватель) позволяет снизить потери эксергии из-за необратимости теплообмена при нагреве сетевой воды до промежуточной температуры и снизить затраты электроэнергии на сжатие паров рабочего агента в компрессорах верхней ступени. Использование регенеративных теплообменников, установленных каждый в своем циркуляционном контуре перед конденсатором по ходу движения сетевой воды, позволяет снизить потери эксергии из-за необратимости теплообмена и увеличить удельную тепловую нагрузку конденсатора за счет увеличения площади поверхности теплообмена. Совокупность этих факторов при работе теплонасосной установки приводит к значительному увеличению коэффициента трансформации тепла (отопительного коэффициента), что создает благоприятные условия для их широкого применения в больших системах теплоснабжения. Предложенная схема позволяет нагревать воду в широких диапазонах температур в зависимости от температуры наружного воздуха, обеспечивая потребителя необходимой температурой и в больших количествах, необходимых для нужд теплоснабжения.

Предлагаемая двухступенчатая теплонасосная установка иллюстрируется чертежами:

на фиг.1 изображена принципиальная схема предлагаемой двухступенчатой теплонасосной установки; на фиг.2 - «Т-S» диаграмма цикла теплонасосной установки.

Двухступенчатая теплонасосная установка (фиг.1) содержит насос 1, циркуляционный контур с установленными в нем в верхней ступени компрессорами 2 и 3, к каждому из которых последовательно подключены конденсаторы 4 и 5 соответственно и дроссельный вентиль 6 и 7 соответственно и испаритель 8. Установка содержит разделительную емкость (охладитель-подогреватель) 9, включенную в циркуляционный контур между двумя компрессорами 2 и 3 в верхней ступени, разделяющую циркуляционный контур на два контура 10 и 11. В нижней ступени пароструйный эжектор 12 подключен между компрессором 2 и конденсатором 4, а другой пароструйный эжектор 13 подключен между компрессором 3 и конденсатором 5. Разделительная емкость 9 имеет дополнительное подключение к циркуляционным контурам 10 и 11 на участке между соплами пароструйных эжекторов 12 и 13, каждый из которых соединен с испарителем 8. Установка дополнительно содержит включенные последовательно регенеративные теплообменники 14 и 15, каждый в своем циркуляционном контуре 10 и 11. Регенеративный теплообменник 14 установлен между конденсатором 4 и дроссельным вентилем 6, другой регенеративный теплообменник 15 установлен между конденсатором 5 и дроссельным вентилем 7. Регенеративные теплообменники 14 и 15 соединены с входом разделительной емкости 9, выход разделительной емкости 9 соединен с входом каждого компрессора 2 и 3 верхней ступени. Испаритель 8 по сетевой воде подключен с одной стороны к насосу 1, с другой - к верхней части разделительной емкости 9, а по рабочему агенту соединен с входом каждого пароструйного эжектора 12 и 13 и выходом каждого дроссельного вентиля 6 и 7 в нижней ступени теплонасосной установки.

Предлагаемая теплонасосная установка работает следующим образом. Пары рабочего агента в состоянии (фиг.2, точка 19) отбираются после компрессоров 2 и 3 и направляется в сопла пароструйных эжекторов 12 и 13, где скорость пара возрастает до критических и сверхкритических значений. При расширении (фиг.2, процесс 19′ - В) давление рабочего агента снижается с значения Рк до Ро. В камеру смешения пароструйных эжекторов 12 и 13 подсасывается холодный пар из испарителя 8. В камере смешения холодный пар из испарителя 8 в состоянии (фиг.2, точка 16) смешивается с парами идущих из сопел пароструйных эжекторов 12 и 13 в состоянии (фиг.2, точка В). В результате смешения образуется смесь, которая характеризуется (фиг.2, точка А). Далее смесь сжимается в диффузоре до давления Рп (фиг.2, процесс А-С). Пар в состоянии (фиг.2; точка С) поступает в разделительную емкость 9 (охладитель-подогреватель), где охлаждается, нагревая при этом сетевую воду до значения Тп и в состоянии (фиг.2 точка 18) засасывается компрессорами 2 и 3 верхней ступени. Из разделительной емкости 9 (охладитель-подогреватель) засасывается в компрессоры 2 и 3 также пар, идущий после регенеративных теплообменников 14 и 15 и конденсаторов 4 и 5 верхней ступени. В данной разделительной емкости 9 (охладитель-подогреватель) кипение рабочего агента осуществляется за счет подвода теплоты от паров, идущих из сопел пароструйных эжекторов 12 и 13, и одновременно осуществляется охлаждение этих же паров рабочего агента за счет подвода охлажденной обратной сетевой воды, идущей через испаритель 8. В компрессорах 2 и 3 верхней ступени рабочее вещество сжимается до критического состояния (фиг.2, процесс 18-19). Затем часть паров рабочего агента, каждый в своем циркуляционном контуре 10 и 11, поступает в пароструйные эжектора 12 и 13. Другая часть паров рабочего агента конденсируется в конденсаторах 4 и 5 верхней ступени (фиг.2, процесс 19-20) и регенеративных теплообменниках 14 и 15 (фиг.2, процесс 20-21), нагревая при этом сетевую воду с значения Тп до заданной температуры Т1. Далее в парожидкостном состоянии рабочий агент разделяется на два потока. Первый поток рабочего вещества возвращается в разделительную емкость 9 (охладитель-подогреватель), где кипит за счет подвода теплоты от паров, идущих из сопел пароструйных эжекторов 12 и 13, и одновременно охлаждается за счет отвода теплоты к сетевой воде (фиг.2, процесс 21-18). Второй поток рабочего агента дросселируется в дроссельных вентилях 6 и 7 (фиг.2, процесс 21-22) и затем поступает в испаритель 8. Тепло от источника низкопотенциального тепла передается в испарителе 8 кипящему рабочему агенту (фиг.2, процесс 22-16). Пары рабочего агента при давлении Ро за счет разрежения создаваемого в камере смешения всасываются пароструйными эжекторами 12 и 13, затем после смешения поступают в разделительную емкость 9 (охладитель-подогреватель), и процесс по рабочему агенту замыкается.

Возвращаемая потребителями обратная сетевая вода с температурой Т2 закачивается в испаритель 8, где отдает тепло кипящему рабочему агенту (фиг.2, процесс 22-16). Частично охладившись, сетевая вода поступает в разделительную емкость 9 (охладитель-подогреватель), где нагревается до промежуточной температуры Тп.Затем сетевая вода через регенеративные теплообменники 14 и 15 поступает в конденсаторы 4 и 5 верхней ступени, где нагревается с промежуточной температуры Тп до заданной температуры Т1. Из конденсаторов 4 и 5 верхней ступени сетевая вода поступает в отопительную систему, отдает тепло и возвращается в теплонасосную установку с температурой Т2. Регулирование температуры сетевой воды после конденсатора осуществляется частотно-регулируемым приводом компрессоров верхней ступени. В качестве источника низкопотенциального тепла может быть использована обратная сетевая вода, возвращаемая потребителями с системы отопления, а также горячая вода, возвращаемая с бойлеров горячего водоснабжения (ГВС) центральных тепловых пунктов (ЦТП) или горячая вода, использованная потребителями для нужд горячего водоснабжения (ГВС), выработанная теплонасосной установкой.

Таким образом, предлагаемая двухступенчатая теплонасосная установка позволяет снизить затраты электроэнергии на 30-40% и повысить коэффициент трансформации тепла (отопительный коэффициент) в зимнее время в 1,7 раза и в летнее время в 1,9 раза по сравнению с прототипом.

Двухступенчатая теплонасосная установка, содержащая насос, циркуляционный контур с установленными в нем двумя компрессорами, к каждому из которых последовательно подключены конденсатор, дроссельный вентиль, испаритель, отличающаяся тем, что оба компрессора установлены в верхней ступени, также установка дополнительно содержит разделительную емкость, включенную в циркуляционный контур между двумя компрессорами в верхней ступени, разделяющую циркуляционный контур на два контура, два пароструйных эжектора в нижней ступени, один из которых подключен между одним конденсатором и компрессором, другой между другим конденсатором и компрессором, а разделительная емкость имеет дополнительное подключение к циркуляционному контуру на участке между соплами пароструйных эжекторов, каждый из которых соединен с испарителем, два последовательно включенных регенеративных теплообменника, каждый из которых установлен на участке между конденсатором и дроссельным вентилем и соединенных с входом разделительной емкости, а выход разделительной емкости соединен с входом каждого компрессора верхней ступени, при этом испаритель по сетевой воде подключен с одной стороны к насосу, с другой - к верхней части разделительной емкости, а по рабочему агенту соединен с входом каждого пароструйного эжектора и выходом каждого дроссельного вентиля.