FI78176B - Foerfarande och anordning foer utnyttjande av vaermeenergi som frigoers i kylprocess. - Google Patents

Description

78176

Menetelmä ja laitteisto jäähdytysprosessissa vapautuvan lämpöenergian hyödyntämiseksi Tämän keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen menetelmä jäähdytysprosessissa vapautuvan lämpöenergian hyödyntämiseksi.

Keksinnön kohteena on myös laitteisto menetelmän toteuttamiseksi.

Ammoniakkia tai freonia väliaineena käyttävät kylmäkonepro-sessit ovat yleisesti käytössä kaikkialla, missä tarvitaan koneellista jäähdytystä. Yhdistettyjä jäähdytys- ja lämmi-tysprosesseja, jotka toimivat suuria lämpötilaeroja käsittävissä olosuhteissa, ei käytännössä esiinny ko. kylmäproses-seihin liittyvien teknisten rajoitusten vuoksi.

DE-patenttijulkaisussa 914,734 on kuvattu laitteisto, jossa paineilmaa jäähdytetään paisuntaturbiineilla. Laitteistossa turbokompressorilla paineistettu ilma jäähdytetään jäähdyt-timellä ja johdetaan etuturbiinilla varustettuun lauhdutus-turbiiniin. Turbiinien välissä on jäähdytin. Jälkimmäisten turbiinien hukkalämpöä käytetään pääkoneiden lisätehona. Käytetty lämpötila-alue on sellainen, jossa jäätyminen ei ole mahdollista.

DE-kuulutusjulkaisussa 1,237,594 on kuvattu jäähdytyslait-teisto, jossa jäähdytettävän tilan poistoputki, joka kulkee sen jäähdytysturbiinin kautta, jossa. turbiinissa poistuva ilma paisutetaan, on kytketty lämmönvaihtimen ensiöosaan, joka puolestaan on kytketty kompressoriin, joka korvaa jäähdy tys turbiinin, lämmönvaihtimen primääriosan ja putkien, painehäviöitä. Laitteistossa jäähdytettävän tilan tuloputki on johdettu kompressorin läpi lämmönvaihtimen toisio-osaan, jossa se jäähtyy jäähdytettävää tilaa alempaan lämpötilaan. Käytetty lämpötila-alue on 10...42aC ja lisäksi prosessin painesuhde on hyvin pieni.

2 78176 SE-kuulutusjulkaisussa 3X0 501 on kuvattu jäähdytysmenetel-mä, jossa osa jäähdytetystä ja kokoonpuristetusta kaasusta johdetaan työpiiriin, jossa on toinen puristuskompressori, toinen jäähdytysgeneraattori, toinen jäähdytysturbiini ja toinen jäähdytyskuorma, joka voi olla järjestetty toiseen paikkaan ensimmäiseen jäähdytyskuormaan nähden ja jolla voi olla toinen jäähdytysvaikutus. Kyseessä on siis suljettu helium-kaasuprosessi vailla minkäänlaisia jäätymisongelmia.

Perinteiset kylmäprosessit käyttävät väliaineita, jotka omineisuuksiensa vuoksi ovat yleensä ympäristölleen myrkyllisiä ja käyttökelpoisia vain sangen rajoitetulla lämpötila-alueella.

Mikäli jäähdytysenergia halutaan käyttää hyödyksi esim. kuuman käyttöveden valmistukseen, joudutaan perinteisten kylmä-koneiden perään kytkemään normaali lämpöpumppu tarvittavan lämpötilan (yli 60° C) saavuttamiseksi. Tällainen järjestely monimutkaistaa systeemiä ja heikentää ominaisenergiankulu-tusta.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä kuvatussa tekniikassa esiintyvät haitat ja saada aikaan aivan uudentyyppinen menetelmä jäähdytysprosessissa vapautuvan lämpöenergian hyödyntämiseksi.

Menetelmä perustuu jo tunnetun nk. BRAYTON-prosessin hyväksikäyttöön, jolle on ominaista se, että siinä väliaineena käytetään tavallista ilmaa. Sen etuna on myrkyttömyys perinteisiin väliaineisiin verrattuna.

Ehdotetussa prosessissa pakastukseen tarvittava lämpötilata-so saadaan aikaan antamalla noin 10°C:n lämpötilassa olevan korkeapaineisen ilman paisua turbiinissa normaalipaineeseen. Painesuhteella 3 saavutetaan aina ilman kosteuden mukaan jopa alle -50eC:n lämpötila. Tarvittava korkeapaineinen ilma tehdään jäähdyttämättömällä turbokompressorilla. Näin paine 3 78176 ilma kuumenee aina tulolämpötilan mukaan jopa 200*C:een. Lämmönvaihtimien avulla ilma jäähdytetään turbiinin edellyttämään tulolämpötilaan, jolloin prosessista saadaan ulos mm. lämmitystarkoituksiin sopivaa kuumaa vettä. Kompressorin tarvitsemasta tehosta osa saadaan samalle akselille kytketystä turbiinista ja loput sähkö- tms. moottorista. Koko-naislämpökerroin tässä yhdistetyssä jäähdytys- ja lämmitys -prosessissa on. luokkaa 3.

Prosessin toimivuuden kannalta oleellinen tunnusmerkki on se, että turbiinin tulolämpötilan säädöllä estetään ilman kosteudesta mahdollisesti aiheutuvat jäätymis- ja kiinni-leikkautumisongelmat turbiinin siivistössä.

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

Keksinnön mukaiselle laitteelle on puolestaan ominaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 5 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja. Niinpä keksinnön avulla voidaan poikkeuksellisen tehokkaasti tuottaa jäähdytysenergiaa pakastus- yms. tarkoituksiin. Jäähdytys-kohteesta poistuva työaine saavuttaa ehdotetulla menetelmällä sellaisen lämpötilatason, että se voidaan käyttää hyväksi lämmitykseen, kuuman käyttöveden valmistukseen tms.

Tämän BRAYTON-prosessiin perustuvan menetelmän tärkeimpinä etuina voidaan pitää laitteiston yksinkertaisuutta, käytetyn väliaineen myrkyttömyyttä, saavutettavissa olevaa suurta lämpötilojen vaihtelu-aluetta ja kohtuullisen hyvää koko-naislämpökerrointa.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisen piirustusten mukaisten suoritusesimerkkien avulla.

1 78176

Kuvio 1 esittää osittain kaaviollisena keksinnön mukaista prosessia.

Kuvio 2 esittää keksinnön mukaiseen prosessiin soveltuvan ilmaturbiinin sekä siihen liittyvän, turbiiniin virtaavan märän tai kostean ilman lämpötilan säätölaitteiston rakennetta.

Kuvio 3 esittää turbiinin siivistön poikkileikkausta sekä diagrammia, joka kuvaa virtaavan ilman todellista lämpötilaa sekä turbiinin seinämälämpötilaa staattorissa ja roottorissa .

Kuvion 1 mukaisesti laitteisto koostuu kaavion mukaisesta moottorin pyörittämästä turbokompressorikoneikosta, kompressorin ja turbiinin väliin sijoitetuista lämmönsiirtimistä, jäähdytysprosessiin kuuluvasta kylmäkammiosta tai -tunnelista sekä lämpötilojen säätöön tarvittavista laitteista.

Tässä esimerkkitapauksessa prosessin tuloilman lämpötila on noin 30eC. Turbokompressorissa 2 puristuessaan 82%:n hyötysuhteella paineeseen 3 bar se saavuttaa lämpötilan 170eC kompressorin jälkeisessä kohdassa 3. Lämmittämällä raakavettä 5eC:sta 60eC:een lämmönsiirtimessä 4 ilma jäähtyy 40“C:een kohdassa 5. Ilmavirtauksella 5 kg/s vesivirtaus on noin 2,8 kg/s. Ilma jäähdytetään lämmönsiirtimessä 6 esimerkiksi kylmäkammion 10 poistoilmalla paisuntaprosessin jääty-misongelmien eliminoimiseksi 10°Creen kohdassa 7. Paisues-saan turbiinissa 8 takaisin normaalipaineeseen ilma jäähtyy -55eC:een kohdassa 9, minkä jälkeen se ohjataan kylmäkammi-oon tai -tunneliin 10. Sieltä poistuvaa -10eC:n lämpöistä ilmaa käytetään säätöpellin 11 avulla em. turbiinin tuloilman jäähdytykseen tai vaihtoehtoisesti johonkin muuhun jääh-dytyskohteeseen esim. ilmastoinnissa.

Kompressorin 2 tarvitsema teho esimerkkitapauksessa on 710 kW, josta turbiini tuottaa 325 kW. Tarvittava lisäteho 5 78176 saadaan sähkömoottorista M, jonka erilaisten häviöiden kompensoimiseksi tulee olla teholtaan noin 410 kW. Prosessista ulos saatava lämpöteho on esimerkkitapauksessa 650 kW ja jäähdytysteho kylmäprosessissa 230 kW. Lisähyötyä on saatavissa vielä kylmäprosessin poistoilmasta ja ilman kosteudesta muodostuneesta jäästä. Minimilämpökerroin esimerkkitapauksessa on noin 2,15. Prosessin tehokkuutta voidaan oleellisesti parantaa, mikäli sopiva jätelämpölähde on tarjolla tuloilman 1 lämpötilan kohottamiseksi.

Kuvion 2 mukainen keksintöön soveltuva ilmaturbiini koostuu itse turbiinista sekä laitteesta, jolla sisään virtaavan märän tai kostean ilman lämpötilaa säädetään. Kuviossa 2 on esitetty järjestely, jolla säätöjärjestelmä voidaan periaatteessa rakentaa. Tulevan ilman säätöjärjestelmä 19 on jaettu kolmeen virtauskanavaan, joista ensimmäinen (I) on varustettu lämmittävällä lämmönvaihtimena 20, toinen (II) jäähdyttävällä lämmönvaihtimella 21 ja kolmas (III) on suora läpi-virtauskanava ilman lämmönvaihdinta. Tulevan ilman lämpötilaa säädetään ohjaamalla ilmavirtaus osittain tai kokonaan jommankumman lämmönvaihtimella 20, 21 varustetun virtauska-navan I, II kautta säätämällä ohjausläppiä joko pneumaattisilla, hydraulisilla tai sähköisillä käyttölaitteilla 24, 25.

Kuviossa 2 on esitetty ilmaturbiinin rakenne. Ilmaturbiiniin virtaava ilma johdetaan lämpötilan säätöyksikköön 19, jossa ilmavirta voi kulkea kolmen kanavan I, II, III kautta. Ilmavirran lämpötilaa mitataan säätöyksikön 19 jälkeen turbiinille johtavassa kanavassa 13. Jos ilman lämpötila kanavassa 13 on halutun arvon alapuolella, avataan käyttölaitteen 24 avulla ohjausläppä 22, jolloin osa tulevasta ilmavirrasta kulkee ilmavirtaa lämmittävän lämmönvaihtimen 20 kautta ja näin tuleva ilma lämpenee. Jos ilman lämpötila kanavassa 13 on halutun arvon yläpuolella, avataan käyttölaitteen 25 avulla ohjausläppää 23, jolloin osa tulevasta ilmavirrasta kulkee ilmavirtaa jäähdyttävän lämmönvaihtimen 21 kautta ja 6 78176 näin tuleva ilma jäähtyy. Tulevan ilman lämpötilansäätö tapahtuu tunnetulla tekniikalla.

Ilmaturbiini voi olla rakenteellisesti joko aksiaaliturbii-ni# radiaaliturbiini tai näiden välimuoto. Toimintaperiaatteeltaan turbiini voi olla aktioturbiinl tai reaktioturbiini tai kohtuullisella reaktioasteella (r = 0,05...0,45) toimiva turbiini. Kuviossa 2 ja 3 esimerkkinä esitetty turbiini on aksiaalinen, kohtuullisella reaktioasteella toimiva turbiini.

Ilmaturbiini koostuu staattorista 26, jonka johtopyörään 27 liittyvät johtosiivet 14. Turbiinin toinen osa on roottori 28, jonka juoksupyörään 29 puolestaan liittyvät juoksusiivet 15. Johtosiipien 14 väliin muodostuvat johtosolat 16 ovat voimakkaasti kaarevat, jotta niiden läpi virtaavassa ilmavirrassa olevat melko suuret alijäähtyneet vesipisarat eroavat ilmavirrasta ja hajoavat iskiessään johtosiipiin 14 ja jähmettyvät osittain tai jäätyvät tai muodostavat märkää lunta. Jään tai märän lumen tarttuminen johtosiipiin 14 on estetty siten, että siipien seinämälämpötila on veden jäätymispisteen yläpuolella, jolloin lumi tai jää ei tartu lämpimään ja märkään seinämään vaan liukuu seinämän pintaa pitkin ja puhaltuu pois ilmavirran mukana.

Johtopyörän 27 ja juoksupyörän 29 välissä on suhteellisen suuri välitila 12, jotta ilmavirran kulkema matka johtopyö-rältä 27 juoksupyörälle 29 olisi riittävän pitkä. Tämä on ilmaturbiinin toiminnan kannalta tärkeää, koska vaikka ilmavirran lämpötila on laskenut huomattavasti veden jäätymispisteen alapuolelle ilmavirran kuljettua johtosolien 16 läpi, on muodostuneella märällä lumella ja alijäähtyneillä vesipisaroilla oltava riittävästi aikaa jäätyä ennen joutumistaan juoksupyörälle 29. Koska välitilassa tapahtuva jäätyminen johtaa kuivien lumihiutaleiden tai kuivien jäähiukkasten syntymiseen, nämä eivät tartu juoksupyörän 29 seinämiin, vaikka vallitseva seinämälämpötila on alle veden jäätymis 7 78176 pisteen, sillä kuivat jäähiukkaset eivät tartu kylmään sei-nämäpintaan.

Välitila 12 on muotoiltu siten, että kaksi renkaanmuotoista pyörrettä (torus) 18 muodostuu johtopyörän 27 ja juoksupyö-rän 29 välissä ilmavirtaan ehkäisemään jään muodostumista ja kiinnittymistä turbiinin seinämiin.

Kuviossa 3 on esitetty virtaavan ilman todellinen lämpötila sekä turbiinin seinämälämpötilat staattorissa 26 ja roottorissa 28 johto- ja siipipyörän leikkausakselilla. Kuviota tarkasteltaessa käy selville keksinnön toiminnallinen ajatus, jossa pyrkimyksenä on konstruoida ilmaturbiini, jossa on estetty jäänmuodostuminen vaarallisella lämpötila-alueella -10...0eC sekä alijäähtyneiden vesipisaroiden kosketus turbiinin niihin seinämiin, joiden lämpötila on alle 0eC.

Tulevan kostean ilman lämpötilaa, jota kuviossa 3 on esitetty viivalla To, säädetään säätöyksiköllä 19 siten, että se on halutussa arvossaan veden jäätymispisteen yläpuolella. Turbiinin paisuntaolosuhteet ja reaktioaste on valittu siten, että turbiinin seinämälämpötila Ts staattorin kaikissa niissä osissa, jotka ovat kosketuksissa ilmavirran kanssa, on selvästi, mutta vain hieman, jäätymiselle vaarallisen lämpötila-alueen yläpuolella. Tällöin staattorin johtosolis-sa 16 kostean ilmavirran jäähtyessä muodostuva märkä lumi sekä alijäähtyneet vesipisarat eivät tartu staattorin 26 johtosiipiin 14 eikä virtaukselle haitallista tai turbiinin toiminnalle vaarallista jäänmuodostusta näin esiinny.

Ilman staattinen lämpötila johto- ja juoksupyörien välisessä välitilassa, samoin kuin turbiinin seinämälämpötila Tr roottorin kaikssa osissa, jotka ovat kosketuksissa ilmavirran kanssa, ovat selvästi jäätymiselle vaarallisen alueen alapuolella, jotta muodostuneet kuivat jäähiukkaset eivät osittain sulaisi seinämäpinnoilla ja näin mahdollistaisi jää-hiukkasten tarttumisen seinämille.

β 78176

Mainittakoon, että välitilan 12 aksiaalinen ulottuvuus on ainakin 30 % ja sopivimmin noin 50 % juoksusiipien 15 aksiaalisesta ulottuvuudesta ja että ilman lämpötila ennen turbiinia kanavassa 13 on alueella 2...10*C ja lämpötila johtoja juoksupyörän välissä 12 on alueella -30...-15eC.

Staattorin ei tarvitse olla johtosiipityyppinen, vaan se voi olla myös esim. suuttimilla varustettu.

Ehdotettu kylmäprosessi soveltuu joko kammiossa tai tunnelissa tapahtuvan suoran pakastuksen lisäksi mm. tekojääradan jäädytykseen, meijereiden jäävesijärjestelmien ammoniakki-piirien lauhduttamiseen ja muihin vastaaviin suljettujen kylmäainekiertojen jäähdytykseen sijoitettaessa kylmäkammion 10 tilalle prosessiin kuuluva jäähdytyspatteri. Sen jälkeinen, vielä kylmä poistoilma voidaan usein hyödyntää ilmastoitujen tilojen tai ilmajäähdytystä tarvitsevien kojeiden ja moottoreiden jäähdytyksessä.

Kompressorin jälkeinen kuuma ilma voidaan lämmönsiirtimien avulla käyttää koneikon mitoituksen mukaan kaukolämmön tuotantoon, tilojen lämmitykseen yleensä ja/tai kuuman prosessi- yms. veden tekoon.

Kaukolämpösovellutus yhdistettynä esim. tekojääradan jäähdytykseen mahdollistaa kesäajalle tyypillisen pienen lämpö-kuorman aikana edullisen lämmön ja jäähdytyksen yhteistuotannon halpaa kesäsähköä hyväksikäyttäen. Menetelmä saattaisi olla varsin kilpailukykyinen verrattuna pienellä osakuor-malla toimivaan kaukolämpökattilaan.

Uusia sovellutusalueita yhdistetylle jäähdytys- ja lämmi-tysprosessille saattaa löytyä kuumista maista, joissa jäähdytys on usein elinehto (esim. suuret rakennuskompleksit, sairaalat, palatsit yms.) ja lämpöenergiaa tarvitaan teolli-suusprosesseihin.

Claims (5)

9 78176

1. Menetelmä jäähdytysprosessissa vapautuvan lämpöenergian hyödyntämiseksi, jossa menetelmässä - työaineena käytettävä, kosteutta sisältävä ilma syötetään kompressoriin (2), - kompressorissa (2) ilma puristetaan suurempaan paineeseen, - suurempaan paineeseen puristettu ilma jäähdytetään alempaan lämpötilaan, - jäähdytetty ilma johdetaan turbiiniin (Θ), jossa välitilan (12) aksiaalinen ulottuvuus on ainakin 30% juoksusiipien (15) aksiaalisesta ulottuvuudesta ja välitila (12) on säteittäisessä suunnassa laajennettu juoksusiipien (15) välisten solien (17) säteit-täisen ulottuvuuden yli jäätymistä estävän pyörtei-lyn (18) aikaansaamiseksi välitilan (12) sisä- ja ulkoreunassa, jossa turbiinissa (8) ilma saa paisua pienempään paineeseen ja jäähtyä, - turbiinissa (8) tapahtuvaa ilman paisuntatyötä käytetään kompressorin (2) pyörittämiseen, tunnettu siitä, että - kompressorissa (2) ilma puristetaan niin suureen paineeseen, että sen lämpötila nousee ainakin veden normaali-ilmanpaineen kiehumislämpötilan yläpuolelle, - suureen paineeseen puristettu ilma jäähdytetään riittävän alhaiseen lämpötilaan, esimerkiksi alle 10 781 76 15eC:n lämpötilaan, turbiinin (8) jäätymisen estämiseksi vähintään yhdessä lämmönsiirtimessä (4, 6), - lämmönsiirtimen (4, 6) toision lämmennyttä työainetta käytetään sellaisenaan hyväksi, esimerkiksi käyttövetenä, j a - turbiinissa (8) veden jäätymislämpötilan alapuolelle jäähtynyt ilma johdetaan sellaisenaan jäähdytettävään kohteeseen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, jota sovelletaan sellaiseen ilmaturbiiniin (8), jossa välitilan (12) aksiaalinen ulottuvuus on ainakin 30% juoksusiipien (15) aksiaalisesta ulottuvuudesta ja välitila (12) on säteittäisessä suunnassa laajennettu juoksusiipien (15) välisten solien (17) säteittäisen ulottuvuuden yli jäätymistä estävän pyör-teilyn (18) aikaansaamiseksi välitilan (12) sisä- ja ulkoreunassa, tunnettu siitä, että kompressorissa (2) ilma puristetaan 2,5 - 3,3 baarin paineeseen, sopivimmin 3,0 baarin paineeseen.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kompressorissa (2) puristettu ilma jäähdytetään kaksivaiheisesti ennen turbiinia (8).

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ensimmäisessä vaiheessa ilma jäähdytetään lämmönvaihtimen (4) toisiossa kiertävällä vedellä ja toisessa vaiheessa toisen lämmönvaihtimen (6) toisiossa kiertävällä jäähdytettävästä kohteesta (10) palaavalla ilmalla.

5. Jäähdytysprosessissa vapautuvan lämpöenergian hyödyntämiseen käytettävä laitteisto, joka käsittää - kompressorin (2), jolla työaine on puristettavissa suurempaan paineeseen, n 78176 - lämmönsiirtimen, jolla kompressorissa (2) puristettu työaine on jäähdytettävissä, - sellaisen turbiinin (8), jossa välitilan (12) aksiaalinen ulottuvuus on ainakin 30% juoksusiipien (15) aksiaalisesta ulottuvuudesta ja välitila (12) on säteittäisessä suunnassa laajennettu juoksusiipien (15) välisten solien (17) säteittäisen ulottuvuuden yli jäätymistä estävän pyörteilyn (18) aikaansaamiseksi välitilan (12) sisä- ja ulkoreunassa, jossa turbiinissa (8) jäähdytetty työaine voi paisua pienempään paineeseen ja edelleen jäähtyä, - jäähdytyskohteen (10), jonne jäähdytetty työaine on johdettavissa, tunnettu siitä, että - vähintään yhdestä lämmönsiirtimestä (4), jossa kompressorissa (2) suurempaan paineeseen puristetun työaineen lämpöenergia on siirrettävissä lämmönsiirtimen (4) toision työaineeseen, esimerkiksi käyttöveteen, ja - vähintään yhdestä lämmönsiirtimestä (6), jossa jäähdytyskohteesta (10) tulevalla ilmalla turbiiniin (8) menevä ilma on esijäähdytettävissä. 781 76