DK148990B - Fremgangsmaade ved drift af et varmepumpeanlaeg til udnyttelse af koldt vand, og varmepumpeanlaeg til udoevelse af fremgangsmaaden - Google Patents

Description

148990

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde til i”et varmepumpeanlæg, fortrinsvis med meget stor kapacitet, at udnytte, .koldt, vand scm varmefcilbrmgQingsmedium,..jfr. ±ndledningen...til krav 1. Som bekendt kan man ved varmepumpeanlæg udmærket udvinde varme fra omgivelser med et temmelig lavt temperaturnive-5 au, nemlig ved blot at arbejde med et varmeopsamlingsme-dium, som er endnu koldere end omgivelserne. I naturen er man dog ofte afhængig af vand som varmetransportmiddel i omgivelserne, naturligvis navnlig hvis der tænkes på at udvinde varme fra f.eks. søvand ved at dette pumpes 10 gennem en varmeveksler i varmepumpesystemet, og vandets frysepunkt er derfor en kritisk temperatur. Navnlig i store varmepumpeanlæg kan det i det hele taget være ønskeligt at benytte vand som varmebærer, også hvis det drejer sig om en mellemliggende transport af varmeener-15 gi fra et varmeindvindingsområde til varmepumpen gennem egnede varmevekslere, og herved vil vandets frysepunkt betegne det lavest brugbare temperaturniveau i selve overføringsmediet.

Imidlertid vil der for varmeudvindingen fra vandet til-20 svarende forekomme den begrænsning, at den køling af vandet, som udvirkes i varmepumpens modtagerdel, ikke må drives så vidt, at vandet fryser, da vandgennemstrømningen af nævnte modtagerdel så vil ophøre. Denne begrænsning vil i praksis indebære, at man for overhovedet at få et 25 rimeligt udbytte af varmepumpeanlægget må forudsætte, at temperaturen af tilgangsvandet til varmepumpens modtagerdel, altså omgivelsernes temperaturniveau, er i hvert fald adskillige grader over nulpunktet, således at vandet lader sig køle med et rimeligt stort temperaturfald 30 uden at bringes til at fryse til is.

Det er dog alligevel allerede kendt at udvinde så megen varme af koldt vand, at vandet faktisk fryser; ganske vist giver dette anledning til maskinelle vanskeligheder 148990 2 m.h.t. frigørelsen af isen, dvs. drifts- og anlægsomkostningerne bliver betragtelige, men dette opvejes vidtgående af, at der varmemæssigt er en stor ekstra gevinst at hente netop gennem frysningen af vandet, der jo ved selve frysningen 5 afgiver sin frysevarme; denne er som bekendt 80 kcal/kg, medens der ved nedkølingen af selve vandet kun kan udvindes 1 kcal pr. kg pr. grad. På denne baggrund har det visse steder, hvor man f.eks. kun har haft vand ved 2°C at udnytte, vist sig rentabelt eller konkurrencedygtigt at arbejde med 10 sådanne "varmefrysningsanlæg". Dels optræder imidlertid nævnte mekaniske og energimæssige problem m.h.t. løsnelse af den dannede is, og dels skal der ved anlæg med stor kapacitet benyttes et meget dyrt køleanlæg som varmepumpe, fordi frysningen af store mængder vand kræver både stor kølekapacitet 15 og lav fordampningstemperatur af kølemidlet i køleelementerne.

Opfindelsen har til formål at angive en fremgangsmåde af den indledningsvis angivne art, ved hvilken man på enkel måde og med en forholdsvis enkel maskinel indretning kan udnytte ganske koldt vand som varmetilbringningsmedium.

20 Dette opnås ifølge opfindelsen ved, at fremgangsmåden udøves som angivet i den kendetegnende del af krav 1, dvs. under anvendelse af en anden isdannelsesteknik, som er kendt netop til fremstilling af kunstig is eller sne, idet den pågældende vacuumteknik blot her udnyttes med det primære formål 25 at få vandets frysevarme afsat i vanddampen, medens selve den dannede is er et biprodukt. Ved den pågældende isdannelsesteknik jfr. det tyske patentskrift nr. 917,491 er det kendt at opretholde vakuet i vacuumkamraeret ved løbende at afsuge vanddampen gennem en mangetrinskompressor, som brin-30 ger dampen op på et så højt tryk- og temperaturniveau, at dampen kan kondenseres ved brug af naturligt kølevand, hvorved komprimeringen ikke behøver at drives helt op til at-mosfæretrykket. Imidlertid vil allerede en sådan mangetrinskompression kræve et stort arbejde, som i et varmepumpeanlæg 148990 3 vil give helt uacceptable tab. Det er på den baggrund væsentligt for opfindelsen, at man nøjes med at komprimere den kolde vanddamp gennem et enkelt eller kun ganske få kompressionstrin, dvs. til en temperatur kun lidt over 0°, 5 og at man til kondenseringen af dampen gør brug af en kondensator, som af det dermed forbundne køle- eller varmepumpeanlæg holdes på en arbejdstemperatur tæt ved 0°. Jo nærmere temperaturen er ved 0°, des enklere og mindre tabgivende vil dampkompressoren kunne være, og når blot kon-10 denseringen af dampen kan foregå ved eller lige over 0°, vil man helt.undgå ellers besværlige problemer m.h.t. isdannelse på kondensatoren.

Ved opfindelsen kan man således netop udnytte vandets frysevarme uden at skabe problemer med hensyn til den is, der 15 dannes ved vandets fordampning, da denne is ikke sætter sig fast i vacuumkammeret, men løbende kan udsluses derfra. Den i dampen indeholdte frysevarme kan udvindes på økonomisk måde når den - stadig uden isproblemer - kondenseres ved en temperatur nær 0° ved brug af en simpel kompressor med 20 få eller kun et enkelt trin; kompressoren kan være en centrifugalkompressor, der kan arbejde med meget store dampmængder pr. tidsenhed, og den kan være af enkel udførelse, fordi den kun skal arbejde med dampen i dennes nederste trykområde, dvs. hvor damptætheden er ganske lille. Set 25 fra køle- eller varmepumpesystemet er kondenseringstemperaturen på ca. 0° en forholdsvis høj temperatur, der kan tilvejebringes ved brug af et simpelt standardkøleanlæg med høj virkningsgrad, og dette i forbindelse med den næsten tabsfri dampkomprimering medfører, at varmeudvindingen ved 30 fremgangsmåden som helhed kan udføres på særdeles økonomisk måde, navnlig ved store kapaciteter.

Opfindelsen omfatter tillige det i krav 2 angivne anlæg til udøvelse af fremgangsmåden.

Som et muligt anvendelseseksempel for opfindelsen kan nævnes 148990 4 opvarmningsanlæg for større byområder ved hjælp af vand, herunder vinterkoldt vand ved ca. 2°C, som indledes til anlægget direkte fra havet eller fra ferskvandssøer eller -vandløb, hvortil afgangsprodukterne i form af is og even-5 tuelt overskudsvand kan tilbageledes.

Opfindelsen vil i det følgende blive nærmere forklaret under henvisning til tegningen, der skematisk viser et eksempel på et anlæg ifølge opfindelsen.

Det viste anlæg omfatter et varmeisoleret vacuumkammer 2 10 med en afgangsstuds 4, som er tilsluttet en pumpe 5. I

midten af kammeret 2 er anbragt en vandindsprøjtningsdyse 8, der forsynes fra et tilgangsrør 10 fra en vandforsyningskilde 12 gennem en afluftningsenhed 40.

I toppen af vacuumkammeret 2 er anbragt en vanddampkom- 15. pressor 16, som med stor kapacitet kan opsuge vanddamp fra kammeret 2 og trykke dampstrømmen ind i en varmeisoleret ledning 18, der ender i en kondensator 20, hvis køleflade 22 udgør en fordamperenhed i et varmepumpeanlæg vist i tegningens venstre side. Dette anlæg omfatter 20 en kompressor 24, en kondensator 26 og en fordamperenhed i form af den nævnte kondensator 20, der udgør en fordamperkondensator i forbindelse med en tilhørende væskeudskiller 28 for kølemidlet. På figuren er vist en fordamperenhed med selvcirkulation af kølemidlet, men der kan naturligvis 25 også anvendes andre fordampertyper. Kompressorens 24 sugeside er forbundet til toppen af væskeudskilleren 28, og køleanlægget er indrettet til at arbejde med en fordampertemperatur på ca. 0°C.

Kondensatoren 20 har et bundudløb 34 for den kondenserede 30 vanddamp, og dette vand føres gennem en trykpumpe 36 og enten gennem en ledning 38 tilbage til vandtilgangsrøret 10, eller/og ud til evt. genbrug gennem en afgangsledning 39.

148990 5 Før starten opbygges der i det viste varmeisolerende system 2,18,20 et vacuum på ca. 3-4 mm Hg ved hjælp af en vacuumpumpe 6 eller på anden måde. Derefter startes kompressoren 16, og der lukkes op for vandtilgangen til 5 sprededysen 8 efter at varmepumpen er startet.

Det fra dysen 8 udsprøjtede vand vil undergå et pludseligt trykfald til de nævnte ca. 3-4 mm Hg, hvorved vandet koger op og ved den hermed forbundne kraftige fordampning antager en temperatur på ca. f2—f4°C, således at en del af det 10 resterende frie vand i vandtågen eller -dråberne meget hurtigt vil fryse til is, dvs. blive til sne eller ispartikler. For hvert kg vand der fordampes, vil der dannes mellem 6 og 7 kg is. Der skal indsprøjtes 2 a 3 gange så meget vand, som der fryses, for at is-vand blandingen kan 15 pumpes ud af vacuumkammeret ved hjælp af pumpen 5.

Den udviklede vanddamp udsuges kontinuerligt ved hjælp af kompressoren 16. Denne er indrettet til at frembringe en trykstigning af vanddampen fra nævnte ca. 3-4 mm Hg til ca. 6,0 mm Hg i ledningen 18, hvilket svarer til en tem-20 peraturstigning fra ca. 4-2 frostgrader op til ca. +5°C.

Som nævnt arbejdes der i vanddampkondensatoren 20 med en indvendig fordampertemperatur på ca. 0°, og den mod kondensatoren fremtrykkede strøm af vanddamp ved +5° vil derfor udkondenseres som vand mod en vandtemperatur på 25 ganske lidt over 0°, hvorved det sikres, at der ikke dannes is på kondenseringsfladerne i kondensatoren. Det kondenserede vand vil udgøre et egentligt destillat og kan eventuelt efter aflevering fra trykpumpen 36 opsamles til forhandling som destilleret vand, dog med den begrænsning, 30 at vandet ikke har været opvarmet til pasteuriseringstem-peratur og derfor ikke tillige kan betegnes som værende sterilt. Det vil dog være udmærket anvendeligt til mange tekniske formål, omend det eventuelt afleveres i så store mængder, at der næppe er tilsvarende afsætning for 35 det.

148990 6

Det skal slutteligt bemærkes, at det er kendt at fremstille ferskvand ud fra saltvand ved en lignende metode, hvor saltvandet indsprøjtes i et vacuumkammer, hvori der dannes en blanding af is og koncentreret saltvand, medens vand-5 dampen kontinuerligt udledes gennem en kompressor netop til kondensering til ferskvand.