[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

RU2638252C1 - Cascade heat pump system for heating and hot water supply of private and utility spaces - Google Patents

Cascade heat pump system for heating and hot water supply of private and utility spaces Download PDF

Info

Publication number
RU2638252C1
RU2638252C1 RU2016122646A RU2016122646A RU2638252C1 RU 2638252 C1 RU2638252 C1 RU 2638252C1 RU 2016122646 A RU2016122646 A RU 2016122646A RU 2016122646 A RU2016122646 A RU 2016122646A RU 2638252 C1 RU2638252 C1 RU 2638252C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cascade
stage
heat
additional
evaporator
Prior art date
Application number
RU2016122646A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Алексеевич Сучилин
Николай Николаевич Губанов
Алексей Сергеевич Кочетков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный университет туризма и сервиса" (ФГБОУ ВО "РГУТИС")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный университет туризма и сервиса" (ФГБОУ ВО "РГУТИС") filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный университет туризма и сервиса" (ФГБОУ ВО "РГУТИС")
Priority to RU2016122646A priority Critical patent/RU2638252C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2638252C1 publication Critical patent/RU2638252C1/en

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D3/00—Hot-water central heating systems
    • F24D3/18—Hot-water central heating systems using heat pumps

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Heat-Pump Type And Storage Water Heaters (AREA)

Abstract

FIELD: engines and pumps.
SUBSTANCE: invention relates to heating systems with heat pumps, using low-temperature heat sources of natural or artificial origin to obtain water, suitable for autonomous heating and hot water supply of premises of enterprises in the sphere of housing and communal services, as well as cottages and private houses. A cascade heat pump system comprising two heat pumps connected in series to the consumer, which form the stages of the cascade. The first stage of the cascade of evaporator is included in the circulation circuit of low-heat source and capacitor of the second stage of the cascade is included in the circulation circuit heat consumer, it contains additional circulating outline with technological medium temperature heat transfer agent. The condenser of the first stage of the cascade and the evaporator of the second stage of the cascade are included in said additional circulation circuit, and at the outlet of the evaporator of the second stage of the cascade it contains an additional capacity for overheating of the saturated vapour of the refrigerant, and at the output of the condenser of the second stage of the cascade it contains an additional reservoir for the selection of excess heat of the refrigerant. Part of the excess heat generated by cooling the refrigerant additional condenser capacity the second stage of the cascade can be used for vapour refrigerant superheat in additional capacity at the outlet of the evaporator is the second stage of the cascade.
EFFECT: increase of reliability and efficiency of the cascade heat pump system, built on the basis of typical elements of heat pumps.
11 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к системам отопления с тепловыми насосами, использующими тепло низкотемпературных источников естественного или искусственного происхождения для получения воды, пригодной для автономного отопления и горячего водоснабжения помещений предприятий сферы ЖКХ и быта, а также дач и домов частного сектора.The invention relates to heating systems with heat pumps using the heat of low-temperature sources of natural or artificial origin to produce water suitable for autonomous heating and hot water supply of premises of housing and public utilities enterprises, as well as dachas and homes of the private sector.

Известно, что применение многоступенчатых (каскадных) схем теплонасосных установок (ТНУ) вместо одноступенчатых ТНУ позволяет повысить коэффициент трансформации тепла и обеспечить потребителя теплом высокого потенциала. Однако возможности использования подобных ТНУ ограничиваются достаточно высокой стоимостью более сложных каскадных схем.It is known that the use of multi-stage (cascade) schemes of heat pump units (HPH) instead of single-stage HPH allows to increase the heat transformation coefficient and provide the consumer with high potential heat. However, the possibilities of using such HPI are limited by the rather high cost of more complex cascade schemes.

Создание каскадных ТНУ на базе простых по конструкции и надежных типовых тепловых насосов малой и средней мощности, без необходимости их значительной модернизации, позволяет существенно снизить стоимость автономных систем отопления и горячего водоснабжения и сделать их более доступными для индивидуальных потребителей. Для снижения энергопотребления каскадных ТНУ, повышения надежности их работы, сокращения необратимых потерь тепла решаются задачи наиболее эффективного объединения нескольких тепловых насосов в единую тепловую систему.Creation of cascade HPPs based on simple and reliable standard heat pumps of small and medium power, without the need for significant modernization, can significantly reduce the cost of autonomous heating and hot water systems and make them more affordable for individual consumers. To reduce the energy consumption of cascade HPPs, increase their reliability, reduce irreversible heat losses, the tasks of the most efficient combination of several heat pumps into a single heat system are solved.

Известна двухступенчатая ТНУ по патенту RU №2306496 [1], 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.Known two-stage HPI according to patent RU No. 2306496 [1], containing a pump, a circulation circuit with two compressors installed in it, each of which is connected in series with a condenser, a throttle valve, an evaporator, characterized in that both compressors are installed in the upper stage, also installation additionally contains a separation tank included in the circulation circuit between two compressors in the upper stage, dividing the circulation circuit into two circuits, two steam-jet ejectors in the lower stage, one n of which is connected between one condenser and compressor, the other between the other condenser and compressor, and the separation tank has an additional connection to the circulation circuit in the section between the nozzles of steam-jet ejectors, each of which is connected to the evaporator, two regenerative heat exchangers connected in series, each of which is installed in the area between the capacitor and the throttle valve and connected to the input of the separation tank, and the output of the separation tank is connected to the input of each of the upper-stage compressor, the evaporator for water network is connected on one side to the pump, on the other - to the top of the separation vessel, and by working agent is coupled to an input of each steam ejector and the outlet of each throttle valve.

В данной установке, вместо парокомпрессионного компрессора нижней ступени, для достижения требуемых параметров (давления и температуры) рабочего агента используются пароструйные эжекторы, не требующие дополнительных затрат электрической энергии. Однако пароэжекторные устройства характеризуются низким КПД на номинальной нагрузке, причем КПД еще более снижается при снижении нагрузки. Кроме того, пароструйные эжекторы соединены последовательно, что снижает общий КПД теплонасосной установки. Работа пароструйных эжекторов также сопровождается повышенным шумовым эффектом, поэтому, для соблюдения санитарно-гигиенических норм по уровню шума в жилых и общественных зданиях, требуется дополнительная звукоизоляция помещения, в котором установлена ТНУ, что существенно увеличивает затраты на обустройство такой системы.In this installation, instead of the vapor compression compressor of the lower stage, steam-jet ejectors are used that do not require additional costs of electric energy to achieve the required parameters (pressure and temperature) of the working agent. However, steam ejection devices are characterized by low efficiency at rated load, and the efficiency is further reduced with reduced load. In addition, steam jet ejectors are connected in series, which reduces the overall efficiency of the heat pump installation. The operation of steam jet ejectors is also accompanied by an increased noise effect, therefore, in order to comply with sanitary and hygienic standards for noise levels in residential and public buildings, additional soundproofing of the room in which the HPI is installed is required, which significantly increases the cost of arranging such a system.

Известен тепловой насос (патент на полезную модель RU №121044 [2]), содержащий две ступени - верхнюю и нижнюю, при этом верхняя ступень включает последовательно установленные компрессорный агрегат, нагреватель внешнего теплоносителя, распределитель потоков рабочего тела между ступенями, регулирующий вентиль и испаритель-конденсатор, а нижняя ступень включает последовательно установленные испаритель-конденсатор, регулирующий вентиль, испаритель и компрессорный агрегат нижней ступени. Техническим результатом предложенного технического решения является возможность выполнить процесс теплообмена эффективным, достичь высоких температур подогрева и утилизировать в конденсаторе все тепло.Known heat pump (patent for utility model RU No. 121044 [2]), containing two stages - the upper and lower, while the upper stage includes sequentially installed compressor unit, an external heat carrier heater, a distributor of working fluid flows between the stages, a control valve and an evaporator condenser, and the lower stage includes sequentially installed evaporator-condenser, control valve, evaporator and compressor unit of the lower stage. The technical result of the proposed technical solution is the ability to perform an efficient heat exchange process, achieve high heating temperatures and utilize all the heat in the condenser.

Однако в комбинированных теплообменниках типа испаритель-конденсатор, где с одной стороны циркулирует конденсирующийся хладагент, а с другой - испаряющийся, существует опасность, вследствие проходящих в теплоносителях фазовых переходов, возникновения резких изменений температуры хладагентов и потери управляемости проходящими в теплообменниках тепловыми процессами. Требуется более сложная и дорогостоящая система управления, что приведет к росту стоимости и сложности эксплуатации такой ТНУ.However, in combined heat exchangers of the evaporator-condenser type, where the condensing refrigerant circulates on the one hand and the evaporating refrigerant on the other, there is a danger due to phase transitions occurring in the coolants, the occurrence of sharp changes in the temperature of the refrigerants and the loss of controllability by the thermal processes taking place in the heat exchangers. A more complex and expensive control system is required, which will lead to an increase in the cost and complexity of operating such an HPU.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению является теплонасосная установка по патенту RU №2382282 [3]. Каскадная теплонасосная установка содержит источник низкопотенциального тепла и установленные перед потребителем тепла по крайней мере два последовательно соединенных тепловых насоса, образующие ступени каскада, причем конденсатор предыдущей ступени каскада и испаритель последующей ступени каскада совмещены в одном двухконтурном теплообменнике, причем конденсатор последней ступени каскада включен в циркуляционный контур потребителя тепла, а испаритель первой ступени каскада включен в циркуляционный контур источника тепла. В ТНУ могут быть использованы различные источники низкопотенциального тепла - теплоэлектроцентраль, котельная, электростанция, система оборотного водоснабжения предприятий, сточные воды жилых зданий, промышленных и сельскохозяйственных предприятий, геотермальные воды и другие. ТНУ данной схемы может обеспечить горячую воду достаточно высокой температуры для отопления и горячего водоснабжения в холодное время года.The closest in technical essence to the claimed technical solution is a heat pump installation according to patent RU No. 2382282 [3]. The cascade heat pump installation contains a source of low potential heat and at least two heat pumps in series that are installed in front of the heat consumer and form the stages of the cascade, the condenser of the previous stage of the cascade and the evaporator of the subsequent stage of the cascade combined in one double-circuit heat exchanger, and the condenser of the last stage of the cascade is included in the circulation circuit heat consumer, and the evaporator of the first stage of the cascade is included in the circulation circuit of the heat source. In TNU, various sources of low potential heat can be used - a cogeneration plant, a boiler house, a power plant, a recycling water supply system for enterprises, wastewater from residential buildings, industrial and agricultural enterprises, geothermal waters, and others. HPP of this scheme can provide hot water of a sufficiently high temperature for heating and hot water supply in the cold season.

Помимо типовых для тепловых насосов узлов, в прототипе используется двухконтурный теплообменник, в котором совмещены конденсатор первого каскада и испаритель второго каскада, что позволяет существенно снизить необратимые тепловые потери и благодаря этому уменьшить потребляемую теплонасосной установкой мощность. Однако в двухконтурном теплообменнике происходит интенсивный теплообмен между конденсирующимся и испаряющимся хладагентами, сопровождающийся практически не управляемыми фазовыми переходами. Существует опасность возникновения резких изменений температуры хладагентов, что может вызвать тепловые удары в системе. Опасность особенно велика, если в ТНУ имеется несколько компрессоров. Для предотвращения повреждения компонентов ТНУ из-за возможных тепловых ударов, особенно в процессе запуска ТНУ, и для обеспечения необходимой эксплуатационной надежности существенно ужесточаются требования к управлению работой такой ТНУ, что приводит к усложнению структуры системы управления и удорожанию всей ТНУ. Кроме того, практика применения ТНУ компрессионного типа показывает, что пар хладагента при выходе из испарителя может содержать капли жидкого хладагента, а попадание жидкости вместе с паром на вход компрессора снижает его производительность и может вообще вывести его из строя. Кроме того, эффективность ТНУ снижается из-за необратимых потерь тепла вследствие возможной неполной конденсации хладагента в конденсаторе последнего контура.In addition to the units typical for heat pumps, the prototype uses a dual-circuit heat exchanger, in which the condenser of the first stage and the evaporator of the second stage are combined, which can significantly reduce irreversible heat losses and thereby reduce the power consumed by the heat pump installation. However, in the dual-circuit heat exchanger, intense heat exchange occurs between the condensing and evaporating refrigerants, accompanied by practically uncontrolled phase transitions. There is a risk of sudden changes in the temperature of the refrigerants, which can cause thermal shock in the system. The danger is especially great if there are several compressors in the TNU. To prevent damage to the components of the HPU due to possible thermal shock, especially during the process of starting the HPU, and to ensure the necessary operational reliability, the requirements for controlling the operation of such HPUs are significantly tightened, which complicates the structure of the control system and the cost of the entire HPU. In addition, the practice of using compression-type HPI shows that the refrigerant vapor at the outlet of the evaporator may contain droplets of liquid refrigerant, and the ingress of liquid along with the vapor at the compressor inlet reduces its performance and can even disable it. In addition, the efficiency of the HPP is reduced due to irreversible heat loss due to the possible incomplete condensation of the refrigerant in the condenser of the last circuit.

Задачей предложенного изобретения является повышение надежности и эффективности работы каскадной двухступенчатой ТНУ компрессионного типа, построенной на базе типовых элементов тепловых насосов, за счет повышения надежности и эффективности работы второй ступени теплонасосной установки.The objective of the proposed invention is to increase the reliability and efficiency of a cascade two-stage compression-type heat pump built on the basis of typical elements of heat pumps, by increasing the reliability and efficiency of the second stage of the heat pump installation.

Поставленная задача решается за счет того, что каскадная теплонасосная установка, содержащая установленные перед потребителем тепла два последовательно соединенных тепловых насоса, образующих ступени каскада, причем испаритель первой ступени каскада включен в циркуляционный контур низкопотенциального источника тепла, а конденсатор второй ступени каскада включен в циркуляционный контур потребителя тепла, отличается тем, что содержит дополнительный циркуляционный контур с технологическим среднетемпературным теплоносителем, причем конденсатор первой ступени каскада и испаритель второй ступени каскада включены в указанный дополнительный циркуляционный контур, а на выходе из испарителя второй ступени каскада содержит дополнительную емкость для перегрева насыщенного пара хладагента, а на выходе из конденсатора второй ступени каскада содержит дополнительную емкость для отбора избыточной теплоты хладагента, при этом часть избыточной теплоты, полученной при охлаждении хладагента в дополнительной емкости на выходе из конденсатора второй ступени каскада, утилизируется и используется для перегрева насыщенного пара хладагента в дополнительной емкости на выходе из испарителя второй ступени каскада.The problem is solved due to the fact that the cascade heat pump installation, containing two heat pumps in series connected to the cascade stages installed in front of the heat consumer, the evaporator of the first stage of the cascade is included in the circulation circuit of the low-grade heat source, and the condenser of the second stage of the cascade is included in the consumer circuit heat, characterized in that it contains an additional circulation circuit with a technological medium temperature coolant, the condenser of the first stage of the cascade and the evaporator of the second stage of the cascade are included in the specified additional circulation circuit, and at the outlet of the evaporator of the second stage of the cascade contains an additional capacity for overheating of saturated vapor of the refrigerant, and at the outlet of the condenser of the second stage of the cascade it contains an additional capacity for collecting excess heat of the refrigerant, while part of the excess heat obtained by cooling the refrigerant in an additional tank at the outlet of the condenser of the second stage of the cascade, utilizir etsya and is used to superheat the saturated refrigerant vapor in the additional tank at the outlet of the second evaporator stage of the cascade.

В качестве технологического среднетемпературного теплоносителя в дополнительном циркуляционном контуре может быть использована вода.Water can be used as an technological medium temperature coolant in an additional circulation circuit.

Отбор избыточной теплоты от хладагента в дополнительной емкости на выходе из конденсатора второй ступени каскада может осуществляться за счет передачи тепла от хладагента в окружающую среду через стенки дополнительной емкости. Дополнительная емкость на выходе из конденсатора второй ступени каскада может представлять собой цилиндрическую емкость объемом не более 1/3 от объема конденсатора второй ступени. На наружной поверхности дополнительной емкости на выходе из конденсатора второй ступени каскада могут быть закреплены многослойные пленочные термопары, преобразующие часть избыточной теплоты, полученной при охлаждении хладагента, в электроэнергию, причем полученная электрическая энергия может накапливаться в аккумуляторе утилизированной электроэнергии.The excess heat from the refrigerant in the additional tank at the outlet of the condenser of the second stage of the cascade can be removed by transferring heat from the refrigerant to the environment through the walls of the additional tank. The additional capacity at the outlet of the capacitor of the second stage of the cascade may be a cylindrical capacity of not more than 1/3 of the volume of the capacitor of the second stage. On the outer surface of the additional capacity at the outlet of the condenser of the second stage of the cascade, multilayer film thermocouples can be fixed, which convert part of the excess heat obtained by cooling the refrigerant into electricity, and the resulting electrical energy can accumulate in the battery of utilized electricity.

Перегрев насыщенного пара хладагента в дополнительной емкости на выходе из испарителя второй ступени каскада может происходить за счет подвода тепла от внешнего источника тепла через стенки дополнительной емкости. Дополнительная емкость на выходе из испарителя второй ступени каскада может представлять собой цилиндрическую емкость объемом не более

Figure 00000001
от объема испарителя второй ступени. В качестве внешнего источника тепла для перегрева насыщенного пара хладагента в дополнительной емкости на выходе из испарителя второй ступени каскада могут использоваться пленочные электронагреватели, закрепленные на наружной поверхности дополнительной емкости, причем электрическая энергия к пленочным электронагревателям может подаваться от аккумулятора утилизированной электроэнергии.Overheating of saturated refrigerant vapor in an additional tank at the outlet of the evaporator of the second stage of the cascade can occur due to the supply of heat from an external heat source through the walls of the additional tank. Additional capacity at the outlet of the evaporator of the second stage of the cascade may be a cylindrical tank with a volume of not more than
Figure 00000001
from the volume of the evaporator of the second stage. As an external heat source for overheating of saturated refrigerant vapor in an additional tank at the outlet of the evaporator of the second stage of the cascade, film electric heaters mounted on the outer surface of the additional tank can be used, and electric energy can be supplied to the film electric heaters from the utilized battery.

Управление работой многослойных пленочных термопар, пленочных электронагревателей и аккумулятора утилизированной электроэнергии может осуществляться с помощью программируемого логического контроллера.The operation of multilayer film thermocouples, film electric heaters and a battery of recovered electricity can be controlled using a programmable logic controller.

Содержание заявленного изобретения иллюстрируется чертежом - принципиальной схемой общего вида ТНУ.The content of the claimed invention is illustrated in the drawing - a schematic diagram of the General view of HPI.

Теплонасосная установка имеет две ступени - А и Б на основе тепловых насосов компрессионного типа. Первая ступень А включает емкость 2 для поступления низкотемпературного теплоносителя от грунтового теплообменника и с трубчатым испарителем первого теплового насоса, помещенным в данную емкость, компрессор 3, дроссель 1, емкость 4 для технологического среднетемпературного теплоносителя и с трубчатым конденсатором первого теплового насоса, помещенным в данную емкость. Вторая ступень Б включает емкость 21 для технологического среднетемпературного теплоносителя с трубчатым испарителем второго теплового насоса, помещенным в данную емкость, компрессор 31, дроссель 11, дополнительную емкость 5, на поверхности которой закреплены пленочные электронагреватели (не показано), дополнительную емкость 6, на поверхности которой закреплены многослойные пленочные термопары (не показано), емкость 41 для отопительной воды с трубчатым конденсатором второго теплового насоса, помещенным в данную емкость.The heat pump installation has two stages - A and B on the basis of compression type heat pumps. The first stage A includes a tank 2 for receiving a low-temperature coolant from a soil heat exchanger and with a tubular evaporator of the first heat pump placed in this tank, a compressor 3, a choke 1, a tank 4 for a technological medium-temperature coolant and with a tubular condenser of the first heat pump placed in this tank . The second stage B includes a tank 2 1 for a medium-temperature technological heat transfer medium with a tubular evaporator of the second heat pump placed in this tank, a compressor 3 1 , a choke 1 1 , an additional tank 5, on the surface of which film-type electric heaters are fixed (not shown), an additional tank 6, on the surface of which multilayer film thermocouples (not shown) are fixed, a tank 4 1 for heating water with a tubular condenser of the second heat pump placed in this tank.

Емкости 4 и 21 связаны между собой трубопроводами С, C1 и С2 и образуют дополнительный циркуляционный контур.Tanks 4 and 2 1 are interconnected by pipelines C, C 1 and C 2 and form an additional circulation circuit.

Емкость 41 связана с системой отопления помещения через трубопроводы d, d1, Е и с центральным трубопроводом Д - через вентиль 7 (показан условно).Capacity 4 1 is connected with the heating system of the room through pipelines d, d 1 , E and with the central pipeline D through valve 7 (shown conditionally).

На чертеже не показаны жидкостные насосы для прокачки теплоносителей, аккумулятор для утилизации электроэнергии от пленочных многослойных термопар, логический контроллер для управления, а также фильтр и емкость - накопитель для подачи из емкости 41 воды для горячего водоснабжения.The drawing does not show liquid pumps for pumping coolants, a battery for the recovery of electricity from film multilayer thermocouples, a logic controller for control, and a filter and a tank - a drive for supplying water from a tank 4 1 for hot water supply.

Каскадная ТНУ работает следующим образом. Рабочая жидкость (чаще всего, антифриз или специальный рассол) грунтового теплообменника внешнего контура поступает в емкость 2, где по трубчатому испарителю, помещенному в данную емкость, циркулирует хладагент. На выходе из испарителя хладагент находится в виде пара, который поступает в компрессор 3, где сжимается, приобретая высокую температуру, и далее поступает в трубчатый конденсатор, помещенный в емкость 4. Трубчатый конденсатор нагревает циркулирующий в дополнительном циркуляционном контуре между емкостями 4 и 21 технологический среднетемпературный теплоноситель, например, воду, до температуры 50-55°С. Нагретый технологический среднетемпературный теплоноситель из емкости 4 поступает по трубопроводу С2 в емкость 21 и нагревает хладагент, циркулирующий в трубчатом испарителе второго теплового насоса. Отработанный технологический среднетемпературный теплоноситель из емкости 21 поступает по трубопроводу C1 и С в емкость 4. Использование дополнительного циркуляционного контура с технологическим среднетемпературным теплоносителем позволяет стабилизировать процессы теплообмена при испарении и конденсации хладагентов и снизить уровень термических напряжений в конструкциях.Cascade TNU works as follows. The working fluid (most often, antifreeze or special brine) of the soil heat exchanger of the external circuit enters the tank 2, where the refrigerant circulates through a tubular evaporator placed in this tank. At the outlet of the evaporator, the refrigerant is in the form of steam, which enters the compressor 3, where it is compressed, acquiring a high temperature, and then enters the tubular condenser placed in the tank 4. The tubular condenser heats the process circulating in the additional circulation circuit between tanks 4 and 2 1 medium temperature coolant, for example, water, to a temperature of 50-55 ° C. The heated process medium temperature coolant from the tank 4 enters through the pipe 2 to the tank 2 1 and heats the refrigerant circulating in the tube evaporator of the second heat pump. The spent technological medium-temperature coolant from tank 2 1 enters through a pipeline C 1 and C to tank 4. Using an additional circulation circuit with a technological medium-temperature coolant allows to stabilize heat transfer processes during evaporation and condensation of refrigerants and reduce the level of thermal stresses in structures.

Пар хладагента на выходе из трубчатого испарителя второго теплового насоса может содержать некоторое количество жидкости, что снижает производительность и надежность работы компрессора теплового насоса. Поэтому, для предотвращения попадания капель жидкого хладагента в компрессор, после трубчатого испарителя второго теплового насоса пар хладагента поступает в дополнительную емкость 5, где перегревается под воздействием тепла, вырабатываемого пленочными электронагревателями, закрепленными на наружной поверхности дополнительной емкости 5. Пленочные электронагреватели могут быть выполнены, например, по патенту RU №2234822 [4]. Электрическая энергия к пленочным электронагревателям подается от аккумулятора утилизированной электроэнергии.The refrigerant vapor at the outlet of the tubular evaporator of the second heat pump may contain a certain amount of liquid, which reduces the performance and reliability of the compressor of the heat pump. Therefore, to prevent droplets of liquid refrigerant from getting into the compressor, after the tubular evaporator of the second heat pump, the refrigerant vapor enters the additional tank 5, where it overheats under the influence of heat generated by film electric heaters mounted on the outer surface of the additional tank 5. Film electric heaters can be made, for example , according to patent RU No. 2234822 [4]. Electric energy is supplied to the film electric heaters from the battery of recovered electricity.

Из дополнительной емкости 5 полученный сухой пар хладагента поступает в компрессор 31 и далее - в трубчатый конденсатор второго теплового насоса, помещенный в емкость 41. Находящаяся в емкости 41 вода для отопления и горячего водоснабжения нагревается от трубчатого конденсатора до температуры 90-95°С и поступает по трубопроводу d во внутренний теплообменник контура ТНУ - к приборам отопления помещения (батареям) и через фильтр и емкость-накопитель - в систему горячего водоснабжения. Процесс конденсации хладагента происходит, в основном, в трубчатом конденсаторе второго теплового насоса, расположенном в емкости 41, а продолжение конденсации происходит при прохождении хладагента через дополнительную емкость 6, на поверхности которой закреплены многослойные пленочные термопары (выполненные, например, по патенту RU №2131156 [5]), преобразующие часть избыточной тепловой энергии хладагента в электрическую. Выработанная многослойными пленочными термопарами электроэнергия поступает в аккумулятор для утилизации и используется в дальнейшем для питания пленочных электронагревателей, закрепленных на наружной поверхности дополнительной емкости 5. Аккумулятор для утилизации электроэнергии, помимо пленочных многослойных термопар, также может подзаряжаться и от других источников электропитания (солнечных батарей, ветрогенератора и т.д.).From the additional tank 5, the resulting dry refrigerant vapor enters the compressor 3 1 and then into the tubular condenser of the second heat pump placed in the tank 4 1 . The water for heating and hot water supply located in the tank 4 1 is heated from the tubular condenser to a temperature of 90-95 ° С and enters through the pipeline d to the internal heat exchanger of the ТНУ circuit - to the room heating devices (batteries) and through the filter and storage tank to the system hot water supply. The process of condensation of the refrigerant occurs mainly in the tubular condenser of the second heat pump, located in the tank 4 1 , and the continuation of the condensation occurs when the refrigerant passes through the additional tank 6, on the surface of which multilayer film thermocouples are fixed (made, for example, according to patent RU No. 2131156 [5]), which convert part of the excess thermal energy of the refrigerant into electrical energy. Electricity generated by multilayer film thermocouples enters the battery for disposal and is then used to power film electric heaters mounted on the outer surface of the additional capacity 5. The battery for energy recovery, in addition to film multilayer thermocouples, can also be recharged from other power sources (solar panels, wind generator etc.).

Таким образом, за счет полезного использования тепла конденсация хладагента в дополнительной емкости 6, снижаются необратимые потери тепла и повышается теплоэффективность ТНУ.Thus, due to the beneficial use of heat, condensation of the refrigerant in the additional tank 6, irreversible heat loss is reduced and the heat efficiency of the HPP is increased.

Переохлажденный жидкий хладагент после дополнительной емкости 6 через дроссель 11 поступает снова в трубчатый испаритель второго теплового насоса, расположенный в емкости 21.The supercooled liquid refrigerant after the additional tank 6 through the choke 1 1 enters again into the tubular evaporator of the second heat pump located in the tank 2 1 .

Отработанная вода из системы отопления и горячего водоснабжения возвращается в емкость 41 по трубопроводу d1 через трубопровод обратной воды Е. Подпитка, в случае необходимости, емкости 41 отопительной водой осуществляется от центрального трубопровода Д с помощью вентиля 7.Wastewater from the heating system and hot water supply is returned to the tank 4 1 through the pipeline d 1 through the return water pipe E. Water, if necessary, is filled into the tank 4 1 with heating water from the central pipe D using valve 7.

Управление работой многослойных пленочных термопар, пленочных электронагревателей и аккумулятора утилизированной электроэнергии осуществляется с помощью программируемого логического контроллера (ПЛК). ПЛК также используется для контроля различных параметров ТНУ - температуры, давления и расхода теплоносителя, скорости изменения температуры, температуры хладагента в различных участках контура ТНУ и т.д.The operation of multilayer film thermocouples, film electric heaters and a battery of recovered electricity is controlled using a programmable logic controller (PLC). PLC is also used to control various parameters of HPP - temperature, pressure and coolant flow rate, rate of temperature change, refrigerant temperature in various parts of the HPH circuit, etc.

Реализация приведенных технических решений обеспечивает повышение эффективности работы, надежности и производительности каскадной ТНУ.The implementation of the technical solutions provided provides an increase in the efficiency, reliability and performance of cascade HPP.

Источники информацииInformation sources

1. Патент на изобретение RU №2306496 «Двухступенчатая теплонасосная установка».1. Patent for invention RU No. 2306496 "Two-stage heat pump installation."

2. Патент на полезную модель RU №121044 «Тепловой насос».2. Patent for utility model RU No. 121044 “Heat pump”.

3. Патент на изобретение RU №2382282 «Система теплоснабжения».3. Patent for invention RU No. 2382282 “Heat supply system”.

4. Патент на изобретение RU №2234822 «Гибкий электронагреватель».4. Patent for invention RU No. 2234822 "Flexible electric heater."

5. Патент на изобретение RU №2131156 «Термоэлектрический преобразователь».5. Patent for invention RU No. 2111156 "Thermoelectric Converter".

Claims (11)

1. Каскадная теплонасосная установка, содержащая установленные перед потребителем тепла два последовательно соединенных тепловых насоса, образующих ступени каскада, причем испаритель первой ступени каскада включен в циркуляционный контур низкопотенциального источника тепла, а конденсатор второй ступени каскада включен в циркуляционный контур потребителя тепла, отличающаяся тем, что содержит дополнительный циркуляционный контур с технологическим среднетемпературным теплоносителем, причем конденсатор первой ступени каскада и испаритель второй ступени каскада включены в указанный дополнительный циркуляционный контур, а на выходе из испарителя второй ступени каскада содержит дополнительную емкость для перегрева насыщенного пара хладагента, а на выходе из конденсатора второй ступени каскада содержит дополнительную емкость для отбора избыточной теплоты хладагента, при этом часть избыточной теплоты, полученной при охлаждении хладагента в дополнительной емкости на выходе из конденсатора второй ступени каскада, утилизируется и используется для перегрева насыщенного пара хладагента в дополнительной емкости на выходе из испарителя второй ступени каскада.1. A cascade heat pump installation containing two heat pumps in series connected in front of a heat consumer and forming stages of a cascade, the evaporator of the first stage of the cascade being included in the circulating circuit of a low-grade heat source, and the condenser of the second stage of the cascade being included in the circulating circuit of a heat consumer, characterized in that contains an additional circulation circuit with a technological medium temperature coolant, and the condenser of the first stage of the cascade and ispa the cascade second stage compressor is included in the indicated additional circulation circuit, and at the outlet of the second cascade stage evaporator it contains an additional capacity for superheating of saturated refrigerant vapor, and at the outlet of the second stage cascade condenser it contains an additional capacity for taking off the excess heat of the refrigerant, while part of the excess heat obtained by cooling the refrigerant in an additional tank at the outlet of the condenser of the second stage of the cascade is utilized and used to overheat saturated th refrigerant vapor in the additional tank at the outlet of the second evaporator stage of the cascade. 2. Каскадная теплонасосная установка по п. 1, отличающаяся тем, что в дополнительном циркуляционном контуре в качестве технологического среднетемпературного теплоносителя используется вода.2. The cascade heat pump installation according to claim 1, characterized in that water is used in the additional circulation circuit as a process medium temperature coolant. 3. Каскадная теплонасосная установка по п. 1, отличающаяся тем, что отбор избыточной теплоты от хладагента в дополнительной емкости на выходе из конденсатора второй ступени каскада осуществляется за счет передачи тепла от хладагента в окружающую среду через стенки дополнительной емкости.3. The cascade heat pump installation according to claim 1, characterized in that the excess heat is removed from the refrigerant in the additional tank at the outlet of the condenser of the second stage of the cascade by heat transfer from the refrigerant to the environment through the walls of the additional tank. 4. Каскадная теплонасосная установка по п. 1, отличающаяся тем, что перегрев насыщенного пара хладагента в дополнительной емкости на выходе из испарителя второй ступени каскада происходит за счет подвода тепла от внешнего источника тепла через стенки дополнительной емкости.4. The cascade heat pump installation according to claim 1, characterized in that the overheating of saturated refrigerant vapor in the additional tank at the outlet of the evaporator of the second stage of the cascade occurs due to the supply of heat from an external heat source through the walls of the additional tank. 5. Каскадная теплонасосная установка по п. 3, отличающаяся тем, что дополнительная емкость на выходе из конденсатора второй ступени каскада представляет собой цилиндрическую емкость объемом не более 1/3 от объема конденсатора второй ступени.5. The cascade heat pump installation according to claim 3, characterized in that the additional capacity at the outlet of the condenser of the second stage of the cascade is a cylindrical tank with a volume of not more than 1/3 of the volume of the condenser of the second stage. 6. Каскадная теплонасосная установка по п. 3, отличающаяся тем, что на наружной поверхности дополнительной емкости на выходе из конденсатора второй ступени каскада закреплены многослойные пленочные термопары, преобразующие часть избыточной теплоты, полученной при охлаждении хладагента, в электроэнергию.6. The cascade heat pump installation according to claim 3, characterized in that multilayer film thermocouples are mounted on the outer surface of the additional tank at the outlet of the condenser of the second stage of the cascade, converting part of the excess heat obtained by cooling the refrigerant into electricity. 7. Каскадная теплонасосная установка по п. 4, отличающаяся тем, что дополнительная емкость на выходе из испарителя второй ступени каскада представляет собой цилиндрическую емкость объемом не более 1/2 от объема испарителя второй ступени.7. The cascade heat pump installation according to claim 4, characterized in that the additional capacity at the outlet of the evaporator of the second stage of the cascade is a cylindrical tank with a volume of not more than 1/2 of the volume of the evaporator of the second stage. 8. Каскадная теплонасосная установка по п. 4, отличающаяся тем, что в качестве внешнего источника тепла для перегрева насыщенного пара хладагента используются пленочные электронагреватели, закрепленные на наружной поверхности дополнительной емкости на выходе из испарителя второй ступени каскада.8. The cascade heat pump installation according to claim 4, characterized in that film electric heaters are used as an external heat source for overheating the saturated refrigerant vapor, mounted on the outer surface of the additional tank at the outlet of the evaporator of the second stage of the cascade. 9. Каскадная теплонасосная установка по п. 6, отличающаяся тем, что электрическая энергия, полученная от многослойных пленочных термопар, накапливается в аккумуляторе утилизированной электроэнергии.9. The cascade heat pump installation according to claim 6, characterized in that the electric energy received from the multilayer film thermocouples is accumulated in the battery of utilized electricity. 10. Каскадная теплонасосная установка по п. 8, отличающаяся тем, что электрическая энергия к пленочным электронагревателям подается от аккумулятора утилизированной электроэнергии.10. The cascade heat pump installation according to claim 8, characterized in that the electric energy to the film electric heaters is supplied from the battery of utilized electricity. 11. Каскадная теплонасосная установка по любому из пп. 6, 8, 9 и 10, отличающаяся тем, что управление работой многослойных пленочных термопар, пленочных электронагревателей и аккумулятора утилизированной электроэнергии осуществляется с помощью программируемого логического контроллера.11. Cascade heat pump installation according to any one of paragraphs. 6, 8, 9 and 10, characterized in that the operation of multilayer film thermocouples, film electric heaters and a battery of recovered electricity is controlled using a programmable logic controller.
RU2016122646A 2016-06-08 2016-06-08 Cascade heat pump system for heating and hot water supply of private and utility spaces RU2638252C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016122646A RU2638252C1 (en) 2016-06-08 2016-06-08 Cascade heat pump system for heating and hot water supply of private and utility spaces

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016122646A RU2638252C1 (en) 2016-06-08 2016-06-08 Cascade heat pump system for heating and hot water supply of private and utility spaces

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2638252C1 true RU2638252C1 (en) 2017-12-12

Family

ID=60718508

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016122646A RU2638252C1 (en) 2016-06-08 2016-06-08 Cascade heat pump system for heating and hot water supply of private and utility spaces

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2638252C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU183519U1 (en) * 2017-12-25 2018-09-25 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) CASCADE HEAT PUMP UNIT WITH INTERMEDIATE HEAT BATTERY
CN109780612A (en) * 2019-01-11 2019-05-21 北京中矿博能节能科技有限公司 Modularization step proposes thermal gauge mould heating air energy source station system

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2298768A1 (en) * 1975-01-27 1976-08-20 Parica Recovery of heat from water source at medium temps. - using heat pumps and heat exchangers in a closed loop circulating system
EA014631B1 (en) * 2008-09-08 2010-12-30 Анатолий Иванович Малахов Heat supply system
KR20110109353A (en) * 2010-03-31 2011-10-06 문감사 Hot water generating system using 2 step heat pump cycles
WO2012062992A1 (en) * 2010-11-09 2012-05-18 Alain Moure Boiler having a high performance factor
RU2566900C2 (en) * 2012-03-06 2015-10-27 Открытое акционерное общество "ИНСОЛАР-ИНВЕСТ" Method of cascade heat pump heat supply

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2298768A1 (en) * 1975-01-27 1976-08-20 Parica Recovery of heat from water source at medium temps. - using heat pumps and heat exchangers in a closed loop circulating system
EA014631B1 (en) * 2008-09-08 2010-12-30 Анатолий Иванович Малахов Heat supply system
KR20110109353A (en) * 2010-03-31 2011-10-06 문감사 Hot water generating system using 2 step heat pump cycles
WO2012062992A1 (en) * 2010-11-09 2012-05-18 Alain Moure Boiler having a high performance factor
RU2566900C2 (en) * 2012-03-06 2015-10-27 Открытое акционерное общество "ИНСОЛАР-ИНВЕСТ" Method of cascade heat pump heat supply

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU183519U1 (en) * 2017-12-25 2018-09-25 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) CASCADE HEAT PUMP UNIT WITH INTERMEDIATE HEAT BATTERY
CN109780612A (en) * 2019-01-11 2019-05-21 北京中矿博能节能科技有限公司 Modularization step proposes thermal gauge mould heating air energy source station system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8584463B2 (en) Thermoelectric energy storage system having two thermal baths and method for storing thermoelectric energy
US8624410B2 (en) Electricity generation device with several heat pumps in series
AU2013273921B2 (en) A solar energy system
JP2016142272A (en) System for storing and discharging electric energy
US20030213248A1 (en) Condenser staging and circuiting for a micro combined heat and power system
RU2759557C2 (en) Device and method of thermodynamic cycle
WO2011017450A2 (en) Heat pump with integral solar collector
JP6133508B2 (en) A method of thermotechnically connecting a geothermal source to a district heat supply network.
US10676373B2 (en) Thermal utilization system and methods
RU2580914C2 (en) Heating device operating within irreversible thermodynamic cycle, for heating installations with high temperature of supply
US4382368A (en) Geothermal hot water system
CN102575531A (en) Method and system for generating high pressure steam
CN102278285A (en) High-temperature heat-accumulating-type new energy utilizing system
RU2638252C1 (en) Cascade heat pump system for heating and hot water supply of private and utility spaces
CN109028269B (en) Absorption heat pump unit and heat supply system for recycling low-temperature water source waste heat
JP2019078185A (en) Thermal storage type solar thermal power generation system
US10060299B2 (en) Thermo-elevation plant and method
EP2956722B1 (en) Water heating apparatus
US10712050B2 (en) Multi-stage heat engine
CN201367922Y (en) Power generating device utilizing enthalpy difference convection of replacement working media of sea water and waste heat
CA2813338C (en) Method of operation for cogeneration and tri-generation systems.
RU2812381C1 (en) Operating method of steam gas plant
CN216278056U (en) Off-peak electricity energy storage refrigerating device
CN210532692U (en) Double-evaporator water heater
RU114726U1 (en) COMBINED LOW POTENTIAL POWER INSTALLATION