PL 218108 B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 218108 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 392823 (51) Int.Cl. F24D 3/18 (2006.01) F24D 15/04 (2006.01) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 02.11.2010 (54) Pompa ciepła (43) Zgłoszenie ogłoszono: 07.05.2012 BUP 10/12 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.10.2014 WUP 10/14 (73) Uprawniony z patentu: RESZEWSKI STEFAN BOŻYDAR, Wrocław, PL KOWALSKI ADAM JACEK, Prace Duże, PL (72) Twórca(y) wynalazku: STEFAN BOŻYDAR RESZEWSKI, Wrocław, PL ADAM JACEK KOWALSKI, Prace Duże, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Regina Kozłowska
2 PL 218 108 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest pompa ciepła, przeznaczona zwłaszcza do ogrzewania budynków mieszkalnych, użyteczności publicznej oraz przemysłowych. Znane pompy ciepła wyposażone są we freonowy układ roboczy posiadający sprężarkę, która połączona jest z roboczymi sekcjami parownika i skraplacza w dwóch wymiennikach ciepła. Każdy z wymienników ciepła ma dwie sekcje, wykonane najczęściej w postaci wężownic z rurek profilowanych. W wymiennikach ciepła z sekcją parownika jest sekcja zasilania, która przy wykorzystaniu ciepła z powietrza, łączy się z otoczeniem. Dla zwiększenia intensywności przekazywania ciepła stosuje się wentylatory wymuszające obieg powietrza. Przed wlotem czynnika roboczego do sekcji parownika znajduje się zawór rozprężny. W drugim wymienniku ciepła z sekcją skraplacza współpracuje sekcja przekazująca podgrzanie wody na zewnątrz, najczęściej do instalacji centralnego ogrzewania. Z polskiego opisu patentowego numer 181 466 znana jest sprężarkowa pompa ciepła z wykorzystaniem energii geotermalnej albo technologicznie odpadowej, posiadająca freonowy układ roboczy oraz dwa wymienniki ciepła. Każdy z wymienników ciepła ma przeponowo wydzielone trzy sekcje obiegu mediów. Sekcje te połączone są w układach dwóch stopni wymiany na roboczych sekcjach parownika i skraplacza. Zastosowane są płytowe wymienniki ciepła z kanałami poszczególnych sekcji usytuowanymi warstwowo, naprzemianlegle oraz włączonymi w układzie przeciwprądowym. Z polskiego zgłoszenia patentowego nr 370 215, znana jest również pompa ciepła pobierająca energię cieplną z powietrza, posiadająca w układzie roboczym sprężarki i wymiennik ciepła przek a- zujący podgrzaną wodę na zewnątrz. W układzie roboczym zawiera odbiorniki ciepła z powietrza w kształcie rury z promieniowo rozchodzącymi się żebrami. Powierzchnie żeber są ryflowane, nadając powierzchniom pionowe rowki o niewielkiej głębokości. Odbiorniki ciepła stoją pionowo obok siebie i połączone są ze sobą szeregowo rurami. Rury dolne łączące odbiorniki ciepła są i dodatkowo połączone ze sobą rurkami o znacznie mniejszej średnicy. Czynnikiem roboczym w układzie pompy ciepła jest propan. Pompa ciepła znana z polskiego wzoru użytkowego nr 65043 ma parownik, który jest parownikiem pasywnym. Dla zwiększenia pola powierzchni wymiany ciepła, do 12 zespołów żebrowych dołączona jest wężownica 5, wykonana z miedzianej rurki o średnicy zewnętrznej równej 22 mm, średnicy wewnętrznej wynoszącej 17 mm i długości 30-60 m. Czynnik chłodniczy z początku przechodzi przez zespół żebrowy i przedtem, zanim przepłynie do sprężarki, przepływa jeszcze przez wężownicę. Wężownicę tę można umieścić w gruncie, w jednym kanale, razem z rurami, które łączą parownik z węzłem cieplnym, znajdującym się w budynku. Pasywny parownik, który pobiera energię z powietrza zewnętrznego, nie wymaga odszraniania lub kierowania powietrza przez wentylator, dzięki czemu efektywność pasywnego parownika jest o 30% większa niż parownika aktywnego. U podstawy efektywności pasywnego parownika leży konstrukcja żebrowych zespołów, które w przekroju poprzecznym mają kształt gwiazdowy, a powierzchnia żeber jest ryflowana. Taka powierzchnia żeber zwiększa pole powierzchni wymiany ciepła trzykrotnie w porównaniu z powierzchnią gładką. Dodatkowe połączenie zespołów żebrowych w dolnej części rurkami ułatwia odprowadzenie gromadzącego się oleju ze sprężarki układu chłodniczego oraz zapobiega przed wpadaniem w rezonans i hałasowaniem układu podczas pracy. Znane pompy ciepła wyposażone są w sprężarkę, wymiennik ciepła oraz element rozprężny. Przeważnie parowniki znanych pomp ciepła wyposażone w wentylatory intensyfikujące ruch powietrza pomiędzy żebrami wymiennika. Istota pompy, według wynalazku, polega na tym, że skraplacz połączony jest przewodem cieczowym przez zbiornik płynu, filtr, wymiennik rekuperacyjny, element rozprężny i złącze z co najmniej jednym parowaczem, przy czym parowacze połączone równolegle, natomiast przewód parowy skraplacza połączony jest poprzez sprężarkę, wymiennik rekuperacyjny i złącze z co najmniej jednym parowaczem, który osadzony jest na konstrukcji nośnej i spięty u dołu ramą dolną, a u góry ramą górną. Ponadto wewnątrz rury parowacza osadzony jest element w postaci spirali uformowanej w kierunku przepływu medium. Korzystnie, złącze ma dwa uchwyty, w których osadzone są przewód cieczowy parowacza połączony trwale z króćcem cieczowym parowacza połączony rozłącznie z króćcem cieczowym układu połączonym trwale z przewodem cieczowym układu i jednocześnie ma przewód parowy parowacza połączony trwale z króćcem parowym parowacza połączony rozłącznie z króćcem parowym układu
PL 218 108 B1 3 połączonym trwale z przewodem parowym układu, przy czym w pierwszym uchwycie osadzone są równolegle przewód cieczowy parowacza połączony trwale z króćcem cieczowym parowacza i przewód parowy parowacza połączony trwale z króćcem parowym parowacza, a w drugim uchwycie osadzone są równolegle króciec cieczowy układu połączony trwale z przewodem cieczowym układu i króciec parowy układu połączony trwale z przewodem parowym układu, zaś oba uchwyty połączone są rozłącznie śrubami, a pomiędzy stykającymi się króćcami umieszczone są uszczelki. Korzystnie, przewody układu wykonane są z miedzi, króćce układu z mosiądzu lub stopów miedzi, a przewody parowacza i króćce parowacza z aluminium lub stopów aluminium. Korzystnie, rury parowacza z żebrami oraz spirala wykonane są z aluminium lub stopów aluminium. Korzystnie, przewody układu są trwale połączone techniką lutowania twardego lub techniką spawania z króćcami układu, a przewody parowacza trwale połączone techniką lutowania lub techniką spawania z króćcami parowacza. Korzystnie, pomiędzy wymiennikiem rekuperacyjnym i elementem rozprężnym osadzony jest wziernik z indykatorem wilgoci. Korzystnie, ta konstrukcja nośna zamknięta jest obudową. Korzystnie, spirala wykonana jest z płaskownika, najkorzystniej spirala jest ukształtowana na wewnętrznej powierzchni rury. Pompa ciepła według wynalazku, pobiera energię cieplną z dolnego źródła ciepła jakim jest powietrze, jest wyposażona w sprężarkę i wymiennik służący do przekazywania energii pobranej z dolnego źródła ciepła. Efektywność i sprawność pompy ciepła zależy głównie od intensywności ruchu powietrza opływającego sekcje parowacza, wilgotności bezwzględnej powietrza, ciśnienia powietrza atmosferycznego oraz od warunków przekazywania ciepła po stronie skraplacza. Zawartość wilgoci w powietrzu jest nieograniczona i w pełni odnawialna. W przedziale temperatur otoczenia od - 25 C do + 25 C zawartość wilgoci w powietrzu jest na tyle wysoka, że można pozyskiwać ciepło z powietrza z największą skutecznością, co jest koherentne z zapotrzebowaniem na ciepło do celów grzewczych. Gdy temperatura powietrza wynosi minus 10 C, a temperatura przy której następuje skraplanie ziębnika w skraplaczu wynosi plus 40 C, średnio uzyskuje się ponad trzykrotnie więcej energii cieplnej w obiegu wtórnym od ilości energii elektrycznej zaangażowanej do napędu sprężarki w jednostce czasu, pod warunkiem, że ziębnikiem realizującym obieg termodynamiczny pompy ciepła jest propan. Zastosowanie wymiennika rekuperacyjnego pozwala na znaczne zwiększenie efektywności obiegu termodynamicznego jak również chroni sprężarkę przed przedostaniem się do niej substancji realizującej obieg w postaci ciekłej. Jako medium stosuje się ziębnik wybrany z grupy CFC lub ich mieszaninę, albo ziębnik z grupy HCFC lub ich mieszaninę, albo ziębnik z grupy HFC lub ich mieszaninę, medium może też być ziębnik pochodzenia naturalnego, w szczególności węglowodór nasycony lub ich mieszanina. Ponadto pompa ciepła według wynalazku, umożliwia korzystanie z przemian fazowych pary wodnej zawartej w powietrzu, co jest o około 30% korzystniejsze energetycznie niż korzystanie z przemiany chłodzenia powietrza, które odbywa się poprzez wprowadzenie wentylatorów. Ponadto brak wentylatorów sprawia, że brak jest zanieczyszczenia środowiska hałasem, a przez wykorzystanie parownika pasywnego obieg termodynamiczny realizowany przez pompę ciepła osiąga wyższy współczynnik efektywności. Zużywa się mniej energii przez sprężarkę przy osiąganiu podobnej mocy grzewczej niż w urządzeniach z aktywnymi parownikami, gdzie przepływ powietrza jest realizowany przez wentylatory. Brak wentylatorów powoduje zmniejszenie konsumcji energii elektrycznej. Pompa ciepła według wynalazku, nie wymaga odszraniania parownika, co dodatkowo wpływa korzystnie na jej eksploatację. W pompie mogą być zastosowane przewody elastyczne dzięki czemu unika się przenoszenia drgań. Przedmiot wynalazku uwidoczniony jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat ideowy pompy ciepła z jednym parownikiem, fig. 2 - schemat ideowy pompy ciepła z dwoma parownikami, fig. 3 - pompę ciepła w widoku z góry, boku i dołu z jednym parownikiem, umocowaną na konstrukcji nośnej, fig. 4 - pompę ciepła w widoku z góry, boku i dołu z dwoma parownikami umocowaną na konstrukcji nośnej, fig. 5 - przekrój wzdłużny sekcji parowacza, a fig. 6 - złącze. P r z y k ł a d 1 Pompa ciepła ma skraplacz 1, którego przewód cieczowy połączony jest przez zbiornik płynu 2, filtr 3, wymiennik rekuperacyjny 4, element rozprężny 5 i złącze 6 z jednym parowaczem 7, a przewód parowy skraplacza 1 połączony jest poprzez sprężarkę 8, wymiennik rekuperacyjny 4 i złącze 6 z jednym parowaczem 7. Parowacz 7 osadzony jest na konstrukcji nośnej 9 i spięty u dołu ramą dolną 10, natomiast u góry ramą górną 11. Sekcje parowacza 14 są połączone ze sobą szeregowo. Wewnątrz rury
4 PL 218 108 B1 12 parowacza 7 osadzony jest element w postaci spirali 13 uformowanej w kierunku przepływu medium, która wykonana jest z płaskownika. Spirala usprawnia transport oleju w sekcji parowacza 14 oraz intensyfikuje odbiór ciepła w całym parowaczu 7. Każda z sekcji parowacza 14 posiada na całej swojej długości kilka promieniowo rozchodzących się żeber 15. Złącze 6 ma dwa uchwyty 16, w których osadzone są przewód cieczowy parowacza 17 połączony trwale z króćcem cieczowym parowacza 18 połączony rozłącznie z króćcem cieczowym układu 19 połączonym trwale z przewodem cieczowym układu 20 i jednocześnie przewód parowy parowacza 21 połączony trwale z króćcem parowym parowacza 22 połączony rozłącznie z króćcem parowym układu 23 połączonym trwale z przewodem parowym układu 24. W pierwszym uchwycie 16 osadzone są równolegle przewód cieczowy parowacza 17 połączony trwale z króćcem cieczowym parowacza 18 i przewód parowy parowacza 21 połączony trwale z króćcem parowym parowacza 22. W drugim uchwycie 16 osadzone są równolegle króciec cieczowy układu 19 połączony trwale z przewodem cieczowym układu 20 i króciec parowy układu 23 połączony trwale z przewodem parowym układu 24. Oba uchwyty 16 połączone są rozłącznie śrubami 25, a pomiędzy stykającymi się króćcami umieszczone są uszczelki 26. Przewody układu 20, 24 wykonane są z miedzi, króćce układu 19, 23 z mosiądzu, a przewody parowacza 17, 21 i króćce parowacza 18, 22 z aluminium. Przewody układu 20, 24 są trwale połączone techniką lutowania twardego z króćcami układu 19, 23, a przewody parowacza 17, 21 trwale połączone techniką spawania z króćcami parowacza 18, 22. Rury 12 parowacza 7 z żebrami 15 oraz spirala 13 wykonane są z aluminium. Wszystkie elementy pompy ciepła z wyjątkiem parowacza 7, umieszczone są w obudowie 27, zabezpieczającej pompę przed wpływem warunków atmosferycznych. Ponadto obudowa 27 i parowacz 7 zamocowane są na konstrukcji nośnej 9. P r z y k ł a d 2 Pompa ciepła wykonana jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że pomiędzy wymiennikiem rekuperacyjnym 4 i elementem rozprężnym 5 osadzony jest wziernik 28 z indykatorem wilgoci i jest wyposażona w dwa parowacze 7 połączone równolegle osadzone na konstrukcji nośnej 9, przy czym wszystkie elementy pompy z wyjątkiem parowaczy 7, znajdują się w obudowie 27. Wewnątrz rury 12 sekcji parowacza 14 ukształtowana jest spirala 13. Przewody układu 20, 24 i króćce układu 19, 23 ze stopów miedzi, a przewody parowaczy 17, 21 i króćce parowaczy 18, 22 ze stopów aluminium. Rury 12 parowaczy 7 z żebrami 15 oraz spirale 13 wykonane są ze stopów aluminium. Przewody układu 20, 24 są trwale połączone techniką spawania z króćcami układu 19, 23, a przewody parowaczy 17, 21 trwale połączone techniką spawania z króćcami parowaczy 18, 22. P r z y k ł a d 3 Pompa ciepła wykonana jak w przykładzie pierwszym albo drugim z tą różnicą, że parowacz 7 ma umieszczony w znacznej odległości od obudowy 27 pozostałych elementów pompy ciepła. P r z y k ł a d 4 Pompa ciepła wykonana jak w przykładzie pierwszym, albo drugim, albo trzecim z tą różnicą, skraplacz 1 znajduje się poza obudową 27 i jest umieszczony w znacznej odległości od obudowy 27 pozostałych elementów pompy ciepła i parowacza 7, przy czym obudowy 27 i parowacz 7 umieszczone są na fundamencie, który jest wypoziomowany. W pompie ciepła, jako medium zastosowane mogą być ziębniki wybrane z grupy CFC lub ich mieszaniny, z grupy HCFC lub ich mieszaniny, z grupy HFC lub ich mieszaniny, z grupy HFC, jak również ziębniki pochodzenia naturalnego, w szczególności węglowodory nasycone lub ich mieszaniny. Pompa ciepła realizuje lewobieżny obieg ziębienia. Powietrze opływa stronę zewnętrzną parowacza 7, w którym pod niskim ciśnieniu ciekły ziębnik odparowuje. Ta zamiana stanu skupienia wiąże się z pobieraniem znacznej ilości energii cieplnej z otoczenia. W sprężarce 8 ciśnienie pary ziębnika rośnie. Wzrostowi ciśnienia towarzyszy wzrost temperatury. Następnie para o wysokiej temperaturze i wysokim ciśnieniu kierowana jest przewodami do skraplacza 1, gdzie następuje odbiór ciepła przez medium instalacji grzewczej. Podczas odbioru ciepła od ziębnika - medium realizującego obieg pompy ciepła następuje jego skroplenie w skraplaczu 1, a po odebraniu ciepła skraplania, ciekły ziębnik trafia do zbiornika płynu 2, gdzie następuje ostateczna separacja fazy ciekłej, po czym ciekły ziębnik kierowany jest poprzez filtr 3 odwadniacz oraz wziernik 28 do wymiennika rekuperacyjnego 4 służącego poprawie efektywności obiegu pompy ciepła. Po odprowadzeniu części ciepła do pary ziębnika kierowanej z parowacza 7 do sprężarki 8, ciekły ziębnik kierowany jest do elementu rozprężnego 5, gdzie następuje jego zdławienie do ciśnienia parowania, przy którym następuje odbiór ciepła od powietrza. Energia cieplna pobrana z powietrza przez parowacz 7, przekazywana jest do medium grzewczego instalacji ogrzewania przepływającego przez skraplacz 1, w którym ziębnik przechodzi przemianę skraplania.
PL 218 108 B1 5 Element rozprężny 5 pompy ciepła może być elementem dławiącym w postaci rurki kapilarnej, zaworu rozprężnego termostatycznego, zaworu dławiącego lub elektronicznego zaworu rozprężnego o działaniu impulsowym lub krokowym. Wykaz oznaczeń na rysunku: 1. skraplacz, 2. zbiornik płynu, 3. filtr, 4. wymiennik rekuperacyjny, 5. element rozprężny, 6. złącze, 7. parowacz, 8. sprężarka, 9. konstrukcja nośna, 10. rama dolna, 11. rama górna, 12. rura, 13. spirala, 14. sekcja parowacza, 15. żebro, 16. uchwyt, 17. przewód cieczowy parowacza, 18. króciec cieczowy parowacza, 19. króciec cieczowym układu, 20. przewód cieczowy układu, 21. przewód parowy parowacza, 22. króciec parowy parowacza, 23. króciec parowy układu, 24. przewód parowy układu, 25. śruba, 26. uszczelka, 27. obudowa, 28. wziernik. Zastrzeżenia patentowe 1. Pompa ciepła wyposażona w skraplacz, którego przewód cieczowy połączony jest przez zbiornik płynu, filtr i element rozprężny z parowaczem, a przewód parowy skraplacza połączony jest poprzez sprężarkę z parowaczem, przy czym parowacz ma odbiorniki ciepła z powietrza w postaci ustawionych pionowo obok siebie rur parowacza z promieniowo rozchodzącymi się żebrami połączonych ze sobą szeregowo rurkami, znamienna tym, że skraplacz (1) połączony jest przewodem cieczowym przez zbiornik płynu (2), filtr (3), wymiennik rekuperacyjny (4), element rozprężny (5) i złącze (6) z co najmniej jednym parowaczem (7), przy czym parowacze (7) połączone równolegle, natomiast przewód parowy skraplacza (1) połączony jest poprzez sprężarkę (8), wymiennik rekuperacyjny (4) i złącze (6) z co najmniej jednym parowaczem (7), który osadzony jest na konstrukcji nośnej (9) i spięty u dołu ramą dolną (10), a u góry ramą górną (11), ponadto wewnątrz rury (12) parowacza (7) osadzony jest element w postaci spirali (13) uformowanej w kierunku przepływu medium. 2. Pompa, według zastrz. 1, znamienna tym, że złącze (6) ma dwa uchwyty (16), w których osadzone są przewód cieczowy parowacza (17) połączony trwale z króćcem cieczowym parowacza (18) połączony rozłącznie z króćcem cieczowym układu (19) połączonym trwale z przewodem cieczowym układu (20) i jednocześnie ma przewód parowy parowacza (21) połączony trwale z króćcem parowym parowacza (22) połączony rozłącznie z króćcem parowym układu (23) połączonym trwale z przewodem parowym układu (24), przy czym w pierwszym uchwycie (16) osadzone są równolegle przewód cieczowy parowacza (17) połączony trwale z króćcem cieczowym parowacza (18) i przewód parowy parowacza (21) połączony trwale z króćcem parowym parowacza (22), a w drugim uchwycie
6 PL 218 108 B1 (16) osadzone są równolegle króciec cieczowy układu (19) połączony trwale z przewodem cieczowym układu (20) i króciec parowy układu (23) połączony trwale z przewodem parowym układu (24), zaś oba uchwyty (16) połączone są rozłącznie śrubami (25), a pomiędzy stykającymi się króćcami umieszczone są uszczelki (26). 3. Pompa, według zastrz. 2, znamienna tym, że przewody układu (20, 24) wykonane są z miedzi, króćce układu (19, 23) z mosiądzu, a przewody parowacza (17, 21) i króćce parowacza (18, 22) z aluminium. 4. Pompa, według zastrz. 3, znamienna tym, że króćce układu (19, 23) wykonane są ze stopów miedzi. 5. Pompa, według zastrz. 3, znamienna tym, że króćce parowacza (18, 22) wykonane są ze stopów aluminium. 6. Pompa, według zastrz. 1, znamienna tym, że rury (12) parowacza (7) z żebrami (15) oraz spirala (13) wykonane są z aluminium. 7. Pompa, według zastrz. 1, znamienna tym, że rury (12) parowacza (7) z żebrami (15) oraz spirala (13) wykonane są ze stopów aluminium. 8. Pompa, według zastrz. 2, znamienna tym, że przewody układu (20, 24) są trwale połączone techniką lutowania twardego z króćcami układu (19, 23), a przewody parowacza (17, 21) trwale połączone techniką lutowania z króćcami parowacza (18, 22). 9. Pompa, według zastrz. 2, znamienna tym, że przewody układu (20, 24) są trwale połączone za techniką spawania z króćcami układu (19, 23), a przewody parowacza (17, 21) są trwale połączone techniką spawania z króćcami parowacza (18, 22). 10. Pompa, według zastrz. 1, znamienna tym, że pomiędzy wymiennikiem rekuperacyjnym (4) i elementem rozprężnym (5) osadzony jest wziernik (28) z indykatorem wilgoci. 11. Pompa, według zastrz. 1, znamienna tym, że konstrukcja nośna (9) zamknięta jest obudową (29). 12. Pompa, według zastrz. 1, znamienna tym, że spirala (13) wykonana jest z płaskownika, korzystnie spirala (13) jest ukształtowana na wewnętrznej powierzchni rury (12).
PL 218 108 B1 7 Rysunki
8 PL 218 108 B1
PL 218 108 B1 9
10 PL 218 108 B1
PL 218 108 B1 11
12 PL 218 108 B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 4,92 zł (w tym 23% VAT)