CS251301B1 - Zařízení k energeticky úspornému ohřevu a sušení pomocí tepelných čerpadel - Google Patents

Abstract

Zařízení řeší problém využití veškeré tepelné energie plynů vystupujících z ohřívacího nebo sušicího prostoru. Jeho podstata spočívá v aspoň dvoustupňové soustavě tvořené tepelnými čerpadly, ohří­ vacími prostory nebo sušírnami, kompresory a na ně napojenými tepelnými výměníky. K pohonu aspoň jednoho z těchto kompresorů jsou v těchto vícestunňových soustavách vestavěný motor anebo expanzní stroj, například turbina, pro přeměnu energie stlačeného plynného media na mechanickou práci.

Description

Vynález se týká zařízení k energeticky úspornému ohřevu a sušení substrátů nejrůznějšího druhu pomocí tepelných čerpadel.

Ohřevu a sušení jako technologických operací se používá téměř ve všech odvětvích národního hospodářství. Jejich účelem je bud jen uvést substrát - výrobky, polotovary, hmoty - popřípadě i atmosféru v určitém uzavřeném prostoru na potřebnou teplotu - pak jde o ohřev -, anebo snížit podíl vody a jiných těkavých složek či je odstranit vůbec ze substrátů podrobených této operaci - a pak jde o sušení. Obě operace jsou energeticky zpravidla značně náročné, což platí ve zvýšené míře o sušení, poněvadž zde největší podíl spotřebované energie připadá na odpaření kapalné fáze nehledě na to, že je třeba vynaložit tepelnou energii na prohřátí hmoty sušeného substrátu a že je třeba počítat s energií, jež se musí vynaložit na krytí tepelných ztrát. Při sušení jde sice převážně o nízkoúrovňové teplo, avšak i toto se ve velké většině případů vyrábí s využíváním vysoce ušlechtilých druhů energií a paliv. Energetická náročnost sušicího procesu vynikne zvlášt, vezmeme-li v úvahu obrovská množství nejrůznějších substrátů sušených v průmyslu a zemědělství .

Dosud známé technologie sušení, spočívající v přímém či nepřímém zahřívání sušených substrátů a v přenášení přitom vzniklých par z prostoru sušárny do atmosféry, byly postupně zdokonalovány s cílem zmenšovat ztráty energie, k nimž docházelo v důsledku zmíněného unikání par bez užití. Přitom je třeba ovšem počítat i se ztrátami v důsledku odvádění tepla kouřovými plyny, sáláním atp., takže celková energetická bilance - zvláště u velkokapacitních sušáren - ukazuje, že tato zařízení pracují s nízkým koeficientem účinnosti.

Jeden směr uvedených zdokonalení sleduje využití tepla unikajícího ze sušáren popsaným způsobem, a to tím, že plynná fáze teplonosných látek je vedena do tepelných čerpadel obdobně, jak je obvyklá aplikace těchto termodynamických zařízení při využívání nízkopotenciálního tepla z atmosféry, z říčních toků i přírodních vodních nádrží popřípadě z podzemních prostorů v určité hloubce pod povrchem

- 2 251 301

Komprese této plynné fáze, k níž dochází v tepelném čerpadle, si sice vyžádá vynaložení určité mechanické energie, například z elektric kého nebo plynového motoru, avšak umožňuje využití dosud ztrátového odpadního tepla přivedeného na vyšší úroveň jak k opětnému sušení tak k vytápění nebo jinému ohřevu. Při sušicím procesu se vlhký vzduch vystupující ze sušárny po filtraci a po zmíněné kompresi recirkuluje přes tepelný výměník, kde odevzdá část svého tepla do expandéru, popřípadě expanzní turbiny, kde nas.talou expanzí dojde jednak k dodání části síly potřebné pro pohon kompresoru jednak k ochlazení plynu pod saturační teplotu, a tím i ke kondenzaci vodních par na vodu, jež se pak odvádí z okruhu do separátoru. Vysušený vzduch popřípadě plyn se ohřeje v tepelném výměníku tepelného čerpadla na vyšší teplotu pro opětný vstup do sušárny.

Tento systém představuje sice podstatné zhospodárnění tepelného sušicího procesu oproti dřívějšímu stavu, avšak neumožňuje využití veškeré tepelné energie plynné fáze vystupující ze sušicího prostoru včetně kondenzačního tepla složek schopných kondenzace za podmínek výměny tepla, například vodní páry. Rovněž v případě, kdy je účelné rozčlenit sušicí popřípadě ohřívací proces na několik větví či stupňů podle toho, zda se požaduje sušení či ohřev za různých teplot nebo za jiných rozrůzněných podmínek, například míry vlhkosti, nelze dosud známými systémy dosáhnout zmíněných vyšších a náročnějších účinků aplikace tepelných čerpadel.

Podle vynálezu se tyto systémy zdokonalí tím, že se v zařízeních s tepelnými čerpadly upraví aspoň dvoustupňové soustavy sestávající z ohřívacích prostorů anebo sušíren aspoň z dvou kompresorů a na ně napojených tepelných výměníků, přičemž k pohonu těchto kompresorů jsou vestavěny jednak motory jednak expanzní stroje, například turbiny, pro přeměnu energie stlačeného plynného media na mechanickou· práci . V zařízeních jsou zabudovány kompresory pro stlačování bučí atmosférického vzduchu, nebo vzduchu, popřípadě plynů vystupujících ze sušáren, na něž jsou napojena výtlačná potrubí vedoucí bud do ohřívacího prostoru popřípadě sušírny nebo do tepelného výměníku. Obdobně, tj. na výstupu z ohřívacích prostorů nebo ze sušíren, jsou upravena sací a dále výtlačná potrubí u kompresorů v dalších stupních, přičemž bučí jsou tepelné výměníky umístěny uvnitř sušíren nebo vně sušíren umístěné tepelné výměníky jsou napojeny na

- 3 251 301 radiátory umístěné uvnitř sušíren^popřípadě ohřívacích prostorů.

Při srovnání s dosud známými systémy pro sušení, využívajícími k ohřevu tepelná čerpadla, pracující s vlastním teplonosným me^?diem, které cirkuluje v uzavřeném kruhu mezi expandérem a kondenzátorem, se ukazuje přednost zařízení podle vynálezu, jež spočívá v tom, že v něm je možno používat jako teplonosné medium přímo plynnou fázi vystupující ze sušírny, tj. vzduch, vlhký vzduch, vodní páru a působící tudíž v okruhu, který není uzavřen; to umožňuje zjednodušenou konstrukci zařízení a snížení investičních nákladů i tepelných ztrát v sušicím procesu. Kromě toho lze v zařízení podle vynálezu působit na sušené substráty i za zvýšeného tlaku vzduchu či jiného plynného media, vháněného přímo do sušicího, popřípadě ohřívacího prostoru výtlačným potrubím kompresoru. Právě tak je možné provádět sušení i v podtlaku.

Vyšší účinky, jichž se dosahuje zařízením podle vynálezu /B/ ve srovnání s dosud známým jednostupňovým řešením /A/, jsou zřejmé z energetických bilancí v těchto případech přímého i nepřímého ohřevu, které byly provedeny na gottwaldovském pracovišti technologické fakulty Vysokého učení technického v Brně.

251 301

Přímý ohřev substrátu horkým plynným mediem, například vzduchem, přehřátou vodní parou popřípadě jinými plyny:

' SS°3t’«TePiota	Tlak	-,- Energie |/druh, množství/
I 1 1		; dodané /+/

			odčerpané /-/
1. Vstupní hodnoty	1 kg vzduchu	0° C	0,1013 MPa
2. Komprese				+ 134 KJ /mechanická/
3. Nové hodnoty a/ po kompresi b/ odčerpání tepla c/ po odčerpání tepla		133° C 40° C	0,4053 MPa 0,4053 MPa	- 94 KJ /tepelná/
4. Expanze na tlak původní /vnější atmosféry/			0,1013 MPa	- 103 KJ /mechanická na pohon kompresoru/
5. Výstupní hodnoty	1 kg vzduchu	-62° C	0,1013 MPa	Energetická bilance : 1 η λ τζτ

/tepelné energie/ + 134 - 103 KJ s +31 KJ /mechanické energ./ takže celkový poměr činí 94 : 3.1 « 3,03

Závěr: Na 31 KJ vynaložené energie mechanické připadlo 94 KJ získané energie tepelné, takže vklad 1 KJ mechanické energie přinesl 3,03 KJ tepelné energie.

251 301

Β/

Nepřímý ohřev substrátu sdílením tepla přes stěny zařízení, prostřednictvím radiátorů atp.:

a. při vstupu me^Zdia o tlaku rovném vnější atmosféře:

	Hmotnost, látka	Teplota	Tlak	Energie /druh, množství/ dodané /+/ odčerpané /-/
1. Vstupní hodnoty	1 kg vodní páry	110°	C	0,1013	MPa
2. První komprese				+ 170 KJ /mechanická/
3. Nové hodnoty a/ po první kompresi			200°	C _	0,24	MPa
b/ odčerpání tepla							- 124 KJ /tepelná/
c/ po odčerpání tepla			140°	C	0,24	MPa
4. Druhá komprese				+ 105 KJ /mechanická/
5. Nové hodnoty
a/ po druhé kompresi			195°	C	0,4	MPa
b/ odčerpání tepla							- 2256 KJ /tepelná/
c/ po odčerpání tepla /výstupní hodnoty/	1 kg vody	140°	c	0,4	MPa	Energetická bilance: - /124 + 2256/ KJ /tepelné energie/ = 2380 KJ

170 + 105 KJ /mechanic.energ./ = 275 KJ takže celkový poměr činí 2380 : 275 «8,65

Závěr: Na 275 KJ vynaložené energie mechanické připadlo 2380 KJ získané energie tepelné, takže vklad 1 KJ mechanické energie přinesl 8,65 KJ tepelné energie /nehledě na možnost dalšího využití výstupního tlaku 0,4 MPa, např. na pohon kompresoru/.

I

251 301

b. při vstupu media z podtlakové sušírny o tlaku 0,04 MPa:

Hmotnost, látka

Teplota

Tlak

Energie /druh, množství/ dodané /+/ odčerpané /-/

Vstupní hodnoty kg vodní páry

80° C

0,04 MPa

2. První komprese + 498 KJ /mechanická/

3. Nové hodnoty a/ po první kompresi b/ odčerpání tepla c/ po odčerpáni tepla

337° C

140° C

0,4 MPa

0,4 MPa

- 2510 KJ /tepelná/

Druhá komprese + 208 KJ /mechanická/

5. Nové hodnoty a/ po druhé kompresi b/ odčerpání tepla c/ po odčerpání tepla /výstupní hodnoty/

248° C

0,4 MPa kg vody

140° C

0,4 MPa

- 2370 KJ /tepelná/

Energetická bilance: - /2510 + 2370/ KJ /tepelné energie/ = 4880 KJ

498 + 208 KJ /mechanic.energ./ «=. 706 KJ takže celkový poměr činí 4880 : 706 « 6,9

Závěr: Na 706 KJ vynaložené energie mechanické připadlo 4880 KJ získané energie tepelné, takže vklad 1 KJ mechanické energie přinesl 6,9 KJ tepelné energie /nehledě na možnost dalšího využití výstupního tlaku 0,4 MPa, např. na pohon kom.presoru/.

-7 2S1 301

Na výkrese jsou uvedeny 3 příklady provedení vynálezu ve schematických řezech, přičemž obr. 1 znázorňuje zařízení o dvou stupních a s kombinací přímého ohřevu v první sušírně s nepřímým ohřevem v druhé sušírně, obr. 2 znázorňuje rovněž dvoustupňové zařízení s jedinou sušírnou s dvěma vestavěnými radiátory a na obr. 3 je znázorněno třístupňové zařízení opět s jednou sušírnou, avšak se třemi vestavěnými radiátory.

Obr. 1. První sací potrubí 1. pro přívod atmosférického vzduchu ústí do prvního kompresoru 2^, na nějž je napojeno první výtlačné potrubí _3 vedoucí ohřátý stlačený vzduch do sušírny _4, v níž jsou rozloženy hmoty 4a určené k vysoušení. Z prostoru nad těmito hmotami 4a vychází sací potrubí 5a pro přívod vzduchu ochuzeného o teplo odevzdané hmotám 4a a obohaceného o vodu a těkavé komponenty vypařené z hmot 4a do druhého kompresoru 5. Odtud je vedeno druhé výtlačné potrubí 2»ústící uvnitř ohřívacího prostoru 8_, který je opatřen otvorem 8b pro únik těkavých komponentů, do tepelného výměníku 9./ ^a pokračující spojkou 7a do turbiny 10, upravené na hřídeli 11 spolu s prvním kompresorem _2 a s druhým kompresorem 5. Týž hřídel 11 je spojen převodem 12 s motorem 13, zatímco turbina 10 je odvodní trubicí 14a spojena se separátorem 14 pro odstraňování vody kondenzované z plynného média při ochlazení a kondenzaci.

V sušírně 4^ rozložené hmoty 4a se ohřívají vzduchem vháněným tam z prvního kompresoru 2, v němž dochází k jeho kompresi a zvýšení teploty. Tím nastává i vypařování vody a těkavých komponentů z hmot 4a rozložených v sušírně _4, jež se tím zároveň postupně vysoušejí. Vzduch odváděný sacím potrubím 5a je v druhém kompresoru _5 dále stlačován a zároveň je tím zvyšována jeho teplota, takže prostřednictvím druhého výtlačného potrubí 7_ se přenáší do druhého tepelného výměníku 9b zvýšená teplota, která způsobuje nepřímý ohřev hmot 8a obklopujících tento tepelný výměník 9. Pokud je v nich ještě voda nebo jiné těkavé komponenty vypařují se a unikají otvorem 8b v plášti ohřívacího prostoru £5. V tepelném výměníku 2 ^se sníží teplota vzduchu, který v turbině 10 expanduje na tlak blízký vnější atmosféře; tato expanze dodá část síly potřebné pro pohon obou kompresorů 2, 5j? zbytek síly dodá motor 13. Expanze zároveň ochladí vzduch pod saturační hodnotu, což způsobí, že voda odstraněná ze hmot 4a rozložených v sušírně 4 se kondenzuje a odvádí se z okruhu

- 8 trubicí 14a do separátorů 14. 2Sí 301

Ohřívací prostor £ může být uspořádán obdobně jako sušírna £, pokud bude třeba pouhý ohřev nahradit sušením a naopak sušírna £ může obdobně změněným uspořádáním být upravena k pouhému ohřevu. Podle potřeby lze pak různě kombinovat přímý ohřev s nepřímým tak, že se nahrazuje tepelný výměník 2 tím, že se teplý plyn nebo vzduch vhání pod tlakem přímo do prostoru sušírny nebo že atmosférický vzduch je v podtlaku nasáván do prostoru sušírny, za níž je teprve v činnosti kompresor.

Obr. 2 znázorňuje jiné řešení dvoustupňového sušicího nebo ohřevného procesu, přičemž však oba stupně jsou upraveny pro funkci v jednom sušicím resp. ohřívacím prostoru. Do sušírny £ ústí přívod £ plynného media, k jehož odvádění je upraveno první sací potrubí £ ústící do prvního kompresoru 2, na který je napojeno první výtlačné potrubí 2a vedoucí do prvního tepelného výměníku 9a uvnitř sušírny £. Odtud je upraveno druhé sací potrubí 5a do druhého kompresoru £, na nějž navazuje druhé výtlačné potrubí T_ vedoucí do druhé tepelného výměníku 9b umístěného rovněž uvnitř sušírny £. Též zde - obdobně jako v případě podle obr. 1 - je upravena spojka 7a pro přívod plynného media z druhého tepelného výměníku 9b do turbiny 10 a dále je vše stejné jako v prvním popsaném řešení.

Obr. 3 ukazuje příklad třístupňového sušicího nebo ohřevného procesu. Do sušírny £ ústí přívod £ plynného media, k jehož odvádění je upraveno první sací potrubí £ ústící do prvního kompresoru _2, na který je napojeno první výtlačné potrubí 2a vedoucí do prvního tepelného výměníku 9a umístěného vně sušírny £ a spojeného s radiáto rem 9d, uloženým uvnitř sušírny £. Z prvního tepelného výměníku 9a vede druhé sací potrubí 5a do druhého kompresoru £, na nějž navazuje druhé výtlačné potrubí ]_, vedoucí do druhého tepelného výměníku 9b umístěného rovněž vně sušírny £ a spojeného s radiátorem 9e, uloženým uvnitř sušírny £. Z druhého tepelného výměníku 9b vede třetí sací potrubí 6a do třetího kompresoru £, na nějž navazuje třetí výtlač né potrubí 7fe vedoucí do třetího tepelného výměníku 9c, umístěného též vně sušírny £. Také v tomto příkladě provedení vynálezu - obdobně jako v obou předcházejících příkladech - je upravena spojka 7a oro přívod plynného media z třetího tepelného výměníku 9c do turbiny 10 a dále je vše stejné jako v prvním popsaném řešení.

251 301

Ke konstrukci zařízení obecně je třeba dodat, že není rozhodu jící, zda sušené substráty jsou umístěny na dopravnících, v kontěj nerech či uloženy volně nebo jinak umístěny. Ohřev je v sušárnách^ popřípadě vytápěných prostorech prováděn radiátory nebo stěnami su šáren otopného zařízení, které tu zastávají funkci radiátorů. Více stupňovité uspořádání pak umožňuje různé kombinace přímého a nepři mého ohřevu podle účelu ohřevu popřípadě podle druhů a vlastností sušených materiálů.

PŘEDMĚT VYNÁLEZU

Claims (3)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   251 301

   1. Zařízení k energeticky úspornému ohřevu a sušení pomocí tepelných čerpadel napojených na zdroje odpadního, atmosférického a/nebo jiného nevyužitého tepla, vyznačující se tím, že sestávají z aspoň jednoho ohřívacího prostoru /8/ a/nebo sušírny /4/, tvořících spolu s aspoň dvěma kompresory /2, 5, 6/ a na ně napojenými tepelnými výměníky /9, 9a, 9b, 9c/ aspoň dvoustupňové soustavy, přičemž k pohonu aspoň jednoho z těchto kompresorů /2, 5, 6/ jsou v těchto vícestupňových soustavách vestavěny motor /13/ a/nebo expanzní stroj, například turbina /10^ pro přeměnu energie stlačeného plynného media na mechanickou práci.
2. 2. Zařízení podle bodu 1, vyznačující se tím, že první sací potrubí /1/ pro přívod atmosférického vzduchu nebo*plynného media přenášející teplo, ústí do prvního kompresoru /2/, na nějž je napojeno první výtlačné potrubí /3,- 2a/ vedoucí do ohřívacího prostoru^ popřípadě sušírny /4/ bud přímo,nebo do tepelného výměníku /9, 9a/ tam umístěného anebo do tepelného výměníku /9a/ umístěného mimo ohřívací prostor, popřípadě sušírnu /4/, avšak napojeného na radiátor /9d/ tam umístěný pomocí potrubí s nuceným oběhem teplonosného media, zatímco druhé sací potrubí /5a/ vede bud z ohřívacího prostoru popřípadě sušírny /4^ nebo z prvního tepelného výměníku /9a/ do druhého kompreso ru /5/, z něhož pokračuje druhé výtlačné potrubí /7/ bud přímo do sušírny /4, nebo do tepelného výměníku /9b/ uvnitř ohřívacího prostoru /8/, přičemž odsud vede spojka /7a/ k expanzi stlačeného tepelného média do turbiny /10/, v níž je upraven hřídel /11/ k přenosu rotačního pohybu jak z turbiny /10/, tak z motoru /13/ do kompresorů /2, 5/.
3. 3. Zařízení podle bodu 1 a 2₍ vyznačující se tím, že mezi tepelným výměníkem /9b/, do nějž ústí druhé výtlačné potrubí /7/, a spojkou /7a/ vedoucí do turbiny /10/ je zařazeno třetí sací potrubí /6a/ . s třetím kompresorem /6/, z něhož vede třetí výtlačné potrubí /Tni

   11 251 301 do tepelného výměníku /9c/, umístěného vně nebo uvnitř sušírny^ popřípadě ohřívacího prostoru /4/, zatímco hřídel /11/ je upraven k přenosu rotačního pohybu jak z turbiny /10/^ tak z motoru /13/ té do třetího kompresoru /6/, přičemž na tepelné výměníky /9b, 9c/, umístěné vně. sušírny popřípadě ohřívacího prostoru /4/ jsou nápoje ny radiátory /9e, 9f/ pomocí potrubí s nuceným oběhem teplonosného