Система тепло- і холодопостачання висотних споруд (варіанти)

Реферат: Винахід належить до галузі тепло- і холодопостачання висотних споруд (житлових будинків, висотних готелів, бізнес центрів тощо). Система за першим варіантом містить сполучені між собою трубопроводами за певною схемою сонячний колектор, конденсатор, випарник холодильників, сепаратор рідини, ежектори, паровий двигун і насос рідкого теплоносія, розташовані у верхній частині висотної споруди, а також парогенератор, розташований в нижній частині висотної споруди. Система, за другим варіантом, містить сполучені між собою трубопроводами за певною схемою сонячні колектори, випарник теплового насоса, конденсатор, теплообмінник, блок випарників холодильної системи, ежектори, інжекторний блок і компресор, розташовані у верхній частині висотної споруди, та парогенератор, конденсатор-бойлер і блок-акумулятор гарячого теплоносія, розташовані в нижній частині висотної споруди. Запропонована система має високу ефективність і надійність забезпечення теплом і холодом висотних споруд. UA 100304 C2 (12) UA 100304 C2 UA 100304 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до галузі тепло- і холодопостачання висотних споруд (житлових будинків, висотних готелів, бізнес центрів тощо). Відомі системи опалення будинків та гарячого постачання за рахунок згоряння органічного палива (див. Богословський В.Н. Отопление и вентиляция. - М.: Стройиздат, 1985. - с. 444-449). Відомі системи холодопостачання (кондиціювання повітря) за допомогою електроспоживаючих холодильних систем (див. Богословський В.Н. Кондиционирование воздуха и холодоснабжение. - М.: Стройиздат, 1985. - с. 241-242). Відомі системи теплопостачання за рахунок сонячного випромінювання як безпосередньо, так і за допомогою додаткового стискання холодоагенту, попередньо підігрітого сонячним випромінюванням до температур, які припустимі для гарячого водопостачання, але часом недостатні для опалення або холодопостачання (сонячні колектори, теплові насоси з сонячними колекторами) (див. Системы солнечного тепло- и холодоснабжения /под. ред. Э.В. Сарнацкого и С.А. Чистовича. - М.: Стройиздат, 1990. - с. 23). Недоліками цих систем є обмеженість забезпечення опалення або холодопостачання при дуже низьких та дуже високих температурах навколишнього середовища і низька їх ефективність. Відомі також системи виробництва холоду, в яких використовується кипіння холодоагенту низького тиску, ежектування та стискання пари холодоагенту за рахунок пари холодоагенту високого тиску, отриманого при кипінні холодоагенту високого тиску за допомогою сонячного випромінювання (ежекторні холодильні машини), (див. Холодильные машины /под общ. Ред. И.А. Сакуна. - Л. Машиностроение. - 1985. - с. 387-419). Недоліком цих систем є низька надійність та ефективність підвищення тиску рідкого холодоагенту з середнього до високого. Перелічені системи вирішують задачу тепло- і холодозабезпечення або частково, або ненадійно та обмежено. Окрім того, вони вирішують задачу іншим шляхом, іншими засобами, а тому жодна з відомих систем не може бути вибрана прототипом, а критика будь-якої відомої системи буде некоректна. В основу винаходу поставлено задачу створити систему, в якій шляхом нового схемного сполучення відомих вузлів й елементів, забезпечити високу ефективність і надійність забезпечення теплом і холодом висотних споруд. Поставлена задача вирішена системою тепло- і холодопостачання висотних споруд, виконаною у двох варіантах. За першим варіантом система тепло- і холодопостачання висотних споруд містить сполучені між собою трубопроводами сонячний колектор, конденсатор, випарник кондиціонерів, випарник холодильників, сепаратор рідини, ежектори, паровий двигун і насос рідкого теплоносія, розташовані у верхній частині висотної споруди, а також парогенератор, розташований в нижній частині висотної споруди, при цьому парогенератор сполучений з першим і другим ежекторами, сонячним колектором, конденсатором і паровим двигуном, перший ежектор сполучений з конденсатором і випарником кондиціонерів, який сполучений з сепаратором рідини, який в свою чергу сполучений з випарником холодильників і з трубопроводом, що з'єднує випарник кондиціонерів з першим і другим ежекторами, а випарник холодильників сполучений також з другим ежектором. За другим варіантом система тепло- і холодопостачання висотних споруд містить сполучені між собою трубопроводами сонячні колектори, випарник теплового насоса, конденсатор, теплообмінник, блок випарників холодильної системи, ежектори, інжекторний блок і компресор, розташовані у верхній частині висотної споруди, та парогенератор, конденсатор-бойлер і бакакумулятор гарячого теплоносія, розташовані в нижній частині висотної споруди, при цьому парогенератор сполучений з блоком сонячних колекторів, конденсатором-бойлером, інжекторним блоком першим і другим ежекторами, інжекторний блок сполучений з конденсатором, першим і другим ежекторами, перший ежектор сполучений з теплообмінником і блоком випарників холодильної системи, другий ежектор сполучений з випарником теплового насоса і блоком випарників холодильної системи, а теплообмінник сполучений з конденсатором і трубопроводом, що з'єднує парогенератор з блоком сонячних колекторів і випарником теплового насоса. Система тепло- і холодопостачання висотних споруд зображена на кресленні, де: фіг. 1 - система тепло- і холодопостачання, в якій застосовуються ежектори (варіант 1); фіг. 2 - система тепло- і холодопостачання, в якій застосовується інжекторний блок (варіант 2). 1 UA 100304 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Система тепло- і холодопостачання висотних споруд із застосуванням ежекторів - варіант 1, містить сполучені між собою трубопроводами ежектори 1, 4, конденсатор 2, випарник кондиціонерів 5, випарник холодильників 6, дросельні пристрої 7, 8, сепаратор рідини 9, паровий двигун 10, насос рідкого теплоносія 11, сонячний колектор 12, розташовані у верхній частині висотної споруди, і парогенератор 3, розташований в нижній частині висотної споруди. Перелічені вузли й елементи сполучені між собою за такою схемою. Вихід ежектора 1 сполучений з першим входом конденсатора 2, вихід якого сполучений з входом парогенератора 3. Другий вхід конденсатора 2 сполучений з водопроводом. Вихід парогенератора 3 сполучений з ежекторами 1, 4 і паровим двигуном 10. Вхід випарника кондиціонерів 5 сполучений з магістраллю (трубопроводом), яка з'єднує конденсатор 2 з парогенератором 3. Перший вихід випарника кондиціонерів 5 сполучений з ежекторами 1, 4, другий вихід - з сепаратором рідини 9, а третій вихід з трубопроводом подання охолодженої води до кондиціонерів. Перший вихід сепаратора рідини 9 сполучений з трубопроводом, що з'єднує випарник кондиціонерів 5 з ежекторами 1, 4, а другий вихід з першим входом випарника холодильників 6, другий вхід якого сполучений з трубопроводом подання холодоагенту з холодильників. Перший вихід випарника холодильників 6 сполучений з ежектором 4, а другий вихід - з трубопроводом подання холодоагенту до холодильників. Насос рідкого теплоносія 11 сполучений з парогенератором 3. Сонячний колектор 12 сполучений з конденсатором 2 і з трубопроводом, що з'єднує парогенератор 3 з ежекторами 1, 4 і паровим двигуном 10. Система за варіантом 1 працює наступним чином: нагрітий теплоносій з сонячного колектора 12 обігріває парогенератор 3, де кипить холодоагент високої температури та тиску. Пара високого тиску подається в сопла ежекторів 1 та 4, а також до парового двигуна 10, який приводить в дію насос рідкого теплоносія 11. Розширена пара ежектує пару низького тиску з випарника кондиціонерів 5 та випарника холодильників 6, причому стиснута до проміжного тиску, який дорівнює тиску у випарнику кондиціонерів 5, пара після ежектора 4 змішується з потоком пари з випарника кондиціонерів 5, а потім суміш стискується в ежекторі 1 до тиску в конденсаторі 2 та конденсується в ньому, нагріваючи на першій стадії холодний теплоносій, який потім догрівається в сонячному колекторі 12. Отриманий конденсат рухається в двох напрямках: частина його перетікає під впливом гравітаційних сил до парогенератора 3, а інша розширюється в дросельних пристроях 7 та 8, після чого кипить у випарнику кондиціонерів 5 та випарнику холодильників 6, забезпечуючи холодом кондиціонери та холодильники. Теплоносій після нагрівання парогенератора 3 віддає тепло споживачам, а потім повертається до сонячного колектора 12. Таким чином, за рахунок сонячного випромінювання забезпечується тепло- і холодопостачання висотної споруди. Такі системи можуть знайти застосування в обладнанні системи автономного тепло- і холодопостачання висотних будинків, особливо в країнах зі спекотним кліматом. Враховуючи те, що в ежекторних холодильних системах найбільш вразливим є процес подачі рідкого холодоагенту з конденсатора до парогенератора, можливість здійснити цей процес за рахунок перепаду висот, який може забезпечити подолання значної різниці тиску, набагато підвищує надійність системи та її економічність, тому висотні об'єкти можуть стати пріоритетними в застосуванні цих систем. Причиною ускладнення виконання процесу перетікання рідини з зони низького тиску до зони високого тиску є, по-перше, загроза кавітації, тому що холодоагент після конденсації знаходиться у стані, близькому до насичення, по-друге, холодоагенти, зазвичай, мають дуже низьку в'язкість та не мають властивостей мастил, по-третє, перепади тиску між конденсацією та генерацією дуже високі. Всі ці проблеми не беруться до уваги, окрім перепаду тисків, а також щільності рідини, що визначає мінімальну висоту, при якій буде спостерігатися вільне перетікання рідини в зону високого тиску. Якщо цієї висоти не вистачає, використовується система за варіантом 2, в якій дотискання рідини здійснюється за рахунок її інжектування на найнижчому рівні споруди. У випадках, коли висота споруди обмежена, застосовують два або декілька ступенів інжекторів. Система за варіантом 2 містить сполучені між собою трубопроводами сонячні колектори 13, випарник теплового насоса 14, конденсатор 22, теплообмінник 21, блок випарників холодильної системи 23, ежектори 18, 19, інжекторний блок 20 (може містити один або декілька ступенів інжекторів) і компресор 15, розташовані у верхній частині висотної споруди, та парогенератор 17, конденсатор-бойлер 16 і бак-акумулятор гарячого теплоносія 37, розташовані в нижній частині висотної споруди. 2 UA 100304 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Система також містить дросельні пристрої 24, 25, 26 та запірні вентилі 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36. Перелічені вузли й елементи сполучені між собою за наступною схемою. Сонячні колектори 13 сполучені з першим входом випарника теплового насоса 14. Перший вихід випарника теплового насоса 14 сполучений з компресором 15, вихід якого сполучений з першим входом конденсатора-бойлера 16. Перший вихід конденсатора-бойлера 16 сполучений з другим входом випарника теплового насоса 14. Другий вихід конденсатора-бойлера 16 сполучений з першим входом парогенератора 17. Другий вхід конденсатора-бойлера 16 сполучений з трубопроводом, який з'єднує блок сонячних колекторів 13 з випарником теплового насоса 14, а також з трубопроводом, який з'єднує його з парогенератором 17. Перший вихід парогенератора 17 сполучений з ежекторами 18, 19 та інжекторним блоком 20. Ежектор 18 сполучений з теплообмінником 21, який сполучений з виходом конденсатора 22 і магістраллю, яка з'єднує блок сонячних колекторів 13 з парогенератором 17, випарником теплового насоса 14 і баком-акумулятором гарячого теплоносія 37. Вхід конденсатора 22 сполучений з магістральним водопроводом. Ежектор 18 також сполучений з першим виходом блока випарників холодильної системи 23. Перший вхід блока випарників холодильної системи 23 сполучений з трубопроводом, який з'єднує випарник теплового насоса 14 з конденсатором-бойлером 16. Другий вхід блока випарників холодильної системи 23 сполучений з трубопроводом, який з'єднує інжекторний блок 20 з конденсатором 22. Другий вихід блока випарників холодильної системи 23 сполучений з ежектором 19. Система тепло- і холодопостачання за варіантом 2 може працювати в різних режимах. Перший режим. Потреба в теплі мінімальна, в холоді - розрахункова. Працює тільки ежекторна холодильна система. Вентилі 27, 28, 29 відкриті; інші - закриті. Теплоносій нагрівається в блоці сонячних колекторів 13 та надходить до парогенератора 17 через вентиль 27. Віддавши тепло, теплоносій через вентиль 28 частково повертається до блока сонячних колекторів 13, а частково через вентиль 36 зливається в бак-акумулятор 37, звідки гаряча вода потрапляє до споживачів. В той же час пара холодоагенту високого тиску надходить до сопел ежектора 18 та інжекторного блока 20, якщо він є в наявності. Пара після виходу із сопел ежектора 18 ежектує пару з блока випарників холодильної системи 23, суміш стискається до тиску в конденсаторі 22, охолоджується в теплообміннику 21 та конденсується за рахунок послідовного нагріву свіжої води, яка поповнює систему. Конденсат частково надходить до парогенератора 17 або лише за рахунок гравітаційних сил, або за допомогою одного або декількох ступенів інжектора. Інша частина рідкого холодоагенту розширюється в дросельному пристрої 24 та кипить у блоці випарників холодильної системи 23. Другий режим. Якщо холоду, про який йдеться в попередньому режимі, недостатньо, а потреба в теплі теж зростає, вмикається компресорний холодильний цикл. Для цього відкриваються додатково вентилі 30, 31, в ежекторі 19 ежектується пара холодоагенту низького тиску, після чого парова суміш всмоктується компресором 15 та стискається до високого тиску, що дозволяє конденсувати пару при високій температурі та підвищити температуру генерації і додатково виробити більшу кількість тепла або здійснювати конденсацію при звичайних температурах та виробляти додатковий холод в залежності від потреби. Третій режим. Необхідність в холоді - мінімальна або відсутня, Необхідність в теплі максимальна. В цьому режимі ежекторна холодильна система працює лише для забезпечення холодильників аналогічно варіанту 1. Теплоносій, нагрітий в блоці сонячних колекторів 13, передає тепло у випарник теплового насоса 14. При цьому вентилі 27, 28, 29 закриті, решта відкриті. Гаряча пара високого тиску після компресора 15 надходить в конденсатор-бойлер 16, частково віддає тепло при найвищій температурі в парогенераторі 17, а після цього, охолонувши на декілька градусів, йде на опалення та гаряче водопостачання через бакакумулятор 37. Всі елементи працюють в тій же послідовності, що і в попередньому режимі за варіантом 1. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Система тепло- і холодопостачання висотних споруд, що містить сполучені між собою трубопроводами сонячний колектор, конденсатор, випарник кондиціонерів, випарник холодильників, сепаратор рідини, ежектори, паровий двигун і насос рідкого теплоносія, розташовані у верхній частині висотної споруди, а також парогенератор, розташований в нижній 3 UA 100304 C2 5 10 15 частині висотної споруди, при цьому парогенератор сполучений з першим і другим ежекторами, сонячним колектором, паровим двигуном і першим входом конденсатора, другий вхід якого сполучений з водопроводом, перший ежектор сполучений з першим входом конденсатора і випарником кондиціонерів, який сполучений з сепаратором рідини, який в свою чергу сполучений з випарником холодильників і з трубопроводом, що з'єднує випарник кондиціонерів з першим і другим ежекторами, а випарник холодильників сполучений також з другим ежектором. 2. Система тепло- і холодопостачання, що містить сполучені між собою трубопроводами сонячні колектори, випарник теплового насоса, конденсатор, теплообмінник, блок випарників холодильної системи, ежектори, інжекторний блок і компресор, розташовані у верхній частині висотної споруди, та парогенератор, конденсатор-бойлер і бак-акумулятор гарячого теплоносія, розташовані в нижній частині висотної споруди, при цьому парогенератор сполучений з блоком сонячних колекторів, конденсатором-бойлером, інжекторним блоком першим і другим ежекторами, інжекторний блок сполучений з другим входом конденсатора, першим і другим ежекторами, перший вхід конденсатора сполучений з водопроводом, перший ежектор сполучений з теплообмінником і блоком випарників холодильної системи, другий ежектор сполучений з випарником теплового насоса і блоком випарників холодильної системи, а теплообмінник сполучений з другим входом конденсатора і трубопроводом, що з'єднує парогенератор з блоком сонячних колекторів і випарником теплового насоса. 4 UA 100304 C2 5 UA 100304 C2 Комп’ютерна верстка С. Чулій 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 6