Спосіб комбінованого отримання холоду і тепла з використанням сонячної енергії та установка для його здійснення

Реферат: Винахід належить до галузі теплоенергетики і може бути використаний в комбінованих системах отримання тепла і холоду. Спосіб комбінованого отримання холоду і тепла з використанням сонячної енергії передбачає нагрівання теплоносія сонячним випромінюванням, стискання пари холодильного агента низького тиску, конденсування її, дроселювання одної частини рідини для подальшого випаровування при низькій температурі і нагнітання другої частини рідини для подальшого випаровування шляхом нагріву. Після нагрівання теплоносія сонячним випромінюванням здійснюють випаровування холодильного агента, який стискають та конденсують при найвищій температурі, а далі за допомогою цього теплоносія випаровують інший холодильний агент при високому тиску. Установка містить сполучені між собою блок сонячних колекторів, тепловий насос, акумулятор тепла і холодильну машину. Заявлений винахід забезпечує підвищення ефективності та надійності сталого конденсування. UA 98716 C2 (12) UA 98716 C2 UA 98716 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до галузі теплоенергетики і може бути використаний в комбінованих системах отримання холоду і тепла. Проблеми теплопостачання в країнах з помірним кліматом доцільно вирішувати за допомогою сонячної енергії, але, враховуючи те, що максимум потреби в теплі відповідає мінімуму сонячного випромінювання, необхідно використовувати дублюючі пристрої, які забезпечують компенсування дефіциту тепла. Опалення за рахунок органічного палива неекономічне та призводить до забруднення довкілля та посилення парникового ефекту. Тому одним з найбільш прийнятних є використання теплових насосів, особливо в режимі нічної роботи, коли електроенергія відпускається за нічним тарифом, з акумуляцією тепла на певну частину дня. Цю систему доречно використовувати влітку для забезпечення кондиціювання повітря, що дає максимальну економічність виробництва штучного холоду. З урахуванням того, що максимум сонячного випромінювання співпадає з максимумом потреби в холоді, є ефективним застосування тепловикористовуючих холодильних машин, наприклад, ежекторних. Запропонований спосіб дозволяє скоротити витрати на теплохолодопостачання на 40-50 % в порівнянні з традиційними системами, наприклад такими, як існуючі кондиціонери "зима-літо". Відомий спосіб комбінованого отримання холоду і тепла, що передбачає нагрівання теплоносія за рахунок сонячного випромінювання, стискання пари холодильного агента низького тиску, конденсування стиснутої пари холодильного агента, дроселювання одної частини рідини, нагнітання другої частини рідини, випаровування одної частини рідини при низькому тиску з отриманням штучного холоду, випаровування другої частини рідини при високому тиску з отриманням пари великого тиску [див. Мааке В. та ін. Учебник по холодильной технике, перевод с французского. М.: Изд-во Московского Государственного Университета.1998]. Даний спосіб вибрано за найближчий аналог. Найближчий аналог і винахід, що заявляється, мають наступні спільні ознаки: - нагрівання теплоносія сонячним випромінюванням; - стискання пари холодильного агента низького тиску; - конденсування пари холодильного агента низького тиску; - дроселювання одної частини рідини для подальшого випаровування при низькій температурі; - нагнітання другої частини рідини для подальшого випаровування шляхом нагріву. Але спосіб за найближчим аналогом має низьку ефективність та недостатню надійність через використання електричної енергії в пікові години та відсутність альтернативи при вимкненні електрики. Відома установка для отримання холоду з використанням сонячної енергії [див. авторське свідоцтво СРСР № 1068676]. Геліоежекторний холодильник містить замкнутий контур циркуляції холодоагента, в якому установлені парогенератор, забезпечений сонячним колектором, циліндричним сонячним відбивачем, ежектор, конденсатор, дросель, випарник і насос, причому вихід випарника приєднаний до приймальної камери ежектора, вхід насоса включений між конденсатором і дроселем, а вихід приєднаний до парогенератора. Холодильник додатково містить абсорбційну холодильну машину періодичної дії з генератором-абсорбером, конденсатором повітряного охолодження і випарником льодогенератором, при цьому генератор-абсорбер установлений в контурі циркуляції холодоагента між ежектором і конденсатором. Але вказаний пристрій призначений тільки для виробництва холоду для кондиціювання в денний час і холоду для зберігання продуктів - в нічний час. Він не забезпечує ефективне отримання тепла в зимовий період. Відома система теплозабезпечення, що включає сполучені системою трубопроводів джерело низькопотенцїйного тепла, піковий котел, тепловий насос, прилади системи опалення та водопідігрівач системи гарячого водопостачання, теплообмінники - утилізатори тепла мініТЕС, включені в проміжний контур циркуляції з проміжним теплообмінником замкнутого контуру теплопостачання, утвореного послідовно включеними конденсатором теплового насоса проміжним теплообмінником по лінії теплоносія, який нагрівається піковим котлом і приладами системи опалення з водопідігрівачем системи гарячого водопостачання, при цьому випарник теплового насоса приєднаний до джерела низькопотенційного тепла, [див. патент Російської Федерації № 2315914]. Але вказана система призначена для теплозабезпечення; вона не дозволяє комбіновано отримувати холод і тепло. 1 UA 98716 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Відомо також багато установок, систем і пристроїв для отримання холоду або тепла, або тепла і холоду (див. 1. В. Мааке, Г.- Ю.Эккерт, Ж. - Л. Кошпен. Учебник по холодильной технике: Пер. С франц. М.: Изд - во Московского Ун-а - 1998.-1142 с, ил.; 2. Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы: Пер. с англ. М.: Энергоиздат, 1982. 224 с, ил.; 3. Эль Садин Хасан. Выбор оптимальных параметров системы теплохолодоснабжения жилого дома // Холодильная техника.-2003. - С. 18-21.; 4. Овчаренко В.А., Овчаренко А.В. Використання теплових насосов // Холод М+Т. 2006. - С. 34-36.; 5. Пять шагов на пути к избавлению от метановой зависимости // Отопление Водоснабжение Вентиляция+кондиционеры. 2006. - С. 30-41.; 6. Бондарь Е.С., Калугин П.В. Энергосберегающие системы кондиционирования воздуха с аккумуляцией холода // С.О.К. 2006. 3.). Але перелічені технічні рішення суттєво відрізняються від установки, що заявляється як за принципом роботи, так і за сукупністю ознак. У зв'язку з наведеним заявникам невідома установка для комбінованого отримання холоду і тепла, яку можна вибрати за найближчий аналог. В основу винаходу поставлено задачу розробити спосіб комбінованого отримання холоду і тепла та установку для його здійснення, які забезпечать підвищення ефективності та надійності сталого конденсування. Поставлена задача вирішена групою винаходів, об'єднаних єдиним винахідницьким задумом, а саме: способом комбінованого отримання холоду і тепла та установкою для його здійснення. В першому винаході поставлена задача вирішена в способі комбінованого отримання холоду і тепла з використанням сонячної енергії, що передбачає нагрівання теплоносія сонячним випромінюванням, стискання пари холодильного агента низького тиску, конденсування її, дроселювання одної частини рідини для подальшого випаровування при низькій температурі і нагнітання другої частини рідини для подальшого випаровування шляхом нагріву, тим, що після нагрівання теплоносія сонячним випромінюванням здійснюють випаровування холодильного агента, який стискають та конденсують при найвищій температурі, а далі за допомогою цього теплоносія випаровують інший холодильний агент при високому тиску. Переважним є те, що пару холодильного агента після стискання охолоджують теплоносієм, який в подальшому нагрівають за рахунок сонячного випромінювання. При цьому пару холодильного агента охолоджують рідким холодильним агентом після підвищення його тиску. В другому винаході поставлена задача вирішена в установці для комбінованого отримання холоду і тепла з використанням сонячної енергії, що містить сполучені між собою блок сонячних колекторів, тепловий насос, акумулятор тепла і холодильну машину, при цьому один вихід системи сонячних колекторів сполучений з першим входом теплового насоса, а другий вихід - з входом акумулятора тепла, перший вихід акумулятора тепла сполучений з першим входом споживача тепла, а другий вихід - з другим входом теплового теплового насоса, перший вихід теплового насоса сполучений з другим входом споживача тепла, а другий вихід - з першим входом тепловикористовуючої холодильної машини, вихід споживача тепла сполучений з другим входом тепловикористовуючої холодильної машини, перший вихід тепловикористовуючої холодильної машини сполучений із споживачем холоду, а другий вихід з магістраллю, яка з'єднує блок сонячних колекторів з тепловим насосом. На кресленні схематично зображена установка для комбінованого отримання холоду і тепла, за допомогою якої реалізується заявлений спосіб, де: фіг. 1 - узагальнена схема установки для комбінованого отримання холоду і тепла; фіг.2 - схема установки для комбінованого отримання холоду і тепла, в якій як тепловикористовуючу машину вибрано ежекторну холодильну систему. Установка для комбінованого отримання холоду і тепла (фіг. 1) містить сполучені між собою блок сонячних колекторів 1, тепловий насос 2, акумулятор тепла 3, тепловикористовуючу холодильну машину 4. Для ілюстрації роботи установки на схемі показані споживач тепла (опалення) та гарячого водопостачання 5 і споживач холоду 6. Перелічені вузли й елементи установки сполучені між собою за такою схемою. Один вихід блока сонячних колекторів 1 сполучений з першим входом теплового насоса 2, а другий вихід з входом акумулятора тепла 3. Перший вихід акумулятора тепла 3 сполучений з першим входом споживача тепла 5, а другий вихід - з другим входом теплового насоса 2. Перший вихід теплового насоса 2 сполучений з другим входом споживача тепла 5, а другий вихід - з першим входом тепловикористовуючої холодильної машини 4. Вихід споживача тепла 5 сполучений з 2 UA 98716 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 другим входом тепловикористовуючої холодильної машини 4. Перший вихід тепловикористовуючої холодильної машини 4 сполучений із споживачем холоду 6, а другий вихід - з магістраллю, яка з'єднує блок сонячних колекторів 1 з тепловим насосом 2. Тепло і холод в даній установці отримують у такий спосіб. В блоці сонячних колекторів 1 цілорічно нагрівається теплоносій, який потім подається до випарювана теплового насоса 2, де відбувається випарювання холодильного агента, після чого утворена пара стискається компресором та конденсується при найвищій температурі циклу. Гарячий теплоносій взимку видається споживачу опалення та гарячого водопостачання 5, а в сезон, коли потрібно конденсування, цей теплоносій подається до парогенератора тепловикористовуючої холодильної машини 4, де виробляється холод, який спрямовується до споживача холоду 6. Зайве тепло акумулюється в акумуляторі тепла 3 та використовується в періоди, коли відсутнє чи недостатнє сонячне випромінювання, тобто вночі, або, коли відсутнє електропостачання. Таким чином теплохолодопостачання стає сталим та автономним, має подвійний захист при відсутності надходження енергії, при цьому досягається максимальна економічність системи. На фіг. 2 зображена установка для комбінованого отримання холоду і тепла, в якій використовується ежекторна холодильна машина. Вказана установка містить сполучені між собою за певною схемою сонячний колектор 7, конденсатор ежекторної холодильної системи 8, охолоджувач стиснутої пари 9, конденсатор теплового насоса 10, компресор теплового насоса 11, випаровувач теплового насоса 12, терморегулюючі вентилі 13, 14, випаровувач ежекторної холодильної системи 15, ежектор 16, термонасос 17, нагрівач рідини високого тиску 18, парогенератор 19, акумулятор гарячого носія 20, насоси теплоносія 21,22, нагрівач теплоносія-переохолоджувач холодильного агента 23. Цей кондиціонер може працювати в чотирьох режимах: - охолодження; - опалення та гарячого водопостачання; - охолодження та гарячого водопостачання; - лише гарячого водопостачання. В першому режимі охолодження теплоносій, який надходить з конденсатора ежекторної холодильної системи 8 та охолоджувача стиснутої пари 9, нагрітий в сонячному колекторі 7, пройшовши через акумулятор гарячого носія 20, частково, насосом теплоносія 21 подається до випаровувача теплового насоса 12 через нагрівач теплоносія-переохолоджувача холодильного агента 23, та частково насосом 22 видається споживачу гарячого теплоносія. Утворена у випаровувачі теплового насоса 12 пара холодильного агента стискається в компресорі теплового насоса 11 та конденсується в конденсаторі теплового насоса 10 при найвищій температурі циклу. Тепло конденсації при найвищій температурі сприймає теплоносій, який передає його в парогенераторі 19 холодильному агенту високого тиску, який при цьому кипить та виробляє робочу пару високого тиску та температури. Далі теплоносій, охолонувши в нагрівачі рідини високого тиску 18, повертається до конденсатора теплового насоса 10. Теплоносій після випаровувача теплового насоса 12 нагрівається в охолоджувачі стиснутої пари 9 та повертається до сонячного колектора 7. Пара холодильного агента, утворена в парогенераторі 19, розширюється в ежекторі 16, відсмоктує пару низького тиску з випаровувача ежекторної холодильної системи 15, суміш цих потоків пари стискається в дифузорі ежектора 16, охолоджується в охолоджувачі стиснутої пари 9 та конденсується в конденсаторі ежекторної холодильної системи 8. Конденсат поділяється на дві частини: одна термонасосом 17, подається до парогенератора 19, нагрівшись перед цим в нагрівачі рідини високого тиску 18, а друга частина дроселюється в терморегулюючому вентилі 14 та надходить до випаровувача ежекторної холодильної системи 15. Холодний теплоносій з мережі охолоджує конденсатор ежекторної холодильної системи 8 та надалі надходить до сонячного колектора 7. В другому режимі (опалення та гарячого водопостачання) теплоносій нагрівається в сонячному колекторі 7, а потім передає тепло в нагрівачі теплоносія-переохолоджувача холодильного агента 23 та випаровувачі теплового насоса 12 холодильному агенту насоса теплоносія 21. Гарячий теплоносій при найвищій температурі з конденсатора теплового насоса 10 надходить до акумулятора гарячого носія 20, звідки йде відбір тепла та гарячого теплоносія споживачем. Аналогічно відбувається процес нагріву теплоносія в четвертому режимі, тобто теплоносій, нагрітий в сонячному колекторі 7 далі віддає тепло холодильному агенту в нагрівачі теплоносія-переохолоджувача холодильного агента 23 та у випаровувачі теплового насоса 12, який за рахунок роботи теплового насоса підвищує свою температуру, конденсується в конденсаторі теплового насоса 10 та віддає тепло теплоносію при найвищій температурі, який, в свою чергу подається в акумулятор гарячого носія 20. При інших умовах, коли потреба в 3 UA 98716 C2 5 гарячій воді зменшується, а сонячна радіація має високі значення, теплоносій з сонячного колектора 7 циркулює через акумулятор гарячого носія 20 без додаткового догріву. Цей режим реалізується в період, коли не потрібне ані опалення, ані конденсування. В третьому режимі (охолодження та гарячого водопостачання) система працює, як в першому режимі, виробляє холод та паралельно гарячу воду споживачеві, тобто додатково з акумулятора гарячого теплоносія 20 паралельно відбувається відбір гарячого теплоносія споживачем. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 20 25 30 1. Спосіб комбінованого отримання холоду і тепла з використанням сонячної енергії, що передбачає нагрівання теплоносія сонячним випромінюванням, стискання пари холодильного агента низького тиску, конденсування її, дроселювання одної частини рідини для подальшого випаровування при низькій температурі і нагнітання другої частини рідини для подальшого випаровування шляхом нагріву, який відрізняється тим, що після нагрівання теплоносія сонячним випромінюванням здійснюють випаровування холодильного агента, який стискають та конденсують при найвищій температурі, а далі за допомогою цього теплоносія випаровують інший холодильний агент при високому тиску. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що пару холодильного агента після стискання охолоджують теплоносієм, який в подальшому нагрівають за рахунок сонячного випромінювання. 3. Спосіб за п. 2, який відрізняється тим, що пару холодильного агента охолоджують рідким холодильним агентом після підвищення його тиску. 2. Установка для комбінованого отримання холоду і тепла з використанням сонячної енергії, що містить сполучені між собою блок сонячних колекторів, тепловий насос, акумулятор тепла і холодильну машину, при цьому один вихід блока сонячних колекторів сполучений з першим входом теплового насоса, а другий вихід - з входом акумулятора тепла, перший вихід акумулятора тепла сполучений з першим входом споживача тепла, а другий вихід - з другим входом теплового насоса, перший вихід теплового насоса сполучений з другим входом споживача тепла, а другий вихід - з першим входом тепловикористовуючої холодильної машини, вихід споживача тепла сполучений з другим входом тепловикористовуючої холодильної машини, перший вихід тепловикористовуючої холодильної машини сполучений із споживачем холоду, а другий вихід - з магістраллю, яка з'єднує блок сонячних колекторів з тепловим насосом. 4 UA 98716 C2 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5