Теплонасосна установка

Теплонасосна установка, що містить з'єднані між собою замкнені контури низькопотенційного теплоносія, робочого тіла і теплопостачання, яка відрізняє ться тим, що замкнений контур низькопотенційного теплоносія виконано у вигляді теплообмінника, який складається із послідовно з'єднаних наскрізної труби визначеної довжини і діаметра, транспортного трубопроводу, теплообмінника контактного типу, датчика рівня температур і циркуляційного насоса, при цьому наскрізну трубу встановлено у горизонтальному розрізі основи погаслого нагрітого терикона, який розташований на значній відстані від споживача. Винахід належить до відновлювальних видів енергії, зокрема до теплонасосних установок, які утилізують і перетворюють низькопотенційну енергію навколишнього середовища або вторинних енергоресурсів в енергію, придатну для практичного використання в автономних системах теплопостачання комунальних, соціальних та адміністративних будинків і споруд. Джерелом низькопотенційної енергії є: навколишнє повітря, ґрунт поверхових шарів землі, водойми та природні водні потоки, вентиляційні викиди будинків, скидне тепло технологічних процесів та ін. У загальному вигляді головними недоліками таких установок тепловодопостачання є залежність ефективності їх роботи від сезонних коливань кліматичних умов, що впливають на температурний режим джерела низькопотенційної енергії, та необхідність близького розташування (декілька десятків метрів) джерела низькопотенційної енергії від споживача. Відома теплонасосна установка [Гершкович В.Ф., Тепловые насосы // Энергосбережение в зданиях / Центр энергосбережения Украинского научно-исследовательского и проектного института по гражданскому строительству. - Киев, 2000. №1. С.9 ], що містить з'єднані між собою замкнені контури низькопотенційного теплоносія, робочого тіла та теплопостачання. Відома установка містить тепловий насос типу „повітря - рідина", випарник якого з'єднано з повітрообмінником, а конденсатор - зі споживачем тепла - системою теплопостачання офісу. Як теплоносій у повітрообміннику використовують тепло зовнішнього повітря або вентиляційних викидів приміщень споруди. Недоліком технічного рішення є зменшення генеруючої теплоти і енергетичної ефективності перетворювання енергії при зниженні температури зовнішнього повітря у той час, коли зростає навантаження на систему теплопостачання. Крім того, при температурі зовнішнього повітря нижче 7°С зниження ефективності тепло установки пов'язано також з необхідністю застосування системи дефростації випарника теплового насоса. Відома теплонасосна установка, що є системою автономного теплопостачання на базі теплових насосів з використанням теплоти ґрунту, який (19) UA (11) 85929 (13) C2 (21) a200706547 (22) 11.06.2007 (24) 10.03.2009 (46) 10.03.2009, Бюл.№ 5, 2009 р. (72) МАЦЕВИТИЙ ЮРІЙ МИ ХАЙЛОВИЧ, UA, ЧИРКІН МИКОЛА БОРИСОВИЧ, U A, ЦЕНЦИПЕР АДОЛЬФ ІСААКОВИЧ, U A, РЕЗНІКОВ СТАНІСЛАВ ЮРІЙОВИЧ, UA, ІЛЬЯШОВ МИ ХАЙЛО ОЛЕКС АНДРОВИЧ, U A, ЛУКАЧ ЛЕОНІД МАТВІЙОВИЧ, U A, КЛЕПАНА ОЛЕКСАНДР СЕРГІЙОВИЧ, UA, БОГДАНОВИЧ ЛЕОНІД СТАНІСЛАВОВИЧ, U A (73) ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАШИНОБУДУВАННЯ ІМ. А.М. ПІДГОРНОГО НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ, UA, ЗАКРИТЕ АКЦІОНЕРНЕ ТОВАРИСТВО "ДОНЕЦЬКСТАЛЬ"- МЕТАЛУРГІЙНИЙ ЗАВОД", UA (56) UA 7436U, F24D3/00, 15.06.2005 DE 4234367, F24J3/08, 03.06.1993 3 85929 відбирається за допомогою вертикальних ґрунтових зондів-теплообмінників [Cane D., Garnet J. Commercial / Institutional Heat Pump System in Cold Climates / Doug Cane, Jeremy Garnet /Careta Research Inc. // Caddet Analyses Series. - Maxey School, Lincoln, Nebraska, USA. -2000. - No.27. - P. 97 - 100, fig. 7.12.], що містить з'єднані між собою замкнені контури низькопотенційного теплоносія, робочого тіла та теплопостачання. Контури низькопотенційного теплоносія виконані у вигляді зондів-теплообмінників, що встановлені у ґрунтових вертикальних свердловинах, кожен з яких з'єднано з тепловим насосом. Глибокі свердловини для встановлення вертикальних зондів-теплообмінників потребують виконання дорогих бурови х робіт, особливо для скельних ґрунтови х масивів та зондів спеціальних конструкцій, що ускладнює експлуатацію установки і знижує конкурентоспроможність теплонасосної технології в цілому в системі теплопостачання. Найбільш близькою за технічною сутністю є теплонасосна система [Пат. №2206026 РФ МПК7 F24D15/04, F25B29/00, Теплонасосная установка для отопления и горячего водоснабжения / В.И.Дикарев(ІШ), В.Е. Миллер(ІШ), А.З.Туо химаа(РІ), Ю.В.Фомкин (ECU). №2001127638/06; Заявл.09.10.01; Опубл. 10.06.03.], що містить з'єднані між собою замкнені контури низькопотенційного теплоносія, робочого тіла і тепловодопостачання. Контур низькопотенційного теплоносія відомого пристрою, виконаний у вигляді горизонтального ґрунтового або повітряного трубопроводів, що у залежності від температурних умов за допомогою блоків порівняння та адаптивної температурної селекції підключають до контурів робочого тіла (холодоагента) для відбору низькопотенційного тепла. Пристрій також містить перший і другий баки - акумулятори, двосекційний акумулятор, циркуляційні насоси, датчики, реле температури, піковий підігрівач для доведення низькопотенційного теплоносія, тощо. Недоліками рішення є наявність двох типів низькопотенційного джерела та двох систем відбору теплоти від цих джерел. Встановлений на глибині 1,2-1,5м, горизонтальний ґрунтовий теплообмінник, як і повітрообмінник, зазнають впливу коливань температур зовнішнього повітря. Енергетична ефективність пристрою низька, оскільки при температурі навколишнього середовища нижче 7°С теплова установка за такою схемою потребує додаткових енерговитрат на підігрів циркулюючого низькопотенційного теплоносія. Крім того, для забезпечення необхідного теплознімання з ґрунтового теплообмінника пристрій потребує площі, яка у 2-3 рази перевищує опалювальну площу, а це не завжди можливо. Взагалі, умовою ефективної роботи теплонасосної установки є обов'язкове дотримання різниці температур низькопотенційного теплоносія на рівні 20-35°С. Відхилення робочих параметрів технологічного процесу від оптимальних призводить до зростання затрачуваної потужності, що знижує ефективність теплонасосної установки. Разом з тим, ефективність роботи залежить також від дотримання температури теплообмінної поверхні, 4 яка не може опускатися нижче 7°С. В іншому випадку для забезпечення безаварійної роботи установки необхідно передбачати заходи щодо запобігання дефростації з періодичним відключенням теплової установки, або використанням пристроїв підігріву теплообмінних поверхонь. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення теплової установки шляхом здійснення відбирання тепла низькопотенційним теплоносієм із зони тепловиділення погаслого нагрітого терикона у кількості, достатній для транспортування на задану відстань до місця перетворення тепла низькопотенційного рівня у високопотенційне тепло, при стабільних параметрах ведення процесу та ефективному функціонуванны пристрою незалежно від зміни сезонних погодних умов та температури навколишнього середовища, за рахунок чого досягнуто підвищення енергетичної ефективності теплонасосної установки. Поставлена задача досягається тим, що в теплонасосній установці, що містить з'єднані між собою замкнені контури низькопотенційного теплоносія, робочого тіла і теплопостачання, згідно з винаходом, замкнений контур низькопотенційного теплоносія виконано у вигляді ґрунтового теплообмінника, який складається із послідовно з'єднаних наскрізної труби, визначеної довжини і діаметра, транспортного трубопроводу, теплообмінника контактного типу, датчика рівня температур і циркуляційного насоса, при цьому наскрізну трубу встановлено у горизонтальному розрізі основи погаслого нагрітого терикона, який розташовано на значній відстані від споживача. Замкнений контур низькопотенційного теплоносія виконаний у вигляді ґрунтового теплообмінника, який складається із послідовно з'єднаних наскрізної труби, визначеної довжини і діаметра, транспортного трубопроводу, теплообмінника контактного типу, датчика рівня температур і циркуляційного насоса, що дозволяє реалізувати контур з постійним тепловідбором із зони тепловиділення терикона та забезпечити за будь-яких сезонних умов функціонування теплонасосної установки в оптимальних стабільних параметрах процесу з підвищеною ефективністю. Наскрізну тр убу встановлено у горизонтальному розрізі основи погаслого нагрітого терикона, який розташовано на значній відстані від споживача, що дозволяє без огляду на тепловитрати транспортування тепла здійснити передачу відібраного тепла на значну відстань, аж до місця перетворення з низького потенційного рівня на більш високий рівень за умов ефективного функціонування теплонасосної установки у безпосередній близькості від споживача. На фігурі зображено запропоновану теплонасосну установку. Теплонасосна установка включає три замкнених контури: І - контур низькопотенційного теплоносія, II - контур робочого тіла, III - контур теплопостачання. Контур І містить ґрунтовий теплообмінний апарат, що складається з наскрізної труби 1 визначеної довжини L і діаметра D, яку розташовано у горизонтальному розрізі основи погаслого нагрітого терикона 2, теплообмінника 3 контактного типу, лінії холодної води 4, цир 5 85929 куляційного насоса 5, датчика 6 рівня температур, транспортного трубопроводу 7. Контур II містить послідовно зв'язані між собою теплообмінниквипарник 8, компресор 9, конденсатор 10 та регулюючий дросель 11. Контур III включає споживача теплопостачання 12, циркуляційний насос 13 та трубопроводи, що їх з'єдн ують. Контур низькопотенційного носія І з'єднано з контуром робочого тіла II через теплообмінник-випарник 8, а контур II, у свою чергу, з'єднано з контуром теплопостачання III через конденсатор 10. Теплонасосна установка працює таким чином. У контурі І по трубі 1, яку встановлено у горизонтальному розрізі основи погаслого нагрітого терикона 2, транспортному трубопроводу 7, теплообміннику З контактного типу за допомогою насоса 5 циркулює низькопотенційний теплоносій, за який використовують, наприклад, технічну воду, що нагрівається, відбираючи тепло ґрунтового масиву терикона 2. Температурний рівень теплоносія після контактного теплообмінника 3 контролюється датчиком 6 рівня температур. За відомою класифікацією погаслі нагріті терикони мають внутрішню температуру Т° ви ще 35°С, яка стабільно утримується на протязі багатьох десятиріч. Це відбувається за рахунок величезної енергоємності теплоакумулюючої властивості териконів, об'єм котрих досягає декілька сот тисяч і понад мільйон кубічних метрів відвальних порід, у складі яких пальні речовини становлять 15-30% всього об'єму терикона. Ця обставина дозволяє транспортувати енергію низькопотенційного теплоносія на значні відстані від терикона 2 (на Фіг. показано пунктирним розривом) і, тим самим, максимально наблизити контур робочого тіла II, інакше кажучи, тепловий насос до споживача теплопостачання 12. Транспортний трубопровід 7 з підігрітою водою зв'язано з теплообмінником-випарником 8 контуру II, в якому за допомогою компресора 9 циркулює робоче тіло - озонобезпечний фреон. За рахунок теплоти, накопиченої у териконі 2, що транспортується до теплообмінника-випарника 8, фреон випаровується і його пари потрапляють до компресора 9, де після компримування тиск і температура підвищуються. Гарячі пари фреону надходять до теплообмінного апарата - конденсатора 10, де передають фазове тепло теплоносію (технічній воді) контуру теплопостачання III і конденсуються. Підігріта технічна вода за допомогою насоса 13 спрямовується до споживача 12, де використовується для опалення приміщень та гарячого водо 6 постачання. Фреон далі проходить через регулюючий дросель 11, де його тиск знижується до рівня, при якому здійснюється його випаровування в теплообміннику-випарнику 8. Таким чином, фреон, перебуваючи в різних фазах, циркулює по замкненому контуру II, транспортуючи теплову енергію із контуру І до контур у ПІ. Максимальний ефект перетворення енергії для більшості сучасних парокомпресійних теплових насосів рекомендується у діапазоні температур 20 - 35°С. В разі, коли температура низь-копотенційного теплоносія на вході у теплообмінник-випарник 8, що контролюється датчиком 6, буде вища за вказаний рівень, тоді в контактному теплообміннику 3 до основного потоку низькопотенційного теплоносія підмішується холодна вода з лінії 4, доводячи її до рекомендованої. У холодну пору року ви трати холодної води зменшуються або її зовсім виключають з циклу. Виходячи з наперед заданої температури погаслого нагрітого терикона Τ, його геометричних розмірів та маси, а також відстані від терикона 2 від споживача 12 розраховується довжина L та діаметр D труби 1, технічні характеристики транспортного трубопроводу та параметри теплообмінника 3 контактного типу. Організація контуру з безперервним відбором тепла з теплової зони терикона низькопотенційним теплоносієм з визначеною температурою, достатньою для транспортування тепла до місця перетворення в межах температур технологічного процесу установки, дає можливість із високим коефіцієнтом перетворення енерговитрат підтримувати стабільну роботу теплонасосної установки за будь-яких сезонних погодних умов, що у порівнянні з енерговитратами на циркуляцію, та компримування теплоносія дозволяє одержати виграш теплової потужності установки у 4-5 разів. Таким чином, запропонована теплонасосна установка в цілому дозволяє використати низькопотенційне тепло стабільного температурного рівня від теплоакумулятора великої теплової ємності, яким є погаслий підігрітий терикон, і звести до мінімуму вплив коливань зовнішніх температур на роботу теплонасосної установки, а також збільшити коефіцієнт корисної дії перетворення енергії в тепловому насосі, завдяки підвищеному рівню температури теплоносія. Крім того, можливо встановлювати споживача тепла на значних відстанях (до кількох кілометрів) від джерела низьксипотенційного теплоносія, тобто погаслого нагрітого терикона. 7 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 85929 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601