NL1025537C2 - Systeem en werkwijze voor het bedrijven van een damp-ejector warmtepomp. - Google Patents

Description

Titel: Systeem en werkwijze voor het bedrijven van een damp-ejector warmtepomp

De vinding heeft betrekking op een systeem en werkwijze voor het bedrijven van een damp-ejector warmtepomp om de temperatuurlift en het rendement van dé warmtepomp te verbeteren. Door toepassing van deze vinding kan dit type warmtepomp beter worden ingezet voor koelen en 5 verwarmen in airco installaties.

De ejector-warmtepomp heeft een aantal belangrijke voordelen boven de elektrisch gedreven warmtepompen met mechanische compressor.

De ejector-warmtepomp wordt aangedreven met thermische energie (warmte). Daardoor kan de aandrijfenergie ook bestaan uit 10 restwarmte en afvalwarmte, zoals hete uitlaatgassen of koelwaterwarmte van verbrandingsmotoren van auto’s, boten en warmtekrachtsystemen.

Probleemstelling: - Een nadeel van de ejector-warmtepomp is de geringe temperatuurlift die hiermee kan worden bereikt.

15 De COP (het rendement van de warmtepompwerking) van het systeem neemt bovendien zeer sterk af bij een toenemend temperatuurverschil tussen warme en koude zijde.

Dit beperkte tot nog toe de toepassingsmogelijkheden voor deze eenvoudige en goedkope warmtepomp.

20 Bekende oplossingen: - De temperatuurlift kan worden verhoogd door een aantal ejectoren in cascade (in serie) te laten werken waardoor de totale temperatuurlift de som is van de temperatuurverhogingen die de verschillende ejectoren leveren. De COP van dergelijke cascade systemen is 25 echter aanzienlijk lager dan die van systemen met enkele ejector.

- De temperatuurlift kan ook worden verhoogd door de dampdruk van de ejector te verhogen, maar dat effect is beperkt. Bovendien neemt het 1025537 * 2 rendement van de dampopwekking af omdat de hogere dampdruk een hogere damptemperatuur vereist. Het totale rendement (COP) van de warmte of koude opwekking neemt dan af, omdat er meer primaire energie nodig is om de hoge druk damp te genereren.

5

Oplossing volgens vinding:

De uitvinding verschaft een warmtepomp voorzien van ten minste één verdamper en ten minste één condensor, waarbij ten minste één dampketel is voorzien en ten minste twee ejectoren die zijn aangesloten op 10 de ten minste ene dampketel, waarbij ofwel voor elk van twee ejectoren een separate verdamper is voorzien ofwel voor elk van twee ejectoren een separate condensor is voorzien ofwel voor elk van twee ejectoren zowel een separate verdamper als een separate condensor is voorzien. In feite is de warmtepomp derhalve voorzien van twee of meer parallel geschakelde 15 ejectoren.

Onder het de voorgaande woorden dient te worden begrepen dat ook meer dan twee parallelle ejectoren kunnen zijn voorzien; bijvoorbeeld drie ejectoren die elk een zijn aangesloten op een separate verdamper en waarvan bijvoorbeeld de eerste twee ejectoren zijn aangesloten op een 20 gemeenschappelijke condensor en de derde ejector op een separate condensor (derhalve drie verdampers, drie ejectoren en tweede condensors); of bijvoorbeeld vier ejectoren die op een gemeenschappelijke verdamper zijn aangesloten en die elk zijn aangesloten op een separate condensor (derhalve één verdamper, vier ejectoren en vier condensors). Het moge duidelijk zijn 25 dat een oneindig aantal variaties mogelijk is.

De ejectoren zijn daarbij bij voorkeur speciaal ontworpen om optimaal te werken bij een bepaalde temperatuurlift. Afhankelijk van de toepassing kunnen de ejectoren volgens een nadere uitwerking van de uitvinding elk zijn voorzien van een separate verdamper en separate 30 condensor. Volgens een alternatieve nadere uitwerking is het mogelijk om 1025537 3 bij elke ejector een separate verdamper te verschaffen en verder met gemeenschappelijke condensor te werken. Volgens nog een alternatieve uitwerking is het mogelijk te werken met een gemeenschappelijke verdamper en separate condensors. Zoals hierboven reeds aangegeven zijn 5 ook andere combinaties van aantallen ejectoren, verdampers en condensors mogelijk, zolang maar wordt bewerkstelligd dat de temperatuursprong die per ejector dient te worden overbrugd kleiner is dan bij een enkele ejector met een enkele verdamper en een enkele condensor.

Zoals aan de hand van de hierna beschreven 10 uitvoeringsvoorbeelden zal worden verduidelijkt, wordt door de geringe temperatuurlift per ejector voor het systeem als geheel een beter COP ofwel rendement verkregen.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een warmtepomp voorzien van ten minste één verdamper en ten minste één condensor, 15 waarbij ten minste één dampketel is voorzien waarvan een dampuitgang is aangesloten op ten minste één ejector, waarbij een werkfluïdumpomp is voorzien voor het verpompen van werkfluïdum van de condensor naar de dampketel, waarbij de werkfluïdumpomp wordt aangedreven met behulp van hogedrukgas. Door gebruik te maken van een pompaandrijving op basis 20 van hogedrukgas, dat bijvoorbeeld afkomstig kan zijn van de dampketel, kan de warmtepomp ook werken in een omgeving Waar geen elektrische energie beschikbaar is. Bovendien is bij de inrichting volgens de stand der techniek een vrij krachtige elektromotor benodigd om de pomp het benodigde vermogen te kunnen leveren voor het verschaffen van de vereiste 25 druk om werkfluïdum in het dampketel/drukvat te kunnen pompen. Door nu volgens de uitvinding gebruik te maken van het hogedrukgas kan deze krachtige elektromotor achterwege blijven, hetgeen voor sommige toepassingen, bijvoorbeeld in boot, caravan of auto, bijzonder gunstig is. Het is duidelijk dat in plaats van hogedrukgas uit de drukketel zelf ook 30 hogedrukgas uit een andere bron, indien beschikbaar, voor dit doel kan V025S37 4 worden toegepast. Zo zouden bijvoorbeeld warmte uit de uitlaatgassen of koelwater van een verbrandingsmotor of de perslucht afkomstig van een persluchtbron voor dit doel kunnen worden gebruikt.

Volgens een nadere uitwerking van de uitvinding kan de 5 werkfluïdumpomp zijn voorzien van een turbine waardoorheen het hogedrukgas wordt geleid, waarbij de turbine de aandrijving van de pomp vormt.

Figuur 1 toont een eerste uitvoeringsvoorbeeld, waarbij elke ejector is voorzien van een separate verdamper en een separate condensor; 10 figuur 2 toont een tweede uitvoeringsvoorbeeld, waarbij bij elke ejector een separate verdamper is voorzien en waarbij de ejectoren zijn aangesloten op een gemeenschappelijke condensor; figuur 3 toont een derde uitvoeringsvoorbeeld, waarbij de ejectoren op een gemeenschappelijke verdamper zijn aangesloten en waarbij elke 15 ejector is aangesloten op een separate condensor; en figuur 4 toont een diagram waarin de verbetering COP(cooling) door toepassing van twee ejectoren volgens vinding wordt getoond.

De werking zal worden uitgelegd aan de hand van een airco systeem, zoals geschetst in figuur 1 en uitgevoerd met twee ejectoren elk 20 met een separate verdamper en een separate condensor.

De ventilatielucht wordt in twee trappen gekoeld. Met verdamper 1, die een temperatuur heeft van 22 °C, wordt de temperatuur van de doorstromende lucht verlaagd van 27 naar 24 graden. De ontrokken warmte wordt samen met de, door de ejector toegëvoerde warmte, via condensor 1 25 afgegeven aan een luchtstroom, die daarbij opwarmt van 38 naar 41° C. Ejector 1 is geoptimaliseerd om deze temperatuur lift van 21 °C, bij deze temperaturen, met een zo hoog mogelijke COP te bewerkstelligen.

1025537 5

Met verdamper 2, die een temperatuur heeft van 19 °C, wordt de temperatuur van de gekoelde lucht vervolgens verder verlaagd naar een uitblaastemperatuur van 21 °C.

De ontrokken warmte wordt nu via condensor 2 afgegeven aan de 5 buitenlucht, die daarbij opwarmt van 35 naar 38° C. Ejector 2 is geoptimaliseerd om deze temperatuur lift van 21 °C, bij deze temperaturen, met een zo hoog mogelijke COP te bewerkstelligen.

Beide stappen kunnen plaatsvinden met een COP van 0,4 tot 0,5 bij koelen en een COP van 1,4 tot 1,5 bij verwarmen.

10 Indien de totale benodigde temperatuurlift van 24° C, die nu wordt bewerkstelligd door verdamper 2 (19 °C) en condensor 1 (43° C), meteen enkele ejector zou moeten worden gerealiseerd, zou de COP slechts 0,3 tot 0,4 bedragen bij koelen en 1,3 tot 1,4 bij verwarmen. De potentiële energiebesparing door toepassing van de vinding bedraagt derhalve 20 a 15 25% bij koelen en ca 7% bij verwarmen.

De berekeningen zijn gebaseerd op gebruik van water als koelmiddel (werkstof) en lucht als warmtetransportmiddel.

De vinding kan echter ook worden toegepast met gebruik van andere werkstoffen, zoals bijvoorbeeld diverse koolwaterstoffen, en met 20 gebruik van andere warmtetransportmiddelen dan lucht, zoals water of thermische olie.

Toepassingsmogelijkheden:

Warmtepompsystemen volgens vinding kunnen o.a. worden 25 toegepast voor: : ^ koelen en verwarmen van auto’s en campers koelen en verwarmen van caravans en boten, koelen en verwarmen van woningen en kantoren, 1025537 6

Toelichting koelen en verwarmen van auto’s en campers.

Bij koeling van auto’s en campers wordt gebruik gemaakt van mechanisch of elektrisch gedreven compressor koelsystemen die direct of indirect worden aangedreven door de motor.

5 Het koelsysteem volgens vinding maakt het mogelijk om de warmte van de uitlaatgassen en/of warmte uit het motorkoelsysteem te gebruiken om te koelen. Dit maakt een energiebesparing en emissiereductie voor het wegverkeer mogelijk van 5 a 10%, dit is het extra brandstofverbruik van de motor bij ingeschakelde airco.

10

Toelichting koelen en verwarmen van caravans en boten,

Bij koeling van caravans en (afgemeerde) boten kan meestal geen gebruik worden gemaakt van elektrisch gedreven koelmachines omdat er geen stroom aanwezig is of omdat het vermogen dat beschikbaar is te gering 15 is. In deze gevallen vormt het ejector-koelsysteem volgens vinding een aantrekkelijke oplossing. De warmte die nodig is kan worden geleverd door een brander gevoed met diesel of met gas uit een gastank (LPG, Propaan, waterstof) zodat de apparatuur altijd en overal kan worden gebruikt.

20 Toelichting t.a.v. verwarmen en koelen van woningen en kantoren,

Tijdens de klimaatconferentie in Kyoto heeft Nederland toegezegd de uitstoot van CO2 met 6% terug te brengen.

De overheid stimuleert een grootschalige inzet van warmtepompen 25 t.b.v. energiebesparing in de bebouwde omgeving. De sleutelbegrippen daarbij zijn: rendementverbetering, economische inzetbaarheid, innovatieve toepassing en, speciaal genoemd voor de bebouwde omgeving, de ontwikkeling van kleine, kosteneffectieve warmtepompsystemen. Ketelfabrikanten zijn dan ook op zoek naar warmtepomptechnologieën die 30 geïntegreerd kunnen worden in hun cv-ketelsystemen.

1025537 7

Alhoewel er intussen goede beproefde warmtëpompsystemen beschikbaar zijn worden deze niet op grote schaal toegepast. De hoge investeringskosten, vooral bij toepassing in de bestaande bouw, vormen de belangrijkste belemmering.

5 Met de thermocompressor (damp-ejector) kan damp worden aangëzogen uit verschillende bronnen, waardoor bijvoorbeeld restwarmte uit rookgassen, restwarmte uit de afvoerlucht en/of afvalwater uit het gebouw, en ook warmte uit een zonnecollector, kan worden benut.

Door grootschalige inzet van cv-ketels met deze 10 warmtepompfunctie kan een omvangrijk potentieel aan energiebesparing en C02-emissiereductie in de bebouwde omgeving worden benut.

Voor het koelen van woningen en kantoren worden tot dusver hoofdzakelijk elektrisch aangedreven compressorkoelsystemen gebruikt. De 15 kosten voor koeling zijn daardoor aanzienlijk.

Op warme dagen leidt de massale inzet van elektrische koelapparaten soms tot overbelasting van het elektriciteitsnet.

Ejector-koelsystemen aangedreven door stadsverwarming volgens vinding kunnen bijdragen tot het oplossen van dit probleem.

20 De woning kan worden gekoeld door warmte te ontrekken aan de circulerende ventilatielucht of aan de toevoerlucht. De onttrokken warmte kan worden benut voor het verwarmen van tapwater, of worden opgeslagen in ondergrondse warmtebuffers om in het stookseizoen voor verwarming te worden gebruikt.

25 Het is duidelijk dat de uitvinding niet is beperkt tot het beschreven uitvoeringsvoorbeeld maar dat diverse wijzigingen binnen het raam van de uitvinding, zoals gedefinieerd door de conclusies, mogelijk zijn.

1025537

Claims (10)

1. Warmtepomp voorzien van ten minste één verdamper en ten minste één condensor, waarbij ten minste één dampketel is voorzien en ten minste twee ejectoren die zijn aangesloten op de ten minste ene dampketel, waarbij ofwel voor elk van twee ejectoren een separate verdamper is 5 voorzien ofivel voor elk van twee ejectoren een separate condensor is voorzien ofwel voor elk van twee ejectoren zowel een separate verdamper als een separate condensor is voorzien.

2. Warmtepomp volgens conclusie 1 voorzien van ten minste twee verdampers, waarbij de verdampers in serie in een fluïdumstroom staan 10 opgesteld waaraan warmte wordt onttrokken.

3. Warmtepomp volgens conclusie 1 of 2, voorzien van ten minste twee condensors, waarbij de condensors in serie in een fluïdumstroom staan opgesteld waaraan warmte wordt toegevoerd.

4. Warmtepomp, eventueel volgens één der voorgaande conclusies, 15 voorzien van ten minste één verdamper en ten minste één condensor, waarbij ten minste één dampketel is voorzien waarvan een dampuitgang is aangesloten op ten minste één ejector, waarbij een werkfluïdumpomp is voorzien voor het verpompen van werkfluïdum van de condensor naar de dampketel, waarbij de werkfluïdumpomp wordt aangedreven met behulp 20 van hogedrukgas.

5. Warmtepomp volgens conclusie 4, waarbij de pomp is voorzien van een turbine waardoorheen het hogedrukgas wordt geleid, waarbij de turbine de aandrijving van de werkfluïdumpomp vormt.

6. Warmtepomp volgens conclusie 4 of 5, waarbij het hogedrukgas 25 hogedrukdamp afkomstig uit de dampketel is. 102553?

7. Werkwijze voor het verpompen van warmte in een warmtepomp, waarbij gebruik wordt gemaakt van een inrichting volgens één der voorgaande conclusies.

8. Werkwijze volgens conclusie 7, waarbij het temperatuurverschil 5 dat dient te worden overbrugd per ejector laag wordt gehouden door meerdere ejectoren parallel te schakelen en door althans oftvel voor elk van de twee parallelle ejectoren een separate verdamper te verschaffen ofwel voor elk van de twee parallelle ejectoren een separate condensor te verschaffen ofwel voor elk van de twee parallelle ejectoren zowel een 10 separate verdamper als een separate condensor te verschaffen.

9. Werkwijze volgens conclusie 7, waarbij de warmtepomp is voorzien van een werkfluïdumpomp voor het vullen van de dampketel met werkfluïdum dat afkomstig is uit een genoemde condensor, waarbij de werkfluïdumpomp wordt aangedreven met hogedrukgas.

10. Werkwijze volgens conclusie 9, waarbij het hogedrukgas wordt gevormd door damp die afkomstig is uit de dampketel. 1025537