專利名稱：供熱裝置的制作方法
供熱裝置
本發(fā)明涉及一種供熱裝置，裝置至少具有一個鍋爐，鍋爐中具有 溫度分層的流體，以及一個位于下面的冷的 一側和一個位于上側的熱 的 一 側，并且與至少 一 個熱交換器的次級側構成 一 個通過對流驅動的 循環(huán)回路。
在實踐中，已知利用工業(yè)廢熱獲取熱能的裝置，這種裝置包括一 個鍋爐和 一個屬于該鍋爐的熱交換器。熱交換器的次級一 方面與鍋爐
的冷的一側，另一方面與鍋爐的熱的一側相連"^妻，乂人而在鍋爐和熱交 換器之間形成一個封閉的循環(huán)回路。其中儲存著工業(yè)廢熱導熱介質從 熱交換器的初級側流過。為了加熱鍋爐中的水同時保持鍋爐和熱交換 器之間的對流，在能夠在很大范圍內提供工業(yè)廢熱供應的地方，這種 廢熱的量是不成問題的。為此，在這種循環(huán)回路中沒有循環(huán)泵，這種 泵在很強的流動的情況下會擾亂鍋爐中所需要的溫度層。實踐證明這 種已知裝置很好并且構成了本發(fā)明的基礎。
本發(fā)明的目的在于提供一種上述類型的供熱裝置，這種裝置具有 很高的效率并可廣泛適用于各種可用的熱源。
為實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明提供一種供熱裝置，裝置至少具有 一個鍋爐，鍋爐中具有溫度分層的流體，以及一個位于下側的冷的一 側和 一 個位于上側的熱的 一 側，并且與至少 一 個熱交換器的次級傷'j構 成一個通過對流驅動的循環(huán)回路，在釋放熱量的情況下冷凝的導熱介 質從熱交換器的初級側流過，導熱介質從溫度比鍋爐的熱的 一 側低的 熱源中汲取熱并蒸發(fā)，用于使導熱介質溫度上升的熱源設置在至少一 個壓縮機之后，壓縮機使導熱介質達到高于鍋爐的熱的 一 側的溫度， 壓縮機流量受調節(jié)裝置的影響，該調節(jié)裝置影響壓縮機的出口和熱交 換器出口管路之間的導熱介質的溫度和/或熱交換器和/或鍋爐的流體 的溫度。上述裝置用于供給熱能。這種裝置具有至少一個鍋爐，鍋爐中有 溫度分層的流體。通常，鍋爐中充滿了水，當然也可以采用任何其他 的能夠載熱的介質。鍋爐中的流體是根據(jù)溫度分層的，這樣在鍋爐中 至少有一個具有冷流體的層，與之相對至少還有一個具有熱流體的 層。通常，在鍋爐冷的一側設有流體的入口 ，特別是冷水的入口；而 在熱的一側設有用于一皮熱加的流體的出口，尤其是熱水出口。 ^皮加熱 的流體尤其用于暖氣供熱，同時作為一種變換或附加地還可供應家庭 用熱水。為了加熱鍋爐中的熱水設置一個熱交換器，熱交換器的次級 側與鍋爐的冷側相連，另一方面與鍋爐的熱的一側相連。熱交換器的 次級側與鍋爐 一起構成一個在鍋爐中閉合的循環(huán)回^各。這個循環(huán)回蹈^ 在鍋爐中由流體的對流驅動，從而根本不需要主動的循環(huán)泵。這種設 置的優(yōu)點在于，在這個循環(huán)回路中的流體的流量直接與承載的熱量相 關聯(lián)。這也避免了流體在這個循環(huán)回路中流動而不能帶來足夠的熱。 這種循環(huán)會完全攪亂鍋爐中流體的溫度層，從而導致從鍋爐得到的溫 度降低。因為在加熱太小的時候不能形成這種對流，所以循環(huán)回路的 精細對流束的前提條件是對流體強有力的加熱。
為了使這種裝置能夠廣泛用于各種用途，能夠使用那些其溫度低 于鍋爐熱的一側的溫度的熱源也是重要的。為此，使用那些能夠被熱 源蒸發(fā)的導熱介質。另外，利用一個壓縮機將導熱介質壓縮，這樣可 以使導熱介質中所包含的熱的溫度升高。接著引導導熱介質穿過熱交 換器的初級側，導熱介質在那里對鍋爐中的流體進行加熱。同時使導 熱介質對流，這樣使熱交換器的蒸發(fā)熱傳遞給鍋爐中的流體。再將流 體導熱介質引回熱源，使其在那里重新獲得熱能。利用這種方法，將 熱能從具有較低溫度的熱源以較高的溫度傳輸?shù)綗峤粨Q器中。這也表 明， 一 個這種類型的熱泵與對流束熱交換器共同工作肯定是有問題 的。
與利用工業(yè)廢熱相反，在使用熱泵驅動的時候，由于與所需能耗 有關，所以主要取決于系統(tǒng)的高效性能。假如熱泵傳輸進熱交換器中 的熱量太少，則鍋爐循環(huán)回路中的對流就有問題。假如傳輸?shù)臒崃刻?br> 多，則壓縮機需要消耗太多能量，而不能在鍋爐中實現(xiàn)對流體的明顯 的力口熱。
為了解決這些問題，使用一個壓縮機，該壓縮機的流量受一個調 節(jié)裝置的影響。而這個調節(jié)裝置則由壓縮機出口和熱交換器出口管路 之間的導熱介質的溫度或熱交換器或鍋爐的流體的溫度影響。利用這 些措施可以實現(xiàn)，通過壓縮機的導熱介質的過流量取決于熱交換器中 的導熱介質給出的熱量。因此，在裝置加速運轉的時候壓縮機消耗相 對比較少的功率，以便有時間在熱交換器上的次級側形成對流。因為 熱交換器中的導熱介質釋放的熱量增加，壓縮機以增加的對流在其功 率范圍內高速運轉。利用這種方法，可以相對小的能耗得到對熱源的 熱能的優(yōu)選利用，從而使該裝置具有驚人的效果。
為了盡量減小能量損失，根據(jù)本發(fā)明的 一 個實施例將熱交換器制 成對流熱交換器是有利的。因此，鍋爐中的流體幾乎被加熱到導熱介 質的溫度。這樣就能夠以很小的溫度損失傳遞熱量。假如在鍋爐的熱 絕緣中設置熱交換器，則熱能損失將特別小。最好是圍繞著鍋爐設置 熱交換器，從而使鍋爐的熱輻射損失部分地在熱交換器中得到再利 用。
為了盡可能有效地達到對流，使熱交換器次級側管路橫截面大于 初級側的是有利的。這樣在次級側上的管路阻力比較小，從而在熱交 換器中由相對較小的溫度差形成非常有效的對流。而在初級側則沒有 必要要求較大的管路橫截面，因為導熱介質本身也是在壓縮機的作用 下被強制地循環(huán)的。
為了能夠實現(xiàn)靈敏的調節(jié)，最好是在熱交換器之后由導熱介質的 冷凝溫度影響調節(jié)裝置。冷凝溫度是壓力的實質性的作用，因此，為 了確定一種已知導熱介質的冷凝溫度只需要測量熱交換器之后的導 熱介質的壓力即可。利用導熱介質的蒸發(fā)壓力曲線可以將如此測得的 壓力換算為冷凝溫度。對冷凝溫度的了解很重要，因為導熱介質的不 完整的冷凝將導致熱交換器中不完整的熱量釋放以及不穩(wěn)定的調節(jié)， 最終導致壓縮機能耗增加。冷凝溫度對調節(jié)的影響將改善裝置的功為了改善效率，調節(jié)裝置根據(jù)熱交換器的過流量將導熱介質的溫 度調節(jié)為低于導熱介質冷凝溫度的一個規(guī)定的溫度。在這種情況下導 熱介質被過冷卻，從而使蒸發(fā)熱通過熱交換器全部傳遞給鍋爐中的流 體。熱交換器中的熱量輸出上升，則導致導熱介質的熱交換器出口處 的溫度相對于冷凝溫度降低。在這種情況下，調節(jié)裝置用于提升通過 壓縮機的流量。這樣，被增大的熱交換器的熱交換能力將直接用于提 高裝置的功率。除此之外，調節(jié)在整個驅動區(qū)域中保持穩(wěn)定。
根據(jù)本發(fā)明將溫度間隔選擇在1K至IOK的范圍中。當溫度間隔 小于1K的時候會產(chǎn)生危險，即在水流排出時，導熱介質的對流就不 完全，從而不必要地在回路中泵送熱量。這樣還會產(chǎn)生很難控制的自 動調節(jié)系統(tǒng)的振動。選擇10K以上的溫度間隔也是不符合本發(fā)明的目 的，因為這種間隔會限制對現(xiàn)有熱源的利用。根據(jù)可利用的熱源，也 可以使用更大的溫度間隔。最好將溫度間隔選在3K至7K的范圍內， 以便實現(xiàn)盡可能敏感和有效的調節(jié)。
為了能夠在一個寬廣的功率量程中使用該裝置，在熱交換器和熱 源之間設置至少 一 個膨脹閥是有益的。這種膨脹閥用于釋放導熱介質 并在熱交換器的區(qū)域中保持熱交換介質壓力比例基本恒定。
為了使該裝置在所有的條件下都能夠實現(xiàn)優(yōu)選的效率，使膨脹閥 與受導熱介質壓力影響的調節(jié)裝置想關聯(lián)是有益的。利用這種方法， 便在 一 個寬廣的工作范圍上實現(xiàn)導熱介質的恒定的性能。
尤其是在熱源具有很低溫度的時候，設置一個熱交換器和至少一 個容器是有利的，這個容器與蒸發(fā)的導熱介質有熱接觸。這樣可以進 一步冷卻導熱介質，從而改善熱接收。除此之外，也提高了由壓縮機 所實現(xiàn)的最終溫度。


唯一的附圖是一個供熱裝置1的示意圖。 具體實施例
下面將結合唯一 的附圖以實施例的方式對本發(fā)明做描述，但這種
描述不構成對保護范圍的限定。裝置1具有一個其中灌滿水3的鍋爐 2。鍋爐2具有一個冷水入口 4和一個熱水出口 5。在鍋爐2中設有一 個隔層6，通過隔層6使熱的一側7位于冷的一側8之上。在熱的一 側7和冷的一側8之間有非常少的混合，從而可以從熱的一側7取出 幾乎具有恒定溫度的水。而且在實踐中水的溫度是取決于熱水出口 5 而不是隔層6的高度。
鍋爐2通過一根連接管路9與一個對流工作的熱交換器10相連 接。水3通過熱交換器10的次級側11流動。次級側11的管路橫截 面比熱交換器10的初級側12的大，從而無需循環(huán)泵Y更在鍋爐2和熱 交換器10之間通過管路9形成一個自由對流。為了盡量減少熱損失， 將熱交換器IO設置在鍋爐3的熱絕緣13中。為了能夠利用鍋爐2的 輻射熱，熱交換器10圍繞著鍋爐2延伸。
另外在鍋爐2中還可以有熱源(圖中沒有示出)，例如化石燃燒 材料暖氣的熱交換器或高溫太陽能裝置。這種設置在鍋爐2中的附加 熱源與本發(fā)明主題無關并且在此亦未示出。
除此之外，還可以根據(jù)熱交換器10的使用情況通過一個附加熱 絕緣層與鍋爐2分隔開。根據(jù)使用情況作為一種變換還可以設想，在 鍋爐2和熱交換器IO之間設置一道具有開口的分隔墻或者是干脆將 它們分開，這樣能夠形成更好的對流。
導熱介質14/人熱交換器10的初級側12流過，該介質在一個特 殊的循環(huán)回路中循環(huán)。熱交換器10的初級側12通過一根管路15與 一個容器15a連接，這個容器15a被做成一個中間熱交換器。在容器 15a中，導熱介質14將熱傳輸給那些在管路22中穿過鍋爐2流動的 蒸發(fā)的導熱介質14。這種方式改善了熱交換器介質14的熱接受性能。
在離開容器15a之后，導熱介質14到達膨月長閥16,該膨脹閥16 用于降低導熱介質14的壓力。膨脹閥16通過一個調節(jié)裝置17與壓 力測量裝置18連接，壓力測量裝置18保持管路15中的導熱介質的
壓力恒定。調節(jié)裝置17具有差分放大器17b,用于將所測得的壓力與 規(guī)定值生成器17a所產(chǎn)生的規(guī)定值相比較。這就保證了，在熱交換器 10中保持導熱介質14的壓力比基本恒定，從而使導熱介質14具有基 本恒定的冷凝溫度。
膨脹閥16通過管路19與另一個熱交換器20連接，這個熱交換 器20與一個熱源21發(fā)生聯(lián)系。作為熱源21例如可以是周圍的空氣， 但也可以考慮地熱或太陽能裝置。通常熱交換器21的溫度不足以直 接加熱熱交換器10中的水3。因此，首先要先提高其溫度。
為此，這樣選4奪導熱介質14，使其在管路19中流動并通過熱源 21蒸發(fā)。這些蒸汽將通過另一根管路22被導入容器15a，這些蒸汽 將在此與從熱交換器IO來的導熱介質14進行熱交換。熱交換介質14 在此將被加熱到鍋爐2的入口溫度。
在離開容器15a以后，導熱介質14將被導入一個壓縮機23,可 以通過轉數(shù)調節(jié)壓縮機的流量。壓縮機23壓縮導熱介質14,由此也 可以提高其溫度。通過管路24使導熱介質14回到熱交換器10中， 并使其在此將其所攜帶的熱傳遞給次級側的水3。如此壓縮導熱介質 14,使其全部蒸發(fā)熱都傳遞給水。
通過將熱交換器10的結構設置成對流熱交換器還可以實現(xiàn)在 水3離開熱交換器IO以后其溫度幾乎與流入的導熱介質14的溫度相 同。溫度損失是很小的，因為流入的導熱介質14首先加熱上層水3， 使其溫度幾乎與導熱介質14的溫度相同。導熱介質14向下流入熱交 換器并對比較冷的水層進行加熱，這樣其溫度明顯降低。這樣將在熱 交換器10中于一個確定的點上到達導熱介質14的冷凝溫度，從而除 去導熱介質14繼續(xù)冷卻之外，還冷凝到一個恒定的溫度。導熱介質 14的冷凝是很充分的，以至于將所有的蒸發(fā)熱都排放出來了。在熱交 換器IO的下部區(qū)域中，將只對流動的導熱介質14繼續(xù)進行冷卻，并 將其導入膨脹閥16和熱源21。利用這種方式，將會非常有效地利用 裝置1的能量。
為了驅動裝置1,在熱交換器10出口側與管路15的區(qū)域中設置
一個溫度傳感器25。該溫度傳感器25測量釋放熱量后的導熱介質14 的溫度。除去導熱介質14的壓力以外，還通過上面提到的壓力測量 裝置18確定管路25中的壓力。通過其中存儲著導熱介質14溫度曲 線的計算電路26來計算導熱介質14的冷凝溫度并將其作為電信號輸 出。計算出的冷凝溫度將與溫度傳感器25的信號和規(guī)定值生成器27a 的規(guī)定值一起輸送給一個差分放大器27,這個差分放大器將確定在管 路15中導熱介質14過冷卻到冷凝溫度以下并將其與規(guī)定值相比較。 差分放大器27的輸出信號28被輸入調節(jié)裝置29，該信號用來通 過頻率調節(jié)器30控制壓縮機23。利用這種方式可以保證，根據(jù)水3 的對流總是優(yōu)選地使導熱介質14循環(huán)。這樣， 一方面可以優(yōu)選地利 用熱源21，另一方面可以將壓縮機23的能量消耗限制為最小。利用 這種方法可以從總體上優(yōu)化裝置1的作用。
1.裝置2.鍋爐3.水4.冷水入口5.熱水出口6.隔層7.熱的一側8.冷的一側9.管路10.熱交換器11.次級側12.初級側13.熱絕緣14.導熱介質15.管路
15a.六w 谷為16.膨脹閥17.調節(jié)裝置
17a.規(guī)定值生成器18.壓力測量裝置19.管路20.熱交換器21.熱源22.管路23.壓縮才幾24.管路25.溫度傳感器26.計算電路27.差分放大器
27a. 規(guī)定值生成器
28. 輸出信號
29. 調節(jié)裝置
30. 頻率調節(jié)器
權利要求
1.供熱裝置，裝置(1)至少具有一個鍋爐(2)，鍋爐(2)中具有溫度分層的流體(3)，以及一個位于下側的冷的一側(8)和一個位于上側的熱的一側(7)，并且與至少一個熱交換器(10)的次級側(11)構成一個通過對流驅動的循環(huán)回路，其特征在于，在釋放熱量的情況下冷凝的導熱介質(14)從熱交換器(10)的初級側(12)流過，導熱介質(14)從溫度比鍋爐(2)的熱的一側(7)低的熱源(21)中汲取熱并蒸發(fā)，用于使導熱介質(14)溫度上升的熱源(21)設置在至少一個壓縮機(23)之后，壓縮機(23)使導熱介質(14)達到高于鍋爐(2)的熱的一側(7)的溫度，壓縮機(23)流量受調節(jié)裝置(29)的影響，該調節(jié)裝置(29)影響壓縮機(23)的出口和熱交換器(10)出口管路(15)之間的導熱介質(14)的溫度和/或熱交換器(10)和/或鍋爐(2)的流體(3)的溫度。
2. 如權利有求1所述的裝置，其特征在于，熱交換器(10)被 制成對流熱交換器并且設置在鍋爐(2)的熱絕緣(13)中。
3. 如權利有求l或2所述的裝置，其特征在于，熱交換器(IO) 次級側的過流斷面大于其初級側的斷面。
4. 如權利有求之一所述的裝置，其特征在于，最好在熱交換器 (10)之后由導熱介質(14)的冷凝溫度影響調節(jié)裝置(29)。
5. 如權利有求4所述的裝置，其特征在于，調節(jié)裝置(29)根 據(jù)熱交換器(10)的過流量將導熱介質(14)的溫度調節(jié)為在導熱介 質(14)的冷凝溫度下的一個預先設定的溫度間隔。
6. 如權利有求4所述的裝置，其特征在于，溫度間隔在1K至10K 之間，最好在3K至7K之間。
7. 如權利有求1至6之一所述的裝置，其特征在于，在熱交換 器(10)和熱源(21)之間設置至少一個膨脹閥(16)。
8. 如權利有求4所述的裝置，其特征在于，膨脹閥(16)與受 導熱介質(14)的壓力影響的調節(jié)裝置(17)相連接。
9.如權利有求1至6之一所述的裝置，其特征在于，熱交換器(10)的初級側(12)設置至少一個容器(15a)后面，該容器(15a) 與由熱源(21)蒸發(fā)的導熱介質(14)熱連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種供熱裝置，裝置(1)至少具有一個鍋爐(2)，鍋爐(2)中具有溫度分層的流體(3)，以及一個位于下面的冷的一側(8)和一個位于上側的熱的一側(7)，并且與至少一個熱交換器(10)的次級側(11)構成一個通過對流驅動的循環(huán)回路，其特征在于，在釋放熱量的情況下冷凝的導熱介質(14)從熱交換器(10)的初級側(12)流過，導熱介質(14)從溫度比鍋爐(2)的熱的一側(7)低的熱源(21)中汲取熱并蒸發(fā)，用于使導熱介質(14)溫度上高的熱源(21)設置在至少一個壓縮機(23)之后，壓縮機(23)使導熱介質(14)達到高于鍋爐(2)的熱的一側(7)的溫度，壓縮機(23)流量受調節(jié)裝置(29)的影響，該調節(jié)裝置(29)影響壓縮機(23)的出口和熱交換器(10)出口管路(15)之間的導熱介質(14)的溫度和/或熱交換器(10)和/或鍋爐(2)的流體(3)的溫度。
文檔編號F24H4/04GK101191664SQ200710195150
公開日2008年6月4日 申請日期2007年11月30日 優(yōu)先權日2006年11月30日
發(fā)明者彼得·格布哈特 申請人:Ifg太陽能兩合股份公司