FI73818B - Foerfarande foer vaermeupptagning ur tillfrysande vaetska. - Google Patents

Description

7381 8

Menetelmä ottaa lämpöä jäätyvästä nesteestä 1 Tämä keksintö koskee menetelmää ottaa lämpöä nesteestä, jonka lämpötila on lähellä jäätymispistettä. Keksintöä voidaan soveltaa esimerkiksi lämpöpumppuihin, joiden lämmönlähteenä on lähellä 0°C lämpötilaa oleva meri-, joki- tai järvivesi. Lisäksi keksintöä voidaan sovei-5 taa myös meriveden suolanpoistoon. Myös muiden aineiden, kuin veden kiteyttäminen keksinnön mukaisella menetelmällä voi tulla kysymykseen.

Kiinnostus lämpöpumppuja kohtaan on viime aikoina lisääntynyt sekä energiataloudellisista että ympäristönsuojelullisista syistä, varsin-10 kin fossiilisten polttoaineiden polton aiheuttaman happaman sateen seurauksena. Pohjoisessa ilmastossamme luonto asettaa kuitenkin hankalia rajoituksia lämpöpumppujen tehokkaalle käytölle juuri kylmimpänä vuodenaikana, jolloin lämpöä eniten tarvittaisiin. Vesistöjä lämmönlähteenä käyttävät tavanomaiset lämpöpumput pystyvät tällöin toimimaan 15 vain vajaalla kapasiteetilla, jotta lämmönvaihtimet eivät jäätyisi.

On myös tunnettuja lämpöpumppuratkaisuja, jotka sallivat veden jäätymisen. Yksinkertaisin tällainen ratkaisu on veden jäätyminen kiinteäksi kerrokseksi lämpöpumpun lämmonsiirtoaineen höyrystimen pinnalle.

20 Kun jääkerros on kasvanut riittävän paksuksi, johdetaan höyrystimeen lämmintä iämmönsiirtoainetta, jolloin jääkerros irtoaa ja putoaa pois iämmönvaihtopinnalta. Syntynyt jää murskataan ja kuljetetaan vesistöön. Jää iiroitetaan sulattamalla vuoron perään höyrystimen eri osia, joten höyrystimen lämpöpinnasta osa joutuu koko ajan olemaan lämpo-25 pumpun kannalta passiivinen. Jääkerroksen muodostuminen heikentää myös olennaisesti lämmönsiirtoa. Esimerkiksi 3 mm vahvuinen jääkerros pienentää lämmönvaihtokertoimen alle puoleen. Lämmönvaintimet joudutaan siis rakentamaan yli kaksinkertaisiksi jäättömään vaihtoehtoon verrattuna, kun myös huomioidaan edellä mainittu sulatusvaihe. Lisäksi 30 myös jään murskaaminen aiheuttaa hankaluuksia käytännössä.

Tunnetaan myös toinen ratkaisu, lämmönlähteenä toimivan nesteen höy-rystäminen ja samanaikainen kiteyttäminen alhaisessa paineessa ole- 2 73818 1 vassa säiliössä eli kiteyttimessä. Jos lämmönLähtp.enä on vesi, on kiteyttimen paine 0.6 kPa ja lämpötila 0°C, mikä vastaa veden kol-moispistettä, jossa neste, höyry ja kiinteä jää ovat tasapainossa keskenään. Jääkiteiden muodostuessa vapautuva lämpö siirtyy 0°C 5 lämpötilassa olevaan höyryyn, joka lauhdutetaan lämpöpumpun höyrystimen pinnalle syntyväksi jääkerrokseksi. Myös tämä jääkerros kasvaa vähitellen, mikä heikentää keskimääräistä lämmönsiirtoa ja aiheuttaa höyrystimeen tarvittavan lämpöpinnan kasvamisen 2 - 3-kertaiseksi siihen verrattuna, etLä jäätä ei muodostuisi lämmönvaihtopinnoille.

10 Jää täytyy siis aika ajoin poistaa, mikä voi tapahtua ainakin kahdella tunnetulia tavalla. Toinen on lämpimän höyryn johtaminen määräajoin kiteyttimen ja jäätyneen höyrystimen yhteiseen höyrytilaan, jolloin se lauhtuessaan sulattaa jään lämpöpinnoilta. Toinen tapa on jakaa höyrystin useisiin sektoreihin, joista kuhunkin vuorollaan johdetaan 15 lämmintä höyryä jäätä sulattamaan. Kummassakin tapauksessa saattavat jaksottaiset säädöt helposti aiheuttaa toimintahäiriöitä laitoksessa, joka toimii veden kolmoispistettä vastaavissa hankalissa olosuhteissa.

Tyypillistä nyt puheena olevalle keksinnölle on, että höyryn jäätymi-20 nen lämpöpiunoille estetään nostamalla kiteyttimessä syntyvän höyryn painetta aöyrysuihkun avulla ennen sen virtaamista lämpöpumpun höyrystimeen. Tällöin höyryn lämpötila nousee jonkin verran jäälymispis-teen yläpuolelle ja höyry lauhtuu vetenä, joka valuu pois lämpöpinnoilta. Tällä tavoin edellä kuvatut tunnettujen menetelmien haitat 25 voidaan väittää. Lämmönsiirto säilyy koko ajan hyvänä, joten lämmön-vaihdin voidaan rakentaa suhteellisesti pienemmäksi. Lisäksi koko lämmönvaihdin säilyy aktiivisena ja jään sulatukseen tarpeelliset jaksottaiset säädöt jäävät tarpeettomiksi. Keksinnön olennaiset tunnusmerkit on määritelty tarkemmin ensimmäisen patenttivaatimuksen 30 tunnusmerkkiosassa.

Keksintöä on tarkemmin kuvattu oheisten piirrosten avulla. Kuvan 1 sovellutuksessa kiteyttimessä syntyvä höyry komprimoidaan korkeampaan paineeseen ja lämpötilaan höyrysuihkuejektorin avulla, jonka käyttö-35 voimana on lämmönvaihdossa lämpöpumpun lämmönsiirtoaineen kanssa tuotettu lämpimämpi höyry. Kuva 2 esittää sovellutusta meriveden suolanpoistoon ja kuvassa 3 on esitetty eräs ratkaisu kiteyttimen

II

3 1 rakenteeksi. 73 818

Kuvan 1 sovellutuksessa toimii varsinaisena lämpöpumppuna jotain tunnettua rakennetta oleva Kompressori 10, johon liittyy lämmönsiir-5 toaineen (esim. freonin) höyrystin 22 ja lauhdutin 23. Lämmönsiirto-aineen virtauspiiriin kuuluu lisäksi esijäähdytin 25. LämmÖnsiitoai-neen höyry lauhtuu lauhduttimessa 23 luovuttaen lämpöä putkilinjassa 24 virtaavalle ulkopuoliselle väliaineelle, esimerkiksi kaukolämmitys-verkon vedelle. Lämmönsiirtoaine virtaa edelleen lämmönvaihtimelle 25, 10 jossa se luovuttaa osan lämmöstään vedenhöyrystimessä 14 olevalle vedelle, joka höyrystyy. Lämmönsiirtoaine virtaa paisuntavenctiilin 13 kautta lämmönsiirtoaineen höyrystimeen 22, jossa se höyrystyy vastaanottaessaan lämpöä vesihöyrylauhduttimessa 11 lauhtuvalta höryltä. Lämmönsiirtoaineen höyry virtaa edelleen kompressoriin 10.

15 Järjestelmän lämmönlähteenä toimiva neste, esimerkiksi merivesi virtaa kiteyttimeen 17 putkilinjasta 18. Kiteyttimessä vallitsee nesteen jäätymispistettä vastaava paine, jolloin osa nesteestä jäätyy kiteiksi ja luovuttaa sulamislämpönsä höyrylle, jota samanaikaisesti vapautuu. 20 Koska veden höyrystymislämpö on 2500 kJ/kg ja sulamislämpö 334 kJ/kg, syntyy jäätä 7.5 -kertainen määrä höyryyn verrattuna. Jääkiteet ja vesi poistuvat putkilinjaan 19. Kiteyttimessä 17 voidaan käyttää erilaisia sekoittimia 26 edistämään höyrystymistä sekä estämään jääki-teitä tarttumasta toisiinsa.

25

Veden ollessa lämmönlähteenä vallitsee kiteyttimessä 17 lämpötila O^C ja paine 0.6 kPa. Vedennöyrystin 14 voidaan mitoittaa esimerkiksi siten, että siellä vallitsee lämpötila 40°C ja sitä vastaava höyryn-paine 7.4 kPa. Tätä höyryä virtaa putkilinjaa 27 pitkin höyrysuihku-30 ejektorille 15, joka imee lisäksi kylmempää höyryä putkea 28 myöten kiteyttimestä 17. Ejektori purkautuu vedenlauhduttimeen 11, johon höyry virtaa iämpimämpänä kuin kiteyttimestä 17 lähtenyt höyry. Veden-lauhduttimessa 1 voi valiita esimerkiksi paine 0.75 kPa, jolloin höyryn lämpötila on + 3°C ja höyry lauhtuu vedeksi.

Edellä mainituissa painesuhteissa on vedenhöyrystimestä 14 ejektorille virtaavan höyryn määrä n. 1/4 kiteyttimestä 17 virtaavan höyryn 35 4 73818 1 määrästä. Riippuen laitoksen mitoituksesta voivat höyrystimen paineja lämpötilaerot olla pienemmätkin, jolloin syöttöhöyryn suhde kite-yttimestä imettävään höyryyn voi olla edullisempikin. Kiteyttimessä ja vesihöyryn lauhduttimessa ylläpidetään tarvittavaa alipainetta 5 poistamalla tiivistymättömät kaasut systeemistä tyhjöpumpulla 16. Vedenhöyrystimeen 14 syötetään lauhdetta lauhduttimesta 11 putkea 20 myöten ja loppuosa lauhteesta poistetaan puhtaana vetenä putki-linjaan 21. Tämä voi liittyä joko pumppuun tai barometriseen patsaaseen, samoin kuin myös putkilinjat 18 ja 19 omiinsa.

10

Menetelmää sovellettaessa makean veden tekoon suolaisesta vedestä jäädytetään osa merivedestä jääkiteiksi, joissa ei ole suolaa ja sulatetaan ne periaatteessa samalla energialla, joka vapautui veden jäätyessä. Kuvassa 2 tämä on esitetty kaaviollisesti. Aikaisemman 15 sovellutuksen lauhdutinta ei tässä sovellutuksessa ole, vaan lämpöpumppu 10 pumppaa lämmönsiirtoaineen höyryn suoraan vedenhöyrysti-melle 14. Ejektori 15 toimii aivan samoin kuin kuvan 1 sovellutuksessa ja siirtää kiteyttimestä 17 höyryä korkeampaan paineeseen ve-denlauhduttimeen 11. Jääkiteiden ja veden seos siirretään putkessa 20 30 separaattoriin 29, jossa jääkiteet erotetaan vedestä, huuhdellaan puhtaalla vedellä ja siirretään putkessa 31 vedenlauhduttimeen 11. Täällä jääkiteet sulavat puhtaaksi vedeksi, joka poistuu putkeen 21. Jääkiteistä erotettu vesi poistuu separaattorista 29 putkeen 32 ja poistuu esilämmönvaihtimen 33 kautta, jossa putkeen 18 virtaava 25 syöttövesi esijäähdytetään.

Nesteen kolmoispisteessä toimivassa kiteyttimessä saattaa helposti syntyä ongelmia nesteen jäätymisestä kiinteäksi kerrokseksi kiteyt-timen seinille, jos niille roiskuu pisaroita. Kuvassa 3 on esitetty 30 eräs tapa välttää tämä hankaluus. Neste virtaa kiteyttimeen 17 virtauskanavassa, josta se ennen virtausta kiteyttimen höyrytilaan 37 jakautuu useampaan virtauskanavaan 34. Olennaista kiteyttimen toiminnalle on, että neste virtaa kustakin kanavasta sen yläreunassa olevan aukon 35 kautta kiteyttimen höyrytilaan 37. Tällöin kaikki 35 nesteen kanssa kosketuksissa olevat pinnat 36 ovat jatkuvan ja riittävän huuhtelun alaisia, jolloin jääkiteitä ei muodostu seinämille, vaan ne muodostunet virtaavaan nesteeseen. Koko kiteytin voidaan I! 5 73818 1 sijoittaa barometriselle korkeudelle, jolloin patsaan alapäähän sijoitettu pumppu voi pienellä tehonkulutuksella kierrättää suhteellisen suuria nestemääriä ja kiteyttimen huuhtelu säilyy riittävänä. Tähän suljettuun kiertoon lisätään lämmönlähteestä nestettä ja 5 siitä poistetaan nesteen ja jääkiteiden muodostamaa sohjoa.

Edellä on keksintöä selostettu etupäässä vettä lämmönlähteenä käyttävään lämpöpumppuun sovellettuna. Periaatteessa keksintöä voidaan soveltaa myös muiden aineiden kiteyttämiseen.

Claims (4)

1. Menetelmä ottaa lämpöä nesteestä höyrystämällä tätä nestettä kiteyttimessä (17), jossa vallitsee korkeintaan nesteen jäätymispisteen höyrynpainetta vastaava paine ja jossa osa nesteestä samalla kiteytyy, sekä lauhduttamalla vapautunut höyry lämpöpumpun 5 höyrystimenä toimivassa lauhduttimessa (11), tunnettu siitä, että höyry imetään kiteyttimestä (17) höyrysuihkuejektorilla (15) ja ejektorista purkautuva, nesteen jäätymispistettä korkeammassa paineessa ja lämpötilassa oleva höyry johdetaan lauhduttimeen (11), jossa se lauhtuu nesteeksi. 10

2. Förfarande enligt patentkravet 1,kännetecknat av att angan sugs fran kristallisationskärlet (17) medelst en angstralejektor (15), där man leder varmare Inga som uppstatt i för-15 angaren (14) som är i värmeväxling med värmepumpens värmeöverfö-ringsmedium och den fran ejektorn utströmmande, under högre tryck och i högre temperatur än i vätskans fryspunkt befintliga angan leds tili kondensatorn (11) där den kondenseras tili vätska. 20 3. Förfarande enligt patentkravet 1 eller 2,kännetecknat av att atminstone en del av den medelst angstralejektorn (15) tili ett högre tryck och en högre temperatur komprimerade angan kondenseras med iskristaller som uppstatt vid värmeväxling i kristallisationskärlet (17) och letts därifran tili kondensatorn (11), varvid ren 25 vätska bildas av angan och kristalleina.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että höyry imetään kiteyttimestä (17) höyrysuihkuejektorilla (15), johon johdetaan lämpöpumpun lämmönsiirtoaineen kanssa lämmönvaih-dossa olevassa höyrystimessä (14) syntynyttä lämpimämpää höyryä ja 15 ejektorista purkautuva, nesteen jäätymispistettä korkeammassa paineessa ja lämpötilassa oleva höyry johdetaan lauhduttimeen (11), jossa se lauhtuu nesteeksi.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu 20 siitä, että ainakin osa höyrysuihkuejektorilla (15) korkeampaan paineeseen ja lämpötilaan komprimoidusta höyrystä lauhdutetaan lära-mönvaihdossa kiteyttimessä (17) syntyneiden ja sieltä lauhduttimeen (11) johdettujen jääkiteiden kanssa, jolloin höyrystä ja kiteistä syntyy puhdasta nestettä. 25

4. Menetelmä ottaa lämpöä nesteestä höyrystämällä tätä nestettä kiteyttimessä (17), jossa vallitsee korkeintaan nesteen jäätymispisteen höyrynpainetta vastaava paine ja jossa osa nesteestä samalla kiteytyy, sekä lauhduttamalla vapautunut höyry lämpöpumpun 30 höyrystimenä toimivassa lauhduttimessa (11), tunnettu siitä, että lämpöä luovuttava neste johdetaan kiteyttimeen (17) yhden tai useamman pystysuoran virtauskanavan (34) kautta ja se purkautuu kiteyttimen höyrytilaan (37) näiden virtauskanavien yläreunoista 35 (35) siten, että neste jatkuvasti huuhtelee kaikki kiteyttimessä I! 7 73818 1 nesteen sisäänvirtauskohtien (35) alapuolella olevat kiinteät seinämät (36), jolloin jääkiteet muodostuvat virtaavaan nesteeseen, eivätkä kiinteille seinämille.

5. Laite jonkun edellä mainitun patenttivaatimuksen mukaisen mene telmän toteuttamiseksi, johon laitteeseen kuuluu lämpöpumpun kompressori (10), lämmönsiirtoaineen höyrystin (22), lauhdutin (23) ja alijäähdytin (25), lämpöä luovuttavan nesteen kiteytin (17) sekä höyrysuihkuejektori (15), tunnettu siitä, että höyrysuihku-10 ejektorin painesuutin on yhteydessä alijäähdyitimen (25) kanssa lämmönvaihdossa olevaan höyrystimeen (14), ejektorin imuyhde on yhteydessä kiteyttimeen (17) ja ejektorin diffuusori on yhteydessä höyrystimen (22) kanssa lämmönvaihdossa olevaan lauhduttimeen (11) Patentkrav 7381 8 1 1. Förfarande för upptagning av värme ur vätska genom att vätskan förangas i ett kristallisationskärl (17) där det rader ett tryck högst motsvarande angtrycket i vätskans fryspunkt och där en del av vätskan samtidigt kristalliseras samt genom att den frigjorda 5 ängan kondenseras i en kondensator (11) som fungerar som värme-pumpens förangare, kännetecknat av att Ingan sugs fran kristallisationskärlet (17) medelst en angstralejektor (15) och den fran ejektom utströmmande, under högre tryck och i högre temperatur än i vätskans fryspunkt befintliga angan leds tili 10 kondensatorn (11) där den kondenseras tili vätska.

4. Förfarande för upptagning av värme ur vätska genom att vätskan förangas i ett kristallisationskärl (17) där det rader ett tryck högst motsvarande angtrycket i vätskans fryspunkt och där en del av vätskan samtidigt kristalliseras samt genom att den frigjorda 30 Ingan kondenseras i en kondensator (11) som fungerar som värmepumpens förangare, kännetecknat av att den värmeav-givande vätskan leds tili kristallisationskärlet (17) genom en eller flera lodräta strömningskanaler (34) och den strömmar ut tili kris-tallisationskärlets angrum (37) genom dessa kanalers övre kanter 35 (35) pa sa sätt att vätskan kontinuerligt spolar alla stationära II