FI75924C - Foerfarande och anordning foer utnyttjande av frysvaermet hos vatten. - Google Patents

Description

75924

Menetelmä ja laitteisto veden jäätymislämmön hyödyntämiseksi Tämän keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen menetelmä veden jäätymislämmön hyödyntämiseksi.

Keksinnön kohteena on myös menetelmän toteuttamiseen käytettävä laitteisto.

Vesistöt ovat merkittävimpiä aurinkoenergian varastoja. Veden alhainen lämpötila talvella, kun länmöntarve on suurimmillaan, vaikeuttaa kuitenkin tämän lämmönlähteen hyödyntämistä.

Aikaisemmissa kaupallisissa ratkaisuissa on lämmönlähteenä toimiva vesi voitu jäähdyttää ainoastaan jäätymisrajaan asti. Jäätyminen aiheuttaisi jääkerroksia lämmönsiirtopintoi-hin, mikä estäisi lämmönsiirtoa. Tunnettuja ratkaisuja on kuvattu FI-patenttihakemuksessa 842801, NO-kuulutusjulkaisussa 152 269 sekä DE-hakemusjulkaisussa 3 302 064.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä kuvatussa tekniikassa esiintyvät haitat ja saada aikaan aivan uuden-tyyppinen veden jäätyrnislämpöä hyödyntävä ilmalämpöpumppu.

Keksinnön mukaisessa-ratkaisussa lämpöpumpun työaineena toimiva ilma saatetaan suoraan kosketukseen lämmönlähteenä toimivan veden kanssa.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön mukaiselle laitteistolle on puolestaan ominaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 6 tunnusmerkkiosassa .

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

Keksinnön merkittävin etu verrattuna aikaisempiin vettä lämmönlähteenä käyttäviin lämpöpumppuratkaisuihin on se, että 2 75924 jäätyvä vesi ei estä lämmön siirtymistä. Lisäksi jäätymispisteessä olevasta vedestä voidaan ottaa runsaasti lämpöenergiaa jäätymislämpöä hyödyntäen (jäätyrnislämpö vastaa saman vesimäärän noin 80°C:n lämpötilamuutosta). Jäätymis-lämmön hyödyntämisessä voidaan käyttää suoraa lämmönsiirtoa ilman väliseinämiä, jolloin lämmönsiirtopintojen materiaali-kustannukset säästyvät. Ei tarvita myöskään järjestelmiä jään poistamiseksi lämmönsiirtopinnoista. Lämpöpumpun toiminta voi olla jatkuvaa, koska katkoksia ei tarvita jään poistamiseen eikä sulatukseen. Koska lämpöpumpun työaineena on vaaraton ilma, kylmäaineiden (halogeenihiilivetyjen) aiheuttamat haitat on poistettu. Ilman käyttö työaineena mahdollistaa avoimen kierron, jolloin työainetta voidaan sellaisenaan käyttää esim. huoneenlämmitykseen.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisen piirustuksen mukaisen sovellutusesimerkin avulla.

Piirustus esittää kaaviollisesti ja osittain halkileikattuna sivukuvantona veden jäätymislämpöä hyväksikäyttävää ilmaläm-pöpumppua.

Laitteistoa selostetaan seuraavassa työaineen virtaussuun-nassa edeten.

Lämmitettävä ilma, joka samalla toimii lämpöpumpun työaineena, virtaa putken 1 kautta turbiiniin 2. Turbiinissa 2 ilma paisuu alempaan paineeseen. Paisuntatyö siirtyy turbiiniak-seliin 3. Paisunnassa ilman lämpötila laskee veden jäätymispisteen alapuolelle, kun tuloilman lämpötila ja turbiinin painesuhde ovat sopivasti valitut (esim. tuloilma +5°C ja painesuhde P1/P4 =2).

Kylmä ilma johdetaan putken 4 kautta säiliöön 5. Lämmönlähteenä hyödynnettävä vesivirta johdetaan putken 6 kautta lämmönvaihtimeen ja ruiskutetaan suuttimilla 7 suihkutilaan 8. Vesipisarat putoavat painovoiman vaikutuksesta alas vastavirtaan ilmavirtan nähden. Pienet vesipisarat muodostavat erittäin suuren lämmönsiirtopinnan, joka on suorassa koske- 3 75924 tuksessa kylmän ilman kanssa. Koska tulevan ilman lämpötila on 0°C:n alapuolella, jäätyy osa pisaroista kiinteään muotoon ja jäätymislämpö vapautuu ilmaan.

Vesipisarat, jotka muuttuvat jääksi tai lumeksi, putoavat alas vesialtaaseen 9 muiden vesipisaroiden kanssa. Osa vedestä ruiskutetaan säiliön seinämään ei esitetyillä elimillä ja vesi valuu seinämää pitkin alas altaaseen 9 estäen jään muodostumista seinämään. Jään ja veden seos pumpataan pumpulla 10 putken 11 kautta ulos.

Vesialtaan 9 pohja ja putken 11 yhde pohjaan muotoillaan niin, että altaaseen muodostuu pyörre. Jäärakeet ja lumihiutaleet, jotka muuten kerääntyisivät vesialtaan pintaan, saadaan pyörteen avulla juoksemaan putken 11 suulle. Pyörre voidaan myös aikaansaada syöttämällä tuloilma putkesta 4 epäkeskeisesti säiliöön 5.

Säiliössä 5 on vesisuuttimien jälkeen pisaranerotin 12. Pi-saranerottimessa 12 ilma virtaa kaarevissa radoissa. Ilman mukana seuraavat pienet vesipisarat lentävät keskipakovoiman vaikutuksesta seinämiin muodostaen vesikalvoja tai isoja pisaroita, jotka valuvat painovoiman vaikutuksesta alas. Pisaranerotin 12 parantaa lämpöpumpun käyttötaloutta, koska ilmavirran mukana lentävät vesipisarat höyrystyisivät muuten myöhemmässä vaiheessa energiaa ottaen.

Pisaranerottimen 12 jälkeinen lämmönvaihdin 13 selostetaan vaihtoehtoisten ratkaisujen yhteydessä.

Säiliön 5 yläosasta 14 ilma johdetaan putken 15 kautta kompressoriin 16.

Kompressorissa 16 ilman paine nostetaan samalle tasolle, kuin tuloilman paine on putkessa 1. Kompressorissa tapahtuvan puristustyön johdosta ilman lämpötila nousee. Puristukseen tarvittava teho tulee kompressoriin akselin 17 kautta moottorista 18 sekä akselin 3 kautta turbiinista 2.

4 75924 Lämpöpumpun tuottama lämmin tai kuuma ilma virtaa putkessa 19 kompressorista käyttökohteeseen. Tuotetun ilman lämpötila riippuu lämmönlähteen lämpötilasta ja kompressorin painesuh-teesta. Jos esimerkiksi lämmönlähteenä toimivan veden lämpötila on +5°C ja painesuhde Ρ19/Ρ15 = 2 on tuotetun ilman lämpötila noin 80eC.

Lämpöpumpun tuotto ja moottorilta ottama teho riippuu lämpötiloista ja painesuhteesta. ‘ Edeltävässä selostuksessa mainittujen arvojen mukainen prosessi siirtää käytettyä mootto-ritehoyksikköä kohti 1,5-kertaisen lämpötehon. Esimerkiksi 150 kW lämpötehoa lämmönlähteestä ja moottorin käyttöteho 100 kW antavat yhteensä 250 kW. Kyseisellä teholla ilmavirtaus on n. 3/3 kg/s ja vesivirtaus 1,7 kg/s. Veden ja ilman virtausmäärien suhde on vakio suuruinen tehosta riippumatta.

Säiliö voidaan myös varustaa suuttimilla eri tasoihin. Pisa-ranerottimen 12 jälkeen voi olla lämmönvaihdin 13, jossa lämpimästä nesteestä tai kaasusta siirretään lämpöenergiaa lämpöpumpun ilmavirtaan. Pisaranerotin 12 ja lämmönvaihdin 13 voivat myös olla toisessa järjestyksessä niin, että ilma ensin virtaa lämmönvaihtimen läpi. Lämmönvaihdin voidaan myös rakentaa sellaiseksi, että se samalla toimii pisaran-erottimena.

Piirustuksen mukaan lämmönlähteestä tai -lähteistä siirretään lämpö lämpöpumpun työaineeseen vastavirtaperiaatteen mukaan. Suihkulämmönsiirtimen osalta (tila 8) aineet voidaan myös ohjata myötävirtaan. Koko lämmönsiirtoyksikkö (säiliö 5), joka piirustuksessa on pystyasennossa voi myös olla vaakasuorassa ja aineet voidaan ohjata ristivirtaan.

Claims (6)

1. Menetelmä veden jäätyrnislämmön hyödyntämiseksi, jossa menetelmässä - kaasumainen työaine johdetaan turbiiniin (2), - turbiinin (2) avulla työaine paisutetaan pienempään paineeseen, jolloin paisuntatyö siirtyy turbii-niakselin (3) välityksellä eteenpäin, - pienempään paineeseen paisunut työaine johdetaan säiliöön (5), - säiliöön (5) johdetaan vettä, josta pääosa suihkutetaan pieninä pisaroina suihkutilaan (8), jossa veden jäätymislämpö siirtyy työaineeseen, - vedestä lämpöenergiaa saanut työaine johdetaan säiliön (5) yläosasta (14) kompressoriin (16), - kompressorissa (16) työaine puristetaan suurempaan paineeseen turbiinilta (2) turbiiniakselin (3) ja moottorilta (18) moottoriakselin (17) välityksellä saatavalla energialla, - johdetaan lämmennyt työaine kompressorista (16) ulos, - työaine paisutetaan turbiinissa (2) niin pieneen paineeseen, että sen lämpötila laskee alle veden jäätymispisteen, ja - säiliö (5) tyhjennetään alaosastaan pumpulla (10), tunnettu siitä, että 6 75924 - osa säiliöön suihkutetusta vedestä suihkutetaan suoraan säiliön (5) seinämille näiden jäätymisen estämiseksi, - säiliön pohjalle (9) pudonnut jäänsekainen vesi saatetaan pyörivään liikkeeseen tukkeutumien estämiseksi, esimerkiksi muotoilemalla pohja (9) epäkes-keiseksi tai syöttämällä työaine säiliöön (5) epä-keskeisesti, ja - liikkeeseen saatettu jäänsekainen vesi imetään pumpulla (10) säiliön pohjalta (9) ulos.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että työaineena käytetään ilmaa.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että turbiiniin (2) tuodaan työainetta, jonka lämpötila on 3 - 7°C, sopivimmin 5°C, ja turbiinin (2) painesuhteeksi valitaan 1,5 - 3,0, sopivimmin n. 2.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kompressorin (16) painesuhteeksi valitaan 1,5 - 3,0, sopivimmin n. 2.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ilman ja veden massavirtojen suhde on 1,2-3,1, sopivimmin n. 1,9.

5 75924

6. Laitteisto veden jäätyrnislämmön hyödyntämiseksi, joka laitteisto käsittää - ensimmäisen putken (1), jolla työaine on syötettävissä turbiiniin (2), - turbiinin (2), jolla työaineen paisumistyö on hyö-dynnetävissä, - toisen putken (4), jolla työaine on johdettavissa turbiinista (2) säiliöön (5), 7 75924 - kolmannen putken (6), jolla vesi on syötettävissä suuttimien (7) kautta hienojakoisena säiliön (5) suihkutilaan (8), - pisaranerottimen (12), jolla pisarat on erotettavissa työaineesta, - neljännen putken (15), jolla työaine on johdettavissa säiliöstä (5) kompressoriin (16), - kompressorin (16), jolla työaineen paine ja samalla lämpötila on nostettavissa, - moottorin (18), jolla kompressori on käytettävissä , - akselit (3, 17), joilla voima on välitettävissä turbiinilta ja moottorilta kompressorille (16), - poistopumpusta (10), jolla pohjalla (9) oleva vesi on imettävissä putken (11) kautta ulos, tunnettu - elimistä, joilla osa vedestä on ohjattavissa säiliön (5) seinämille niiden jäätymisen estämiseksi, ja - epäkeskeisesti muotoillusta säiliön (5) pohjasta (9) pyörteisen poistovirtauksen aikaansaamiseksi. β 75924