FI84100C - Foerfarande och anordning foer utnyttjande av vattnets frysningsvaerme som vaermekaella vid vaermepump. - Google Patents

Description

1 84100

Menetelmä ia laitteisto veden jäätymislämmön hyväksikäyttämiseksi lämpöpumpun lämmönlähteenä 5 Tämä keksintö koskee menetelmää veden sisältämän jäätymislämmön hyväksikäyttämiseksi lämpöpumpun lämmönlähteenä. Keksintö koskee myös laitteistoa menetelmän toteuttamiseksi, jonka laitteiston muodostaa mahdollinen kaasunpoistin, sekoittimella varustettu kiteytin, yhdis-10 tetty vesihöyryn lauhdutin/lämpöpumpun höyrystin, lämpö- pumpun kompressoriyksikkö, väliaineen kierrätyssäiliö, lämpöpumpun lauhdutin, tarvittavat pumput, tarvittava tyhjölaitteisto, mahdollinen laite veden ja jääkiteiden erottamiseksi toisistaan sekä laite riittävän kor-15 keapaineisen sulatushöyryn tuottamiseksi. Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista patenttivaatimuksessa 1 esitetyt seikat. Keksinnön mukaiselle laitteistolle on tunnusomaista patenttivaatimuksessa 13 esitetyt seikat.

20 Tämän keksinnön kohteena on siis menetelmä ja laitteisto veden kiteytymis- 1. jäätymislämmön hyväksikäyttämiseksi lämpöpumpun lämmönlähteenä höyrystämällä vettä niin alhaisessa paineessa, että osan hyödynnettävästä vesivirrasta höyrystyessä ja ottaessa höyrystymisläm-25 pönsä jäljelle jäävästä vesivirrasta, osa tästä vesivir rasta jäätyy ja veteen muodostuu jääkiteitä. Muodostunut höyry johdetaan lämpöpumpun höyrystimeen, jossa se lauhtuessaan ja jäätyessään lämpöpinnalle luovuttaa lämpönsä lämpöpumpussa käytettävälle väliaineelle. 30 Jatkuvatoimisella, prosessin aikaisella sulatusjärjestel mällä pidetään höyrystimen lämpöpin- 84100 noille muodostunut jääkerros riittävän ohuena jolloin myös lämmönsiirron tehokkuus pystytään säilyttämään.

Energian hinnannousun myötä lämpöpumppujen hyväksikäyttö erityisesti rakennusten lämmitysenergian tuottami-5 seen on lisääntynyt merkittävästi viime vuosina.

Rinnan lämpöpumppujen hyväksikäytön kasvun kanssa myös lämpöpumpputekniikka on kehittynyt merkittävästi. Ongelmana ei tänäpäivänä olekaan niin paljon itse laitetekniikka kuin sopivien taloudellisesti hyödynnettävissä 10 olevien lämmönlähteiden löytäminen. Mitä moninaisempia lämmönlähteitä on pyritty ja pyritään hyödyntämään.

Suurille, lähinnä kaukolämpöä tuottaville lämpö-pumpuille ovat erilaiset vedet lähes ainoa suuremmassa määrin taloudellisesti hyödynnettävissä oleva lämmönlähde. 15 Arvioitaessa erilaisten vesivirtojen soveltuvuutta lämmönlähteeksi joudutaan kiinnittämään huomiota erityisesti seuraaviin tekijöihin: Lämmonlähteen pysyvyys 20 Lämpöpumpun taloudellinen käyttö vaatii kapasiteetin korkeaa käyttöastetta, mikä puolestaan edellyttää riittävän pysyvää vesivirtausta.

Veden lämpötilataso 25 Mitä korkeammalla lämpötilatasolla hyödynnettävä vesivirta on, sen korkeampi on lämpöpumpun lämpöker-roin ja sen parempi lämpöpumpun kannattavuus.

Toinen myös hyvin merkittävä tekijä on, että mitä korkeampi on hyödynnettävän vesivirran tulolämpötila, 30 sitä suurempi on sen lämpösisältö massayksikköä kohden ja sitä pienempi vesivirta riittää lämmönlähteeksi.

Todellinen ongelma pohjoisilla leveysasteilla kuten Suomessa onkin, että lähes kaikkien vesivirtojen lämpötilat ovat hyvin alhaisia talvikautenamme, jolloin läm-35 möntarve on toisaalta suurin.

Tästä syystä lämmönlähteiksi tarvitaankin hyvin suu- 3 84100 ria vesivirtoja ja siltikään lämpöoumpouja ei voida varmuudella ajaa täydellä teholla kvlmimpinä vuodenaikoina höyrystimien jäätymisvaaran takia.

5 - Veden korroosio-ominaisuudet

Sekä teollisuuden että yhdyskuntien jätevedet soveltuvat määränsä ja lämpötilatasonsa nuolesta useimmissa tapauksissa hyvin lämmönlähteeksi. Haittapuolena jätevesiin liittyy usein se, että ne syövyttä-10 vät normaaleja rakennemateriaaleja. Tästä syystä läm pöpumppujen höyrystimissä joudutaan usein varsin kalliisiin materiaaliratkaisuibin.

Samoin on laita myös, kun pyritään hyödyntämään pohjavesivirtoja tai merivettä länmönlähteenä.

15 Korroosioriski lisää aina laitteiston investointi kustannuksia ja käytön aikana korroosio vaikuttaa myös olennaisesti laitoksen käyttö- ja huoltokustannuksiin sekä käytettävyyteen.

20 - Veden likaava vaikutus

Kuten höyrystimien lämpöpintojen korroosiokin myös odotettavissa oleva lämpöpintojen nopea likaantuminen kasvattaa laitoksen investointikustannuksia. Käytössä tapahtuva lämpöpintojen likaantuminen lisää myös aina 25 laitoksen käyttö- ja huoltokustannuksia ja huonontaa laitoksen käytettävyyttä.

Lämpöpintojen korroosio ja likaantuminen esiintyvät usein myös yhdessä, toinen on syy ja toinen seuraus eli syöpynyt pinta likaantuu aina nopeasti ja 30 päinvastoin likakerroksen alla voi korroosion etenemi nen olla nopeaa.

Keksinnön kohteena olevalla menetelmällä ja laitteistolla on pääosa näistä erilaisia vesiä 1ämmönlähteenä 35 hyödyntävien lämpöpumppujen riskitekijöistä eliminoitu.

Samalla on pyritty laajentamaan lämpöpumpun käyttöaluetta 84100 n tekemällä lämpöpumpun käyttö vähemmän riippuvaksi vesi-lämmönlähteen koosta ja lämpötilasta.

Keksinnön kohteena olevan veden kiteytymis- eli jäätymislämpöä hyödyntävän menetelmän merkittävimpinä 5 etuina verrattuna markkinoilla oleviin, vettä lämmönläh-teenä käyttäviin lämpöpumppuratkaisuihin voidaan pitää seuraavia tekijöitä:

Menetelmää käyttäen lämpöpumpun kapasiteetti ei ole 10 olennaisesti riippuvainen lämmönlähteenä käytettävän vesivirran lämpötilasta, sillä menetelmän avulla voidaan hyödyntää jopa 0°C lämpötilaisia vesivirtoja.

Menetelmää käyttäen samantehoiselle lämpöpumpulle 15 riittää olennaisesti pienempi vesivirta.

Menetelmää käyttäen lämpöpumpun sijoituspaikka voidaan valita vapaammin, koska ei tarvitse siirtää suuria vesivirtoj a.

20

Menetelmää käyttäen lämpöpumppujärjestelmän putkistoja pumppauskustannukset jäävät alhaisiksi.

Menetelmän käyttö eliminoi myös laitteiston jäätymis-25 vaurioriskit.

Lämpöpintojen korroosioriskit on eliminoitu, josta johtuen voidaan käyttää halpoja rakennemateriaaleja.

30 Keksintöä selostetaan seuraavassa tarkemmin esimerk kien avulla viittaamalla oheisiin piirustuksiin, jotka esittävät keksinnön eräitä sovellutusmuotoja ja laitera -kenteita.

Kuvassa 1 on kaaviollisesti esitetty keksinnön mukais-35 ta menetelmää soveltavan järjestelmän toimintaperiaate, kuvassa 2 esitetään pystyleikkauksena kiteyttimen ja lauhdutin-höyrystimen toimintaa ja rakennetta, kuvissa 2a, 2b ja 2c on esitetty leikkaukset a-a, li 5 84100 b-b ja c-c kuvasta 2, kuvassa 3 esitetään kuvan 1 mukaisen järjestelmän eräitä sovellutuksia, kuvissapa ja 4b on esitetty höyryvirtojen ohjaami-5 seen käytettyjen nestelukkojen rakenne- ja toimintaperiaate, kuvassa 5 on esitetty kuvan 1 mukaisella järjestelmällä toteutetun 6 MW:n tehoisen lämpöpumpun lämpö- ja massataseet.

Kuvan 1 mukaisessa järjestelmässä lämmönlähteenä 10 hyödynnettävä vesivirta johdetaan ensin alipaineessa toimivaan ilmanpoistimeen 1 (= kaasunpoistin). Ilmanpois-timen 1 tehtävänä on poistaa pääosa veteen liuenneesta ilmasta ja muista kaasuista ja estää niiden pääsy lauhdut-timeen, jonka toimintaa ne haittaisivat.

15 Ilmanpoistimessa 1 vallitsee myös korkeampi paine kuin lauhduttimessa, joten on edullisempaa poistaa pääosa kaasuista siellä ja säästää näin sekä tyhjöjärjestelmän investointi- että käyttökustannuksia.

Ilmanpoistimen 1 toiminta perustuu tosiasiaan, että 20 ilman (= kaasujen) liukoisuus veteen on verrannollinen ilman osapaineeseen kaasufaasissa. Määritelmän mukaan ilman osapaine taas on ilman mooliosuus kaasufaasissa kerrottuna kokonaispaineella. Ilmanpoistimessa kokonaispaine muodostuu veden höyrynpaineesta, joka on vain lämpötilan 25 funktio, ja läsnäolevan ilman (= kaasujen) osapaineesta.

Kun siis pienennämme kokonaispainetta, pienenee myös ilman osapaine kaasufaasissa ja samalla ilman liukoisuus veteen. Ilmanpoistimeen johdettu vesi pyrkii tasapainotilaan kaasu-faasin kanssa, jolloin osa veteen liuenneesta ilmasta 30 vapautuu. Ideaalitilanteessa ilmanpoistimesta poistuvan vesivirran iImapitoisuus on tasapainossa ilmanpoistimesta poistuvan kaasuvirran kanssa.

Miten lähelle tasapainotilaa ilmanpoistimessa päästään, riippuu olennaisesti ilmanpoistimen rakenteesta.

35 Ilmanpoistimesta poistuvan veden teoreettinen ilmaoitoisuus ( 84100 on sitä pienenisi mitä korkeampi on lämpötila tai mitä alhaisempi on paine.

Ilmanpoistimessa vapautuneet kaasut johdetaan putki-linjan 2 kautta tyhjöjärjestelmään.

5 Ilmanpoistettu vesi puolestaan johdetaan ilmanpoisti- mesta 1 putkilinjan 3 kautta kiteyttimeen , jossa vallitsee alipaine, joka vastaa veden höyrynpainetta jäätymispisteessä. Kiteyttimessä 4 vesi siis kiehuu tätä painetta vastaavassa n. 0°C:n lämpötilassa, jolloin osa vedestä höyrysit) tyy. Höyrystyminen sitoo lämpöä vedestä, jolloin osa vedestä jäätyy ja veteen muodostuu jääkiteitä. Jos kiteyttimeen 4 tulevan veden lämpötila on lähellä C°C, niin voidaan laskea, että 1 kp höyryä kohden muodostuu n. lj'4 kg jäätä. Kiteytin *i on varustettu sekoittimella 5, jolla 15 varmistetaan veden tasainen kiteytyminen.

Kuvassa 2 kiteytin on sijoitettu pystymallisen putkilämmönsiirtimen yläpäädyn sisään. Sisäänrakennettua kiteytinrakennetta 4 käyttäen vältetään muutoin tarvittavat suuret höyryputkistot.

20 Lämmönsiirtimen yläpäätyä rajoittavat vaippa 6, pää ty 7 ja ylempi putkilevy 8. Lieriömäinen kiteytin jota rajoittavat vaippaosat 9, pohja 10 ja katto 11, on nestelu-koin 12 erotettu sitä ympäröivästä, väliseinin 13 sektoreihin jaetusta rengast i ]asta ]Jl.

25 Kiteyttimen yläpuolella on yhtenäinen rengastila 15, joka on nestelukolla 16 erotettu kiteytintä ^ ympäröivästä, sektoreihin jaetusta rengastilasta 1^4. Rengastilan Hl väliseinät 13 jakavat sekä nestelukot 12 että 16 myös sektoreihin. Kuvan 2 mukaisessa rakenteessa rengastila 1 ·Μ 30 on jaettu kuuteen sektoriin. Kuudesta sektorista viidessä ovat nestelukot 12 tyhjinä, jolloin kiteyttimessä muodostuneella höyryllä on esteetön virtaustie niiden kautta ren-gastilan l1) vastaaviin sektoreihin ja sitä kautta lauhdut-timen viiden sektorin nutkiin 17. Tätä virtausta on ku-35 vattu kuvan 2 oikealla puolella.

7 84100 Höyry lauhtuu putkien 17 sisäpinnalle luovuttaen lämpönsä putkien 17 ulkopinnalla valuvalle, lämpöpumppu-järjestelmän väliainekierrolle sitä höyrystyen.

Koska höyryn lauhtuminen tapahtuu noin 0°C (tai 5 hieman alemmassa) lämpötilassa ja höyrystettävän väliaineen lämpötila on noin -5°C, putkien 17 sisäpinnalle muodostunut lauhdekerros jäätyy lauhdutuspinnalle.

Lauhtumaton osa höyrystä virtaa putkista 17 lämmön-siirtimen alaosaan, jota rajoittavat vaippa 13, pääty 19 10 ja alempi putkilevy 20, ja se on väliseinin 21, 22, 23 ja 24 jaettu osiin. Keskiosa on väliseinin 25 jaettu kuuteen sektoriin, jotka ovat nestelukkojen 26 ja 27 välityksellä yhteydessä niitä ympäröiviin yhtenäisiin rengastiloihin 28 ja 29.

15 Höyryn virratessa lämmönsiirtimen alaosaan ovat alem mista nestelukoista 27 tyhjinä (=auki) vastaavien viiden sektorin nestelukot 27, kuin yläpäädyssä kiteyttimen 4 ja sitä ympäröiviin viiteen sektoriin avoinna olevat neste-lukot 12.

20 Höyry virtaa avoinna olevien nestelukkojen 27 kautta rengastilaan 29, joka on yhteen 30 kautta yhteydessä puhal-timen 31 imulinjaan 32.

Puhallin 31 imee höyryä lauhduttimen alaoäädyssä vallitsevasta, noin 6 mbarin paineesta ja nostaa painetta noin 25 1.,.2 mbaria, joka vastaa lauhtumislämpötilan nousua noin 2...4°C. Korkeampaan paineeseen nostettu höyry johdetaan puhaltimesta 31 putkilinjan 33 kautta lämmönsiirtimen ylä-päädyn rengastilaan 15-

Tilan 15 ja kiteytintä 4 ympäröivän tilan 14 väli-30 sistä nestelukoista 16 on täynnä (=kiinni) niihin viiteen sektoriin johtavat nestelukot 16, joihin yhteydessä olevat kiteyttimen 4 nestelukot 12 ovat auki.

Kuudenteen eli sulatusvaineessa olevaan lauhdutinosaan johtavan sektorin nestelulcko 16 on avoinna, joten höyryllä 35 on sen kautta vapaa virtaustie vastaavan sektorin lauhdu-tinputkiin 34 (ks. kuvan 2 vasen puoli). Putkiin 34 vir- 3 84100 taava höyry lauhtuu putkien 3^ seinämää peittävän jääker-roksen pinnalle luovuttaen lauhtumislänpönsä, jolloin jää sulaa.

Samanaikaisesti on sulatusvaiheessa oleva lauhdutin-5 osan sektori erotettu myös lämpöpumpun väliaineen höyrys-tinpiiristä sulkemalla höyrystimen tähän sektoriin johtava väliainekierron venttiili 35.

Jään sulaessa ja höyryn lauhtuessa muodostuva vesi valuu putkia 3^ pitkin lauhduttimen alapäädyn vastaavaan 10 sektoritilaan, jonne virtaa myös vielä lauhtumaton osa höyrystä.

Alaosassa sulatusvaiheessa olevan sektoritilan alempi, rengastilaan 29 johtava nestelukko 27 on kiinni ja ylempi, rengastilaan 28 johtava nestelukko 26 on auki.

15 Lauhtumaton osa höyryvirrasta virtaa tämän nestelukon 26 kautta rengastilaan 23, joka on yhteen 35 ja putkilinjan 36 kautta yhteydessä tyhjöjärjestelmään. Tyhjöjärjestel-män avulla säädetään sulatusvaiheessa olevan lauhdutin-osan naine sopivaksi imemällä sieltä pois tarpeellinen mää-20 rä lauhtumattomia kaasuja. Kiteyttimen 4 paine määräytyy myös tämän paineen mukaan, ollen puhaltimen nostokorkeu-den ja järjestelmän painehäviöiden erotuksen verran tätä painetta alhaisempi.

Järjestelmään liittyvä, lämpöpumpun kompressoripiiri 25 väliainekiertoineen on periaatteessa seuraava: Höyrvstettävää väliainetta (esim. R-12, joka on dikloro-difluorometaania)kierrätetään pumpun 37 avulla säiliöstä 38 sektoreihin jaetun höyrystimen yläosaan, josta se suutin-altaiden 39 avulla ohjataan valumaan nestekalvona putkien 30 17 ulkopinnalle. Väliaine sitoo putkien 17 sisäpinnalla lauhtuvan höyryn luovuttaman lämmön, jolloin osa valuvasta nestekalvosta höyrystyy.

Väliainekierron jako levyin 40 sektoreihin jaetun höyrystimen eri sektoreihin tapahtuu jakot ukin ^1 ja vent-35 tiileiden 35 avulla. Sulkemalla sulatusvaiheessa olevaan sektoriin johtava venttiili 35 estetään väliainekierto li g 84100 tähän sektoriin, jolloin tämä sektori tyhjenee kokonaan nestemäisestä väliaineesta. Lämmönsiirtoa ei tällöin tapahdu putkista 34 ulospäin, jolloin sulatusvaihe olennaisesti nopeutuu.

5 Höyrystynyt kaasumainen väliaine virtaa höyrystimes tä kompressorin 42 imulinjaan 43. Kompressorilla 42 kaasun painetta nostetaan niin paljon, että sen lauhtumis-lämpötila on riittävä esim. kaukolämpöveden lämmittämiseen.

10 Kompressorin 42 painepuolelta kaasuvirta johdetaan putkilinjan 44 kautta lauhduttajana toimivaan kaukolänpö-vaihtimeen 45, jossa se lauhtuu luovuttaen lauhtumisläm-pönsä kaukolämpövedelle. Lauhtunut nestemäinen väliaine palautetaan lauhduttimesta 4 5 nutkiliryjan 46 ja kuristusvent-15 tiilin (=paineenalennusventtiili) 47 kautta takaisin säiliöön 38.

Höyrystymättä jäänyt nestemäinen väliaine valuu linjan 43 alapuolelle ja höyrystinosan vaippatilan 48 kustakin sektorista putkien 49 kautta kokoojatukkiin 50 ja sitä 20 kautta edelleen säiliöön 38. Nesteen kokoojatukki 50 on sijoitettu höyrystimen alemman putkilevyn 20 alapuolelle, jolla järjestelyllä mahdollistetaan sulatusvaiheessa olevan sektorin täydellinen tyhjentyminen putken 49 kautta. Säiliö 38 on kaasutilastaanyhdistetty putkilinjalla 51 25 kompressorin 42 imulinjaan 43 paine-erojen tasaamiseksi.

Kuvassa 1 esitetyn järjestelmän tyhjölaitteiston muodostaa kaksivaiheinen ejektorijärjestelmä, johon kuuluvat ejektorit 52 ja 53 ja ejektoreiden jälkeen olevat baro-metriset suihkulauhduttajat 54 ja 55 sekä näiden jälkeen 30 kytketty vesirengastyhjöpumppu 56. Ilmanpoistimen 1 kaasun-poistolinja 2 on kytketty toisen ejektorivaiheen 53 jälkeiseen suihkulauhduttajaan 55.

Kiteyttimestä 4 jääkiteitä sisältävä vesivirta poistuu putkilinjan 57 kautta pumpulle 53, jonka avulla 35 vesi palautetaan putkilinjan 59 kautta esim. vesistöön.

Tätä vesivirtaa höydynnetään johtamalla putkilinjasta 59 ίο 84100 vettä putkilinjan 60 kautta suihkulauhduttiniin 5^ ja 55· Kylmän veden käytöllä koko tyhjöjärjestelmän energiankulutus saadaan hyvin alhaiseksi.

Lauhdutinosan alapäätyyn 19 kertynyt lauhde (=tis-5 lattu vesi) siirretään pumpun 6l avulla putkilinjoja 62 ja 63 pitkin esim. kattilan syöttövetenä käytettäväksi. Kaavion 1 mukaisessa järjestelmässä tätä vettä on johdettu putkilinjan 6^ kautta myös vesirengaspumpun 56 tiiviste-vetenä käytettäväksi.

10 Kuvan 3 mukaisessa järjestelmässä on ilmanpoistin 1 korvattu lingolla 71, jonka avulla kiteyttimestä 4 poistuvasta, jääkiteitä sisältävästä vesivirrasta erotetaan jääki-teet ja vesi palautetaan putkilinjan 65 kautta takaisin kiteyttäneen 4.

15 Palauttamalla vesi näin takaisin kiteyttäneen ^ lisä- veden tarve vähenee ja ilmanpoistin 1 on voitu jättää pois. Putkilinjan 3 kautta tuotavaa lisävettä tarvitaan vain määrä, joka vastaa jääkiteitä ja niiden mukana menevää vesivirtaa sekä putkilinjan 63 kautta poistuvaa lauhdevesi-20 virtaa.

Luonnollisesti lauhdevesi voidaan myös, ellei sille ole muuta käyttöä, palauttaa takaisin kiteyttimeen Käytännössä veden kierrätystä rajoittaa se, että kierrätettävään veteen konsentroituvat hyödynnettävän 25 vesivirran sisältämät epäpuhtaudet, jolloin veden jäätymispiste ja sitä vastaava höyrynpaine alenevat. Se kuinka paljon voidaan tai kannattaa kierrättää, riippuu siis varsin paljon hyödynnettävän veden laadusta, esim. veden suolapitoisuudesta.

30 Putkilinjan 66 kautta linkoon 71 johdetulla, hyö dynnettävän vesivirran osavirralla huuhdotaan jääkiteet lingosta 71 putkilinjaan 59· Huuhteluveden määrä on edullista valita niin suureksi, että lingon 71 jälkeistä, jääkiteitä sisältävää vesivirtaa voidaan siirtää pumppaa-35 maila.

II

n 84100

Kuvassa 3 esitetystä järjestelmästä on poistettu myös sulatushöyryn paineenkorotukseen käytetty puhallin 31· Sulatushöyry kehitetään kuvan 3 mukaisessa järjestelmässä johtamalla kaukolämpövaihtimesta 45 putkilinjan 5 46 ja kuristusventtiilin 47 kautta säiliöön 33 palautetta va lämpöpumppukierron väliaine höyrystimen 67 kautta. Höyrystimen 67 kautta virtaava väliaine jäähtyy luovuttaen lämpöpinnan välityksellä lämpönsä putkilinjan 63 kautta höyrystimeen 67 johdettavalle vedelle, joka höyrystyy.

10 Muodostunut höyry johdetaan höyrystimestä 67 putki- linjan 69 kautta kiteyttimen 4 yläpuoliseen rengastilaan 15, josta se nestelukkojen 16 kautta johdetaan kulloinkin sula-tusvaiheessa olevaan lauhdutinsektoriin. Kehitettävän höyryn määrää voidaan säätää johtamalla osa väliainevir-15 rasta höyrystimen 67 ohi putkilinjan 70 kautta.

Kuvassa 2 esitetyn höyrystin-lauhdutin rakenteen alapäätyä on tällöin myös muutettu poistamalla alemmat nestelukot 27 ja rengastiloja 28 ja 29 erottava seinämä 23 sekä puhaltimelle johtava putkiyhde 30. Tässä järjes-20 telyssä sulatusvaiheessa olevan sektorin nestelukko 26 pidetään kiinni, jolloin paine tässä sektorissa pysyy nes-telukon nestepatsäiden korkeuseroa vastaavan paine-eron verran korkeampana.

Lauhtumattomien kaasujen kerääntymisen estämisek-25 si on kunkin sektorin sitä ympäröivästä rengastliasta 28 erottavassa seinämässä 22 reikä, joka sallii pienen, hallitun höyryvirtauksen sulatusvaiheessa olevasta sektorista rengastilaan 23.

Höyryvirtojen ohjaamiseen ja paine-erojen aikaan-30 saamiseen käytettyjen nestelukkojen rakenne- ja toimintaperiaatetta on esitetty kuvissa 4a ja 4b. Kuvassa 4a nestelukot 72 ja 73 ovat kiinni, ts. estävät kaasuvirtauk-sen ja ylläpitävät seinän yli olevan paine-eron. Kuvassa 4b nestelukot 72 ja 73 ovat tyhjinä, ts. ne sallivat kaasu-35 virtauksen niiden kautta.

ie 84100

Nestelukot 72 ja 73 toimivat siis venttiileiden tavoin ja ne pysyvät täynnä (^kiinni) vain kun niistä ylempään eli lukkoon 72 virtaa koko ajan nestettä putki-linjan 7*· kautta. Ylemmästä nestelukosta 72 neste valuu 5 alempaan nestelukkoon 73 yläjuoksuna ja ylemmän nestelukon 72 pohjassa olevan reiän 75 kautta. Alemmasta neste-lukosta 73 neste valuu edelleen yläjuoksuna ja reiän 76 kautta nesteen kokoojakouruun 77, josta se putkilinjan 73 kautta voidaan palauttaa esim. uudelleen käytettäväksi.

10 Jos tiivistenesteenä käytetään vettä, voi ylijuoksu tus alemmasta nestelukosta 73 ja sen tyhjennys tapahtua esim. kuvan 2 nestelukkojen 12 kyseessäollen suoraan ki-teyttimessä olevan veden joukkoon.

Käyttämällä tiivistenesteenä jotain suolaliuosta 15 (esim. kalsiumkloridi), öljyä tai jotain muuta nestettä, joka on kyllin juoksevaa ja jolla on riittävän alhainen höyrynpaine, voidaan nestelukkojen jäätyminen käytön aikana estää. Tiivistenestettä voidaan tarvittaessa myös lämmittää.

Kun putkilinjan 74 venttiili 79 suljetaan, nesteen 20 tulo lakkaa, jolloin molemmat nestelukot 72 ja 73 tyhjenevät niiden pohjassa olevien reikien 75 ja 76 kautta ja virtaustiet höyrylle avautuvat.

Kytkemällä kuvien 4a ja 4b mukaisesti useampia nes-telukkoja höyryvirtauksen kannalta rinnan ja sulkuneste-25 virtauksen kannalta sarjaan mahdollistetaan samanaikaisesti isot virtauskanavat höyrylle, nestelukkojen koon pysyminen pienenä ja niiden ohjaus auki-kiinni asentoihin yksinkertaisena.

Kuvien 1 ja 3 mukaisissa esimerkeissä on käsitelty 30 kaksi tapaa tuottaa lauhdutinpinnoille muodostuneen jään sulatuksen vaatima riittävän korkeapaineinen höyry, nimittäin:

Kuvan 1 esimerkissä komprimoimalla osa kiteyttimessä 35 muodostunutta höyryä sulatuksen vaatimaan korkeampaan paineeseen.

13 841 00

Jos lasketaan kuinka paljon sulatukseen tarvitaan höyryä ääritapauksessa, jolloin kaikki lauhdevesi jäätyy lauhdutinpinnalle, tullaan lopputulokseen, että jään sulatus vaatii n. 12 % kiteyttimessä muodostuneesta kokonais- 5 höyrymäärästä. Sulatus ei kuitenkaan kuluta yhtään kiteyttimessä hyödynnettävästä vesivirrasta vapautuneesta lämpömäärästä, se vaan estää sen, ettei lauhteen jäätymisessä vapautuvaa lämpömäärää enää saada hyödyksi, vaan se mikä jäätyy, joudutaan myös sulattamaan.

10 Kuvan 1 mukaisessa järjestelmässä höyryn komprimoin- tiin on käytetty keskipakopuhallinta 31· Erityyppisten kompressoreiden ja esim. höyryejektoreiden käyttö on luonnollisesti myös mahdollista.

15 - Kuvan 3 mukaisessa esimerkissä sulatushöyrv on kehitet ty erillisessä lämmönvaihtimessa 67, jossa lämmittävänä aineena on hyödynnetty lämpöpumpun väliainekierron korkeaa paluulämpötilaa.

20 Tämä lämmönvaihtimessa 67 kehitetty, korkeampipainei- nen höyry johdetaan sitten sulatuksessa käytettäväksi.

Joissakin tapauksissa voi olla edullista kehittää ' tässä lämmönsiirtimessä vain lämmintä vettä, joka sitten johdetaan sulatusvaiheeseen, jolloin osa siitä paineen- 25 alennuksen seurauksena höyrystyy ja muodostunut höyry voi daan ohjata sulatuksessa käytettäväksi. Näin menetellen voidaan välttää höyryn suurten tilavuusvirtojen vaatimat isot höyryputkistot. Höyryputkistot voidaan välttää myös rakentamalla tämä höyrystin kiteyttimen tapaan olennaises- 30 ti yhdeksi kokonaisuudeksi lauhduttimen kanssa.

Muita tapoja tuottaa sulatuksen vaatima höyry tai lämmin vesi, josta painetta alentamalla vapautuu höyryä, voisi menetelmää käytettäessä olla esim: s 35 1. Ulkopuolinen lämmönlähde, kuten höyrvverkko, kauko- lämpövesi jne. Näitä voidaan käyttää myös joko suoraan tai hyödyntämällä vain niiden lämpösisältöä sula-tushöyryn kehittämiseen.

^ 84100 2. Hyödynnettävän veden tulolämpotilaa voidaan hyväksikäyttää niissä tapauksissa, kun veden tulolämpötila on riittävän korkea.

Jos lasketaan esim. että 20 % kiteyttimeen johdet-5 tavasta vesivirrasta jäädytetään (=kiteytetään), voidaan laskea, että n. 6°C veden tulolämpötila on riittävä, jotta sulatushöyry voidaan tuottaa kaikissa tilanteissa veden omaa lämpösisältöä hyödyntäen. Menetelmä on tällöin se, että tämän veden painetta alennetaan ennen kiteyttimeen 10 johtamista esim. + 3°C veden kiehumispistettä vastaavaan paineeseen, jolloin n. 0,5 % vedestä höyrystyy ja voidaan johtaa sulatuksessa käytettäväksi.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä lauhdutinpinnoille muodostuneen jään sulatukseen voi soveltaa myös seuraavaa 15 menettelyä.

Lauhduttimelta 45 palaava väliainevirta tai osa siitä johdetaan suoraan sulatusvuorossa olevan lauhdutinosan höy-rystinpuolelle, jonne muu väliainesyöttö on lopetettu sulkemalla sektoriin johtava venttiili 35, jolloin osa nes-20 teestä höyrystyy. Nostamalla paine tässä sektorissa riit tävän korkeaksi höyrystin muuttuu lauhduttimeksi ja muodostunut väliainehöyry lauhtuu putkien 34 ulkopinnalle luovuttaen lauhtumislämpönsä putken sisäpinnalla sulatettavalle jäälle.

25 Tämän sulatusmenetelmän käyttö edellyttää, että sek- toriosat ovat tiiviitä toisiinsa nähden, jotta sulatusvai-heessa olevan sektorin höyrystinosan painetta voidaan nostaa lauhdutintoiminnan aikaansaamiseksi.

Eräs tapa hyödyntää lämpimiä, mutta hyvinkin likaavia 30 tai korrodoivia esim. jätevesivirtoja menetelmää käyttäen voi olla kuvan 3 mukainen järjestelmä, jossa kiteyttimeen johdetaan puhdasta vettä, jota kierrätetään erottamalla muodostuneet jääkiteet siitä ja jääkiteet huuhdotaan jäteveteen, jossa ne sulavat jätevettä jäähdyttäen.

35 84100

Itsestään selvyytenä voi pitää keksinnön soveltamista jäähdytystarkoituksiin, esim. keskusjäähdytysjärjestelmissä käytettäväksi soveltuvan jäähdytysvesivirran tuottamia seen. Jääkiteitä tai niistä puristettuja isompia jääpaloja 5 voidaan myös hyödyntää esim. kalanjalostusteollisuuden tarpeisiin.

Kuvassa 5 on esitetty kuvan 1 mukaisen järjestelmän massavirrat, entalpiat, lämpötilat ja paineet 6 MW:n lämpö-pumpulle. Nähdään, että lauhduttimessa ^5 voidaan nostaa ^30 000 kg/h vesivirran lämpötila 63°C:sta 75°C:een johtamalla laitteistoon 180 000 kg/h vesivirta, jonka lämpötila on 2,5°C, sekä 100 kg/h höyryvirta, jonka lämpötila on 100°C. Pumppujen moottorien käyttämiseen tarvitaan energiaa yhteensä 2^85 kW (ilman kiteyttimen sekoittajan moottoria).

Claims (17)

1. Menetelmä veden sisältämän jäätymislämmön hyväksikäyttämiseksi lämpöpumpun (37, 38, 42 - 47, 51) lämmönläh-teenä, jossa lämmönlähteenä hyödynnettävää vesivirtaa höy-5 rystetään niin alhaisessa paineessa, että muodostuvan höyryn sitoessa höyrystymislämpönsä vedestä osa vedestä jäätyy, jossa jäätynyt vesi poistetaan ja jossa muodostunut höyry lauhdutetaan lämpöpumpun (37, 38, 42 - 47, 51) höyrystimenä toimivassa lämmönsiirtimessä (17), jolloin höyry luovuttaa 10 lämpöä lämpöpumpussa käytettävälle lämmönsiirtoväliaineelle, tunnettu siitä, että a) lauhtumishöyryn annetaan jäätyä lämmönsiirtimessä (17) ja näin muodostunut jäätynyt höyry sulatetaan johtamalla lämpöväliainetta lämmönsiirtimen (17) läpi; ja 15 b) jäädytys- ja sulatusprosessit suoritetaan samanaikai sesti lämmönsiirtimen eri osissa ja vuorottain joka osassa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä hyödyntää lämpimien likaisten ja/tai korrodoivien vesivirtojen lämpö-sisältöä välillisesti, tunnettu siitä, että eril-20 listä puhtaampaa vesivirtaa höyrystetään, lauhdutetaan, jäädytetään ja sulatetaan ja että puhtaammasta vesivirrasta höyrystymisvaiheessa muodostuneet jääkiteet tai näitä jääki-teitä sisältävä vesivirta sitten sekoitetaan lämpimään veteen, jonka lämpötila näiden sekä jääkiteiden sulamisen että 25 kylmän veden sekoittumisen seurauksena alenee.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lämmönsiirtimen osat muodostuvat kukin lämpöpumpun (37, 38, 42 - 47, 51) erillistä höyrystimistä tai yhdestä tai useammasta osiin jaetusta höyrys- 30 timestä.

4. Jonkun edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lämmönsiirtimen osien höyrynlauhtumispinnoilie muodostunut jää sulatetaan vuorottain käytön aikana peräkkäin sulkemalla kokonaan tai osit- 35 tain lämmönsiirt imen osia lämpöpumpun (37, 38, 42 - 47, 51) väliaineen höyrystinpiiristä.

5. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lämmönsiirtimen osiin 17 841 00 muodostunut jää sulatetaan johtamalla joka osaan joko nestemäinen vä1iainevirta» joka on osin höyrystynyt» tai höyry-virta sellaisessa paineessa» että väliainehöyry lauhtuu tässä osassa luovuttaen lämpönsä sulatettavalle jäälle.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että lämmönsiirtimen osiin muodostuneen jään sulatukseen käytettävä höyryvirta aikaansaadaan kompri-moimalla (31) höyrystymisvaiheessa muodostunutta höyryä, erityisesti lauhtumattomia höyryjä, joita tulee ulos lämmön-10 siirtimen osista, joissa jäätä juuri on muodostunut.

7. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kun höyrystimeen tulevan vesivirran tulolämpötila on suhteellisen korkea (noin 6 °C), veden painetta alennetaan ensimmäisessä höyrystymisvaiheessa kiehu- 15 mispisteen alentamiseksi lämpötilaan, jossa muodostuu riittävästi höyryä sulattamaan lämmönsiirtimen osissa muodostunut jää; ja että vettä sitten höyrystetään seuraavassa höyrystymisvaiheessa tarkoituksena kehittää höyryä lauhtumiseen ja jäätymiseen mainituissa lämmönsiirtimen osissa antaen 20 osan vedestä jäätyä, mikä tapahtuu seuraavassa höyrystymisvaiheessa .

8. Patenttivaatimuksen 5 mukainen mentelmä, tunnettu siitä, että lämmönsiirtimen osien lämmönsiirto pinnoille muodostuneen jään sulatukseen käytettävä lämpö ke- 25 hitetään olennaisesti hyväksikäyttämällä lämpöpumpun lauh- duttimelta (45) palaavan väliaineen lämpösisältöä, johtamalla tämä väliaine tai siitä painetta alennettaessa vapautuva väliainehöyry toisen lämmönsiirtimen (67) läpi, joka on lämmönsiirtoyhteydessä toisen vesivirran (68, 69) kanssa, ja 30 että tällä tavoin toisessa lämmönsiirtimessä lämmitetty vesivirta höyrystetään ja johdetaan mainittuihin lämmönsiirtimen osiin jään sulattamaiseksi.

9. Järjestelmän ulkopuolisessa lämmönlähteessä joko suoraan tai lämmönlähteen lämpösisältöä hyvksikäyttäen.

10. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että lämmönlähteenä hyödynnettävästä vesi-virrasta poistetaan (1) osa siihen liuenneista kaasuista ennen höyrystysvaihetta, ja/tai että höyrystysvaiheessa veden ie 84100 jäätyessä muodostuneet jääkiteet poistetaan (71) höyrystys-vaiheeesta poistuvasta vesivirrasta, joka sisältää näitä kiteitä, veden jäätyessä avulla, joka palautetaan takaisin höyrystyrnisvaiheeseen·

11. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että höyryn jakaminen lämmönsiirtimen osiin sekä lämmönsiirtimen osien eristäminen lämmönsiirtimen osasta tai osista, jossa jäätyminen tapahtuu, aikaansaadaan hyväksikäyttämällä venttiilejä (12, 16, 26, 27), jotka on 10 muodostettu viemällä sulkunestettä astiaan sulkemaan alaspäin astiaan työntyvän seinämäelimen ja astian pohjan muodostama virtausaukko.

12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sulkunesteenä käytetään jotain suola- 15 liuosta, öljyä tai muuta nestettä, jolla on alhainen höyryn-paine tiivistenesteelle ja järjestelmälle haitallisen haihtumisen estämiseksi käyttöolosuhteissa.

13. Yhden tai useamman edeltävän patenttivaatimuksen mukaisen mentelmän toteuttamiseksi tarkoitettu laitteisto ve- 20 den sisältämän jäätyis lämmön hyväksikäyttämiseksi lämpöpumpun (37, 38, 42 - 47, 51) lämmönlähteenä, johon laitteistoon kuuluu kiteytin (4), johon tuleva vesi johdetaan; tyhjöjär-jestelmä (52 - 56, 36) alennetaan paineen aikaansaamiseksi mainitussa kiteyttimessä (4) tulevan veden höyrystämiseksi 25 alhaisessa lämpötilassa, jolloin kehittyy vesihöyryä ja samanaikaisesti muodostuu jääkiteitä; yhdelaitteisto (59) kiteiden poistamiseksi; lämmönsiirrin (17), jonka läpi vesihöyry johdetaan, jolloin lämmönsiirrin muodostaa lämpöpumpun höyrystimen, jossa mainittua vesihöyryä lauhdutetaan, 30 tunnettu siitä, että lämmönsiirrin on jaettu useisiin lämmönsiirtimen osiin (17), että on järjestetty vent-tiilielimiä (12) höyryn viemiseksi kiteyttimestä (4) selektiivisesti yhteen tai useampaan lämmönsiirtimen osaan lauhtumista ja jäätymistä varten jään muodostamiseksi siinä; ja 35 että on järjestetty 1isäventtii1ielimiä (16) lämpöväliaineen johtamiseksi selektiivisesti lämmönsiirtimen osiin niissä muodostuneen jään sulattamiseksi, jolloin venttiilielimiä (12) ja lisäventtilielimiä (16) ohjataan siten, että jääty- li 19 841 00 mis- ja sulatusprosessit voivat tapahtua samanaikaisesti lämmönsiirtimen (17) eri osissa ja peräkkäin joka osassa.

14. Patenttivaatimuksen 13 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että kiteytin (4) ja lämmönsiirtimen osat 5 on rakennettu olennaisesti yhdeksi kokonaisuudeksi yhteisen vaipan (6) sisälle.

15. Patenttivaatimuksen 14 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että mainittuun laiteytimeen (4) on järjestetty väliseinät (13, 25, 40) yläosan ja sen lämmönsiir- 10 timen (17) jakamiseksi sektoreihin siten, että kukin sektori muodostaa jatkeen kiteyttimen (4) yläosalle, jossa mai nittu höyrystyminen tapahtuu alaspäin lämmönsiirtimen osan läpi vastaavaan lauhtunutta höyryä keräävään tilaan, joka sijaitsee mainittujen lämmönsiirtimen osien alapuolelle; että 15 ylimääräisiä venttiilielimiä (26, 27) on järjestetty mainittuihin sektoreihin mainittuihin höyryä kerääviin tiloihin; ja että on järjestetty elimiä ventti ilielimien (12), mainittujen 1isäventtii1ielimien (16) ja mainittujen ylimääräisten venttii1ielimien (26, 27) ohjaamiseksi siten, että yksittäi-20 set sektorit mukaanluettuna lämmönsiirto-osat, joissa jäätyminen tapahtuu, voidaan selektiivisesti erottaa yksityisestä sektorista mukaanlukien lämmönsiirto-osa, jossa jo osassa muodostunut jään-sulatus tapahtuu.

16. Patenttivaatimuksen 14 tai 1 mukainen laitteisto, 25 tunnettu siitä, että sen lämpöpumpun (37, 38, 42 - 47, 51) höyrystimen muodostava lämmönsiirrin (17) on kiteyttimen alle järjestetty valuvanestekerrostyyppinen höyrystin.

16 841 00

17. Jonkin patenttivaatimuksen 13 - 16 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että venttii1ielimet (12), 30 mainitut lisäventtiilielimet (16) ja mainitut ylimääräiset venttiilielimet (26, 27) käsittävät useita vesitiivistyksiä tai -sulkuja, jotka muodostuvat vastaavasti astiasta ja sei-näelementistä, joka työntyy astiaan muodostaen virtausaukon, joka selektiivisesti voidaan avata tai sulkea ohjaamalla 35 sulkevan tai tiivistyvän nesteen täyttöä tai tyhjennystä kyseessä olevaan astiaan tai pois siitä. 20 84 1 00 Fate n t k r a_v