DK163942B - Kompressionsvarmepumpe - Google Patents

Description

i

DK 163942 B

Den foreliggende opfindelse angår en kompressionsvarmepumpe af den i krav l's indledning angivne type.

Varmevekslere med roterende varmevekselelementer er tidligere 5 kendt i forskellige udførelsesformer. Der kan f.eks. henvises til patentskrifterne GB 312.317, US 2.609.672, US 3.347.059, GB 523.627 og andre skrifter. Sidstnævnte britiske publikation beskriver en rotationsfordamper, hvor varmeoverføri ngen sker imellem et første fluidum og den første sideflade af en rote-10 rende skive og det samme første fluidum på den anden sideflade af samme roterende skive.

Formålet med den foreliggende opfindelse er at tilvejebringe en kompressionsvarmepumpe af den indledningsvis nævnte art, og 15 som har en mere kompakt opbygning. Dette opnås ifølge opfindelsen ved, at hver plade i evaporatoren og/eller kondensatoren er i form af en rund skive, som er fastgjort til akselen på tværs af rotationsaksen og roterer sammen med denne, og hvor varmeoverføri ngen sker gennem skivens tykkelse.

20

Ved en fordelagtig udførelsesform for opfindelsen er skiverne anbragt parallelt med hinanden, f.eks. med en aksial afstand på 0,5 - 10 mm. Den anden side af en plade i kondensatoren kan have en overflade, der begunstiger kondensering i dråbeform og 25 modvirker dannelsen af kontinuerlig væskefilm. En sådan overflade kan f.eks. tilvejebringes ved hjælp af en belægning af en passende egnet silicone eller polytetraf1uorethylen.

Den anden side af en plade i evaporatoren kan have en over-30 flade, som fremmer dannelse af og holder på en kontinuerlig væskefilm. Dette kan opnås ved at behandle overfladen kemisk, f.eks. ved ætsning, eller fysisk, f.eks. ved sandblæsning, som bibringer overfladen en fin ruhed.

35 Tykkelsen af pladerne benyttet i kompressionsvarmepumpen ifølge den foreliggende opfindelse ligger almindeligvis mellem 0,1 mm og 5 mm afhængig af konstruktionsmaterialet, den speci- 2

DK 163942 B

fikke fordampning eller kondensering, der skal udføres på disse, og formen af de valgte overfladekarakteristika. Medens pladens tykkelse kan variere - og øjensynligt vil variere med nogle former for overfladekarakteristika - vil pladetykkelsen 5 som omtalt her referere til pladetykkelsen, som den ville være uden disse karakteristika. Det vil forstås, at pladernes tykkelse bør være tilstrækkelig stor til at tilvejebringe en nødvendig stivhed under driftsbetingelser, men tynde nok til at tillade en stor varmefluks fra én overflade til en anden. Ty-10 pisk ligger pladetykkelsen mellem 0,25 mm og 1,25 mm.

Den ydre diameter for pladerne benyttet i den roterende kompressionsvarmepumpe ifølge opfindelsen ligger typisk i området fra 10 cm til 5· m og ligger fortrinsvis mellem ca. 50 cm og 15 100 cm, og hvor pladerne foreligger i form af ringe, ligger disses indre diameter typisk i området fra 5 cm til 1 m.

Hvor en komponent af en varmepumpe ifølge den foreliggende opfindelse indbefatter et antal plader, er de monteret i det 20 væsentlige indbyrdes parallelle langs den fælles akse, om hvilken de kan rotere og er tæt nabostillet til hinanden til dannelse af snævre gennemstrømningsåbninger. Det foretrækkes, at gennemstrømningsåbningerne mellem nabostillede plader har en gennemsnitlig aksial dybde på mellem 0,5 mm og 10 mm og 25 fortrinsvis mellem 2 mm og 3mm.

Pladerne benyttet i rotationsvarmepumper ifølge den foreliggende opfindelse er fremstillet af et egnet termisk ledende materiale, der er i stand til at modstå ethvert miljø, som de 30 kan blive underkastet under varmepumpens drift.

Som eksempler på egnede materialer kan blandt andet nævnes blødt stål, rustfrit stål, kobber og aluminium.

35 I drift roteres pladerne ved en hastighed for at underkaste enhver væske på disse en middelacceleration, som målt i radial retning i forhold til rotationsaksen er større end tyngdens 3

DK 163942 B

acceleration "g". Den specielt valgte værdi afhænger af betragtninger såsom pladernes størrelse, varmestrømmen gennem disse og varmepumpens ønskede kapacitet angivet i såvel var-meudgangsværdi og mængde af væske, der skal behandles på pla-5 derne. Almindeligvis kan accelerationen ligge inden for området fra 5 til 1000 g, især fra 50 til 750 g og fortrinsvis fra 100 til 600 g.

Når en plade, der på en overflade bærer en væske, roteres, har 10 den centrifugale virkning normalt en tendens til at forskyde denne væske i en retning i det væsentlige væk fra rotationsaksen. En væske, der skal fordampes fra en plade i evaporato-ren for varmepumpen ifølge den foreliggende opfindelse, fødes hensigtsmæssigt til pladen nær ved dens omdrejningsakse, 15 f.eks. ved pladens centrum. Væske dannet ved kondensering på en overflade af en plade i kondensatoren af varmepumpen ifølge den foreliggende opfindelse strømmer radialt udad og udtømmes nær ved dens omkreds.

20 Damp dannet fra en overflade af en plade i evaporatoren kan udtømmes nær ved pladens akse eller dens omkreds.

Den drivindretning, der benyttes i den roterende varmepumpe ifølge den foreliggende opfindelse, er typisk en rem, der er 25 drevet af en elektrisk motor. Andre drivindretn i nger, f.eks. direkte drift fra en elektrisk motor, og som kendes fra roterende apperatur kan også anvendes.

Kompressoren, som bruges i den roterende kompressionsvarme-30 pumpe ifølge den foreliggende opfindelse, kan være en hvilken som helst kompressor, der kan benyttes til at komprimere en damp, og som har en passende kapacitet, hensigtsmæssigt er kompressoren af tandhjulspumpetypen.

35 Arbejdsfluida, der er egnede til anvendelse i varmepumpen ifølge den foreliggende opfindelse, kan være de, der allerede er kendte inden for kompressionsvarmepumpeområdet. Foretrukne 4

DK 163942 B

arbejdsfluida er de chlorfluorhydroearboner, der er velkendte som kølemidler, f.eks. Refrigerant 124, der er monoch1ortetra-fluorethan, trichlorfluormethan og l,2,2-trichlor-l,l,2-tri-fluorethan.

5

Afhængig af arbejdsfluidets natur vil det forstås, at man for at undgå kondensering af arbejdsfluidumdamp i kompressoren hyppigt må lade dampen forlade evaporatoren i overopvarmet ti Istand.

10

Den omgivende fluidumvarmekilde, der tilføres evaporatoren, kan være vand, f.eks. fra en flod eller dam, eller fortrinsvis atmosfærisk luft.

15 Det medium, der skal opvarmes ved at absorbere varme i kondensatoren af den roterende kompressionsvarmepumpe ifølge den foreliggende opfindelse, kan være en væske, f.eks. vand, eller fortrinsvis en uskadelig gas, især atmosfærisk luft.

20 Det vil indses, at når både den omgivende fluidumvarmekilde og det medium, der skal opvarmes, er atmosfærisk luft, kan konstruktionen af varmepumpen ifølge den foreliggende opfindelse være sådan, at dens driftsmåde kan reverseres, således at den ved forskellige tidspunkter kan fungere som såvel en varme-25 pumpe som en køleenhed til luftbehandling i et boligmiljø.

Det formodes, at opfindelsen vil blive bedre forestået på grundlag af den detaljerede beskrivelse af konstruktionen og driften af en speciel udførelsesform, og til dette formål hen-30 vises der til tegningen, hvori fig. 1 på en enkel skematisk måde illustrerer komponenterne for en kompressionsvarmepumpe, fig. 2 illustrerer den indbyrdes placering af disse komponen-3 5 ter og også fluidumstrømmene i en udførelsesform for varmepumpen ifølge den foreliggende opfindelse, hvori det fluidum, der skal opvarmes, er vsske, 5

DK 163942 B

fig. 3 er et radialt snitbillede af varmepumpen ifølge den foreliggende opfindelsen, 5 fig. 4 er et forstørret billede af en part af varmepumpen illustreret i fig. 3, fig. 5 er et radialt snitbillede af en varmepumpe ifølge den foreliggende opfindelse, og 10 fig. 6 er et forstørret billede af en part af varmepumpen illustreret i fig. 5.

Som vist i fig. 1 cirkuleres et arbejdsfluidura, såsom chlor-15 fluorhydrocarbon-kølemiddel, ved hjælp af en kompressor P rundt i et system, der består af en kondensator C, en egnet ventil V og en evaporator E i den nævnte rækkefølge. I evaporatoren E fordampes arbejdsfluidet ved varmeveksling med en strøm af en omgivende varmekilde, der strømmer gennem ledningen 6.

2 0

Damp passerer via en ledning 1 til kompressoren P, hvor dens tryk forøges. Damp fra kompressoren P tilføres kondensatoren C, hvori den mister varme til et medium, der skal opvarmes, og som strømmer i ledningen 3, og kondenseres til væske. Væsken returneres slutteligt til evaporatoren E via ledningen 2 5 4, en ekspansionsventil V og ledningen 5.

Som det klart vil fremgå, er varmetilførslen til varmepumpen lavtemperaturvarme, der tages fra det omgivende fluidum ved evaporatoren E. Varmeafgangen optages af det medium, der skal 30 opvarmes i kondensatoren C.

Udførelsesformen for varmepumpen ifølge opfindelsen, illustreret skematisk i fig. 2, indbefatter de i fig. 1 viste komponenter monteret i den illustrerede rækkefølge på en aksel ved 35 S for drejning med denne. I denne fig. er parter svarende til de i fig. 1 viste angivet ved at benytte de samme tal og bogstaver. Som det vil fremgå, er fluidernes strømfølge gennem varmepumpen i det væsentlige den samme som i fig. 1, 6

DK 163942 B

skønt komponenternes placering test sidestillet til hinanden ved akselens rotation muliggør samlingen af en mere kompakt enhed, end det fremgår af fig. 1. Ledningen 6 i fig. 2 er den vej, ad hvilken den omgivende luft indføres i evapora-5 toren. Ledningen 3 i fig. 2 er den vej, ad hvilken et flydende medium, der skal opvarmes, strømmer gennem den roterende kompressionsvarmepumpe.

' En varmepumpe ifølge den foreliggende opfindelse, hvori medium, der skal opvarmes, er i gasfase, er illustreret i radialt snit i fig. 3, hvor omdrejningsaksen igen er angivet ved bogstavet S. For bedre forståelse er de parter af varmepumperotoren, der udøver de allerede i forbindelse med fig. 1 og 2 nævnte funktioner, nemlig kondensatoren, kompressoren og evaporatoren, angivet ved bogstaverne henholdsvis C, P og E.

I fig. 3 og 4 er den illustrerede varmepumpe symmetrisk om aksen S og er stort set formet af en serie af forskellige skiver og ringformede plader med forskellige profiler. Ski-20 verne og de ringformede plader kan være formet ved stansning af metalplade, og varmepumpen kan være samlet ved at stable skiverne og de ringformede plader i en passende rækkefølge om en rørformet ledning 7, der danner konstruktionens aksiale understøtning.

25

Ved varmepumpens drift roteres denne ved at drive ledningen 7. Omgivende atmosfærisk luft trækkes ind i evaporatoren E via åbningen 8 og passerer radialt udad gennem de ringformede gennemstrømningsåbninger 9 for atmosfærisk luft, og som 30 på fordelagtig måde kan være udstyret med finner 10 for at medvirke til overføring af varme fra den atmosfæriske luft til de nabostillede ringformede plader. Mellem hvert par af gennemstrømningsåbninger 9, 9 for atmosfærisk luft er der anbragt et par ringformede plader 11.

Pladerne 12 og 13 definerer radiale kanaler, hvorigennem flydende arbejdsfluidurn fødes til et fordelerhoved 14 og derfra via porte 15 til de radiale gennemstrømningsåbninger 16 defi- 35 7

DK 163942 B

neret af pladeparrene 11. Gennemstrømningsåbningerne er udstyret med separatorplader 17, der giver understøtning til eva-poratorens hele konstruktion. Ved at absorbere varme fra den atmosfæriske luft i gennemstrømningsåbningerne 9 hen over ® pladerne 11's tykkelse omdannes flydende arbejdsfluidum til damp, der strømmer radialt udad ind i kanalen 18 nabostillet til rotorens ydre periferier og derfra til kompressoren P.

Fra kompressoren P transporteres fordampet arbejdsfluidum 10 via kanalen 19 til kondensatoren C. I kondensatoren C, der har en konstruktion lignende evaporatoren E, strømmer den komprimerede damp radialt udad gennem radiale gennemstrømningsåbninger 22, defineret af pladepar 20 og udstyret med understøttende plader. Gennemstrømningsåbningerne 21 for 15 gasformet medium, der skal opvarmes, f.eks. atmosfærisk luft, er mellem pladeparrene udstyret med finner. Damp i gennemstrømningsåbningerne 22 kondenserer til dannelse af flydende arbejdsfluidum på pladerne 20's overflader ved varmetab gennem pladerne 20*s tykkelse til det gasformede medium, der 2 0 skal opvarmes, typisk atmosfærisk luft, der strømmer ind i varmepumpen via åbningen 25 og strømmer radialt udad gennem gennemstrømningsåbningerne 21. Det flydende arbejdsfluidum opsamles i kanalen 23 nabostillet til rotorens omkreds og returneres via en drosselventil (ikke vist) og en aksialt 25 anbragt kanal 24 til den radiale kanal afgrænset af pladerne 12 og 13.

En varmepumpe ifølge den foreliggende opfindelse, hvori medium, der skal opvarmes, er flydende, er illustreret i radialt snit 3 0 i fig. 5, hvor omdrejningsaksen igen er angivet ved bogstavet S. I fig. 5 og 6 er parter, der svarer til de i fig. 3 og 4 viste, angivet ved anvendelse af de samme henvisningstal og bogstaver.

3 5

Der henvises nu til fig. 5 og 6, hvor evaporatoren E og kompressoren P i fig. 5 har den samme konstruktion og driftsmåde som evaporatoren og kompressoren i fig. 3. Fra kompressoren 8

DK 163942 B

P transporteres fordampet arbejdsfluidum under tryk via kanalen 19 til kondensatoren C. I kondensatoren C transporteres damp via et antal åbninger 34, der er anbragt symmetrisk om aksen, til en samling af plader 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32 5 og 33, der er anbragt til dannelse af alternerende kanaler for strømning af arbejdsfluidum (illustreret i fig. 6(a)) og flydende medium, der skal opvarmes, (illustreret i fig.

6(b)). Dampen strømmer mellem pladerne og kondenseres på den overflader. Flydende arbejdsfluidum strømmer radialt udad 10 og opsamles i kanalen 23 nabostillet til rotorens periferi og returneres via en drosselventil (ikke vist) og en aksialt anbragt kanal 24 til den radiale kanal, der er afgrenset af pladerne 12 og 13.

Flydende medium, der skal opvarmes, typisk vand, fødes via 15 en ledning 35 ind i ledningen 7, og et antal åbninger 36 anbragt symmetrisk om ledningen og nabostillet til denne, til pladesamlingen. I alternerende kanaler for strømning af medium, der skal opvarmes, som angivet i fig. 6(b) strømmer vand radialt udad og derpå radialt indad og optager varme gennem 20 pladernes tykkelse for kondensering af arbejdsfluidum. Flyden de medium, der skal opvarmes, udtømmes via porten 38 til ledningen 37 i ledningen 7.

Den foreliggende opfindelse illustreres yderligere i det ef-25 terfølgende eksempel.

Eksempel I én udførelsesform for en roterende kompressionsvarmepumpe ifølge 30 den foreliggende opfindelse, som illustreret i fig. 5, hvori en adiabatisk drosselventil benyttes, er arbejdsfluidet et halogeneret hydrocarbonkølemiddel.

Det antages, at (a) overophedet arbejdsfluidumdamp forlader 35 evaporatoren ved 273°K og et damptryk på 0,25 bar, (b) den mættede vasketemperatur i evaporatoren er 268,2°K, og (c)

Claims (4)

1. Kompressionsvarmepumpe omfattende i det mindste 25 (a) en evaporator (E), som omfatter mindst én plade (11)» hen over hvis første overflade en omgivende fluidumvarmekilde kan strømme, og hen over hvis anden flade et kondenseret arbejds-fluidum kan strømme og kan evaporeres fra, 30 (b) en kondensator (C), som omfatter mindst én plade (20), til hvis første overflade fordampet arbejdsfluidum under tryk kan strømme, og hen over hvis anden flade et medium, der skal opvarmes, kan strømme, 35 DK 163942 B (c) en kompressor (P), som er indrettet til at modtage fordampet arbejdsfil! i dum fra evapo rato ren (E) og levere det under tryk til kondensatoren (C), (d) en strømbegrænsningsventil (V) til at opretholde trykket i 5 kondensatoren og (e) en roterende aksel (S) og en drivindretning til at drive akselen, kendetegnet ved, at hver plade (11, henholdsvis 20) i evaporatoren (E) og/eller kondensatoren (C) er i form af en rund skive, som er fastgjort til akselen (S) på tværs af rotationsaksen og roterer sammen med denne, og hvor varmeoverføringen sker gennem skivens tykkelse.

2. Kompressionsvarmepumpe ifølge krav 1, kendeteg-15 net ved, at skiverne er anbragt parallelt med hinanden f.eks. med en aksial afstand på 0,5 - 10 mm.

3. En kompressionsvarmepumpe ifølge krav 1 eller 2, k e n -detegnet ved, at den første side af mindst en plade 20 (20) i kondensatoren har en overflade, der begunstiger dråbevis kondensering og modvirker dannelsen af kontinuerlig væskefilm.

4. Kompressionsvarmepumpe ifølge krav 1, 2 eller 3, k e n - 25 detegnet ved, at den anden side af mindst en plade (11) i evaporatoren (E) har en overflade, der fremmer dannelse af og holder på en kontinuerlig væskefilm. 30 35