FI56438C - Foerfarande och anordning foer vaermning av fluider i olika kretsar - Google Patents

Description

Ϊμ&ΪΉ γβΊ ηη KUULUTUSJULKAISU cc^ft

tcKä [Β] (11) UTLÄGGNINGSSKRIFT

C (45) Patentti myönnetty 10 01 1930 Patent meddelat ’ (51) Kv.lk.*/lnt.ci.* F 24 D 11/02 F 25 B 29/00 SUOH I FINLAND (21) Patenttihakemus — PatentanaAknlng 3696 / f 4 (22) HakemlapilvI — AnsBknlngsdag 19 «12*74 ^®^ (23) AlkupUvi—Glltighetadaf 19-12.74 (41) Tullut |ulkltekal — Bllvlt offentllg 21.06.75

Patentti. Ja rekisterihallitus (44) NlhtivlklIpinon 1. kuuLjulkitoun pvm.- οβ AA

Patent-och reglsterstyrelsen Antökan utlagd oeh utl-akrlften publkerad 20.09.(9 (32)(33)(31) Pyydetty etuoikeus—Begird prlorltet 20.12.73 Ruotsi-Sverige(SE) 7317316-3 (71) Projectus Industriprodukter AB, Torsgatan 21, 105 44 Stockholm,

Ruotsi-Sverige(SE) (72) Berth Ulrik Gustafsson, Österskär, Ruotsi-Sverige(SE) (74) Oy Jalo Ant-Wuorinen Ab (54) Menetelmä ja laite väliaineiden lämmittämiseksi eri piireissä -Förfarande och anordning för värmning av fluider i olika kretsar Tämä keksintö koskee menetelmää ja laitetta väliaineiden lämmittämiseksi ensimmäisessä ja toisessa piirissä eri lämpötiloihin siirtämällä niihin höyrymuodossa olevan jäähdytysväliai-neen lämpösisältö, joka väliaine on lämpöpumpulla saatettu korkeaan lämpötilaan.

On jo kauan ollut tunnettua käyttää lämpöpumppuja hyväksi ilman ja/tai veden lämmittämiseksi rakennusten ja käyttöveden lämmittämistä varten. Monia ongelmia ja epäkohtia liittyy kuitenkin lämpöpumppujen käyttämiseen näitä tarkoituksia varten.

Olettaen että jäähdytysaineella on vakiolauhdutuslämpötila, on lämpöpumpulla "lämmöntuottamiskyky", so. tuotetun ja syötetyn energian suhde, joka pienenee voimakkaasti ulkoilman lämpötilan laskiessa. Lisäksi asunnon lämmöntarve tietenkin nousee kun ulkopuolinen lämpötila laskee.

On epätaloudellista mitoittaa lämpöpumppu peittämään rakennuksen kokonaislämmöntarpeen vuoden kylmimpänä päivänä. Yleensä o pidetään lämmöntarpeena normaalia yksiperhetaloa (120-200 m ) varten enintään noin 10 kW. Lämpöpumpun sähkötehona pidetään tällöin 3-4 kW ja että lisälämmöntarve peitetään suoralla sähkö- 2 56438 lämmityksellä.

Sähkövoiman tuottajan ja jakajan näkökulmasta on ilmeisen epäedullista että käytetään sellaisia lämmitysyksiköitä, joiden sähköntarve on alhainen ulkolämpötilan ollessa korkea ja sähkön-tarve suuri ulkolämpötilan ollessa alhainen. Yhdistäminen toisiin tehonkäyttäjiin tulee tällöin erittäin epäedulliseksi.

Lämpöpumpun käänteisen ominaisuuden huomioonottaen on siis syytä pohjoisessa ilmastossa olevan rakennuksen tiettyä lämmöntarvetta varten suorittaa tiettyä tasapainottamista lämpöpumpun kapasiteetin ja tarvittavan maksimaalisen lämpötehon välillä ja lisäksi täydentää lämpöpumppua polttoaineella lämmitetyllä kattilalla tarvittavan maksimaalisen termisen tehon saamiseksi. On todennäköisesti suositeltavaa mitoittaa lämpöpumppu siten, että se selviää rakennuksen kokonaislämmitystarpeesta lämminvesituotanto mukaanlukien, esimerkiksi ajanjaksona 1.4 - 1.11. ja luottaa siihen että öljykattila kattaa kuormituksen huiput.

Kirjallisuudessa, joka koskee lämpöpumppujen käyttöä asun-nonhuoltotarkoituksia varten, on esitetty useita lämpölaitoksia esimerkiksi US-patenteissa no:t 2 690 649, 2 707 869, 3 069 867, 3 078 689 ja 3 407 620, mutta nämä eivät ratkaise ongelmaa kuinka väliaineita, esimerkiksi radiaattorivesi ja kulutusvesi, voitaisiin lämmittää helposti eri piireissä.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista että lämmönvaihdon avulla siirretään jäähdytysainehöyryn ylikuumennus-lämpö ja osa sen lauhdutuslämmöstä ensimmäiseen väliainepiiriin, lämmönvaihdon avulla siirretään jäähdytysainehöyryn jäljellä oleva lauhdutuslämpö toiseen väliainepiiriin, jos ensimmäisen piirin lämpötila laskee alle määrätyn arvon, tälle piirille syötetään lämpöä tavanomaisesta lämpölähteestä, ja, jos toisen piirin lämpötila laskee alle määrätyn arvon, syötetään väliainetta ensimmäisestä piiristä toiseen piiriin, jolloin samalla johdetaan viileämpää väliainetta toisesta piiristä ensimmäiseen piiriin.

Menetelmän toteuttamiseksi tarkoitettu laite sisältää kylmä-ainepiirin, jossa on sarjassa paisuntaventtiili, höyrystin, kompressori ja lauhdutin ja se lämmittää lämpöpumpun avulla ensimmäisessä ja toisessa piirissä kiertävät väliaineet eri lämpötiloihin. Laitteelle on tunnusomaista, että lauhdutinyksikkönä on kaksi sarjaan kytkettyä lauhdutinta, jotka ovat järjestetyt lämmönvaih-toyhteyteen vastaavaan väliainepiiriin, että jäähdytysainepiiris-sä kompressoria lähinnä oleva lauhdutin on järjestetty siirtä- 3 56438 mään ensimmäisessä väliainepiirissä olevaan väliaineeseen jääh-dytysainehöyryn ylikuumennuslämpöä sekä osa jäähdytysaineen lauhdu-tuslämmöstä, että toinen lauhdutin on järjestetty siirtämään toisessa väliainepiirissä virtaavaan väliaineeseen jäähdytysaineen lauhdutuslämmön jäljellä oleva osa, että tavanomainen lämpökatti-la on kytketty ensimmäiseen väliainepiiriin, mikä lämpökattila on sovitettu käynnistymään jos lämpötila ensimmäisessä lämpöpii-rissä laskee alle määrätyn lämpötilan, ja että ensimmäinen piiri on yhdistetty toiseen piiriin sekoitusventtiilin kautta, joka on järjestetty siten, että kun toisessa piirissä on liian alhainen lämpötila se sallii väliaineen syöttämisen ensimmäisestä piiristä toiseen piiriin, jolloin ohitusjohto on järjestetty siirtämään toisen piirin jäähdytettyä ylimääräistä väliainetta ensimmäiseen piiriin.

Vesijärjestelmä on jaettu kahteen piiriin: toinen käsittää lämmityskattilan, kiertopumpun, korkealämpötilalauhduttimen. Tämän piirin lämpötila on sopivimmin 55-65°C. Toinen piiri käsittää radiaattorit, kiertopumpun, matalalämpötilalauhduttimen. Tämän piirin lämpötilataso on sopivimmin 45°C.

Korkealämpötilalauhdutin vastaanottaa lämpönsä tulistetusta jäähdytysainehöyrystä, esimerkiksi Freon 22:sta, jonka paine sopivimmin on 10-25 baaria ja lämpötila 65-85°C. Lauhdutin on sopivimmin vastavirtalämmönvaihdin. Jäähdytysväliainehöyry menettää ylimääräisen lämpönsä korkealämpötilalauhduttimeen ja luovuttaa osan höyrystymislämmöstään. Lämpötilataso on tällöin 55-65°C. Matalalämpötilalauhduttimen toimintalämpötila on sopivimmin tasolla noin 45°C ja jäähdytysainehöyryn lopullinen lauhtuminen tapahtuu täällä. Matalalämpötilalauhduttimen lopullinen lämpötila määrää tietenkin kompressorin korkeapainepuolella olevan paineen. On tär-" keätä pitää lauhdutinlämpötila (ja siten kyllästyspaine) mahdolli simman alhaisena kahdesta syystä: (1) Lämpöpumpun terminen hyötysuhde laskee nopeasti lämpötilaeron suuretessa lauhtumis- ja höyrystymislämpötilan välillä.

(2) Jos paine-ero lauhdutin- ja höyrystyspaineen välillä suurenee, pienenee kompressorin tilavuudellinen hyötysuhde hukkatilan vaikutuksen johdosta.

4 56438 Järjestelmä, jossa on kaksi lauhdutinta kahdella erilaisella lämpötilatasolla, mahdollistaa siten lämmityskattilaveden (sekä ku-lutuslämminveden) lämpötilan pitämisen suhteellisen korkealla samanaikaisesti kun lämpöpumpun hyötysuhde pidetään tyydyttävällä tasolla.

Ellei lämpöpumpun kapasiteetti ole tarpeeksi suuri pitämään ra-diaattoripiirissä olevan veden lämpötilaa esimerkiksi 45°C tasolla, aukeaa termostaattisesti ohjattu kolmitieventtiili ja päästää kuumempaa kattilavettä sisään. Kun kattilaveden lämpötila on laskenut tiettyyn arvoon (kylmällä ilmalla tai jos kuumaveden kulutus on huomattava) kytkeytyy öljypoltin päälle ja palauttaa kattilalämpötilan ennalleen.

Lämmönkulutuksen ollessa suurempi kuin lämpöpumpun tuottokyky, kytkeytyy Öljynpoltin päälle ja tuottaa tarvittavan lisälämmön. Tämä tapahtuu normaalisti kylmällä ilmalla, so. kun lämpöpumpun kapasiteetti on pienentynyt ja rakennuksen lämmöntarve lisääntyy.

Lämpöpumppu tulistaa normaalisti höyryn. Tätä väistämätöntä tulistamista on aikaisemmin pidetty epäedullisena. Keksintö käyttää tätä vaikutusta edullisella tavalla hyväksi aikaansaamalla lämpötila-tason, joka on korkeampi kuin höyryn lauhtumislämpötila. Tämä nostettu lämpötilataso (vastaa höyryn tulistamista) lauhdutinyksikön ensimmäisessä "lauhduttimessa" (mieluinmin vain lämmönvaihdin) on merkityksellinen kuten asiantuntijalle on selvää.

Lämpöpumppu voi toimia tehokkaasti vain jos höyrystin-lauhdutti-men lämpötilaero on pienempi kuin tietty arvo, esimerkiksi 45°C.

Pienimmän mahdollisen ulostulolämpötilan ollessa 55°C, se merkitsee että tavanomainen lämpöpumppu on käyttökelpoinen vain jos ympäristön lämpötila (tai höyrystimen lämpötila) on korkeampi kuin 10°C.

Vastakohtana voidaan tämän keksinnön avulla aikaansaada haluttu 55°C:n ulostulolämpötila, ainakin osalle ulostulevasta energiavirrasta, vaikka ympäröivä (tai höyrystimen) lämpötila on noin 0°C samanaikaisesti kun lauhdutuslämpötila pysyy noin 45°C tasolla, joka on riittävä radiaattoriveden lämpötila.

Keksinnön etuna voidaan vaihtoehtoisesti pitää sitä että se aikaansaa korkeamman ulostulolämpötilan kuin tavanomaiset lämpöpump-pujärjestelmät samalla kun sen lauhdutus- ja höyrystyslämpötilat ovat samat.

Samoin ennakkoedellytyksin (sisäänmenolämpötila; ulostulolämpötila) on keksinnön mukainen lämpöpumppujärjestelmä tehokkaampi kuin 5 56438 tavanomainen lämpöpumppujMrjestelmä, koska sen höyrystin-lauhdutin-lämpötilaero on alempi kuin tavanomaisen lämpöpumpun.

Seuraavassa selostetaan keksintö yksityiskohtaisemmin viitaten oheiseen piirustukseen, jossa kuvio 1 esittää kaaviomaisesti keksinnön mukaista laitetta, ja kuvio 2 ulostulotehoa kokeillussa lämpöpumpussa ulkoilman lämpötilasta ja lauhdutuslämpötilasta riippuen.

Kuviossa 1 esitetään lämpöpumppu, joka käsittää paisunta-venttiilin 1, puhaltimen 3 aktivoiman höyrystimen 2, kompressorin 4 ja korkealämpötilalauhduttimen 5 sekä matalalämpötilalauhduttimen 6. Yksiköt 1, 2, 3, 4, 5, 6, on kytketty sarjaan putkipiiriin 7, joka sisältää esimerkiksi Freon'ia 22, tai muuta vastaavaa jäähdytysväli-ainetta. Höyrystin 2 on yhteydessä ulkoilmaan ja/tai esimerkiksi siitä rakennuksesta, jossa keksinnön mukainen lämmityslaitos sijaitsee, tulevaan lämpimään ilmaan, jolloin puhallin 3 lisää lämmönvaih-toa ilman ja jäähdytysväliaineen välillä. Jäähdytysväliaine virtaa myötäpäivään kuten nuolilla on esitetty.

Jäähdytysväliaine tulistetaan 3-4°C höyrystimessä ja puristetaan kompressorissa 4, jonka jälkeen siten lämmitetty jäähdytyskaasu virtaa lauhduttimeen 5, jossa kaasu luovuttaa osan lämmöstään tietyllä lämpötilatasolla, ja lauhduttimeen 6, jossa kaasu luovuttaa lopun lämmöstään samalla lauhtuen. Lauhde virtaa tämän jälkeen pai-suntaventtiiliin.1, joka sallii jäähdytysväliaineen laajenemisen riippuen höyrystimessä 2 olevan tulistetun jäähdytysaineen paineesta, joka todetaan johdosta 25.

Kattilavesipiiri 8-10 on kytketty lämmönvaihtoyhteyteen korkealämpötilalauhduttimen 5 kanssa. Piiri 8-10 käsittää tavanomaisen lämmityskattilan 11, joka on sopivimmin Ö1jylämmitetty, ja kierto-pumpun 12. Kattila 11 on varustettu kattilavesisäiliöllä 13, jossa lämmitetään kylmää, johdon 14 kautta sisäänsyötettyä kulutusvettä lämmönvaihdon avulla kattilaveden kanssa. Kuuma vesi voidaan tämän jälkeen poistaa kuumavesiputken 15 kautta.

Radiaattorivesipiiri 16-18 on kytketty lämmönvaihtoyhteyteen matalalämpötilalauhduttimen 6 kanssa. Piiri 16-18 käsittää useita ra-diaattoreita 19, jotka sopivimmin ovat varustetut yksittäisillä termostaateilla, kiertopumpulla 20 ja säätöventtiilillä 21.

Piiri 8-10 on kytketty piiriin 16-18 putken 22 avulla, joka lauh-duttimen 5 jälkeen liittää piirin 16-18 säätöventtiiliin 21.

Säätöventtiili 21 on kolmitiesekoitusventtiili, joka siis on 56438 kytketty kattilapiiriin korkealämpötilalauhduttimen jälkeen ja kytketty sarjaan radiaattoripiirin kanssa matalalämpötilalauhduttimen jälkeen. Venttiili 21 on sovitettu tunnustelemaan radiaattorisyöttö-putken 18 veden lämpötilan ja riippuen tämän lämpötilasta sallimaan kattilapiiristä tulevan kuumemman veden johtamisen radiaattoripiiriin jos sen lämpötila on pienempi kuin esimerkiksi 45°C, joka on sopiva radiaattoriveden lämpötila.

Radiaattoripiirissä oleva ylimääräinen vesi voidaan tällöin siirtää kattilavesipiiriin ohitusjohdon 23 läpi.

Lämmityskattila 11 on tavanomaisella tavalla varustettu säätöjärjestelmällä, joka sallii kattilan päällekytkeytymisen jos kattilave-den lämpötila laskee esimerkiksi 60°C:n alapuolelle, joka lämpötila on sopiva keksinnön mukaisessa lämmityslaitoksessa.

Kuvio 2 esittää suhdetta ulosottotehon P, höyrystyslämpötilan Τρ ja lauhdutuslämpötilan T_, välillä keksinnön mukaisesti käytetyssä v lämpöpumpussa. Ympäristön ilman lämpötila on 4°C korkeampi kuin höyrystimen. Pfc/Pg on suhde lauhdepaineen ja höyrynpaineen välillä (tai suhde sisääntulo- ja ulosottopaineen välillä kompressorissa). Käytetty kompressori on ASPERA-merkkinen (220 V, 1-vaihe) tai sen teho on 1280 W.

Yhtä lauhdutinta käytettäessä, kuten on tavanmukaista tunnetun tekniikan mukaisesti, jonka lauhduttimen lämpötila on 65°C vedenläm-pötilan aikaansaamiseksi sekä kulutusveden että radiaattoriveden lämmittämiseksi, ja ulkoilman lämpötila on esimerkiksi 0°C (höyrystys-lämpötila = -4°C) tuottaa lämpöpumppu noin 2.3 kW, joten hyöty on noin 2.3-1.3=1.0 kW.

Jos käytetään keksinnön mukaisesti kaksivaiheista lauhdutinta, jossa matalalämpötilalauhdittimen lämpötila on 45°C muuten vastaavissa olosuhteissa, tuottaa pumppu 3.6 kW, so. höyty on 3.6-1.3=2.3 kW. Samanaikaisesti on korkealämpötilalauhdittimen lämpötila noin 65°C.

Tästä esimerkistä ilmenee, että keksintö aikaansaa huomattavan tehonlisäyksen verrattuna tunnettuun tekniikkaan ilman että on pakko luopua kulutusveden tai radiaattoriveden lämpötiloille asetetuista sopivista vaatimuksista.

Lauhduttimet 5, 6 ovat sopivimmin sovitetut siirtämään lämpöä piireihin 8-10 ja 16-18 vastavirtamenetelmän mukaan.

Claims (3)

7 56438

1. Menetelmä ensimmäisessä ja toisessa piirissä virtaavien väliaineiden lämmittämiseksi eri lämpötiloihin siirtämällä niihin osa höyrymäisen jäähdytysaineen lämpösisällöstä, jolle aineelle lämpö-pumpussa on annettu korkea lämpötila, tunnettu siitä, että lämmönvaihdon avulla siirretään jäähdytysainehöyryn ylikuumennuslämpö ja osa sen lauhdutuslämmöstä ensimmäiseen väliainepiiriin, lämmönvaihdon avulla siirretään jäähdytysainehöyryn jäljellä oleva lauhdu-tuslämpö toiseen väliainepiiriin, jos ensimmäisen piirin lämpötila laskee alle määrätyn arvon, tälle piirille syötetään lämpöä tavanomaisesta lämpölähteestä, ja, jos toisen piirin lämpötila laskee alle määrätyn arvon, syötetään väliainetta ensimmäisestä piiristä toiseen piiriin, jolloin samalla johdetaan viilempää väliainetta toisesta piiristä ensimmäiseen piiriin.

2. Laite patenttivaatimuksen 1 mukaisen menetelmän suorittamiseksi ensimmäisessä ja toisessa piirissä (8-10; 16-18) virtaavien väliaineiden lämmittämiseksi eri lämpötiloihin lämpöpumpun avulla, joka käsittää jäähdytysainepiirin (7), jossa on sarjassa paisunta-venttiili (1), höyrystin (2), kompressori (4) ja lauhdutinyksikkö (5, 6), tunnettu siitä, että lauhdutinyksikkönä on kaksi sarjaan kytkettyä lauhdutinta (5, 6), jotka ovat järjestetyt lämmön-vaihtoyhteyteen vastaavaan väliainepiiriin, että jäähdytysainepii-rissä kompressoria (4) lähinnä oleva lauhdutin (5) on järjestetty siirtämään ensinmäisessä väliainepiirissä olevaan väliaineeseen jäähdytysainehöyryn ylikuumennuslämpöä sekä osa jäähdytysaineen lauhdu-tuslämmöstä, että toinen lauhdutin (6) on järjestetty siirtämään toisessa väliainepiirissä virtaavaan väliaineeseen jäähdytysaineen lauh- ^ dutuslämmön jäljellä oleva osa, että tavanomainen lämpökattila (11) on kytketty ensimmäiseen väliainepiiriin, mikä lämpökattila on sovitettu käynnistymään jos lämpötila ensimmäisessä lämpöpiirissä laskee alle määrätyn lämpötilan, ja että ensimmäinen piiri on yhdistetty toiseen piiriin sekoitusventtiilin (21) kautta, joka on järjestetty siten, että kun toisessa piirissä on liian alhainen lämpötila se sallii väliaineen syöttämisen ensimmäisestä piiristä toiseen piiriin, jolloin ohitusjohto (23) on järjestetty siirtämään toisen piirin jäähdytettyä ylimääräistä väliainetta ensimmäiseen piiriin.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen laite, tunnettu siitä, että ensimmäinen väliainepiiri on kattilavesipiiri, joka on järjestetty lämmittämään käyttövettä,ja että toinen väliainepiiri on radiaattorivesipiiri. δ 66438