RU2829400C1 - Multistage heat pump - Google Patents
Multistage heat pump Download PDFInfo
- Publication number
- RU2829400C1 RU2829400C1 RU2024114742A RU2024114742A RU2829400C1 RU 2829400 C1 RU2829400 C1 RU 2829400C1 RU 2024114742 A RU2024114742 A RU 2024114742A RU 2024114742 A RU2024114742 A RU 2024114742A RU 2829400 C1 RU2829400 C1 RU 2829400C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- stage
- inlet
- outlet
- separator
- compressor
- Prior art date
Links
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 22
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 abstract description 13
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 11
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 11
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 5
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 5
- 239000003570 air Substances 0.000 description 4
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 4
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 4
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N carbon dioxide Natural products O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 3
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 2
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 2
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 102220638341 Spartin_F24D_mutation Human genes 0.000 description 1
- 239000012080 ambient air Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к области тепловых насосов, и может быть использовано, например, для теплоснабжения зданий и сооружений, когда требуются источники теплоты одновременно двух и более температурных уровней или нагрев теплоносителя, значительно изменяющего свою температуру в процессе нагрева.The invention relates to thermal power engineering, namely to the field of heat pumps, and can be used, for example, for heat supply to buildings and structures when heat sources of two or more temperature levels are required simultaneously or heating of a heat carrier that significantly changes its temperature during the heating process.
Известны одноступенчатые тепловые насосы, которые позволяют использовать теплоту грунта, воды или воздуха окружающей среды, повышающие температурный уровень до необходимого с помощью одного компрессора, например, Теплонасосная установка для отопления и горячего водоснабжения [RU 2206026 C1, МПК F24D 15/04, F25B 29/00, опубл. 10.06.2003 г.], содержащая компрессор, первый бак-аккумулятор, конденсатор, состоящий из двух секций, испаритель, первый циркуляционный насос и пиковый подогреватель, она снабжена земляным трубопроводом, воздушным трубопроводом, блоком адаптивной температурной селекции, испарительно-конденсаторным агрегатом, вторым циркуляционным насосом, вторым баком-аккумулятором и двумя датчиками реле температуры, причем воздушный теплообменник и земляной трубопровод через блок адаптивной температурной селекции и первый циркуляционный насос соединены соответствующими трубопроводами с испарительно-конденсаторным агрегатом, который через второй циркуляционный насос соответствующими трубопроводами соединен с первым баком-аккумулятором, в верхней части которого размещен второй бак-аккумулятор, соединенный с трубопроводами холодной воды и горячего водоснабжения, в средней части первого бака-аккумулятора размещены два датчика реле температуры, первый из которых соединен электрически с компрессором, а второй - с пиковым подогревателем, размещенным в нижней части первого бака-аккумулятора, соединенного с трубопроводами холодной воды и отопительных приборов.Single-stage heat pumps are known that make it possible to use the heat of the ground, water or ambient air, increasing the temperature level to the required level using one compressor, for example, Heat pump unit for heating and hot water supply [RU 2206026 C1, IPC F24D 15/04, F25B 29/00, publ. 10.06.2003], comprising a compressor, a first storage tank, a condenser consisting of two sections, an evaporator, a first circulation pump and a peak heater, it is provided with an earth pipeline, an air pipeline, an adaptive temperature selection unit, an evaporative-condensing unit, a second circulation pump, a second storage tank and two temperature relay sensors, wherein the air heat exchanger and the earth pipeline through the adaptive temperature selection unit and the first circulation pump are connected by corresponding pipelines to the evaporative-condensing unit, which is connected through the second circulation pump by corresponding pipelines to the first storage tank, in the upper part of which the second storage tank is located, connected to the cold water and hot water supply pipelines, in the middle part of the first storage tank two temperature relay sensors are located, the first of which is electrically connected to the compressor, and the second - to the peak a heater located in the lower part of the first storage tank, connected to the cold water pipelines and heating devices.
Недостатком данного технического решения является малый коэффициент трансформации теплоты при использовании теплового насоса.The disadvantage of this technical solution is the low heat transformation coefficient when using a heat pump.
Известна теплонасосная установка [RU 2808026 C1, МПК F25B 30/02, опубл. 22.11.2023 г.], которая содержит в своем составе включенные в замкнутый циркуляционный контур рабочего тела компрессор, конденсатор воздушного охлаждения, дроссель, испаритель, четырехходовой клапан, соединительные трубопроводы, теплообменник воздушного охлаждения, расположенный перед конденсатором по ходу потока воздуха, обратные клапаны на основной и обводной линии трубопроводов холодильного агента. Теплообменник воздушного охлаждения соединен с линией теплового насоса обводной линией. После теплообменника воздушного охлаждения на обводной линии трубопроводов холодильного агента расположен дополнительный дроссель для дросселирования холодильного агента в режиме теплового насоса.A heat pump unit is known [RU 2808026 C1, IPC F25B 30/02, published 22.11.2023], which comprises a compressor, an air-cooled condenser, a throttle, an evaporator, a four-way valve, connecting pipelines, an air-cooled heat exchanger located in front of the condenser along the air flow, check valves on the main and bypass lines of the refrigerant pipelines, included in a closed circulation circuit of the working fluid. The air-cooled heat exchanger is connected to the heat pump line by a bypass line. After the air-cooled heat exchanger, an additional throttle is located on the bypass line of the refrigerant pipelines for throttling the refrigerant in the heat pump mode.
Недостатками этого технического решения является малый коэффициент трансформации теплоты при использовании теплового насоса: The disadvantages of this technical solution are the low heat transformation coefficient when using a heat pump:
1. для нескольких потребителей, требующих разные температурные уровни, так как рабочее тело нагревается до температуры, подходящей потребителю с максимальной температурой, а единственный компрессор совершает избыточную работу, перегревая рабочее тело выше температуры остальных потребителей;1. for several consumers requiring different temperature levels, since the working fluid is heated to a temperature suitable for the consumer with the maximum temperature, and the only compressor performs excess work, overheating the working fluid above the temperature of the other consumers;
2. для нагрева теплоносителя, который сильно меняет свою температуру по мере нагрева, так как рабочее тело необходимо нагревать до температуры несколько большей максимальной температуры теплоносителя. 2. to heat the coolant, which changes its temperature greatly as it heats up, since the working fluid must be heated to a temperature slightly higher than the maximum temperature of the coolant.
Известны однокомпрессорные тепловые насосы, работающие на сверхкритических параметрах, которые позволяют последовательно снижать температуру рабочего тела в каскаде теплообменников для различных нужд, например, многоцелевая теплонасосная установка [RU 2519895 C2, МПК F25D 11/00, опубл. 20.06.2014 г.], работающая на низкотемпературном рабочем теле - диоксиде углерода по циклу Лоренца, включающая компрессор, приводной электрический или газотурбинный двигатель, теплообменники для выработки теплоносителей, испаритель рабочего тела и низкопотенциальный источник теплоты, при этом компрессор осуществляет многоступенчатое сжатие рабочего тела, которое после каждой ступени сжатия частично отводится из компрессора и с помощью теплообменников используется для независимого нагрева теплоносителей, а охлажденные в теплообменниках потоки рабочего тела, имеющего разные давления, включаются в единый поток, поступающий в испаритель теплонасосной установки, что обеспечивается выравниванием давлений с помощью дроссельных вентилей.Single-compressor heat pumps are known that operate at supercritical parameters, which allow for a sequential reduction in the temperature of the working fluid in a cascade of heat exchangers for various needs, for example, a multi-purpose heat pump unit [RU 2519895 C2, IPC F25D 11/00, publ. [20.06.2014], operating on a low-temperature working fluid - carbon dioxide according to the Lorenz cycle, including a compressor, a drive electric or gas turbine engine, heat exchangers for generating heat carriers, an evaporator of the working fluid and a low-potential heat source, wherein the compressor carries out multi-stage compression of the working fluid, which after each compression stage is partially removed from the compressor and, with the help of heat exchangers, is used for independent heating of the heat carriers, and the flows of the working fluid cooled in the heat exchangers, having different pressures, are included in a single flow entering the evaporator of the heat pump unit, which is ensured by equalizing the pressures using throttle valves.
Их недостатком является применение рабочего тела в сверхкритических параметрах, что отдаляет термодинамический цикл от идеального обратного цикла Карно, поэтому коэффициент трансформации теплоты будет всегда ниже, чем у прочих парокомпрессионных циклов, работающих при докритических параметрах. Кроме того, применение диоксида углерода в качестве рабочего тела связано с высокими давлениями, порядка 50-80 атм, что требует особых мер по предотвращению разрыва трубопроводов, теплообменников и прочих элементов системы. Their disadvantage is the use of a working fluid in supercritical parameters, which moves the thermodynamic cycle away from the ideal reverse Carnot cycle, so the heat transformation coefficient will always be lower than that of other vapor compression cycles operating at subcritical parameters. In addition, the use of carbon dioxide as a working fluid is associated with high pressures, about 50-80 atm, which requires special measures to prevent rupture of pipelines, heat exchangers and other elements of the system.
Существуют каскадные тепловые насосы, содержащие в себе последовательно соединенные одноступенчатые тепловые насосы с независимыми контурами. Например, известен тепловой насос (варианты) [RU 2749080 C1, МПК F25B 30/02, F28D 20/00, F25B 7/00, F25B 27/00, F25B 30/06, опубл. 03.06.2021 г.], который содержит два испарителя, два компрессора, конденсатора и дроссельных вентиля, трехходовой кран, солнечный коллектор, аккумулятор низкопотенциального тепла, четырехходовой клапан, аккумулятор высокопотенциального тепла, соединенный с указанным еще одним жидкостным конденсатором с обеспечением возможности нагрева теплоносителя в аккумуляторе высокопотенциального тепла. Солнечный коллектор, соединенный с аккумулятором низкопотенциального тепла с возможностью дополнительного нагрева теплоносителя в аккумуляторе низкопотенциального тепла, дополнительно соединен с аккумулятором высокопотенциального тепла с возможностью переключения подачи теплоносителя солнечного коллектора с аккумулятора низкопотенциального тепла в аккумулятор высокопотенциального тепла при достижении температуры теплоносителя в солнечном коллекторе заданного значения. При этом обеспечена возможность отключения указанного компрессора с последующим включением указанного еще одного компрессора при нагреве теплоносителя в аккумуляторе низкопотенциального тепла до заданной температуры.There are cascade heat pumps containing series-connected single-stage heat pumps with independent circuits. For example, a heat pump (variants) is known [RU 2749080 C1, IPC F25B 30/02, F28D 20/00, F25B 7/00, F25B 27/00, F25B 30/06, published 03.06.2021], which contains two evaporators, two compressors, condensers and throttle valves, a three-way valve, a solar collector, a low-potential heat accumulator, a four-way valve, a high-potential heat accumulator connected to the said another liquid condenser with the ability to heat the coolant in the high-potential heat accumulator. A solar collector connected to a low-potential heat accumulator with the possibility of additional heating of the heat carrier in the low-potential heat accumulator is additionally connected to a high-potential heat accumulator with the possibility of switching the supply of the solar collector heat carrier from the low-potential heat accumulator to the high-potential heat accumulator when the temperature of the heat carrier in the solar collector reaches a specified value. In this case, the possibility of switching off the said compressor with subsequent switching on of the said one more compressor when the heat carrier in the low-potential heat accumulator is heated to a specified temperature is provided.
Недостатком таких технических решений является наличие перепада температур между испарителем последующей ступени и конденсатором предыдущей, обусловленным наличием промежуточного теплообменника, а иногда и теплоносителя. The disadvantage of such technical solutions is the presence of a temperature difference between the evaporator of the next stage and the condenser of the previous one, caused by the presence of an intermediate heat exchanger, and sometimes a coolant.
Известны каскадные двух и многоступенчатые тепловые насосы, например, «Многоступечатая теплонасосная установка» [RU 2705696 C2, МПК F25B 30/02, F25B 1/10, опубл. 11.11.2019 г.], которая содержит датчик уровня жидкой фракции хладагента сепаратора первой ступени и один исполнительный механизм, при этом выход датчика сообщен с входом исполнительного механизма, подключенного к дросселю первой ступени, и дроссели каждой ступени выполнены с возможностью обеспечения расходов хладагента.Cascade two- and multi-stage heat pumps are known, for example, the "Multi-stage heat pump unit" [RU 2705696 C2, IPC F25B 30/02, F25B 1/10, published 11.11.2019], which contains a liquid fraction level sensor of the first-stage separator refrigerant and one actuator, wherein the sensor output is communicated with the input of the actuator connected to the first-stage throttle, and the throttles of each stage are designed to ensure refrigerant flow rates.
Недостатком этого технического решения является избыточная сложность схемы.The disadvantage of this technical solution is the excessive complexity of the circuit.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является «Многоступечатая теплонасосная установка» [RU 140197 U1, МПК F25B 30/00, опубл. 10.05.2014 г.], которая позволяет постепенно нагревать теплоноситель в каскаде ступеней или отдавать теплоту разных потенциальных уровней для разных потребителей, используя парокомпрессионный цикл.The closest in technical essence to the proposed invention is the “Multi-stage heat pump unit” [RU 140197 U1, IPC F25B 30/00, published 10.05.2014], which allows for gradual heating of the coolant in a cascade of stages or the release of heat of different potential levels for different consumers, using a vapor compression cycle.
Недостатком этого технического решения является избыточная сложность и наличие большого количества теплообменных аппаратов.The disadvantage of this technical solution is its excessive complexity and the presence of a large number of heat exchange devices.
Технической задачей предлагаемого изобретения является упрощение схемы многоступенчатой теплонасосной установки.The technical objective of the proposed invention is to simplify the design of a multi-stage heat pump installation.
Технический результат изобретения заключается в увеличении надежности, уменьшении количества элементов системы и уменьшении числа трубопроводов. The technical result of the invention consists in increasing reliability, reducing the number of system elements and reducing the number of pipelines.
Это достигается тем, что многоступенчатый тепловой насос, содержащий по крайней мере две ступени с компрессорами и конденсаторами, соединенными через сепараторы, терморегулирующие вентили, согласно изобретению в первой ступени испаритель соединен выходом по пару со входом компрессора первой ступени, выход по пару от компрессора первой ступени соединен со входом конденсатора первой ступени, конденсатор первой ступени выходом по пароконденсатной смеси соединен с сепаратором первой ступени, выход по конденсату из сепаратора первой ступени соединен со входом в терморегулирующий вентиль первой ступени, выход которого по пароконденсатной смеси соединен со входом испарителя, в последней ступени сепаратор соединен выходом по пару со входом последнего компрессора, выход по пару от последнего компрессора соединен со входом последнего конденсатора, который выходом по конденсату соединен со входом последнего терморегулирующего вентиля, выход которого по пароконденсатной смеси соединен со входом сепаратора предыдущей ступени, при необходимости снабжают по меньшей мере одной промежуточной ступенью, в промежуточной ступени сепаратор соединен выходом по пару со входом компрессора промежуточной ступени, выход по пару от компрессора промежуточной ступени соединен со входом конденсатора промежуточной ступени, который выходом по пароконденсатной смеси соединен с сепаратором промежуточной ступени, выход по конденсату из сепаратора промежуточной ступени соединен со входом в терморегулирующий вентиль промежуточной ступени, выход которого по пароконденсатной смеси соединен со входом сепаратора предыдущей ступени. This is achieved by the fact that a multi-stage heat pump comprising at least two stages with compressors and condensers connected via separators, thermostatic expansion valves, according to the invention, in the first stage the evaporator is connected by a steam outlet to the inlet of the first stage compressor, the steam outlet from the first stage compressor is connected to the inlet of the first stage condenser, the first stage condenser is connected by a steam-condensate mixture outlet to the first stage separator, the condensate outlet from the first stage separator is connected to the inlet of the first stage thermostatic expansion valve, the outlet of which for the steam-condensate mixture is connected to the inlet of the evaporator, in the last stage the separator is connected by a steam outlet to the inlet of the last compressor, the steam outlet from the last compressor is connected to the inlet of the last condenser, which is connected by a condensate outlet to the inlet of the last thermostatic expansion valve, the outlet of which for the steam-condensate mixture is connected to the inlet of the separator of the previous stage, if necessary, is supplied with at least one intermediate stage, in the intermediate stage the separator is connected by a steam outlet to the inlet of the intermediate stage compressor, the steam outlet from the intermediate stage compressor is connected to the inlet of the intermediate stage condenser, which is connected by a steam-condensate mixture outlet to the intermediate stage separator, the condensate outlet from the intermediate stage separator is connected to the inlet of the intermediate stage thermostatic expansion valve, the outlet of which by a steam-condensate mixture is connected to the inlet of the separator of the previous stage.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, где представлена схема двухступенчатого теплового насоса, где соединены последовательно через сепаратор две ступени теплового насоса и приняты следующие обозначения:The essence of the invention is explained in Fig. 1, which shows a diagram of a two-stage heat pump, where two stages of the heat pump are connected in series through a separator and the following designations are adopted:
1 - испаритель,1 - evaporator,
2 - компрессор первой ступени,2 - first stage compressor,
3 - конденсатор первой ступени,3 - first stage capacitor,
4 - сепаратор первой ступени,4 - first stage separator,
5 - терморегулирующий вентиль первой ступени,5 - first stage thermostatic valve,
6 - компрессор второй ступени,6 - second stage compressor,
7 - конденсатор второй ступени,7 - second stage capacitor,
8 - терморегулирующий вентиль второй ступени,8 - second stage thermostatic valve,
9 - низкопотенциальный источник,9 - low potential source,
10, 11 - теплоноситель потребителя.10, 11 - consumer heat carrier.
На фиг. 2 - трёхступенчатый тепловой насос, где представлены соединенные вместе первая, промежуточная и последняя ступени и приняты следующие обозначения: Fig. 2 shows a three-stage heat pump, where the first, intermediate and last stages are shown connected together and the following designations are used:
12 - испаритель,12 - evaporator,
13 - компрессор первой ступени,13 - first stage compressor,
14 - конденсатор первой ступени,14 - first stage capacitor,
15 - сепаратор первой ступени,15 - first stage separator,
16 - терморегулирующий вентиль первой ступени,16 - first stage thermostatic valve,
17 - компрессор промежуточной ступени,17 - intermediate stage compressor,
18 - конденсатор промежуточной ступени,18 - intermediate stage capacitor,
19 - сепаратор промежуточной ступени,19 - intermediate stage separator,
20 - терморегулирующий вентиль промежуточной ступени,20 - intermediate stage thermostatic valve,
21 - компрессор последней ступени,21 - last stage compressor,
22 - конденсатор последней ступени,22 - last stage capacitor,
23 - терморегулирующий вентиль последней ступени,23 - last stage thermostatic valve,
24 - низкопотенциальный источник,24 - low potential source,
25, 26 - теплоноситель потребителя.25, 26 - consumer heat carrier.
Многоступенчатый тепловой насос можно разделить на три вида ступеней: первая, промежуточная и последняя. Минимальный набор элементов каждой ступени содержит: компрессор, конденсатор и терморегулирующий вентиль. Предыдущая с последующей ступени между собой соединяются через сепаратор. A multi-stage heat pump can be divided into three types of stages: first, intermediate and last. The minimum set of elements of each stage contains: a compressor, a condenser and a thermostatic valve. The previous and subsequent stages are connected to each other through a separator.
На фиг. 1 представлены соединенные вместе первая и последняя ступени. В первой ступени испаритель 1 соединен выходом по пару со входом компрессора 2, выход по пару от компрессора 2 соединен со входом конденсатора 3, конденсатор 3 выходом по пароконденсатной смеси соединен с сепаратором 4, выход по конденсату из сепаратора 4 соединен со входом в терморегулирующий вентиль 5, выход с терморегулирующего вентиля 5 по пароконденсатной смеси соединен со входом испарителя 1. В последней ступени сепаратор 4 соединен выходом по пару со входом компрессора 6, выход по пару от компрессора 6 соединен со входом конденсатора 7, конденсатор 7 выходом по конденсату соединен со входом в терморегулирующий вентиль 8, выход с терморегулирующего вентиля 8 по пароконденсатной смеси соединен со входом сепаратора 4. Fig. 1 shows the first and last stages connected together. In the first stage, evaporator 1 is connected via its vapor outlet to the inlet of compressor 2, the vapor outlet from compressor 2 is connected to the inlet of condenser 3, condenser 3 is connected via its vapor-condensate mixture outlet to separator 4, the condensate outlet from separator 4 is connected to the inlet of thermostatic expansion valve 5, and the vapor-condensate mixture outlet from thermostatic expansion valve 5 is connected to the inlet of evaporator 1. In the last stage, separator 4 is connected via its vapor outlet to the inlet of compressor 6, the vapor outlet from compressor 6 is connected to the inlet of condenser 7, condenser 7 is connected via its condensate outlet to the inlet of thermostatic expansion valve 8, and the vapor-condensate mixture outlet from thermostatic expansion valve 8 is connected to the inlet of separator 4.
Устройство, представленное на фиг. 1, в работает следующим образом: фреон вскипает в испарителе 1 от низкопотенциального источника 9, сжимается и нагревается в компрессоре 2, частично конденсируется в конденсаторе 3, отдавая теплоту нагреваемому теплоносителю потребителя 10, пар отделяется от конденсата в сепараторе 4, конденсат отправляется в терморегулирующий вентиль 5 и снова в испаритель, пар из сепаратора отправляется в компрессор второй ступени 6, затем конденсируется в конденсаторе 7, отдавая теплоту нагреваемому теплоносителю потребителя 11, откуда конденсат направляется в терморегулирующий вентиль второй ступени, а затем в сепаратор 4.The device shown in Fig. 1, c operates as follows: freon boils in the evaporator 1 from a low-potential source 9, is compressed and heated in the compressor 2, partially condenses in the condenser 3, giving off heat to the heated heat carrier of the consumer 10, steam is separated from the condensate in the separator 4, the condensate is sent to the thermostatic expansion valve 5 and again to the evaporator, steam from the separator is sent to the second-stage compressor 6, then condenses in the condenser 7, giving off heat to the heated heat carrier of the consumer 11, from where the condensate is sent to the second-stage thermostatic expansion valve, and then to the separator 4.
На фиг. 2 представлены соединенные вместе первая, промежуточная и последняя ступени. Первая и последняя ступени имеют ту же последовательность соединений, что и на фиг. 1, а именно: в первой ступени испаритель 12 соединен выходом по пару со входом компрессора 13, выход по пару от компрессора 13 соединен со входом конденсатора 14, конденсатор 14 выходом по пароконденсатной смеси соединен с сепаратором 15, выход по конденсату из сепаратора 15 соединен со входом в терморегулирующий вентиль 16, выход с терморегулирующего вентиля 16 по пароконденсатной смеси соединен со входом испарителя 12, в последней ступени сепаратор 19 соединен выходом по пару со входом компрессора 21, выход по пару от компрессора 21 соединен со входом конденсатора 22, конденсатор 22 выходом по конденсату соединен со входом в терморегулирующий вентиль 23, выход с терморегулирующего вентиля 23 по пароконденсатной смеси соединен со входом сепаратора 19; а в промежуточной ступени сепаратор 15 соединен выходом по пару со входом компрессора 17, выход по пару от компрессора 17 соединен со входом конденсатора 18, конденсатор 18 выходом по пароконденсатной смеси соединен с сепаратором 19, выход по конденсату из сепаратора 19 соединен со входом в терморегулирующий вентиль 20, выход с терморегулирующего вентиля 20 по пароконденсатной смеси соединен со входом сепаратора 15. Fig. 2 shows the first, intermediate and last stages connected together. The first and last stages have the same sequence of connections as in Fig. 1, namely: in the first stage, evaporator 12 is connected via a vapor outlet to the inlet of compressor 13, the vapor outlet from compressor 13 is connected to the inlet of condenser 14, condenser 14 is connected via a vapor-condensate mixture outlet to separator 15, the condensate outlet from separator 15 is connected to the inlet of thermostatic expansion valve 16, the outlet from thermostatic expansion valve 16 for the vapor-condensate mixture is connected to the inlet of evaporator 12, in the last stage, separator 19 is connected via a vapor outlet to the inlet of compressor 21, the vapor outlet from compressor 21 is connected to the inlet of condenser 22, condenser 22 is connected via a condensate outlet to the inlet of thermostatic expansion valve 23, the outlet from thermostatic expansion valve 23 for the vapor-condensate mixture is connected to the inlet of separator 19; and in the intermediate stage, separator 15 is connected by its steam outlet to the inlet of compressor 17, the steam outlet from compressor 17 is connected to the inlet of condenser 18, condenser 18 is connected by its steam-condensate mixture outlet to separator 19, the condensate outlet from separator 19 is connected to the inlet of thermostatic expansion valve 20, and the outlet from thermostatic expansion valve 20 by steam-condensate mixture is connected to the inlet of separator 15.
Представленный на фиг. 2 трехступенчатый тепловой насос, может быть использован для постепенного подогрева теплоносителя в трех ступенях, например, для горячего водоснабжения или для подогрева воздуха в системе вентиляции. Фреон вскипает в испарителе 12 от низкопотенциального источника 24, сжимается и нагревается в компрессоре 13, частично конденсируется в конденсаторе 14, отдавая теплоту нагреваемому теплоносителю (от низкого температурного уровня теплоносителя потребителя 25), пар отделяется от конденсата в сепараторе 15, конденсат отправляется в терморегулирующий вентиль 16 и снова в испаритель, пар из сепаратора отправляется в компрессор второй ступени 17, затем частично конденсируется в конденсаторе 18, отдавая теплоту нагреваемому теплоносителю, пар отделяется от конденсата в сепараторе 19, конденсат отправляется в терморегулирующий вентиль 20 и сепаратор 15, пар из сепаратора 18 отправляется в компрессор третьей ступени 21, затем конденсируется в конденсаторе 22, отдавая теплоту нагреваемому теплоносителю (до высокого температурного уровня теплоносителя потребителя 26 и отдается потребителю), конденсат проходит терморегулирующий вентиль третьей ступени 23 и поступает в сепаратор 19. The three-stage heat pump shown in Fig. 2 can be used for gradual heating of the coolant in three stages, for example, for hot water supply or for heating air in a ventilation system. Freon boils in evaporator 12 from low-potential source 24, is compressed and heated in compressor 13, partially condenses in condenser 14, giving off heat to the heated coolant (from the low temperature level of the consumer coolant 25), steam is separated from condensate in separator 15, condensate is sent to thermostatic expansion valve 16 and again to the evaporator, steam from the separator is sent to second-stage compressor 17, then partially condenses in condenser 18, giving off heat to the heated coolant, steam is separated from condensate in separator 19, condensate is sent to thermostatic expansion valve 20 and separator 15, steam from separator 18 is sent to third-stage compressor 21, then condenses in condenser 22, giving off heat to the heated coolant (to a high temperature level of the consumer coolant 26 and is given to the consumer), condensate passes thermostatic expansion valve third stage 23 and enters the separator 19.
Многоступенчатый тепловой насос может быть применен, когда необходимо получить два и более температурных потенциала от одного низкопотенциального источника, например, одновременно для систем отопления (позиция 10 на фиг. 1) и горячего водоснабжения (позиция 11 на фиг. 1), имеющими разные температурные уровни. Также многоступенчатый тепловой насос может быть применен для подогрева одного теплоносителя от низких температур до высокой постепенно в нескольких ступенях, что более эффективно, чем в одноступенчатом тепловом насосе, так как компрессор первой ступени пропускает через себя весь расход фреона и совершает бόльшую работу, чем более высокотемпературные ступени, через которые проходит малый расход, а в одноступенчатых тепловых насосах - весь расход фреона проходит нагрев в одном компрессоре от малой температуры до высокой.A multi-stage heat pump can be used when it is necessary to obtain two or more temperature potentials from one low-potential source, for example, simultaneously for heating systems (position 10 in Fig. 1) and hot water supply (position 11 in Fig. 1), which have different temperature levels. Also, a multi-stage heat pump can be used to heat one heat carrier from low temperatures to high gradually in several stages, which is more effective than in a single-stage heat pump, since the compressor of the first stage passes through itself the entire freon flow and does more work than higher-temperature stages through which the low flow passes, and in single-stage heat pumps - the entire freon flow passes heating in one compressor from low to high temperature.
Отказ теплового насоса происходит при выходе из строя одного и более элементов системы. Как следует из теории надежности вероятность безотказной работы PТН равна произведению вероятностей безотказной работы всех элементов системы. PТН = , где PТН - вероятность безотказной работы теплового насоса, Pi - вероятность безотказной работы i-го элемента, k - число элементов. Вероятность безотказной работы элементов Pi лежит в диапазоне от 0 до 1 и выражается в долях, поэтому вероятность безотказной работы теплового насоса также лежит в диапазоне от 0 до 1. Вероятность отказа теплового насоса выражается формулой QТН = 1 - PТН = 1 - , откуда следует, что уменьшение числа элементов k приводит к уменьшению вероятности отказа, т.е. к увеличению надежности. Поэтому схема многоступенчатого теплового насоса, не содержащая переохладители, будет являться более надежной. Учитывается также то, что компрессоры, конденсаторы и испаритель работают в близких режимах, а значит и близкую вероятность безотказной работы, а терморегулирующий вентиль и сепаратор имеют значительно большую вероятность безотказной работы, чем компрессор. Таким образом, достижение технического результата о повышении надежности подтверждается упрощением схемы многоступенчатого теплового насоса, заключающееся в уменьшении числа элементов по сравнению с аналогичными схемами.Heat pump failure occurs when one or more elements of the system fail. As follows from reliability theory, the probability of failure-free operation P TH is equal to the product of the probabilities of failure-free operation of all elements of the system. P TH = , where P TH is the probability of failure-free operation of the heat pump, P i is the probability of failure-free operation of the i-th element, k is the number of elements. The probability of failure-free operation of elements P i lies in the range from 0 to 1 and is expressed in fractions, therefore the probability of failure-free operation of the heat pump also lies in the range from 0 to 1. The probability of failure of the heat pump is expressed by the formula Q TH = 1 - P TH = 1 - , from which it follows that a decrease in the number of elements k leads to a decrease in the probability of failure, i.e. to an increase in reliability. Therefore, a multi-stage heat pump circuit that does not contain supercoolers will be more reliable. It is also taken into account that compressors, condensers and evaporators operate in close modes, and therefore have a close probability of failure-free operation, and the thermostatic valve and separator have a significantly higher probability of failure-free operation than the compressor. Thus, the achievement of the technical result on increasing reliability is confirmed by simplification of the multi-stage heat pump circuit, consisting in a decrease in the number of elements compared to similar circuits.
Использование изобретения позволяет упростить схему многоступенчатого теплового насоса, увеличить надежность за счёт уменьшения количества элементов системы и уменьшения числа трубопроводов.The use of the invention allows to simplify the scheme of a multi-stage heat pump, to increase reliability by reducing the number of system elements and reducing the number of pipelines.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2829400C1 true RU2829400C1 (en) | 2024-10-30 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1548622A1 (en) * | 1987-06-10 | 1990-03-07 | Одесский Технологический Институт Холодильной Промышленности | Mutistage refrigeration unit |
| RU140197U1 (en) * | 2013-04-18 | 2014-05-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) | MULTI-STAGE HEAT PUMP INSTALLATION |
| CN207661984U (en) * | 2017-12-19 | 2018-07-27 | 云南仨得科技有限公司 | A kind of high efficiency smart air energy thermal blower fan group |
| CN109114807A (en) * | 2018-08-27 | 2019-01-01 | 清华大学 | A kind of Air-source Heat Pump crude oil heating system |
| CN116379641A (en) * | 2023-04-03 | 2023-07-04 | 天津商业大学 | A solar and air energy dual heat source cascade heat pump device |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1548622A1 (en) * | 1987-06-10 | 1990-03-07 | Одесский Технологический Институт Холодильной Промышленности | Mutistage refrigeration unit |
| RU140197U1 (en) * | 2013-04-18 | 2014-05-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) | MULTI-STAGE HEAT PUMP INSTALLATION |
| CN207661984U (en) * | 2017-12-19 | 2018-07-27 | 云南仨得科技有限公司 | A kind of high efficiency smart air energy thermal blower fan group |
| CN109114807A (en) * | 2018-08-27 | 2019-01-01 | 清华大学 | A kind of Air-source Heat Pump crude oil heating system |
| CN116379641A (en) * | 2023-04-03 | 2023-07-04 | 天津商业大学 | A solar and air energy dual heat source cascade heat pump device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102414522B (en) | Cooling, heating and refrigeration systems activated by transcritical heat | |
| CA2385760C (en) | Heat pump fluid heating system | |
| US20110030404A1 (en) | Heat pump with intgeral solar collector | |
| Soltani et al. | Comparative performance evaluation of cascaded air-source hydronic heat pumps | |
| KR20030048020A (en) | Method and arrangement for defrosting a vapor compression system | |
| EP2488804B1 (en) | Heating device with irreversible thermodynamic cycle for heating installations having high delivery temperature | |
| CN102466374A (en) | Heat pump type water heating apparatus | |
| US10767908B2 (en) | Cascading heat recovery using a cooling unit as a source | |
| US11293666B2 (en) | Superhigh temperature heat pump system and method capable of preparing boiling water not lower than 100° C | |
| JP4317793B2 (en) | Cooling system | |
| KR20100059170A (en) | Heat pump storage system | |
| KR20100046365A (en) | Heat pump system | |
| KR20100059176A (en) | Heat storage system | |
| KR20100005734U (en) | Heat pump storage system | |
| CN216673696U (en) | A pump-driven two-phase loop air conditioner backplane cooling system for data centers | |
| RU2829400C1 (en) | Multistage heat pump | |
| GB2585672A (en) | Heating and cooling system | |
| KR20100005736U (en) | Heat pump system | |
| CN108007010B (en) | Heat pump system | |
| KR20100005735U (en) | storage system | |
| RU2432531C2 (en) | Cooler unit and procedure for circulation of cooling fluid medium in it | |
| WO2005026630A1 (en) | Hot-water production system of heat pump type | |
| JP6071741B2 (en) | Heat pump system | |
| EP1821050A2 (en) | Combined refrigeration and air conditioning system | |
| KR20100005738U (en) | Hot water heat pump system |