FI118547B - Järjestely lämpöpumppuprosessin yhteydessä - Google Patents

Description

118547 Järjestely lämpöpumppuprosessin yhteydessä

Keksinnön kohteena on Järjestely lämmön talteenoton parantamiseksi ja lämpötehon tasaamiseksi lämpöpumppuprosessin yhteydessä, johon kuuluu lämpöpumppu, 5 lämmönlähteen yhteyteen järjestetty lämmönsiirrin lämmön talteen ottamista varten sekä lämmönsiirtjmen ja lämpöpumpun väliin järjestetty lämmönsiirtoainepiiri.

Lämpöpumppuprosessin kytkeminen lämpöä luovuttavaan lämmönlähteeseen edellyttää, että lämpöpumpun höyrysttnosalle johdettavan lämmönsiirtoaineen lämpöä-10 lan tulee pysyä tietyn, lämpöpumpulle sovitetun lämpötilavälin sisäpuolella. Lämpö-pumppuprosessille soveltuvat siten erityisesti sellaiset lämmönlähteet, joista on saatavilla lämpöenergiaa niin lämpökuorman kuin lämpötilan suhteen mahdollisimman vakioisella tavalla.

15 Niin teollisuudesta kuin muistakin yhteiskunnan toiminnoista löytyy runsaasti prosesseja, joissa on tarjolla lämpöä, jonka sekä määrässä että lämpötilatasoissa esiintyy selkeitä, mahdollisesti syklisiäkin vaihteluita. Eräs tällainen prosessi on kompos-tolntiprosessi eloperäisten jätteiden hajottamiseksi. Tämä ympäristönkin kannalta edullinen tapa jätteiden hajottamiseen perustuu mikrobiologiseen palamiseen.

20 Käytettäessä rumpukompostorin tyyppistä kompostointilaitetta, sen rumpuosaa käännetään tietyin väliajoin hajoamisprosessin nopeuttamiseksi ja massan prosessi-:** : olosuhteiden tasoittamiseksi. Eloperäinen aines sekoittuu tällöin rummussa ja läm- mennyt aines tulee samalla ainesmassan pinnalle kosketuksiin happipitoisemman e · ',1·· 25 ilman kanssa. Jäähtyessään aines luovuttaa lämpöä ja kosteutta kompostoiin läpi j :’: johdettavaan ilmaan. Kompostorista poistuvan kostean ilman lämpötila saattaa näin ··· vaihdella jopa välillä +10 - +60°C.

im e·» • · • ·

Esimerkiksi tällaisessa lämmönlähteessä on se tyypillinen ongelma, että sekä siitä 30 saatava lämpöteho että lämpötilataso, jolla lämpöenergia luovutetaan, vaihtelevat voimakkaan syklisesti. Varsinkin lämpöpumppuprosessin yhteydessä tällaisesta vaih-*”1 telusta on haittaa ja saattaa jopa tehdä lämpöpumpun käytön mahdottomaksi. Jos :.i.; lämpötila lämpöpumpun höyrystimessä nousee liian korkeaksi, nousee samalla myös j: paine liian suureksi, erityisesti kompressorin jälkeen. Vastaavasti liian alhainen läm- 35 pötila merkitsee liian alhaista paine- ja lämpötilatasoa lämpöpumpun lauhdutinosal- t · · 2 118547 la. Sovitettaessa lämpöpumppua kulloiseenkin toimintaympäristöön se suunnitellaan toimimaan optimaalisesti juuri tietyillä lämpötilatasoilla. Jos näistä tasoista poiketaan, lämpöpumpun hyötysuhde heikkenee ja siten energiakulutus kasvaa talteen saadun lämpöenergian määrään nähden. Lisäksi liian suuret vaihtelut prosessiar-5 voissa rasittavat lämpöpumpun koneistoa ja siten lyhentävät sen käyttöikää.

Esillä olevan keksinnön tehtävänä on ratkaista edellä esitetyt ongelmat Mainitun päämäärän saavuttamiseksi on esillä olevan keksinnön mukaiselle järjestelylle tunnusomaista se, mitä on esitetty ensimmäisen patenttivaatimuksen tunnusmerkit) kiosassa.

Esillä olevan keksinnön edullisia suoritusmuotoja on esitetty epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa.

15 Seuraavaksi keksintöä on selostettu tarkemmin viittaamalla oheiseen piirustukseen, jossa:

Kuvio 1 esittää kaaviollisesti tavanomaista lämpöpumpun kytkentää lämmön-lähteeseen, 20 kuvio 2 esittää erään keksinnön mukaisen järjestelyn esi merkki toteutusta, ··· • · · • · · * . kuvio 3 esittää erään keksinnön mukaisen järjestelyn lisäsuoritusmuotoa.

• · « · • · · [· 25 Kuviossa 1 esitetyssä tavanomaisessa lämpöpumppukytkennässä lämmönlähteenä 1 i.i : on rumpukompostori, jossa lämpöä syntyy eloperäisen aineksen palaessa mikrobio- * logisen toiminnan seurauksena. Kompostorilta tuleva lämmin kostea ilma johdetaan ί : kulkemaan lämmönsiirtimen 2 läpi. Ilma jäähtyy ja sen sisältämä kosteus tiivistyy luovuttaen lämpöä lämmönsiirtimessä 2. Lämmönsiirtoainepiiriin 20 välityksellä läm- • · · 30 pö johdetaan lämpöpumpulle 9, jonka avulla lämpö siirretään korkeampaan lämpöti- ···* . · · ·. latasoon nostettuna edelleen kulutuskohteisiin 29, lämmitysjärjestelmille 28 tai vas- ·* taaville.

• · t • · » ·*· ‘; Kompostorin lämmönluovutuksessa tapahtuvien vaihteluiden sykli on 1 - 2,5 tuntia • ···· 35 riippuen siitä, kuinka usein kompostori on järjestetty pyöritettäväksi. Sekoittamalla « · 3 118547 eloperäistä ainesta rumpua pyörittämällä aines saatetaan tasaisemmin kosketuksiin happipitoisemman ilman kanssa ja samalla tasoitetaan aineksessa esiintyviä lämpötilaeroja.

5 Lämmönsiirtimellä 2 ilmenevät vaihtelut sekä lämpökuormassa että lämpötilatasois-sa vaikuttavat kuvion 1 mukaisessa kytkennässä suoraan lämpöpumpun 9 toimintaan. Kompostorista tulevan ilman lämpötila vaihtelee välillä +10 - +60°C. Tällaiset vaihtelut toimintaolosuhteissa ovat liian suuria lämpöpumpun tehokkaan toiminnan kannalta. Erityisesti liian korkea paine höyrystimellä asettaa kompressorin suurelle 10 rasitukselle ja vastaavasti lämpötilan jäädessä liian alhaiseksi kompressorin jälkeinen matala paine ja siten alhainen lauhtumisiämpötila vaikeuttaa lämmön hyödyntämistä lämpöpumpun 9 lauhduttimella.

Kuviossa 2 esitetyssä keksinnön mukaisessa järjestelyssä suuret lämpötilavaihtelut 15 on eliminoitu järjestämällä lämmönsiirtoainepiiriin lisäksi elimet, joiden avulla läm-mönsiirtimeltä 2 saatava lämpöenergiaa voidaan väliaikaisesti varastoida myöhempää käyttöä varten. Näin lämpöpumpulle johdettavaa lämpökuormaa saadaan tasattua ja liian suuria lämpötilavaihteluita voidaan eliminoida. Käytännössä tämä voidaan toteuttaa esimerkiksi niin, että järjestetään puskurivaraaja 4 lämmönsiirtopii-20 riin metrolinjan 10 ja paluulinjan 11 välille, jolloin lämmönsiirtoaineen virtaus voidaan ohjata kulkemaan osittain tai tarvittaessa jopa kokonaan puskurivaraajan 4 kautta. Kuvion 2 mukaisessa keksinnön suoritusmuodossa puskurivaraaja 4 on kyt- * , ketty menolinjaa 10 ja paluulinjaa 11 yhdistävään virtauslinjaan 13.

• · « · i i t [· **· 25 Lisäksi lämmönsiirtoaineen virtauksen säätämistä varten metrolinjaan 10 on järjes- : tietty linjan 13 molemmin puolin ohjauselimet 21 ja 22 kuten esimerkiksi kolml- ..! · ’ tieventdilit. Venttiilien avulla voidaan säädellä lämmönsiirtoaineen virtausmääriä :.": puskurivaraajaan 4 ja lämpöpumpulle 9. Tarvittaessa lämmönsiirtoaine voidaan esi merkiksi ohjata kulkemaan vain jompaa kumpaa linjaa pitkin. Venttiilit voidaan jär- • j · 30 jestää edullisesti omatoimisiksi, jolloin ne ohjaavat itsenäisesti lämmönsiirtoaine .···. virtausta mitattujen lämpötilojen perusteella.

«#« • « « *···1 Esitetyssä suoritusesimerkissä lämpötilaa mitataan menolinjasta 10 heti lämmönsiir- timen 2 jälkeen mittauspisteessä 23 sekä venttiilin 21 jälkeen mittauspisteessä 25.

« ····· 35 Lisäksi puskurivaraajan yhteyteen on myös järjestetty lämpötilan mittaus 24. Mitta- •••e • · 4 118547 uspisteistä on järjestetty mittaussignaalia varten yhteys ohjauselimille (ei esitetty) virtausten säätöä varten.

Jos mittauspisteessä 25 lämpötila nousee lämpöpumpulle 9 viilaavalle virralle asete-5 tun tavoitearvon yli, venttiili 21 sekoittaa virtausta tarvittavassa määrin lämpöpumpulta takaisin virtaavan paluuvirtauksen kanssa. Tällä varmistetaan, että lämpötila ja siten myös paine lämpöpumpun 9 kylmäainepiirissä ei nouse liian korkeaksi. Esillä olevassa keksinnön tässä suoritusesimerkissä lämmönsiirtoainepiirin maksimilämpötilalle mittauspisteessä 25 on asetettu arvo +20°C ja tavoitearvoksi +17°C. Lämpö-10 pumpun kylmäainepiirin tavoitelämpötilaksi höyrystimessä on tässä tapauksessa puolestaan valittu -7°C.

Puskurivaraajan 4 lämpötilalle ei tarvitse asettaa mitään tiettyä maksimiarvoa. Pus-kurivaraajaa voidaan ladata aina niissä tilanteissa, jolloin lämmönsiirtimeltä 2 saata-15 vissa oleva lämpöteho ylittää lämpöpumpun 9 höyrystimellä vaadittavan lämpöte-hon. Lämmönsiirtimeltä 2 menolinjaa 10 pitkin tuleva virtaus voidaan ohjata tällöin kulkemaan sekä lämpöpumpun 9 että puskurivaraajan 4 kautta. Jos lämpötila laskee mittauspisteessä 23 alle puskurivaraajan lämpötilan 24, voidaan se osa kokonaisvir-tauksesta, jota ei tarvita lämpöpumpulla, ohjata venttiilin 22 avulla suoraan takaisin 20 paluulinjaan 11 ja edelleen lämmönsiirtimelle 2. Puskurivaraajan 4 lataamista voidaan taas jatkaa, kun lämmönsiirtimeltä 2 palaavan lämmönsiirtoaineen lämpötila ..... menolinjassa 10 ylittää puskurivaraajan lämpötilan.

• · · ] ’ Vastaavasti kun lämmönsiirtimeltä 2 saatavissa oleva lämpöteho laskee alle lämpö- • · · [· 25 pumpun höyrystimellä vaadittavan tehon tai lämpötilataso laskee liian matalaksi, : voidaan virtaus lämmönsiirtoainepiirissä ohjata kulkemaan lämpöpumpulle puskuri- varaajan kautta halutussa määrin. Lämpötilaa menolinjassa 10 voidaan myös tässä säätää sekoittamalla venttiilin 21 avulla puskurivaraajatta purettavaa lämmintä läm-mönsiirtoainetta lämpöpumpulta paluulinjaa 11 pitkin tulevan paluuvirtauksen kans-·»· 30 sa siten, että saavutetaan haluttu tavoitelämpötila. Linjaan 11 voidaan lisäksi järjes- • Ml ,···, tää tasaussäiliö 5 venttiilin 21 hystereesin korjausta varten.

·*« '.:>* Keksinnön mukaisessa järjestelyssä voidaan laitteistojen osalta käyttää sinänsä hy- *·· vin tavanomaisia konstruktioita. Esitetyn suoritusesimerkin tapauksessa puskuriva-.... j 35 raajan tilavuudeksi on mitoitettu noin 1400 L lämpöpumpun tehon ollessa luokkaa 5 • · 118547 5 kW. Käytetty paine lämmönsiirtoainepiirissä on tavanomainen 1 -1,5 bar ja läm-mönsiirtoaineeksi soveltuu esimerkiksi hyvin tavanomainen 20%:n glykoli-vesi-seos. Myös pelkkä vesi mahdollinen, jos lämpötila pidetään aina yli +0°C:ssa. Lämmönsiir-timen rakenteena voidaan käyttää edullisesti esimerkiksi putkilamellia. Tällainen 5 rakenne on helppo puhdistaa esimerkiksi painepesurin avulla.

Esitetyn suoritusesimerkin mukainen kytkentä kuviossa 2 ei luonnollisesti ole ainoa keksinnön mukaisen järjestelyn käytännön toteutusmahdollisuus. Esimerkiksi kuviossa 2 esitettyjen kolmitieventtiilien 21 ja 22 sijasta voidaan ohjauseliminä käyttää 10 kaksitieventtiilejä tai vastaavia vlrtausmäärän säätiöön tarkoitettuja laitteita, joita voidaan asentaa tarvittaessa lämmönsilrtoainepiirin 20 vaikkapa jokaiseen virtausiin-jaan. Samoin linja 13 voidaan toteuttaa esimerkiksi menolinjan 10 haaroituksena, johon on virtaussuunnassa puskurivaraajan 4 jälkeen järjestetty myös linja paluulin-jalle 11.

15

Kuvion 3 kytkennän mukaisesti voidaan myös ajatella, että (ämmönsiirtopiiriin 1 järjestetään lisäksi liitännät 30,31 lämpöpumpun 9 ohitusta varten, jolloin lämmönsiir-timeltä 2 saatava lämpö voidaan hyödyntää suoraan muissa kulutuskohteissa tai esimerkiksi esilämmityksessä 32.

20

Edellä esitetyissä suoritusesimerkeissä lämmönlähteenä on siis esitetty eloperäisten : T: ainesten hajotukseen tarkoitettu kompostoit Luonnollisesti esillä oleva keksintö ei •: · · · rajoitu vain kompostoreihin, vaan esitettyä järjestelyä voidaan hyödyntää hyvin eri- laisten lämmönlähteiden yhteydessä. Tämä on juuri yksi keksinnön mukaisen järjes- • 1 : . ·. 25 telyn eduista. Erityisen edullinen keksinnön mukainen järjestely on juuri silloin, kun lämmönlähteestä saatavan lämmön niin määrässä kuin erityisesti lämpöttiatasoissa esiintyy selkeitä vaihteluita. Tällaisia ovat esimerkiksi monet teollisuuden sykliset * 1 1 1 prosessit. Lisäksi on korostettava, että lämmönlähteessä lämpöä luovuttavan ainek sen olomuodolla ei ole ratkaisevaa merkitystä. Se voi olla niin kaasumainen, neste- • · · ···· 30 mainen kuin kiinteäkin tai joku näiden yhdistelmä.

• · * · • · · • · · « · · • · · • · « • · • · • 1 · • ·

Claims (8)

1. Järjestely lämmön talteenoton parantamiseksi ja lämpötehon tasaamiseksi läm-pöpumppuprosessin yhteydessä, johon kuuluu lämpöpumppu (9), lämmönlähteen 5 (1) yhteyteen järjestetty ainakin yksi lämmönsiirrin (2) lämmön talteen ottamista varten, lämmönsiirtimen (2) ja lämpöpumpun (9) väliin järjestetty lämmönsiirto-ainepiiri (20), tunnettu siitä, että lämmönsiirtoainepiiriin (20) on lisäksi järjestetty ainakin yksi puskurivaraaja (4) lämpöenergian varastointia varten, joka puskuriva-raaja (4) on kytketty lämmönsiirtoainepiiriin (20) yhdistämään iämmönsiirtimeltä (2) 10 lämpöpumpulle (9) johdettu menolinja (10) ja lämpöpumpulta (9) lämmönsiirtimelle (2) johdettu paluulinja (11) siten, että lämmönsiirtimestä (2) saatava lämpö on halutussa määrin varattavissa puskurivaraajaan (4) ja vastaavasti purettavissa pusku-rivaraajalta (4) lämpöpumpulle (9), jolloin lämmönlähteestä (1) saatavan lämpö-kuorman ja/tai lämmönluovutuslämpötilan vaihteluita voidaan tasoittaa lämpöpum-15 pun (9) toiminnan parantamiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että on lisäksi jäljestetty ohjauselimet (21, 22), joiden avulla lämmönsiirtoaineen virtaus on ohjattavissa halutulla tavalla lämmönsiirtimen (2), varaajan (4) ja lämpöpumpun (9) välillä. 20

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että lämmönsiir-toaine on ohjattavissa virtaamaan yksinomaan varaajan (4) ja lämmönsiirtimen (2) • · · ; välillä. • · • · • · · • · · .*,/ 25

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että läm- • · · "V mönsiirtoaine on ohjattavissa virtaamaan yksinomaan varaajan (4) ja lämpöpumpun *::: (9) väiniä.

• · *·· .. 5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että • · 30 lämmönsiirtopiiriin (20) on järjestetty lisäksi liitännät (30, 31) lämpöpumpun (9) • « '*:** ohitusta varten, jolloin Iämmönsiirtimeltä (2) saatava lämpö voidaan hyödyntää suo- *·· raan muissa kulutuskohteissa (32, 28). m · ·· • · • · · • · 7 118547

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että läm-mönlähteenä (1) on lämpöä vaihtelevasti, erityisesti syklisesti lämpöä luovuttava prosessi tai laite.

6 118547

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1 1 6 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että läm- mönlähteenä (1) on kompostorilaite.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että kompostorilaite on rumpukompostori. 10 *·» • · · • « « • · • 9 · • ·· • · • · • 1 · • · · ··· · *·· ··· ··« • · • · ··» • 1 ♦ · · • · · ♦ ·· · ·♦· • · • · ··1 • · · I · · ·· • · · • · • · • · 1 t • ·· f · 1 • · · » • tl • ·· • · 8 118547