Система накопичення тепла для побутового використання

Реферат: Запропонована система накопичення тепла для побутового використання містить джерело тепла, яке з'єднане з теплообмінником, щонайменше один тепловий насос, бак-накопичувач теплової енергії, який заповнений робочою рідиною, всередині якого вбудований теплообмінник для подачі тепла до споживача, в якій теплообмінні поверхні випарника та конденсатора теплового насоса розташовані в баку-накопичувачі теплової енергії. UA 119987 U (12) UA 119987 U UA 119987 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до теплотехніки, зокрема систем опалення житлових та промислових будівель або нагріву води із застосуванням альтернативних та класичних джерел тепла малої потужності. Відома система автономного енергозабезпечення для генерування електричної і теплової енергії [Патент України №83084, МПК F24D 17/02, B60L 8/00, B60K 16/00, H02J 15/00, опубл. 27.08.2013, Бюл. №16], яка включає установку для перетворення сонячної енергії в теплову, тепловий акумулятор, що зв'язаний зі споживачами теплової енергії, тепловий насос, який зв'язаний із тепловим акумулятором і колектором тепла Землі, блок генерування електричної енергії, який підключений до теплового насоса і зв'язаний зі споживачами електричної енергії, та блок керування системи, що зв'язаний із установкою для перетворення сонячної енергії в теплову, тепловим акумулятором, тепловим насосом і блоком генерування електричної енергії, яка відрізняється тим, що в систему додатково введено двигун Стірлінга, який з'єднаний з блоком генерування електричної енергії, колектором тепла Землі, установкою для перетворення сонячної енергії, тепловим акумулятором і тепловим насосом. Недоліком даної системи є складність її конструкції, для монтажу моделі необхідний запланований додатковий простір в приміщеннях будівлі, що не завжди можливо у вже існуючих будівлях, крім того, реалізація такої системи вимагає додаткових витрат. Відома установка для опалення та гарячого водопостачання [Патент РФ на корисну модель №119857, МПК F24D 17/02, опубл. 27.08.2012 р.], що включає джерело теплоти низького потенціалу, яке являє собою ділянку ґрунту з двома свердловинами, замкнутий трубопровід з надземною і підземною частинами, і тепловий насос, що складається з термоелектричного перетворювача з приєднаним до його виходу електричним нагрівальним елементом, встановленим в контурі системи опалення. Недоліком такої установки є низька ефективність нагріву теплоносія в контурі системи опалення, що пояснюється недостатньо інтенсивною циркуляцією низькозамерзаючої рідини в замкнутому трубопроводі під дією різниці температур в свердловині і навколишньому середовищі. Відома установка для опалення та гарячого водопостачання [Патент РФ №2155302, МКП F24D 17/02, опубл. 27.08.2000 р.], що включає джерело теплоти низького потенціалу, циркуляційний контур, тепловий насос і контур системи опалення і як джерело тепла низького потенціалу містить приймальний колодязь стічних вод мережі каналізації з розміщеними в ньому теплообмінником і вібратором. Недоліком такої установки є низька надійність установки (внаслідок наявності рухомих частин при використанні компресійного теплового насоса або великої кількості герметичних з'єднань при використанні адсорбційного теплового насоса), а також складність технічного обслуговування, обумовлена громіздкістю конструкції. Відома система теплопостачання [Патент України №75611, МПК F24D 15/04, F24D 17/02, опубл. 10.12.2012, Бюл. №23], що включає теплоелектроцентраль з турбіною, яка має теплофікаційні відбори та 5 нерегульованих відборів для систем регенеративного підігріву живильної води, яка відрізняється тим, що система додатково містить теплонасосну установку з трьома замкнутими контурами, яка працює за рахунок відбору теплоти від конденсатора першого контуру. Основним недоліком даної системи є вартість та залежність теплообмінних процесів від режимів використання теплоелектроцентралі. Відома система повітряного опалення [Патент України №111096, МПК F24F 12/00, F24D 5/00, опубл. 25.10.2016, Бюл. №20], що містить тепловий насос та тепломасообмінний апарат, в якій тепломасообмінним апаратом є апарат Майсоценка, який з'єднаний за допомогою повітропроводу з конденсатором теплового насоса. Недоліком даної системи є низька ефективність нагріву теплоносія в контурі системи опалення. Дане технічне рішення вибране за прототип. Технічним результатом запропонованої системи є підвищення ефективності використання теплової енергії, що надходить від джерела тепла, що досягається за рахунок використання щонайменше одного теплового насоса, який прискорює перенесення тепла з зони теплоприйому в зону тепловіддачі бака-накопичувача теплової енергії, що в свою чергу підвищує ККД запропонованої системи. Поставлена задача вирішується тим, що запропонована система накопичення тепла для побутового використання, що містить джерело тепла, яке з'єднане з теплообмінником, щонайменше один тепловий насос, бак-накопичувач теплової енергії, який заповнений робочою рідиною, всередині якого вбудований теплообмінник для подачі тепла до споживача, в якій згідно з корисною моделлю, теплообмінні поверхні випарника та конденсатора теплового насоса розташовані в баку-накопичувачі теплової енергії, причому теплообмінна поверхня випарника теплового насоса розташована нижче теплообмінної поверхні конденсатора теплового насоса. 1 UA 119987 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Крім того, система містить комплект вакуумних трубок, розташованих у робочій зоні баканакопичувача теплової енергії. Крім того, як джерело тепла використано сонячний колектор, твердопаливний, газовий, біомазутний, олійний або інший котел низької потужності. Крім того, як робочу рідину бака-накопичувача теплової енергії використано воду або антифриз або парафін. Запропонована корисна модель пояснюється кресленням, де схематично показано принципову схему системи накопичення тепла для побутового використання. Система накопичення тепла для побутового використання (як показано на кресленні) містить джерело тепла 1, яке з'єднане з теплообмінником 2, щонайменше один тепловий насос 3, бак-накопичувач 4 теплової енергії, який заповнений робочою рідиною, всередині якого вбудований теплообмінник 5 для подачі тепла до споживача 6. В запропонованій системі теплообмінні поверхні випарника 7 та конденсатора 8 теплового насоса 3 розташовані в бакунакопичувачі 4 теплової енергії таким чином, що теплообмінна поверхня випарника 7 теплового насоса розташована нижче теплообмінної поверхні конденсатора 8 теплового насоса 3. Робочою рідиною бака-накопичувача теплової енергії може бути звичайна (непідготовлена) вода або антифриз або парафін, за умови використання енергії перетворення фаз. Примусовим прискорювачем теплообмінних процесів всередині бака-накопичувача 4 теплової енергії є безпосередньо тепловий насос 3, що може мати декілька робочих ступенів, у тому числі й самоплинних, тобто на основі використання ефекту вакуумної трубки. Функцію самоплинного прискорювача теплових процесів може виконувати комплект вакуумних трубок (на кресленні не показано), розташованих у відповідній робочій зоні бака-накопичувача теплової енергії. Як джерело тепла в запропонованій системі може бути використано сонячний колектор, твердопаливний, газовий, біомазутний, олійний або інший котел низької потужності. Для теплообміну можна також використовувати відпрацьоване повітря систем вентиляції або рідини систем каналізації, але використання цих джерел обмежене громіздкістю конструкції. Висота бака-накопичувача 4 теплової енергії повинна бути не менше двох метрів, щоб не давати змоги перемішуватися теплій та холодній робочим рідинам. При цьому, з метою зменшення висоти пристрою, як робочу рідину може бути використано навіть тверді матеріали або суміші відповідної теплоємності та теплопровідності. Наприклад, гранітний щебінь із водою, що буде блокувати комутативний рух рідини. Робота запропонованої системи пояснюється конкретним прикладом виконання, який показано на кресленні, де джерелом тепла є сонячний колектор. У внутрішню порожнину баканакопичувача 4 теплової енергії вбудовується тепловий насос 3 таким чином, що його холодний контур-випарник 7 занурений у нижній частині, тобто у зоні теплоприйому, а теплий контурконденсатор розташований дещо вищий середини бака 4, тобто у зоні тепловіддачі. Теплота сонячного колектора 1 нагріватиме теплообмінник 2 (мідну трубку), який розташований в нижній частині бака-накопичувача 4. У ввімкненому стані система просто форсує природний процес підняття тепла вгору від теплообмінника 2 в баку-накопичувачі 4. Для запобігання процесів механічному перемішуванню робочої рідин, обидва контури (випарник 7 та конденсатор 8) мають бути у теплообмінниках, а робоча рідина бака може бути механічно уповільнена будьяким способом, наприклад за допомогою додавання гранітного щебеня великої фракції. Для різних випадків виконання бака-накопичувача 4 можливо використовувати декілька контурів теплопідйому (декілька теплових насосів 3). При використанні сонячногоколектора 1 будь-якої відомої системи з теплообмінником 2, вмонтованим в бак 4, у вимкнутому стані запропонована система не впливатиме на його роботу. У випадку, коли включиться компресор теплового насоса 3, то почнеться одночасне охолодження зони теплоприйому, та нагрівання рідини у зоні відбору тепла (тепловіддачі). Охолоджена робоча рідина із зони теплоприйому поступатиме до сонячного колектора 1, де активніше відбиратиме теплову енергію, за рахунок збільшеної різниці температур. Аналогічно, у форсованому режимі буде працювати інше джерело теплової енергії малої потужності, наприклад газовий котел буде викидати у атмосферу не гарячі, а охолоджені відпрацьовані гази. Ступінь охолодження газів залежить лише від якості теплообмінника котла. Одночасно в теплообміннику 5 буде прискорюватися процес нагрівання теплоносія і після чого трубопроводами (на кресленні не показано) поставлятиметься (під тискам) теплоносій до споживача тепла 6 (наприклад, в систему гарячого водопостачання або опалення приміщення). У вказаному контурі може бути встановлений циркуляційний насос, комутаційна арматура (на кресленні не показані), яка при необхідності вручну або автоматично за допомогою блока керування системи забезпечує циркуляцію теплоносія до споживача. 2 UA 119987 U 5 10 15 20 25 30 35 Переваги використання запропонованої системи полягають в наступному: - дозволяє використовувати низькотемпературний потенціал теплоносія для підвищення ККД теплообмінних процесів безпосередньо у зоні відбору тепла. Процес керований і потребує зовнішнього джерела електроенергії, але ця енергія направлена не на підігрів теплоносія, а саме на перенесення тепла, що значно підвищує ККД системи; - при використанні джерела тепла низького потенціалу (паливного котла) система дає можливість виводити в атмосферу практично холодні відпрацьовані гази, що значно підвищується ККД котла; - для збільшення кількості накопиченого тепла у баку-накопичувачі можливо використовувати теплоємність енергії переходу із рідкого у твердий стан речовини, і у зворотному порядку, наприклад використовуючи парафіни; - є можливість використовувати в багатоповерхових будинках, під'єднаний до системи котел малої потужності буде протягом дня накопичувати тепло у баку-накопичувачу, щоб вночі його віддати для нагрівання приміщення, охолодивши бак (в залежності від конструкції) можливо навіть до мінусової температури. Протягом світлового дня температура відновиться за допомогою сонячної енергії, а у разі потреби, й газу; - може бути використана з гібридними сонячними колекторами, які мають високий ККД, та, на жаль, останнім часом не користується популярністю, бо об'єднує у собі два принципово різних джерела енергії, що ускладнює її експлуатацію. Запропонована корисна модель сприяє підвищенню області застосування всіх без винятку джерел теплової енергії, використовуючи низькотемпературний потенціал робочих рідин теплообмінника, та базується на принципі створення такого ефекту: примусове, або вільне розділення теплових потоків з використанням природних властивостей робочих рідин. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Система накопичення тепла для побутового використання, що містить джерело тепла, яке з'єднане з теплообмінником, щонайменше один тепловий насос, бак-накопичувач теплової енергії, який заповнений робочою рідиною, всередині якого вбудований теплообмінник для подачі тепла до споживача, яка відрізняється тим, що теплообмінні поверхні випарника та конденсатора теплового насоса розташовані в баку-накопичувачі теплової енергії, причому теплообмінна поверхня випарника теплового насоса розташована нижче теплообмінної поверхні конденсатора теплового насоса. 2. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що містить комплект вакуумних трубок, розташованих у робочій зоні бака-накопичувача теплової енергії. 3. Система за п. 2, яка відрізняється тим, що як джерело тепла використано сонячний колектор, твердопаливний, газовий, біомазутний, олійний або інший котел низької потужності. 4. Система за п. 3, яка відрізняється тим, що як робочу рідину бака-накопичувача теплової енергії використано воду або антифриз або парафін. 3 UA 119987 U Комп’ютерна верстка М. Мацело Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4