CS243224B1

CS243224B1 - Dvouokruhová kompresorová odpařovací a kondenzační souprava

Info

Publication number: CS243224B1
Application number: CS848671A
Authority: CS
Inventors: Drahomir Jurajda
Original assignee: Drahomir Jurajda
Priority date: 1984-11-14
Filing date: 1984-11-14
Publication date: 1986-06-12
Also published as: CS867184A1

Abstract

Podstatou zařízení je, že pracovní kompresor (44) teplonosného plynu je sací větví napojen na pracovní komoru (01) a výtlačnou větví přes tepelné výměníky (45, 46, 43), odlučovač mlhoviny (47), expanzní ventil (49) a tepelný výměník (42) zpět na pracovní komoru (01). Oběhový ventilátor (2b) je sací větví napojen rovněž na pracovní komoru (01) a výtlačnou větví přes výměníky (48, 46) zpět na vstup do pracovní komory. Přitom pracovní komora (01), oběhový ventilátor (2b) i všechny prvky vlastní kondenzační jednotky (4) jsou od vnějšího okolí i od sebe navzájem tepelně izolovány.

Description

[54] Dvouokruhová kompresorová odpařovací a kondenzační souprava

Vynález se týká dvouokruhové kompresorové odpařovací a kondenzační soupravy a řeší problém účinného využití kondenzačního tepla kapalin odpařených v pracovních komorách, nebo pracovních zónách kontinuálních linek pro chemické úpravy, čištění a sušení výrobků, jako podstatného zdroje energie pro vlastní provoz těchto zařízení a zároveň problém ekonomicky výhodného zpětného získávání kapalin, odpařovaných v pracovních zónách zařízení. V případě speciálních sušáren se řeší problém zachování vysokého stupně čistoty vysoušené látky.

Typickým případem energeticky náročných provozů tohoto typu jsou linky chemických předúprav a galvanovny. Například u obvyklé linky pro klasické odmašťování a fosfátování kovových detailů postřikem, s příkonem cca 250 kW, se většina tepla přiváděného do zařízení odvádí vodními párami do odvětrání linky. U zařízení pro odmašťování detailů v párách organických rozpouštědel se podstatná část tepla přiváděného do varné zóny bez užitku odvádí chladicí vodou, nebo u modernějších zařízení chladicím vzduchem. Některé principiálně výhodné metody čištění detailů postřikem organickými rozpouštědly se prakticky vůbec nerealizují, neboť kromě energetických nákladů jsou náklady na úhradu nefunkčně vypařených a ventilací odvedených rozpouštědel pro průmyslovou výrobu ekonomicky neúnosné.

Stávající metody zpětného získávání tepla ze vzdušin odváděných do odvětrání jsou z energetického hlediska málo účinné, neboť získané teplo má vysoký podíl energie a je použitelné jen v topné sezóně, a to pouze pro snížení nákladů na vytápění. Ekonomicky vyčíslitelný přínos těchto zařízení není zdaleka měřítkem jejich dokonalosti, vyjadřuje spíše stupeň nedokonalosti stávajících technologických zařízení, produkujících tzv. odpadní teplo.

Uvedený problém v řadě případů řeší dvouokruhové kompresorová odpařovací a kondenzační souprava podle vynálezu, která teplo spotřebované na odpaření kapaliny v pracovní zóně zařízení předává v sérii kondenzačních výměníků jak přímo, tak nepřímo prostřednictvím vestavěného tepelného čerpadla zpět do okruhu teplonosného plynu cirkulujícího pracovní zónou. Podstata vynálezu spočívá v tom, že pracovní kompresor teplonosného plynu je sací větví napojen na pracovní komoru technologického zařízení a výtlačnou větví přes protiproudy výměník pro odvod tepla vzniklého adiabatickou kompresí na nekomprimovaným teplonosným plynem chlazený výměník, zajišťující částečnou kondenzaci kapaliny, a tento je napojen na kondenzační výměník chlazený výparníkem vestavěného tepelného čerpadla. Vývod stlačeného plynu z tohoto výměníku je napojen přes odlučovač mlhoviny na expanzní ventil a odtud na tepelný výměník vyhřívaný kondenzátorem vestavěného tepelného čerpadla. Vývod teplonosného plynu z tohoto výměníku je napojen na první protiproudy výměník pro odvod tepla vzniklého adiabatickou kompresí a odtud na vstup do pracovní komory. Oběhový ventilátor teplonosného plynu je sací větví napojen na pracovní komoru a výtlačnou větví přes výměník v nádrži kondenzátu kapaliny na druhý výměník, zajišťující částečnou kondenzaci par v komprimovaném teplonosném plynu a odtud na vstup do pracovní komory. Při tom pracovní komora, oběhový ventilátor i všechny prvky vlastní kondenzační jednotky jsou od vnějšího okolí i do sebe navzájem tepelně izolovány.

Obecnou výhodou zařízení podle vynálezu jsou podstatně nižší energetické náklady na vlastní technologický proces a zpětné získání odpařených rozpouštědel, nebo technické destilované vody. V případě speciálních aplikací může být konkrétní výhodou i přesně definované dosušování chemických produktů v ochranné atmosféře inertního plynu při zachování vysoké energetické úspornosti zařízení.

Na obr. 1 je obecné schéma dvouokruhové kompresorové odpařovací a kondenzační soupravy bez konkrétní specifikace typu pracovní komory, ve které probíhá odpařování jímané látky. Na obr. 2 je příklad konkrétního využití dvouokruhové kompresorové odpařovací a kondenzační soupravy.

Na obr. 1 je pracovní komora 01 znázorněna jako tepelně izolovaná a uzavřená komora s odpařovací plochou 02, kterou může být například povrch kapiček kapaliny rozstřikované v komoře. Pracovní kompresor 44 vlastní kondenzační jednotky 4 je sací větví napojen na výstup z pracovní komory 01 a výtlačnou větví na protiproudy výměník 45 pro odvod tepla dodaného teplonosnému plynu adiabatickou kompresí. Odtud je komprimovaný teplonosný plyn vyveden přes kondenzační výměníky 46 a 43 do odlučovače mlhoviny 47. Za odlučovačem mlhoviny je zařazen škrticí ventil 49 a expandovaný teplonosný plyn je vyveden přes výměník 42, dosud jako chladicí médium, do protiproudého výměníku 45 a odtud přes případně zařazenou směšovací komoru 8 na vstup do pracovní komory 01. Teplosměnnou plochu ve výměníku 43 tvoří lamely výparníku a ve výměníku 42 lamely kondenzátorů okruhu tepelného čerpadla s kompresorem 41.

Oběhový ventilátor 2b je sací větví napojen na výstup z pracovní komory 01 a výtlačnou větví přes výměník 48 v nádrži kondenzátu a výměník 43 pro částečnou kondenzaci par jímané látky zpět na vstup do pracovní komory 01.

Funkce jednotlivých prvků vlastní kondenzační jednotky 4 i celého zařízení nebude za všech okolností úplně totožná. V případě, že pracovní komora 01 bude uzavřenou sušárnou, kde se po ukončení technologického pochodu budou sušit porézní výrobky na243324 sycené pracovní kcpalinou, bude funkce jednotlivých prvků /stému tato: V prvním období sušení pracovní kompresor 44 nasává teplonosný plyn s obsahem jímané látky o koncentraci blízké stavu nasycení a adiabaticky jej stlačuje. Část tepla vzniklého adiabatickou kompresí se stlačenému teplonosnému plynu odnímá v protiproudem výměníku 45 expandovaným, chlazeným a vysušeným plynem téhož okruhu. V kondenzačním výměníku 46 dochází navíc na teplosměnné ploše 02‘ potrubí cirkulujícího nestlačeného teplonosného plynu, dopravovaného ventilátorem 2b, k částečné kondenzaci par jímané látky.

V kondenzačním výměníku 43 dochází k dalšímu ochlazení komprimovaného teplonosného plynu a na lamelách výparníku tepelného čerpadla kondenzuje další podíl par jímané látky. Konečná koncentrace par jímané kapaliny v komprimovaném teplonosném plynu je předurčena stupněm komprese a nastavením odpařovací teploty chladivá ve výparníku tepelného čerpadla. Ochlazený teplonosný plyn se sníženým obsahem jímané látky je veden přes odlučovač mlhoviny 47 a odtud přes expanzní ventil 49 do výměníku 42. Adiabatickou expanzí proti atmosférickému tlaku ve škrticím ventilu 49 se teplonosný plyn dále ochladí a ve výměníku 42 odnímá teplo z kondezátoru v okruhu kompresoru 41 tepelného čerpadla. Množství tepla odebraného z kondenzátoru chladivá ve výměníku 42 je ve srovnání s teplem předaným výparníku ve výměníku 43 větší o mechanickou práci, vnesenou do okruhu kompresorem 41 a plyn vyvedený z výměníku 42 jako chladicí médium do protiproudého výměníku 45 je schopen odejmout jen část tepla z adiabaticky zahřátého komprimovaného teplonosného plynu z kompresoru 44. Zahřátý plyn z výměníku 45 se vede přes případně zařazenou směšovací komoru 8 na vstup do pracovní komory 01, kde se mísí s cirkulujícím plynem dopravovaným oběhovým ventilátorem 2b a podílí se svým teplem na odpařování jímané látky s povrchu sušených detailů 02. V této fázi sušení představuje okruh pracovního kompresoru 44 zvlášní případ tepelného čerpadla s klesajícím obsahem chladivá v okruhu, které je navíc transportováno ve směsi s teplonosným plynem.

Chladivém je přitom vlastní jímaná látka, výparníkem vysušovaný detail 02. Ve schématu na obr. 1 je teplosměnná plocha 02, potrubí cirkulujícího teplonosného plynu transportovaného ventilátorem 2b ve výměníku 46 zakreslena rovněž symbolem, vyhrazeným v oblasti chladicí techniky pro výparník. Prostřednictvím cirkulujícího plynu v okruhu ventilátoru 2b je totiž chlad vzniklý odpařením kapaliny na sušeném tělese 02 přenášen na teplosměnnou plochu 02‘. Z hlediska tohoto zvláštního případu „vnitřního“ tepelného čerpadla reprezentovaného okruhem kompresoru 44, je výměník 46 kondezátorem a současně zprostředkovaně i výparníkem. V prvních fázích sušení, kdy rosný bod teplonosného plynu v okruhu ventilátoru 2b bude vyšší než teplota kondenzátu, kterou je veden výměník 48, bude úsek potrubí 02‘ plnit i fyzicky funkci výparníku. Ve výměníku 48 dojde totiž k částečné kondenzaci jímané látky a tato ve formě mlhoviny bude teplonosným plynem transportována do výměníku 46, kde se v úseku 02‘ znovu odpaří.

S postupujícím vysoušením tělesa 02 bude obsah par jímané látky v cirkulujícím teplonosném plynu klesat a výměník 46 bude sloužit pouze pro předběžné ochlazení komprimovaného a ohřátí cirkulujícího teplonosného plynu. V pokročilém stadiu sušení, kdy teplo uvolněné kondenzací jímané látky ve výměníku 43 bude menší, než teplo odebrané komprimovanému plynu, převládne u tepelného čerpadlo s kompresorem 41 funkce chladicí sušky teplonosného plynu, ovšem v důsledku zařazení kondenzátoru 42 do okruhu kompresoru 44, sušky pracující velmi úsporně.

Pro případ, že by zařízení bylo postaveno pouze pro případ přesně definovaného dosušování, bylo by možno vypustit ventilátor 2b a výměníky 46 a 48, přičemž by si zařízení stále zachovalo charakter dvouokruhové soupravy. Naopak, v případě, že v pracovní komoře 01 se bude v důsledku technologického procesu trvale udržovat koncentrace par pracovní kapaliny na hodnotě blízké stavu nasycení, je možno tepelné čerpadlo s výměníky 42 a 43 vypustit a zařízení se změní na jednookruhovou odpařovací a kondenzační soupravu. Okruh teplonosného plynu dopravovaného kompresorem 44 a ventilátorem 2b nemusí být v principu uzavřený a v případě aplikace zařízení na kontinuálních technologických linkách s dopravníkem není ani zcela uzavřený okruh technicky realizovatelný. Takový případ je schematicky znázorněn na obr. 2, kde pracovní komorou soupravy jsou tři zóny 01, 12a, 12 vratného technologického tunelu 7 pro postřik kovových detailů organofosfatizačním roztokem, oddělené od sebe vzduchovými clonami ventilátorů 1, ,2a, 2. Teplonosný plyn (vzduch) s obsahem rozpouštědel o koncentraci ci je pracovním kompresorem 44 odebírán ze sekundární větve vzduchové clony 1, naopak ochuzený vzduch o koncentraci c_K z vlastní kondenzační jednotky 4 je do tunelu přiváděn přes směšovací komoru 8, vyústěnou do styčné zóny 12. Další transport teplonosného plynu se sníženým obsahem ředidel i transport přisávaného čistého vzduchu je zprostředkován v důsledku ejektorového efektu vzduchových clon kaskády.

Technologické zařízení uspořádané podle obr. 2 pracuje takto: V pracovní zóně 01 jsou výrobky projíždějící na podvěsném dopravníku 71 postřikovány fosfatizačním roz243224 tokem dopravovaným do sprch pracovním čerpadlem 5 ze zásobní nádrže 6. V pracovní zóně 01 se ustaví rovnovážná koncentrace ředidel blízká stavu nasycení. Vzduchové clony vytvářené ventilátory 1, 2a, 2, oddělují jednotlivé zóny od sebe jenom částečně, neboť v důsledku ejekčního účinku proudů vzduchu z výdechové štěrbiny vzduchové clony je za jednotku času z každé strany clony přisáváno určité množství vzduchu V_R. Pro zachování vyrovnané hmotnostní bilance musí být na výtlačné straně ventilátorů 1, 2a, 2, přisáté množství vzduchu odvedeno (tzn. celkem 2V_R. U ventilátoru 1 první vzduchové clony je situace řešena tak, že polovina přisátého množství vzduchu je ze sekundární větve výtlaku odvedena zpět do sprchové komory 01 (kde se opět podílí na nefunkčním odpařování ředidel), druhá část je vyvedena na sání pracovního kompresoru 44. Součin V_R . ci vyjadřuje množství ředidla transportovaného sekundárními větvemi první vzduchové clony jak zpět do pracovní komory 01, tak do kondenzační jednotky 4. V sušicí zóně 12a probíhá sušení projíždějících výrobků recirkulujícím vzduchem v okruhu ventilátoru 22b. V zóně 12a se udržuje rovnovážná koncentrace Cj_2a • (ci_2a<Cij. K ustavení rovnováhy dochází jak v důsledku kontinuálního přísunu nových smočených výrobků, tak přívodem vzduchu z výtlaku ventilátoru 2a oddělovací vzduchové clony (v množství 2V_R) a odsáváním vzduchu ze zóny 12a do obou sousedních vzduchových clon. V oddělovací vzduchové cloně s ventilátorem 2a se ustavuje rovnovážná koncentrace ředidel c_2a (c_2a < < c_12a). Součin 2V_R . c_2a vyjadřuje množství ředidla transportovaného za jednotku času do zóny 12a (tj. proti směru koncentračního spádu v tunelu). Ve směšovací komoře 8 a styčné zóně 12 dochází k částečnému smísení vzduchu o koncentraci c_K odváděného z kondezační jednotky 4) a vzduchu přiváděného ze sekundární větve výtlaku další vzduchové clony s ventilátorem 2 (o koncentraci čaj. Koncentrace ředidel ciz ve vzduchu přisávaném směrem od zóny 12 do oddělovací clony s ventilátorem 2a bude tudíž menší než c_K a naopak vyšší než rovnovážná koncentrace ve vzduchové cloně s ventilátorem 2 (c_2a > C|₂ > c₂). Množství ředidla, které za jednotku času skondenzuje v kondenzační jednotce 4 se rovná hodnotě V_r(Ci-Ck). Množství nefunkčně odpařeného ředidla v pracovní zóně 01 je rovno součinu V_R(Coi-Ci). Má-li se například zajistit, aby složení lázně v zásobní nádrži 6 zůstalo konstantní, musí být kaskáda vzduchových clon v technologickém tunelu s kondenzační jednotkou 4 seřízena tak, aby platila podmníka:

Coi — Ci = Ci—C_K.

Konkrétní řešení kaskády vzduchových clon pro technologické tunely i konkrétní konstrukce vzduchové clony se sníženým efektivním ejekčním účinkem jsou předmětem samostatných vynálezů. Na obr. 2 jsou pouze naznačeny sekundární výdechové štěrbiny snižující nežádoucí ejekční účinek hlavního proudu vzduchu (vývody k rozvodné komory nad hlavní výdechovou štěrbinou nasměrované šikmo k hlavnímu proudu vzduchuj.

Na obr. 2 není naznačena izolace pracovních zón technologického tunelu 7 od vnějšího okolí.

Při této konkrétní aplikaci kombinovaného odmašťování a organického fosfátování v jedné lázni je totiž možno pracovat při teplotě dílny. Navíc je celé zařízení řešeno tak, aby množství vzduchu odváděného do vlastní kondenzační jednotky 4, bylo zredukováno na technicky dosažitelné minimum (průtok vzduchu kompresorem 44 je mnohonásobně menší, než objem recirkulujícího vzduchu v zóně 12a, dopravovaného ventilátorem 2b). Ztráty tepla v zóně 12a v důsledku funkčního odpaření rozpouštědel s povrchu detailů projíždějících na dopravníku 71 jsou kompenzovány teplem z kondenzačního výměníku 43, ztráty tepla ve sprchové komoře 01 v důsledku nefunkčně odpařovaného ředidla z fosfatizačního činidla jsou kompenzovány rovněž ohřátým vzduchem, transportovaným do zóny 01 sekundární větve vzduchové clony ventilátoru 1. Střední teplota v pracovních zónách 01, 12 a 12a se bude jen nepatrně lišit od teploty dílny. Nákladná a v principu méně účinná izolace velkých ploch technologického tunelu nebude nutná, naopak účinná izolace kompaktní a poměrně malé vlastní kondenzační jednotky 4 je technicky snadno realizovatelná.

Kromě uvedené aplikace je možno dvouokruhové kompresorové odpařovací a kondenzační soupravy využít pro řadu jiných aplikací. Jednou z možností je provozně úsporná suška prádla do domácností. Pro tuto aplikaci je možno zařízení ve srovnání se schématem na obr. 1 zjednodušit vypuštěním všech prvků okruhu ventilátoru 2b i výměníku 45 a náhradou kompresoru 44 vysokotlakým ventilátorem. Celé zařízení bude možno řešit jako kompaktní izolovanou skříň, kde v izolovaném strojním prostoru budou umístěny cirkulujícím vzduchem chlazený kompresor 41, výměníky 42 a 43 a odlučovač mlhoviny 47. Taková suška bude pracovat velmi úsporně, neboť kromě vysoké tepelné účinnosti tepelného čerpadla bude provozní náklady snižovat i produkce destilované vody, jejíž hodnota může být v pricipu vyšší, než náklady na elektrickou energii potřebnou k pohonu sušky.

Jinou možnou aplikací vynálezu jsou laboratorní i průmyslové, hermeticky uzavřené, sušárny speciálních hmot v ochranné atmosféře cirkulujícího inertního plynu.

Claims

PŘEDMĚT

Dvouokruhová kompresorová odpařovací a kondenzační souprava, sestávající z pracovní komory pro odpařování jímané látky recirkulujícím teplonosným plynem a vlastní kondenzační jednotky s vestavěným tepelným čerpadlem, vyznačená tím, že pracovní kompresor (44) teplonosného plynu je sací větví napojen na pracovní komoru (01 j, a výtlačnou větví přes protiproudý výměník (45), kondenzační výměník (46), kondenzační výměník (43), chlazený výparníkem tepelného čerpadla, odlučovač mlhoviny (47], expanzní ventil (49), tepelný vývynalezu měník (42), vyhřívaný kondenzátorem chladivá v okruhu kompresoru (41) tepelného čerpadla a přes protiproudý výměník (45) zpět na pracovní komoru (01) a oběhový ventilátor (2b) teplonosného plynu je sací větví napojen na pracovní komoru (01) a výtlačnou větví přes kondenzátem chlazený výměník (43) a kondenzační výměník (46) zpět na vstup do pracovní komory (01), přičemž pracovní komora (01), oběhový ventilátor (2b) i všechny prvky vlastní kondenzační jednotky (4) jsou od vnějšího okolí i od sebe navzájem tepelně izolovány.