DK168675B1 - Fremgangsmåde til forøgelse af ydelsesfaktoren for hybride kølemaskiner eller varmepumper - Google Patents

Description

DK 168675 Bl i

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde til transport af varme fra et lavere til et højere tempera-turniveau under anvendelse af et af en blanding af to i hinanden letopløselige komponenter med forskellige kogepunk-5 ter bestående arbejdsmedium.

Det er kendt, at ydelsesfaktoren for en med en opløsning drevet kompressionskredsproces i visse tilfælde (ved et foranderligt temperaturforløb for varmekilden og varmeforbrugeren) i sammenligning med en kompres-10 sionskredsproces, der anvender et homogent arbejdsmedium, kan være væsentlig højere, hvorved anvendelsen af den med en opløsning drevne kompressionsproces i sådanne tilfælde er økonomisk. Det er ved kredsprocesser med opløsningskredsløb ligeledes fordelagtigt, at der ved 15 hjælp af disse kan spændes over et væsentligt bredere temperaturområde i ét trin end med andre kredsprocesser.

En sådan med opløsningskredslø b drevet kredsproces er f.eks. omhandlet i EP patentskrift nr. 0021205 og består i det væsentlige i, at den samlede mængde af 20 arbejdsmediet (f.eks. damp og væske) sammen tilføres hvert afsnit af kredsprocessen. Kompressoren indsuger derfor våd damp og lader våd damp udstrømme, den realiserer altså en våd kompresssion. Mellem den fra kondensatoren udstrømmende væske med højt tryk og den fra 25 . fordamperen udstrømmende højtryksdamp sker der en varmeveksling. En ulempe ved denne løsning består i, at omfanget af den indre varmeveksling begrænses af den omstændighed, at der ved højtrykssiden strømmer et allerede kondenseret arbejdsmedium ind i varmeveksleren.

30 Det væsentlige ved en yderligere, kendt løsning (op kaldt efter Osenbriick), som egentlig er blevet videreudviklet ved den ovennævnte løsning, består i, at kun væskefasen af arbejdsmediet indføres i den indre varmeveksler efter fordamperen. Herved kan imidlertid de af den indre varmeveksler 35 frembudte fordele udnyttes endnu mindre.

DK 168675 B1 2 /

Det er kendt, at kompressionsarbejdet ved en mellem givne trykgrænser gennemført kompression formindskes ved påfølgende tilbagekøling af arbejdsmediet. Tilbagekølingen gennemføres i almindelighed mellem kompres-5 sortrinnene eller der indsprøjtes eventuelt en væske (f.eks. vand), som fordamper, i kompressoren. Efter lignende overvejelser er den våde kompression også tilvejebragt ved det i nævnte EP patentskrift omhandlede, hvor ydelsesfaktoren forbedres ved tilbagekøling af arbejds-10 mediet i løbet af kredsprocessen.

Formålet med den i US patentskrift nr. 3 698 202 beskrevne fremgangsmåde er frembringelse af lave temperaturer hhv. den en hurtig idriftsættelse af det til frembringelse af sådanne lave temperaturer egnede apparat, idet der arbej-15 des med en blanding af to faser som arbejdsmedium. Med henblik på en så god opnåelse af lave temperaturer som muligt føres blandingens komponent med det lavere kogepunkt adskilt fra komponenten med det højere kogepunkt ind i fordamperen.

DE offentliggørelsesskrift nr. 1 426 956 omhandler 20 et apparat til opnåelse af meget lave temperaturer, der ligeledes drives med en stofblanding som arbejdsmedium. Det væsentlige i den beskrevne kobling består i, at der efter kondensatoren er indbygget en indre varmeveksler, der samtidig udgør en fordamper.

25 DE offentliggørelsesskrift nr. 3 100 019 angår en fremgangsmåde til gennemføring af køle- og varmepumpeprocesser, som drives med en f lerstof blanding som arbejdsmedium.

Ved hjælp af den deri angivne indsprøjtning af den flydende fase af kølemidlet i kompressoren opnås en forbedring af 3 o virkningsgraden.

Opfindelsens formål er en videreudvikling af de kendte · løsninger og en forøgelse af ydelsesfaktoren for varmepumper og kølemaskiner.

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen tjener til drift 35 af kompressions-absorptionsvarmepumper eller -kølemaskiner (af hybride varmepumper eller kølemaskiner) og udgør en DK 168675 B1 3 fremgangsmåde til transport af varme fra et lavere til et højere temperaturniveau under anvendelse af et af to i hinanden letopløselige komponenter med forskellige kogepunkter bestående arbejdsmedium, ved hvilken der i en første varme-5 vekslingsproces ved varmebortledning dels opløses eller absorberes damp af komponenten med lavere kogepunkt i væske af komponenten med højere kogepunkt og dels kondenseres damp af komponenten med lavere kogepunkt, arbejdsmediets tryk formindskes, efter trykreduktionen uddrives i en anden 10 varmevekslingsproces ved varmetilførsel dels komponenten med det lavere kogepunkt i det mindste delvist af opløsningen, . og dels fordampes komponenten med det højere kogepunkt i det mindste delvist, hvorefter arbejdsmediet komprimeres.

Det tilstræbte formål opnås ifølge opfindelsen ved, 15 at arbejdsmediet ved den første varmevekslingsproces føres i modstrøm med et varmebortledende medium, og at en tilpasning af temperatur forløbet af arbejdsmediet til det varmebortledende mediums foretages ved, at den første varmevekslingsproces kun gennemføres i et delområde af arbejdsmediets 20 tofaseområde med et til det varmebortledende mediums svarende temperaturforløb, og at arbejdsmediet udledes fra den første varmevekslingsproces som blanding af to forskellige faser med forskellig koncentration.

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen kan fortrinsvis 25 realiseres på den måde, at der mellem det fra den første varmevekslingsproces udstrømmende, overfor ekspansionen stående, tofasede arbejdsmedium og det fra den anden varmevekslingsproces udstrømmende, overfor kompressionen stående arbejdsmedium realiseres en indre varmeveksling, idet ab-30 sorptionen og kondensationen fortsættes i det fra den første varmevekslingsproces udstrømmende arbejdsmedium. Den indre varmeveksling gennemføres fortrinsvis i to afsnit, idet kondensationen og absorptionen afsluttes i det første afsnit, og hele arbejdsmediet derved overgår i væskefase, mens denne 35 væske afkøles yderligere i det andet afsnit. Fremgangsmåden ifølge opfindelsen kan fortrinsvis realiseres således, at DK 168675 B1 4 der i kompressorens sugeledning indføres våd damp, fra hvilken væsken før kompressionen fraskilles delvis eller helt, den tilbageblevne tørre eller fugtighedsfattige damp kompri-meres, og den fraskilte væske indsprøjtes i den strømmende 5 damp. Fremgangsmåden ifølge opfindelsen kan endvidere udøves på den måde, at den fraskilte væske forud for kompressionen og/eller under kompressionen på mindst ét tryktrin og/eller efter kompressionen tilbageføres til damp.

Den til realisering af fremgangsmåden ifølge opfin-10 delsen egnede indretning er en hybrid varmepumpe eller kølemaskine, der er således udformet, at kredsløbet for dens arbejdsmediumkredsproces i strømningsretningen indkoblet i serie efter hinanden indeholder en kondensator-absorber, en væskekølende indre varmeveksler, en trykformindsker, en 15 fordamper-afgasser og en trykforøger, idet afgangen fra den sidste er tilsluttet til indgangen til kondensator-absorberen. Nyheden ved den hybride varmepumpe eller kølemaskine består i, at der mellem kondensator-absorberen og den væskekølende indre varmeveksler er indkoblet en dampkølende indre 20 varmeveksler.

En til fremgangsmåden ifølge opfindelsen egnet indretning kan endvidere være udformet således, at der i kompressorens sugeledning er indkoblet en væskefraskiller, ved hvis afgangsside en særskilt dampledning og væskeledning er 25 afgrenet, af hvilke dampledningen er tilsluttet til kompressoren, mens der i væskeledningen er indbygget en pumpe.

Væskeledningen kan efter pumpen være tilsluttet til i dampledningen før kompressoren indbyggede dyser og/eller til i kompressoren indbyggede dyser og/eller 30 til i dampledningen efter kompressoren indbyggede dyser.

I de til dyserne tilsluttede afgreninger af væskeledningen er indbygget reguleringsarmaturer.

De vigtigste fordele ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen er følgende: 35

O

DK 168675 B1 5 - Kredsprocessen drives i et med hensyn til det for kredsprocesser gunstigste område af tilstandsparametrene (temperatur, tryk) for et af mindst to komponenter bestående arbejdsmedium.

5 - Ydelsesfaktoren for varmepumpen kan forøges, mens tryk forholdet for kompressionen og indretningens maksimale driftstryk kan formindskes.

- Virkningsgraden for kompressoren kan forøges.

- Sluttemperaturen ved kompressionen kan formindskes.

10 Fremgangsmåden ifølge opfindelsen og den til udøvelse af denne fremgangsmåde egnede indretning skal i ..det følgende beskrives nærmere ud fra udførelsesformer, idet der henvises til tegningen, på hvilken fig. 1 viser den enkleste grundkobling for en 15 i og for sig kendt kompressionsmaskine (kølemaskine el ler varmepumpe) sammen med et T,s-diagram, fig. 2 en i og for sig kendt kompressionsmaskine med'opløsningskredsløb og med en indre varmeveksler sammen med et tilhørende T,s-diagram, 20 fig. 3 en sammenligning af de i fig. 1 og 2 viste kredsprocesser på grund af T,s-diagrammerne for at vise betydningen af den indre varmeveksler, fig. 4 temperaturforløbet for de i fig. 1 og 2 viste kredsprocesser i kondensator-absorberen, 25 . fig. 5 det kendte T,i-diagram for arbejdsme- diet, i hvilket diagrammet for det ved hjælp af koblingen ifølge opfindelsen opnåelige temperaturforløb er indtegnet, fig. 6 grundkobling og T,s-diagram for en 30 kompressionsmaskine ifølge opfindelsen med opløsnings kredsløb, fig. 7 en yderligere udførelsesform for en kompressionsmaskine ifølge opfindelsen med opløsningskredsløb i form af et koblingsskema og et T,s-diagram, 35 fig. 8 forløbet af en i og for sig kendt isen trop kompression af et arbe jdsmedium med to komponenter med en mellemliggende tilbagekøling,

O

6 DK 168675 B1 fig. 9 koblingsskemaet for de til den våde kompression tjenende dele af kompressionsmaskinen ifølge opfindelsen med opløsningskredsløb, fig. 10 en videreudviklet udførelsesform for 5 den i fig. 9 viste kompressionsmaskine i form af et kob lingsskema, og fig. 11 en yderligere udvidelsesmulighed for den i fig. 10 viste kompressionsmaskine ligeledes i form af et koblingsskema.

10 Fig. 1 viser en i og for sig kendt og i ind ledningen til denne beskrivelse allerede nævnt, i EP patentskrift nr. 0021205 omhandlet indretning, der drives i en kredsproces med opløsningskredsløb. Fig. 1 viser den enkleste variant af denne løsning gengivet i 15 form af et koblingsskema samt den teoretiske kredspro ces gengivet i et T,s (temperatur-entropi) diagram.

Af diagrammet fremgår grænsekurven H for arbejdsmediet, hvorunder mediet foreligger i form af en blanding af væske og damp, der er endvidere i dette våddampområde 20 indtegnet de til trykkene p^ og p| hørende kurver, mel lem hvilke trykniveauer kredsprocessen A'B'C'D' forløber.

I denne kredsproces bliver de to komponenter i arbejdsmediet ikke adskilt (som i adsorptionskredsprocesser) ,· men i ethvert afsnit af kredsprocessen strømmer hele ar-25 bejdsmediet, ganske vist mest som en blanding af to fa ser, i hvilke faser koncentrationen af komponenterne ændres fra punkt til punkt under varmevekslingsprocessen. Denne omstændighed muliggør en varmeoptagelse eller varmeafgivelse ved et temperaturforløb, der ændrer sig.

30 Arbejdsmediet strømmer i en tilstand A' med et tryk p| ind i en kondensator-absorber 1, hvor dets flygtigere komponent ved afgivelse af en varmemængde går i opløsning i den mindre flygtige komponent, mens dampene af den sidstnævnte samtidig kondenseres. Herved aftager 35 temperaturen af arbejdsmediet efterhånden. Efter afslut-

O

DK 168675 B1 7 ning af opløsningen og kondensationen strømmer arbejdsme-diet i en væsketilstand B' ud fra kondensator-absorberen 1.

Udgående herfra aftager trykket af arbejdsmediet i et ekspansionsorgan 2 (som teoretisk kunne være en eks-5 pansionsturbine, men i praksis indbygges sædvanligvis en ekspansionsventil, som det også er gengivet i fig. 1) fra værdien p| til værdien p^, og arbejdsmediet strømmer i en tilstand C ind i en fordamper-afgasser 3. Her uddrives fra arbe jdsmediet ved tilførsel af en varmemængde og-10 så den største del af den flygtigere komponent. Derved forøges efterhånden temperaturen af arbejdsmediet. Endelig strømmer arbejdsmediet ud fra fordamper-afgasseren 3 i en tilstand D', hvorpå det i en kompressor 4 ved tilførsel af kompressionsarbejdet Q| igen opnår tilstanden A1 med 15 et tryk p|. Ved den beskrevne kredsproces er det hensigts mæssigt mellem arbejdsmedierne i tilstanden B' hhv. D* at foretage en indre varmeveksling, hvorved det bliver muligt, at indretningen kan drives mellem de samme temperaturgrænser med et lavere trykforhold og et lavere maksi-20 malt tryk. Den ene virkning af denne foranstaltning forøger kompressorens virkningsgrad, hvorved kredsprocessens ydelsesfaktor forbedres. Den anden virkning af denne foranstaltning gør det muligt, at den samme opgave kan løses med en indretning med lavere nominaltryktrin, altså med 25 en billigere indretning.

En ekstra fordel fremkommer ved, at den indre varmeveksler ved afkølingen af væsken med højt tryk formindsker drøvletabene ved ekspansionsventilen 2. Svarende hertil foreslås i EP patentskrift nr. 0021205 den i fig. 2 30 gengivne kredsproces ABECDF, der forløber mellem trykkene P0 °9 p^· Her strømmer arbejdsmediet i tilstanden A med et tryk p1 ind i kondensator-absorberen 1, hvor opløsningen og kondensationen foregår ved afgivelse af en varmemængde Q^, hvorpå arbejdsmediet i tilstanden B (mættet 35 væske) tilføres højtrykssiden af en indre varmeveksler 5.

O

8 DK 168675 B1

Her afkøles arbejdsmediet yderligere ved afgivelse af en varmemængde og kommer i form af en underkølet væske i tilstanden E til ekspansionsventilen 2. I denne formindskes trykket af arbejdsmediet fra til pQ, idet en del 5 af mediet igen går over i dampfase (tilstand C).

Derefter kommer arbejdsmediet ind i fordamper--afgasseren 3, hvor fordampningen og afgasningen fortsættes ved tilførsel af en varmemængde . Herfra strømmer arbejdsmediet ud i tilstanden D og strømmer ind ved lav-10 trykssiden af den indre varmeveksler 5, hvor det optager den fra arbejdsmediet ved højt tryk afgivne varmemængde Q,.. Herved fortsættes fordampningen og afgasningen, og arbejdsmediets temperatur forøges yderligere. Endelig forøges trykket af det i tilstanden F værende arbejdsme-15 dium i kompressoren 4 ved tilførsel af en kompressions arbejde Q4 igen til trykniveauet p^. I fig. 3 er de to kredsprocesser gentivet sammen i et T,s-diagram mellem samme tempraturgrænser, dvs. og Tc = T^. Af fi guren fremgår, at under disse omstændigheder er 20 Pi ^p| og Pq^Pq, altså at der ved anvendelse af en indre varmeveksler mellem samme temperaturgrænser faktisk fremkommer et lavere trykforhold og en lavere øvre trykgrænse, altså at de af den indre varmeveksling forventede fordele faktisk er realiserbare.

25 Under den praktiske realisering af den i fig. 2 gengivne kredsproces kan der fastslås visse mangler, når også egenskaberne af de reelle arbejdsmedier tages i betragtning .

Når der f.eks. ved en varmepumpe dimensioneres 30 en kondensator-absorber, ved hvis ene side det af to kom ponenter (f.eks. NH^ + ^0) bestående arbejdsmedium overgår fra tilstanden A til tilstanden B (væske), idet det afgiver en varmemængde Q^, der tjener til vandopvarmning, så kan denne proces gengives i et T,O-diagram (temperatur-35 -varmemængde) som vist i fig. 4.

O

DK 168675 B1 9

Mens arbejdsmediet overgår fra tilstanden A til tilstanden B, opvarmes det arbejdsmediet kølende vand fra tilstanden B-^ til tilstanden A^. Det fremgår entydigt af figuren, at selv om temperaturen af arbejdsmediet aftager 5 kontinuerligt under denne proces, er den overførte varme ikke en lineær funktion af temperaturen, dvs., at den kurve, der gengiver processen, ikke er retliniet. På grund af krumningen af temperaturforløbet for arbejdsmediet er det kritiske punkt ved varmeveksleren dimensionering af 10 stedet for den minimale temperaturforskel 4T min. Efter som 4T min nødvendigvis er større end O, må kredsprocessen være således bestemt, at der fremkommer en temmelig stor værdi for Δ. T^. Denne værdi kan ganske vist i nogen grad formindskes ved forøgelse af dimensionerne af varme-15 veksleren, imidlertid kan der som følge af det nævnte kritiske sted (-4 T min) selv med en ret stor og derfor dyr varmeveksler kun opnås et mådeligt resultat. Det er klart, at kredsprocessens ydelsesfaktor forringes ved forøgelsen af kompressionens sluttemperatur. Hvis altså karakteri- 20 stikken for arbejdsmediet på en eller anden måde kunne gøres retliniet, så ville der ved anvendelse af en lige så stor varmeveksler til kondensator-absorberen til den foreskrevne temperaturændring af vandet mellem punkterne B^ og A^ i stedet for tilstandene A og B fremkomme til-25 standene A8 og B . Dette betyder, at s lu ttemperaturen for kompressionen kunne være lavere.

Af interesse for en entydig klargørelse af opfindelsestanken er i fig. 5 gengivet T,i-diagrammet (temperatur-enthalpi) for et af to komponenter bestående 30 arbejdsmedium med grænsekurven H og på det våddamptil- standene gengivende felt de til trykkene p^ y jx* y p* hørende kurver. Det skal forudsættes, at trykket af arbejdsmediet svarende til den i fig. 2 gengivne kredsproces er p^ i kondensator-absorberen, og at dets tilstands-35 ændring varer fra punkt A til punkt B. Af fig. 5 fremgår - det også, at denne proces forløber netop på det stærkest DK 168675 B1 10 o krummede afsnit af den til trykket p^ hørende kurve. Hvis denne proces kunne gennemføres mellem de samme temperaturgrænser (T og Tg) ved et i forhold til trykket p^ lavere tryk p^*/ så ville den kurvestrækning (der ikke 5 længere berører grænsekurven), der gengiver denne pro ces, tilnærme sig langt mere til en ret linie. Som følge heraf kunne i den i fig. 4 omhandlede betydning temperaturen af arbejdsmediet ved samme varmeveksler (kondensator-absorber) være lavere, dvs. i fig. 5 kunne opnås 10 en endnu lavere trykkurve p#/ således at arbejdsmediet strømmer ind i varmeveksleren i en tilstand A og strømmer ud i en tilstand Bx.

Det fremgår således, at den til tilstanden Ax hørende temperatur er lavere end og den til tilstanden 15 Bx hørende temperatur er lavere end T_. Det er jo imidler-

D

tid kendt, at ydelsesfaktoren for varmepumpen eller kølemaskinen er des'gunstigere, på jo lavere temperaturniveau varmen skal afgives (ved uændrede andre forudsætninger). Hvis altså kredsprocessen i opfindelsestankens betydning 20 udformes således, at der fra kondensator-absorberen 1 ik ke udføres væske, men våddamp, og nærmere bestemt således, at enthalpiændringen i apparatet så vidt muligt tilnærmer sig den lineære funktion for temperaturen, så kan ydelsesfaktoren for varmepumpen eller kølemaskinen være større.

25 En yderligere fordel ved den ovennævnte foran staltning består i, at trykket p£ er lavere end trykket p^, hvilket dels muliggør anvendelse af en indretning med lavere driftstryk, altså en billigere indretning, dels ved formindskelse af trykforholdet forbedrer kompressorens 30 virkningsgrad, hvilket i sidste ende forbedrer ydelses-

C

faktoren for kredsprocessen.

Det skal bemærkes, at ved den i forbindelse med fig. 5 givne forklaring er de virkelige processer noget forenklede med henblik på en bedre forståelse. Dels 35 skal under forandringen af kredsprocessen jk-ke temperatur- i· forskellen, men enthalpiforskellen mellem punkterne A og DK 168675 B1 11 o B holdes konstant, så at de faktiske steder for punkterne Axx, hhv. AX, BX bedinder sig noget forsatte. Dels forekommer der i virkelige apparater (varmevekslere), som nødvendigvis er tvangsgennemstrømmede modstrømsapparater, 5 et betydeligt trykfald under strømningen, så at trykket inden i disse apparater ikke kan betragtes som konstant. Hvis imidlertid de tre kurver i fig. 3 optegnes nøjagtigt med hensyn til de nævnte afvigelser, kommer man netop til de ovenanførte konklusioner.

10 Den enkleste variant af realiseringen af op findelsestanken er gengivet i fig. 6. Opbygningen af kølemaskinen eller varmepumpen er identisk med den i fig. 1 gengivne kendte løsning, men dens driftsmåde afviger imidlertid derfra. Af den i T,s-diagrammet gengivne 15 kredsproces fremgår den mest påfaldende forskel tydeligt, nemlig at punktet B ikke ligger på grænsekurven H.

En yderligere del af opfindelsestanken angår den i forbindelse med fig. 1 og 2 beskrevne indre varmeveksling. Dennes fordele er allerede beskrevet, for nær-20 værende skal der henvises til dens mangler. Størrelsen af den varme, som kan overføres i den indre varmeveksler, bestemmes af den under afkøling af det i væsketilstand værende arbejdsmedium mellem punkterne B og E frigjorte varmemængde Q^. Herved er punkt B det til trykket 25 hørende punkt på væskesiden af grænsekurven, som ved et givet tryk i kondens ator-absorber en ikke kan ændres.

I modsætning hertil er temperaturen i punktet E bundet til punktet D og kan selv ved en uendelig stor indre varmeveksler med fuldkommen modstrøm ikke være mindre end 30 temperaturen i punktet D. Dette betyder, at den teoretiske grænse for afkøling af væsken i den indre varmeveksler er T -T-.· Eftersom beliggenheden af punktet D er bestemt af driftsforholdene for fordamper-forgasseren, foreligger der praktisk talt ingen mulighed for yderligere for-35 øgelse af den indre varmeveksling ved anvendelse af det i EP patentskrift nr. 0021205 omhandlede, der må betragtes

O

DK 168675 B1 12 som det aktuelle standpunkt for teknikken. I princippet kunne ganske vist den indre varmeveksling forøges ved forøgelse af trykket p^ og/eller ved formindskelse af trykket pQ, hvilket imidlertid ikke ville have nogen mening, 5 eftersom fordelen ved den indre varmeveksler netop kan realiseres ved formindskelse af trykforholdet og trykket Pi*

Med kendskab til opfindelsestanken fremkommer der Imidlertid en mulighed for forøgelse af den indre 10 varmeveksling og til yderligere formindskelse af tryk forholdet samt trykket i kondensator-absorberen hhv. til udnyttelse af de herved fremkomne fordele. Hvis nemlig den fra kondensator-absorberen udstrømmende våde damp tilføres en indre varmeveksler, og arbejdsmediet ved 15 lavt tryk opvarmes med denne, så kan netop den ønskede virkning opnås. En ekstra fordel fremkommer derved, at den således overførte varmemængde er væsentlig større end ved anvendelse af den i fig. 2 viste varmeveksler 5. Det drejer sig nemlig her ikke om afkøling af en væske, 20 men om kondensation hhv. om opløsning af en damp, ved hvilken proces mediets enthalpiændring ved en given temperaturændring udgør flere gange enthalpiændringen i væsken (våddampen af et af to komponenter bestående arbejdsmedium opfører sig under kondensationen og op-25 løsningen som et medium med en meget stor men foran derlig varmefylde).

Den her beskrevne løsning er så virkningsfuld, at den endog gør det muligt økonomisk at spænde over en temperaturforskel på 60-80-100°C i ét trin, idet tryk-30 forholdet formindskes til en med hensyn til kompressor virkningsgraden antagelig værdi. En mulig udførelsesform for opfindelsen er gengivet i fig. 7, som viser koblingsskemaet for indretningen og den teoretiske kredsproces i et T,s-diagram.

35 Arbejdsmediet strømmer i tilstanden A med et • tryk ρ^^ ind i kondensator-absorberen 1, hvor tempera- DK 168675 B1 ^

O

13 turen af arbejdsmediet efterhånden aftager ved afgivelse af en varmemængde Q1, idet der foregår en kondensation og en opløsning. Denne dobbelte proces afsluttes imidlertid ikke her, men den våde damp strømmer ud fra denne 5 enhed i tilstanden B og strømmer ind ved højtrykssiden af en dampkølende indre varmeveksler 6, hvor den yderligere afkøles ved afgivelse af en varmemængde Qg, og kondensationen og opløsningen endelig afsluttes. Arbejdsmediet overføres herfra i tilstanden G (mættet 10 væske) til højtrykssiden af en væskekølende indre varme veksler 5, hvor det afkøles til tilstanden E ved afgivelse af en varmemængde Qg. Herfra kommer mediet ind i trykformindskeren 2, der i dette tilfælde er en ekspansionsventil. Her aftager dets tryk til pQ og en del af 15 mediet overgår til dampfase (punkt C). Arbejdsmediet strømmer nu ind i fordamper-afgasseren 3, i hvilken andelen af dampfasen forøges og mediet opvarmes ved tilførsel af en varmemængde . Herfra kommer arbejdsmediet i tilstanden D til lavtrykssiden af den væskekølende indre 20 varmeveksler 5, hvor det optager den af højtryksvæsken afgivne varmemængde Qg, hvorefter det i en tilstand F kommer til lavtrykssiden af den dampkølende indre varmeveksler 6, hvor det optager den af højtryksdampen afgivne varmemængde Qg. Det således forvarmede arbejdsmedium i 25 tilstaiiden K bliver af kompressoren igen bragt op på trykniveauet p^ ved tilførsel af et kompressionsarbejde Q4 *

Det skal bemærkes, at trykformindskeren 2 også kan være en ekspansionsmaskine (f.eks. en turbine).. Dette 30 ændrer for så vidt den i fig. 7 gengivne kredsproces, som der i den med 2 betegnede enhed uddrages et ekspansionsarbejde fra arbejdsmediet, så at der i stedet for en drøvling udføres arbejde. Denne løsning forbedrer på den ene side ydelsesfaktoren for varmepumpen, på den anden 35 side er den ret kostbar. Om dens anvendelse kan man fra tilfælde til tilfælde træffe beslutning ud fra økonomiberegninger.

O

14 DK 168675 B1 I fig. 8 er den isentrope kompression af den overhedede‘damp af et af to komponenter bestående arbejds-medium gengivet i et T,s-diagram med en mellemliggende tilbagekøling i ét trin mellem trykgrænserne p^ og p^ 5 på trykniveauet P2* Det skraverede felt viser gevinsten ved tilbagekøling, dvs. formindskelsen af kompressionsarbejdet.

Den våde kompression betyder teoretisk en tilbagekøling med uendelig mange trin og formindsker altså 10 væsentligt kredsprocessens arbejdsbehov. Denne gunstige virkning kommer ganske vist kun til gyldighed i det om-.fang, væsken i kompressoren kan følge dampens tilstandsændring. Under kompressionen aftager rumfanget af dampfasen, hvorfor dampfasen opvarmes, hvorimod temperaturen 15 af væskefasen næppe forandres på grund af trykforøgelsen.

Den væsentlig variere dampfase opvarmer væsken, der imidlertid ikke kommer i ligevægt med dampfasen inden afslutningen af kompressionen.

Af den nævnte grund kan de for den våde kompres-20 sion forventede fordele kun realiseres i et meget begræn set omfang, når det kun er tilstræbt at lade de to faser strømme sammen ind i kompressorens sugeledning. Ved den foreliggende opfindelse kan også dette problem løses.

Eftersom arbejdsmediet kun opholder sig i en 25 meget kort tid i kompressoren, kan temperaturerne af væsken og dampfasen kun tilnærme sig hinanden, når der står en tilstrækkelig stor flade til rådighed til varme-overføring. Det følger heraf, at væsken hensigtsmæssigt skal indføres i form af fine dråber i dampstrømmen.

30 En mulig udførelsesform for denne opfinderiske løsning er gengivet i fig. 9. Her fraskilles væskefasen i ledningen før kompressoren ved hjælp af en væskefra-skiller 7 delvis eller helt, mens dampen strømmer videre i en dampledning 13 i retning af kompressoren, og den 35 fraskilte væske bliver ved hjælp af en pumpe via en • væskeledning 14 og dyser 9 indsprøjtet i dampstrømmen.

O

15 DK 168675 B1

Til realisering af den våde kompression kan stempelkompressoren næppe komme på tale, fordi der ved denne foreligger risiko for væskeslag. Det følger heraf, at der i første række kan anvendes rotationskompressorer, 5 herunder hovedsagelig skruekompressorer. De hurtigt ro terende elementer i disse kompressorer støder imidlertid under kompressionen den i dampstrømmen indførte væske mod væggen af kompressorhuset, så at den ved hjælp af fin forstøvning fremstillede store væskeflade på denne 10 måde formindskes.

Til løsning af dette problem blev ifølge opfindelsen den i fig. 10 gengivne kobling foreslået, som betyder en videreudvikling af den i fig. 9 viste løsning. Her bliver den ved hjælp af pumpen transporterede væske ikke kun 15 indsprøjtet før kompressoren, men delvis indsprøjtet i dampstrømmen under kompressionen ved hjælp af dyser 10. Dyserne 10 kan være indbyggeti kompressorhuset, men man kan også forestille sig, at de er anbragt i boringer i rotorakselen. I sidstnævnte tilfælde medvirker også 20 centrifugalkraften ved forstøvningen. Dyserne 10 kan ind føre væsken i dampen ved et eller flere trykniveauer af kompressionen. Det er åbenbart gunstigst, hvis væsken tilføres i det væsentlige ensartet under kompressionen, altså at dyserne er anbragt tæt i kompressorens længde.

25 En sådan udførelse afhænger naturligvis af den pågældende kompressorkonstruktion. I bestemte tilfælde kan endog dysen 9 bortfalde.

Et yderligere problem ved realiseringen af den våde kompression består i, at det transporterede medium 30 strømmer tilbage gennem de indre spalter i den virkelige kompressor fra højtrykssiden til lavtryks s iden. Denne virkning forekommer også ved den tørre kompression, men ved den våde kompression bliver stillingen forringet derved, at hovedsagelig den mod væggen stødte væske lækker 35 tilbage gennem spalterne. Denne væske fordamper under virkningen af trykfaldet, hvorved det af dette medium op- 16 DK 168675 B1

O

tagne rumfang forøges væsentligt, hvilket formindsker det af kompressoren indsugede rumfang. På denne måde kan den fordampende væske væsentligt forøge kompressorens volu-metriske tab.

5 Den foreliggende opfindelse frembyder også en løsning på dette problem, som det er gengivet i fig. 11.

I interesse for udnyttelsen af fordelene ved den våde kompression er det muligt at tilbageføre væsken i dampstrømmen før og under kompressionen (som det er 10 vist i fig. 10) , mens den væskemængde, der ikke længere forbedrer, men forringer virkningsgraden af kompressionen, ved hjælp af pumpen 8 via dyserne 11 under bypass af kompressoren tilføres i kompressorens trykledning.

Det er hensigtsmæssigt at indbygge regulerings-15 armaturer 12 i de til de enkelte dyser eller dysegrupper førende afgreninger af trykledningen fra pumpen 8. Ved indstilling af disse reguleringsarmaturer kan fordelingen af væskemængden til de enkelte tilførselssteder reguleres . Denne regulering kan gennemføres svarende til de 20 pågældende driftsforhold, idet nogle dyser endog kan ude lukkes .

Det skal betragtes som en realisering af den foreliggende opfindelse, når der af dyserne eller dysegrupperne 9, 10 og 11 mindst foreligger én uafhængigt 25 af, i hvilket afsnit af kompressionen (eventuelt før el ler efter) denne tilbagefører den forud for kompressionen fraskilte væske til dampstrømmen.

30 35

Claims (5)

1. Fremgangsmåde til transport af varme fra et lavere til et højere temperaturniveau under anvendelse af et af en blanding af to i hinanden letopløselige komponenter med 5 forskellige kogepunkter bestående arbejdsmedium, ved hvilken der i en første varmevekslingsproces ved varmebortledning dels opløses eller absorberes damp af komponenten med lavere kogepunkt i væske af komponenten med højere kogepunkt og dels kondenseres damp af komponenten med lavere kogepunkt, 10 arbejdsmediets tryk formindskes, efter trykreduktionen uddrives i en anden varmevekslingsproces ved varmetilførsel dels komponenten med det lavere kogepunkt i det mindste delvist af opløsningen, og dels fordampes komponenten med det højere kogepunkt i det mindste delvist, hvorefter ar-15 bejdsmediet komprimeres, kendetegnet ved, at arbejdsmediet ved den første varmevekslingsproces føres i modstrøm med et varmebortledende medium, og at en tilpasning af temperaturforløbet af arbejdsmediet til det varmebortledende mediums foretages ved, at den første varmevekslings-20 proces kun gennemføres i et delområde af arbejdsmediets tofaseområde med et til det varmebortledende mediums svarende temperaturforløb, og at arbejdsmediet udledes fra den første varmevekslingsproces som blanding af to forskellige faser med forskellig koncentration.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendeteg net ved, at der mellem det fra den første varmevekslingsproces udstrømmende, overfor ekspansion stående, tofasede arbejdsmedium og det fra den anden varmevekslingsproces, overfor kompression stående arbejdsmedium realiseres en 30 indre varmeveksling, idet absorptionen og kondensationen fortsættes i det fra den første varmevekslingsproces udstrømmende arbejdsmedium.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 2, kendetegnet ved, at den indre varmeveksling gennemføres i to 35 afsnit, idet absorptionen og kondensationen afsluttes i det første afsnit, og hele arbejdsmediet derved overgår i væske- DK 168675 B1 18 fase, mens denne væske afkøles yderligere i det andet afsnit.

4. Fremgangsmåde ifølge ethvert af kravene 1 til 3, kendetegnet ved, at der i kompressorens sugeledning indføres våd damp, fra hvilken væsken før kompressionen 5 fraskilles delvis eller helt, den tilbageblevne tørre eller fugtighedsfattige damp komprimeres, og den fraskilte væske indsprøjtes i den strømmende damp i form af fine dråber.

5. Fremgangsmåde ifølge krav 4, kendetegnet ved, at den fraskilte væske i form af fine dråber 10 før kompressionen og/eller under kompressionen på mindst ét tryktrin og/eller efter kompressionen tilbageføres til damp.