NL7903258A - Werkwijze en inrichting voor het omzetten van een koelfluidum. - Google Patents

Description

. “V

r % - i - N.O. 27.664

Natural Energy Systems, een partne'XSilip bestaande uit George C. Beakley, Craig Hosterman en Warren Eice, te Tempe, Arizona, Ver.St.v.Amerika.

Werkwijze en inrichting voor het omzetten van een koel fluïdum.

Be uitvinding heeft betrekking op een koelstelsel, in het bijzonder op een koelstelsel waarbij geen mechanische compressoren of bekende condensors nodig zijn voor het comprimeren respectievelijk condenseren van het koelfluldum.

Het principe van het vangen en comprimeren van lucht 5 door beweging van water, dat wil zeggen onder toepassing van een hydraulische luchtcompressor of "tromp", zoals deze ookwel wordt genoemd, is gedurende jaren industrieel in Amerika toegepast. In zulk een installatie wordt lucht getrokken in een naar beneden gerichte stroom van water en wordt binnen een spelonkachtige "10 ondergrondse kamer gevangen, waar de waterdruk deze onder druk houdt. Be lucht kan ontsnappen door een pneumatische machine of turbine; aldus kan vermogen worden opgewekt.

Biverse voorstellen zijn in de stand van de techniek gedaan om de overvloedige golf energie van de zee te gebruiken voor het 15 opwekken van vermogen.

Vanwege het potentiële vermogen dat uit de oceaan beschikbaar is, zijn vele ingenieuze suggesties gedaan voor het vangen van enig vermogen. Volgens een suggestie wordt elektriciteit opgewekt zoals beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 5.064.137. 20

Aldaar wordt voorgesteld dat de energie van de oceaangolven worden gebruikt voor het cyclisch voeden van een afvoerpijp en het vangen van een kolom lucht. Be kolom wordt van golf tot golf weer gevuld en weer onder druk gezet. Be gecomprimeerde lucht wordt tenslotte geëxpandeerd door een turbine die een elektrische generator aan- 25 79 0 3 2 5 § -I - * t Λ 2 dryft, teneinde elektrische energie op te wekken die in een accu kan worden opgeslagen, let Amerikaanse octrooischrift 3.754.147 beschryft een soortgelijk stelsel, waarbij de opgewekte elektriciteit wordt gebruikt voor elektrolyse-doeleinden.

In koelstelsels stegen de bedrijfskosten boven de aan de 5 kosten bedragende energietoevoer aan een mechanische compressor om het koelmiddel te comprimeren. Bovendien zijn de kosten van zulk een compressor een wezenlijk deel van de beginkosten van het koel-stelsel zelf. Aldus zou het gezien de begin- en bedrijfskosten voordelig zijn om de noodzaak van een mechanische compressor in 10 een koelstelsel te elimineren.

Be uitvinding is gericht op een koelstelsel, waarbij het werkingsprincipe van een "tromp^-stelsel wordt toegepast voor het uitvoeren van de benodigde compressie van het koelfluïdum.

Teneinde de vereiste druk op het water te verkrijgen en de ^5 compressie van het koelfluïdum uit te voeren wordt een pomp gebruikt. Hoewel de begin- en bedrijfskosten van zulk een pomp niet onbelangrijk zijn, zijn deze kosten wezenlijk lager dan de kosten van een compressor. Baardoor zijn de belangrijke kosten van het koelstèlsel door de uitvinding wezenlijk verminderd. 20

Be uitvinding heeft ten doel de behoefte aan een mechanische compressor in een koelstelsel te vermijden.

Be uitvinding heeft voorts ten doel te voorzien in een goedkoop koelstelsel.

Be uitvinding voorziet derhalve in een hydraulisch stroom- 25 stelsel voor het comprimeren van het koelfluïdum van een koelstelsel.

Be uitvinding voorziet voorts in een koelstelsel met een waterstelsel in een gesloten lus voor het comprimeren van het koelfluïdum in een koelstelsel met een gesloten lus. 30

Be uitvinding voorziet ook nog in een middel voor het transporteren van een koelfluïd-um binnen een benedenwaartse waterstroom, teneinde de compressie en de condensatie van het koelfluïdum tot stand t.e brengen.

Be uitvinding voorziet verder nog in een middel voor het 55 7903258 r t 3 comprimeren en condenseren van het koelfluïdum van het koel-stelsel door het transporteren van het koelfluïdum binnen een benedenwaartse waterstroom, het comprimeren van het koelfluïdum en het scheiden van het gecomprimeerde koelfluïdum uit het water. 5

De uitvinding zal hierna nader worden toegelicht aan de hand van de tekening, waarin: fig. 1 schematisch een hydraulisch koelstelsel toont; fig. 1a een detailïé van een variant voor het transporteren van het koelfluïdum in de drager illustreert; 10 fig. 2 een thermodynamisch toestandsdiagram van het hydraulische koelstelsel weergeeft; fig. 3 een illustratie van een mathematische dimensie is; fig. 4 een illustratie van mathematische dimensies voorstelt; en 15 fig. 5 een variant van de constructie van de valpijp en retourpyp toont.

In fig. 1 is een hydraulisch koelstelsel getoond dat kan worden verdeeld in twee samenwerkende by elkaar behorende substelsels, een waterstelsel A en een koelstelsel B. Het water- 20 stelsel omvat een volledig gevulde ruimte 15 die in verbinding staat met het bovenuiteinde van een valpijp 16. Het onderste uiteinde van de valpijp voedt een scheidingskamer 17· De kamer kan zoals getoond rechthoekvormig zijn, trechtervormig zyn of goot-vormig zyn. Een retourpyp 18 strekt zich in bovenwaartse richting ^5 uit van de scheidingskamer af en dient als een waterleiding naar een waterpomp 19· De uitvoer van de waterpomp wordt via de pijp 20 getransporteerd tot in de volledig gevulde ruimte 15·

Het hydraulische koelstelsel B omvat een verdampings-inrichting 25 waarin het gekoelde koelfluïdum warmte absorbeert 30 uit een te koelen medium (zoals lucht) dat daardoorheen passeert.

Het koelfluïdum dat uit de verdampingsinrichting en door de pijp 26 stroomt is in een gas toes tand en in het algemeen oververhit. De uitgang 27 van de pijp 26 is nabij de ingang van de valpijp 16 geplaatst. Om redenen die hierna in detail zullen worden besproken, zal het gasvormige koelfluïdum dat via de uitgang 27 wordt af ge- 35 7903258

* \ A

4 voerd, in het water worden gebracht, dat in benedenwaartse richting stroomt in en door de valpijp 16. Daardoor wordt het koelflnldnm naar de scheidingskamer 17 getransporteerd.

Binnen de scheidingskamer zal het koelfluïdum dat zich in een vloeibare toestand bevindt en voor de meeste typen koel- 5 middelen een grotere dichtheid heeft dan water, zich afzetten aan de bodem van de scheidingskamer. Yanwege de druk binnen de scheidingskamer 17» opgewekt door de druk van het water in de valpijp 16, wordt het koelfluïdum via de pijp 28, de pomp 31 voor vloeibaar koelmiddel gedwongen naar de expansieklep 29. 33e term 10 "druk" gerelateerd aan de "waterdruk" is in feite wezenlijk complexer. De werkelijke of actuele druk is gerelateerd aan de druk van het water en de bellen en aan dynamische toestanden.

Aangezien er geen eenvoudige wijze is om een correcte verklaring zonder mathematische analyse te geven, zullen echter de hierboven 15 gebruikte termen om redenen van eenvoud worden gebruikt. Het koelfluïdum dat de expansieklep nadert, wordt in de vloeistoffase gebracht, doordat dit sterk onder druk wordt gebracht door een pomp 31 voor het vloeibare koelmiddel. De hoge druk verhindert eveneens dat water dat in de freon-retourpijp wordt getransporteerd, 20 aan de bovenzijde van de freon-kolom drijft en dwingt het water door de expansieklep en de verdampingsinrichting tot in de valpijp.

Na de expansieklep is het koelmiddel gedeeltelijk in dampvorm en voor een groot gedeelte vloeistof, welke toestand de gemengde toestand van lage kwaliteit wordt genoemd, terwijl zijn temperatuur 25 laag is en correspondeert met de koeltemperatuur, De druk achter de expansieklep behoeft niet noodzakelijkerwijze laag te zijn, hoewel dit de laagste druk in het stelsel is. Deze is dè druk die correspondeert met de gewenste temperatuur in de verdampingsinrichting volgens de tabellen van verzadigingseigenschappen voor 30 het gebruikte koelmiddel, zoals bekend is. Het gekoelde koelfluïdum stroomt van de expansieklep 29 af via de pijp 30 tot in de ingang van de verdampingsinrichting 25.

Een golfreservoir 39 is via een leiding 40 verbonden met een punt nabij de bovenzijde van de valpijp 16. Een andere leiding 35 7903258 e f 5 41 verbindt de bovenzijde van het golfreservoir met de verdampings-inrichting 25. Wanneer de koellading zich in de verdampingsin-richting wijzigt, zal het volume van de bellen van het koelmiddel (freon) toenemen. Aldus kan door het golfreservoir het water desgewenst het stelsel A verlaten of binnenkomen, teneinde het 5 volume van water en freon constant te houden. Door de leüingen 40 en 41 kan het watemiveau in het reservoir met een nagenoeg constante druk wijzigen, welke druk in het reservoir wordt gehandhaafd.

De expansieklep 29 kan elke fysische vorm hebben en diverse 10 besturingsmodus daarvoor zijn mogelijk. Een bepaald type heeft echter de voorkeur en wordt genoemd een "constante oververhitting-en expansiebesturingsklep". Tijdens bedrijf handhaaft deze een specifieke temperatuur van het koelmiddel (freon), waardoor de expansieklep onafhankelijk is van de druk van het vloeibare 15 koelmiddel (freon) toegevoerd aan de klep.

ïïit de vorenstaande beschrijving zal het duidelijk zijn, dat het waterstelsel A een eenvoudig stelsel met gesloten lus is voor het opwekken van een benedenwaartse stroom door de valpijp 16 en een druk binnen de scheidingskamer 17 is gelijk aan de druk van ^0 de waterkolom.

Het koelmiddelstelsel B omvat een pomp 31 voor vloeibaar koelmiddel, een bekende expansieklep 29 en een verdampings-inrichting 25. De functie uitgevoerd door bekende condensors en compressoren wordt bereikt door de valpijp 16 en de scheidings- 25 kamer 17» zoals hierna in detail zal worden beschreven.

Het koelfluldum hierna "freon" genoemd, is in een oververhitte gasvormige toestand in het afvoerpunt door de uitgang 27.

Bij af voer wordt het freon in het water binnen de valpijp 16 geïnjecteerd in de vorm van bellen. Deze bellen worden nabij de 30 uitgang 27 in de benedenwaartse waterstroom gebracht. Het transport van de bellen kan worden bevorderd door toepassing van een vloeibare straalpomp 45» zoals getoond is in fig. 1a. Daarbij wordt het door de pijp 20 stromende water versneld door deze door een mondstuk 46 te dwingen die eindigt bij de uitgang 27 en door het 55 7903258 .-6 * ν'* de "benedenwaartse richting afvoeren van het water tot in de pijp 16. Het gasvormige freon dat door de pijp 26 stroomt, wordt door een ringvormige uitgang 47 die de uitgang 27 omgeeft af gevoerd.

De versnelde waterstroom transporteert het freon in een pijpstuk 48 van constante diameter, waarbft een volledig transport optreedt. 5

Benedenstrooms in het pijpstuk 49 wordt.de pyp 16 in diameter groter, met als gevolg een verminderde stroomsnelheid en een wezenlijke druktoename. Het voordeel bereikt met de vloeibare straalpomp is de druktoename op de plaats (2) boven de verkregen druk met de inrichting volgens fig. 1. Aldus kan de valpijp korter zijn en een kleinere diepte is nodig. Echter zijn waterstraal-pompen relatief inefficiënt en het totale rendement van het stelsel kan worden verminderd.

De getransporteerde bellen verkregen kortweg dezelfde temperatuur en druk als het omgevende water in de pgp 16. Deze 15 bellen worden in benedenwaartse richting door het water getransporteerd als gevolg van het daarin meenemen·. De bellen hebben een bovenwaartse driftsnelheid ten opzichte van het water, welke drift een lagere snelheid heeft dan de benedenwaartse stroomsnelheid van het water. Het voortzetten van de 20 benedenwaartse beweging van de bellen resulteert in een druktoename die evenredig is aan de diepte of druk van het water op elke gegeven plaats. Op een plaats langs de valpijp 16 aangeduid met het verwijzingsnummer (3), komt de omgevingsdruk overeen met de verzadigingsdruk voor het freon bij de aldaar aanwezige tempe- 25 ratuur. Derhalve zal het freon een toestandswijziging van de gasfase naar de vloeistoffase ondergaan. De toestandsverandering of de condensatie wordt volgens warmtetransportsnelheid bestuurd door de absorptie van warmte door het omgevende water en een rusttem-peratuur wordt op de plaats (4) bereikt. Op de plaats (5) is al 30 het freon in de toestand van vloeistofdruppels gedispergeerd in het water, welke druppels dezelfde temperatuur als het water hebben en een grotere dichtheid dan water in het geval het koelmiddel freon is. Derhalve is de driftsnelheid van het freon thans naar beneden gericht ten opzichte van de stroomsnelheid van het water. 35 7903258

* * A

7

Het mengsel van vloeibare freon en water komt de seheidingskamer 17 binnen. Hierin wordt de stroom in enige mate afgeremd met of zonder toepassing van sehotmiddelen 21 en een wijziging van een stroomrichting treedt op, De combinatie van het afremmen van de stroom en de variatie van de stroomrichting heeft 5 de neiging de scheiding van vloeibare freon en water zodanig te bevorderen, dat het freon naar de bodem van de kamer zal dalen als gevolg van de zwaartekracht. Het water wordt door de pomp 19 uit de kamer 17 getrokken via de pijp 18 en wordt tenslotte getransporteerd naar de volledig gevulde ruimte 16. De verticale 10 plaatsing van de pomp 19 is gekozen om holtevorming van de inlaat van de pomp te verhinderen.

Het vloeibare freon binnen de seheidingskamer 17 wordt daaruit afgevoerd in de pijp 28 als gevolg van het dmikfront primair opgewekt door het water in de valpyp 16 en stroomt als 15 vloeistof by de plaats (10) de pomp 51 voor vloeibaar koelmiddel binnen. De pomp verhoogt de druk van het freon tot een waarde die groot genoeg is om te verzekeren dat het freon nog volledig vloeibaar is bij de plaats (11), juist voor de expansieklep. De expansieklep 29 geplaatst in de baan van het freon, vermindert 20 de druk en temperatuur daarvan tot een waarde die gelijk is aan die gewenst is in de verdampingsinrichting. Binnen de verdampings-inrichting absorbeert het als een kwaliteitsmengsel binnenstromende freon warmte uit het medium dat daardoorheen passeert en het freon wordt ten minste geleidelijk een oververhitte damp. 25

Aangezien warmte continu wordt getransporteerd van het freon in de valpqp 16 naar het omgevende water, zal de temperatuur van het water toenemen, tenzij de warmte kan worden afgevoerd naar een warmte-opnemer. De vereiste warmte-afvoer kan worden uitgevoerd door de aarde die het waterstelsel A omgeeft in het geval het 30 laatstgenoemde in de grond is begraven; naar keuze kunnen koel-vinnen worden toegepast om warmte naar de omgevingslucht over te brengen. Andere vormen van warmte-opneemorganen zyn bekend en kunnen eveneens worden toegepast.

Het hydraulische koelstelsel kan worden beschouwd als een ^5 7903258 8 koelstelsel van een cyclus-type in de zin van de conventionele thermodynamica. Dat wil zeggen dat arbeid wordt toegevoërd aan de cyclus door pompen, warmte wordt afgegeven uit de cyclus door de valpijp aan de omgevende aarde of een andere warmte-uitwisselaar en warmte wordt toegevoegd aan de cyclus by de verdampings- 5 inrichting. Derhalve is de beschreven cyclus in overeenstemming met de tweede wet van de thermodynamica zowel uit kwalitatieve en kwantitatieve standpunten.

By een analyse van de uitvinding met behulp van de thermodynamica kunnen diverse opmerkingen worden gemaakt. De 10 compressie- en warmte-afvoerfasen van een koelstelsel worden tegelijkertijd uitgevoerd in de valpijp. De waterpomp en de pomp voor vloeibaar koelmiddel zyn de enige bewegende onderdelen van het stelsel. De compressie van het freon is in werkelijkheid isotherm by de watertemperatuur, hetgeen de by voorkeur toe te 15 passen compressie is en beter is dan het niet-omkeerbare adiabatische proces uitgevoerd door een conventionele freon-compressor. Tenslotte kan de aarde als warmte-opnemer worden gebruikt.

Het is niet mogelijk om de thermodynamische voorwaarden 20 willekeurig te kiezen die by de diverse plaatsen binnen het koelstelsel moeten worden bereikt en om daarna de werking van het stelsel te berekenen. In plaats daarvan moet men de by de verdampings-inrichting by voorkeur toe te passen temperatuur en de gewenste mate van koeling kiezen; daarna kunnen alle andere parameters 25 van het stelsel worden bepaald door een berekening die voldoet aan de eerste wet van de thermodynamica, de wet van het behoud van beweging en massa.

In de volgende analysévoldoen de vergelijkingen aan de bovengenoemde wetten en alle vergelijkingen vormen tezamen een 30 mathematisch model van het hydraulisch koelstelsel. Diverse idealiseringen zyn noodzakelyk in zulk een model doorgevoerd en zijn slechts kleine afwijkingen van de realiteit. De eerste idealisering in de volgende mathematische analyse is een ééndimensionale stroom. 35 7903258 * * τ 9

In de volgende analyse worden de volgende symbolen toegepast: F - freon 1 - vloeistof (water) cyfers stations getoond in schematische voorstelling. 5 WP - waterpomp FP - freonpomp u - water-r e t ourpyp d - valpijp t - fr e on- t o e vo er pijp 1)¾ station 1 f - vloeistoffase van freon fg - latente waarde voor verdamping van freon R - referentiewaarde r - gerelateerd aan watersnelheid B - opwaarts 15 D - rem REE1 - koeling alfabetisch A - doorsnedegebied C, - remcoëfficiënt 20 d d - differentials operator I) - druppeldiameter F - kracht g - zwaartekrachtconstante ““letter - enthalïie 25 h - verticale afstand cyfer ^EF - koeling ^cijfers ~ ^S^ffsverliescoëfficiënt of drukherstellings-coëfficiënt “50 m - massa-stroomsnelheid y p - druk S - omgeving T - temperatuur v - specifiek volume Y - snelheid 35 7903258 10 x - kwaliteit z - coördinaat vreemd en/of speciaal COP - coëfficiënt of werking Δ - verschiloperator 5 jfp - vermogen f - wrijvingsf ac t or van fluïdum ^ - dichtheid yu - viscositeit.

Het is duidelijk, dat hoewel freon en water een gunstige iq combinatie voor de toepassing in een hydraulisch koelstelsel is, elke andere combinatie van drager en koelmedium die niet mengbaar zjjn,zêuhnen worden gebruikt; bijvoorbeeld butaan en water. Indien een koelmiddel zoals butaan, propaan, enzovoort wordt gebruikt, zou het koelmiddel indien vloeibaar een kleinere 15 dichtheid dan water hebben. Derhalve zou het koelmiddel naar de bovenzijde van de scheidingskamer 17 stijgen en de ingangen van de pijpen 18 en 28 zouden moeten worden omgekeerd. Bovendien zou het meegevoerde koelmiddel in vloeibare toestand in de pijp 16 20 niet in benedenwaartse richting ten opzichte van het water zich bewegen, maar zou een bovenwaartse drift vertonen, waardoor het nodig zou kunnen zijn de formules behorend bij de plaatsen (4) t/m (5) opnieuw te beschouwen.

Vanwege de gemakkelijke beschikbaarheid en de lage kosten wordt water als drager voor een koelmiddel gebruikt. Een andere 25 drager van grotere dichtheid zou echter de voorkeur verdienen, vooropgesteld dat de bellen daarin kunnen worden getransporteerd en vooropgesteld dat deze niet mengbaar met het koelmiddel is.

Zulk een drager zou de vereiste diepte van het stelsel verminderen en daardoor een kostenbesparing in constructie en onderhoud met 30 zich meebrengen.

Het bepalen van eenmathematisch model van de uitvinding resulteert in vergelijkingen die tegelijkertijd moeten worden opgelost onder toepassing van een digitale rekenmachine. Het programma van de vergelijkingen is zodanig, dat alle afmetingen, 35 7903258 11 drukken, temperaturen, pompvermogens, cycluswerking, enzovoort automatisch, worden berekend, wanneer het programma is aangevuld met de freon-toewyzing, temperatuur van de verdampingsinrichting en gewenste tonnage van het koelmiddel.

Hierna volgt het mathematische model van de uitvinding. 5

In aanvulling op de bovengenoemde tabel zullen de cijfers (0), 1), (2), (5), (4), (5), (6), (7), (8), (9), (10), (11) en (12) worden gebruikt om de vergelijkingen in verband te brengen met plaatsen van de constructie volgens fig« 1 en het thermodynamische toestandsdiagram volgens fig. 2. 10

Stroom van 1-fase van (θ)-»(ΐ) in valpiiu .luist voor de E-fase« |f + + Ko1 0¾^) (1) waarbij h^^o/ en de ingangsverliescoëfficiënt voor 1-fase 15 aan de ingang van de valpyp is. (1) is de hydraulische vorm van energiebehoud en bewegingsbehoud (tezamen). Het behoud van massa levert de ver getting: *ne = #( Ad— A-t)vij (2) 20

Iransuortproces (1)-> (2)

De stroom wordt als isotherm verondersteld. Eveneens wordt aangenomen, dat ^2=¾¾ en 3)6 vergelijking 25 van behoud van beweging is

Pp, AT t Bei f Ad - At)-P2 Ad = + Ve 2—Vu.)- mi V|t- mFyF, (3) 30

De vergelijking van behoud van massa is wp-:fn(**-Vri)(U-§fct) (4) 55 7903258 12 welke een combinatie is van de behoudver gelijkingen voor de afzonderlijke fasen. In het proces (l)-> (2) is geen energie-vergeljjking (behoud van energie) nodig, omdat de isotherme aanname in feite een oplossing van de vergelijking is. Bij de oplossing met een computer van de stroom voor het proces (l)—^ (2), 5 worden de vergelijkingen (3) en (4) tegelijkertijd en iteratief opgelost, waarbij gebruik wordt gemaakt van eigenschappen van freon uit functionele subroutines toegevoerd door de freon-inbrenger.

Stroom in valnjjp beneden de gasinvoerzone, terwijl de damp over- 10 verhit is, (2)-» (3).

De stroom wordt behandeld als isotherm, waardoor de noodzaak van een expliciet gebruik van de vergelijking van het behoud van energie wordt vermeden. Een element van de benedenwaartse stroom wordt beschouwd; bij de uitvoering van de 15 analyse met behulp van een computer worden de uiteindelijke eindige verschilvergelijkingen stapsgewijze opgelost en in serie van (2)-^(3). Het computerprogramma stopt het proces en levert de plaats van (3), wanneer de druk de verzadigingsdruk van freon bij de watertemperatuur (en freontemperatuur) bereikt. 20

Aangenomen wordt dat P^=P^=P en op elke diepte. dj > O, (zie fig. 3)» ^ >0 en ^ >0 benedenwaarts.

De vergelijking voor het behoud van beweging is 25 p Ad-(p + dp)Ad + Af g d j — f & Vt2 d=. (5)

S

Vjt) + ït»p|Yv*--W)+ VhjJ

en onder toepassing van de stroomsnelheidsvergelijkingen, rn= Vc en nipAp(Vg — Vr) en Ap + A^ = Ad en vergelijking (5) wordt 35 7903258 (6) 15 a d5 ♦ (m,+ mT)i V, — m p d Vj.=0 5

De vergelijking van het behoud van massa met dezelfde idealisering wordt 10 ÜE-iA. +Γ——* >1<=<Vt = o (7)

Sv Ye-Vf Yfc-Vt- Y, f&V/AJ Λ L ' ™JL _

Het is noo&zakelyk om de vergelijkingen (6) en (7) 15 iteratief op te lossen onder toepassing van freon-eigensehappen uit de subroutines by elke stap van de stapsgewijze oplossing van (2) -t*' (5) · Opgemerkt wordt, dat volledig rekening wordt gehouden met fluïdum-wcijving door gebruik van de wryvingsfactor f. Aangezien f een functie is van de ruwheid van de pijp en lokale 20 "Reynold"-getallen, worden deze lokaal gebruikt op een iteratieve wijze in de oplossing met behulp van een computer.

Aangenomen wordt dat freon-bellen te opzichte van het water een bovenwaartse drift hebben met een driftsnelheid*die afhangt van het relatieve dichtheidsverschil tussen water en freon 25 en van de helgrootte. Als ideaal wordt aangenomen dat alle bellen dezelfde grootte en dichtheid hebben bij een gegeven diepte en dat de helgrootte en -dichtheid met de diepte variëren ; aldus is met de variërende belsnelheid ten opzichte van het water in dit model rekening gehouden. De details hiervan volgen. De bel is in 50 evenwicht onder invloed van een opwaartse kracht en een mechanische remkracht van het fluïdum: 7903258 14 fb=(^—1WgV D/s F.- Co &02 VrV 8 5 CD= 24

^Vi-D

en in de evenwichtstoestand wordt dit (3) 10 1¾ ηι

De referentievoorwaarde E. is ingevoerd; enige empirische informatie moet worden gebruikt by de referentietoestand. In het 15 computerprogramma is het feit dat Vrjj,= 24»4 cm per seconde, zoals experimenteel blykt, de ingebrachte referentietoestand.

Aangezien de massa van elke bel tydens zyn benedenwaartse beweging behouden blijft geldt:

Tf Jf P _ 1Γ Jpp Pr

G G

wat resulteert in ( ^ 25 wat wanneer ingevoerd in vergelijking (8) levert: 30 *-*·»> 7903258 15

Dit beschrijft hoe de lokale 7r wqzigt van de referentiewaarde van Yr als gevolg van variaties in diameter en dichtheid van de freon-bellen wanneer zq zich naar beneden verplaatsen.

Bq de toestand (3) zqn de freon-bellen in de verzadigde damptoestand. 5

Stroom in valniin: van de plaats waar freon in de verzadigde damu-toestand is naar de plaats waar dit een verzadigde vloeistof is %

De stroom wordt isotherm verondersteld, zodat voldaan is aan de wet van behoud van energie. Eveneens wordt aangenomen 10 dat P15=P^=P5 en ^3=^3.3=^3 en ^4=23.4=^4 en ^4=^4=^3=^4.

Aangenomen wordt dat 1^ slechts een functie van T is. De vergelijking voor het behoud van' beweging is Γ 15 ?zhd- P4 P id + 'ie Ad^ (Ve4—+ ™f[(V*4-VV4)-(io) -(V^-Vrs)] en de vergelijking voor het behoud van massa is 20 mF=ïF4(vi4—V^)(Ad-BL J (11)

Deze kunna(en zijn in het computerprogramma) simultaan worden 25 opgelost voor voorwaarden by de toestand (4)> ingesloten vorm (maar nog onder de isotherme veronderstelling).

De meeste warmte die van het freon naar het water wordt getransporteerd, wordt tqdens de freon-condensatie (3)—^ (4) getransporteerd. Onder toepassing van de wet van het behoud 30 van energie in een benaderde vorm wordt de temperatuur van het water bq (4) bepaald door 7903258 5 16 Τα=Τϊ +^£6@Τ3_ (12) mi C vi

Stroom in de valniin nadat Ae F-fase vloeibaar is (A)^ (5).

Het freon wordt in dit proces onderkoeld, maar geen thermodynamische gegevens voor onderkoeld freon is voorhanden.

Derhalve wordt de stroom als niet-samendrukbaar beschouwd. Aangenomen wordt dat Pn=P„=P en ΤΊ =T_=T, Vn,=Vnc en 1-.=7-,,- . . 10 1 P 1 P * 14 15 P4 P5· Aangezien de hydraulische (niet-samendrukbare)aanname de wet van het behoud van energie met de wet van het behoud van beweging vereenvoudigt tot dezelfde uitdrukking, geldt 2 2 15 *^(^♦3 h4s*f)^(¥+*h45t^) = ;,(ί|ι%ο ,g,

Het is duidelijk dat met fluïdum-wrijving rekening wordt gehouden door toepassing van f als een functie van het lokale "Reynold"-getal. In het computerprogramma wordt de vergelijking (13) 25 tezamen met de vergelijking van het behoud van massa berekend om Pjj, en 7^ te verkrijgen.

ïïitstroming van mengsel uit de valniip en scheiding van de freon-fase (5)-» (6).

Er is een Mrukherstellingscoëfficiënt'1, Aangenomen 50 wordt dat de scheidingskamer zo groot is dat fluïdum-wrijving voor de beweging door de kamer kan worden verwaarloosd; aldus is het scheidingsvlak tussen freon en water een horizontale lijn.

Yoor h,-g>0, wanneer (6) lager ligt dan (5) en voor een niet-samendrukbare stroom is de vergelijking voor het behoud van 35 7903258 17 energie (wat eveneens de vergelijking van het behoud van beweging is) + + + lh56 - 5 1 2 -* (14) ™<(^+ 0 * °) + mF(i||+0+0)+(l-K56) - 10

Bij toepassing van deze vergelijking tezamen met de wet van behoud van massa (5)^-^-(6), vallen alle termen als gevolg van de F-fase weg, aangezien zij zeer klein zijn vergeleken met 15 die als gevolg van de 1-fase. Aldus worden de gebruikte vergelijkingen PS=PS + %ahS6 + ï*kss 20 en

Ve«o 25 (15)

Stroom van 1-fase van het soheidingsreservoir in het lagere einde van de water-retourpiin. (6)-^(7). 30

In de water-retourpijp is de snelheid constant en wordt bepaald door de vergelijking van het behoud van IQS'SSdr* V?=SL (1S) » 7903258 18

De vergelijking van behoud van energie (of beweging, aangezien het water niet-samendrukbaar is) is; * - po- Je a h (< + *«)·&· waarbij hgy> 0 voor (7) boven (6) en waarbij een ingangsverlies-coëfficiënt is.

Stroom van 1-fase in de waterretourpiin naar de -ponrp ingang, (7)·» (8).

Het fluïdum is niet-samendrukbaar, het "Reynold"-getal ^ en f zijn constant en de stroom is isotherm. De bruikbare vergelijkingen zijn X * 4 15 £l+Vz t 0_^ + V8 + £l8V?_M + qhl8 (17) ïf 2 Άί 2 2 Du ' maar V„=Y , indien de pijp een constante diameter heeft. Eveneens 20 7 g moet pg worden gespecificeerd als een druk die groot genoeg is om hólte-vorming in de pompingang te verhinderen (zeg atmosferische druk). Teneinde de pompingangsplaats binnen het programma te berekenen is de juiste vergelijking 25 \ (18)

fra V?2+ 3 I

\ 4 Du / 30

Stroom in de waterretourpiin van de pompingang naar (o) in de volledig gevulde ruimte (δ)-1» (9)--^ (o).

De drukherstellingsfactor by de pijpuitgang (in de volledig gevulde ruimte) is Eg9 ; K89>0* Een a2™**0®112®® langs 35 7903258 19 de pomp van Δρ wordt aangenomen. Aangezien het fluidum niet- J, samendrukbaar is wordt de vergelijking van het "behoud van energie (of "beweging) 5 +. V8 + o —-i^-+ ïi + o h 83 * hS9_ A Pp _j/ Vfl ifa 2 if 2 ? 2 Oq ^ 69 2 10

In de door de computer uitgevoerde berekeningen wordt deze opgelost voor Δρ^, waarbij YQ=Y^.

Stroom van freon in de freon-retourpiip (6)«5»(11).

De freon is in een thermodynamische onderkoelde toestand in deze stroom, maar wordt beschouwd als een niet-samendrukbaar ^5 fluïdum aangezien geen onderkoelde gegevens bestaan. De vergelijkingen worden * 20

Afr Vlo (20) en 25 ~+o + 0«i^! + + q hén + HéH V-h ΔΡρρ (91\ *F 2 * 2 0pR CfF ^ 30 en worden opgelost voor Δρ_, nadat een redelijke snelheid voor het üp freon wordt aangenomen en een waarde van wordt aangenomen die 35 groot genoeg is om te verzekeren dat het freon vloeibaar zal blijven 7903258 20 "by (11); de afmeting van de freon-retourpijp wordt eveneens berekend.

Bxnansieklenstroom (throttle). (11) (12).

Variatie van kinetische energie en een variatie van potentiële energie worden verwaarloosd. De vergelijking wordt 5 hpi2a=hPFi2 +^>12

Dit wordt gebruikt om te berekenen. De temperatuur in de verdampingsinrichting (T^) wordt omsohreven als ingangsgegeven, 10 p^2 staat bekend als de overeenkomstige verzadigingsdruk voor freon.

De hierboven beschreven samenvatting van het mathematische model geeft vergelijkingen die in het computerprogramma voldoende zijn om alle drukken, temperaturen, energietoestanden, snelheden, 15 stroomsnelheden en pijpafmetingen in het gehele stelsel te berekenen voor elk bepaald freon-type, koeltonnage en verdampings-inrichtingdruk (temperatuur). Het computerprogramma voert de berekeningen uit en drukt de resultaten af,

Uit de berekende toestandswaarden kunnen alle belangrijke 20 werkingsgrootheden als volgt worden berekend.

Vereist nomnvermogen.

Verwaarloos variaties in potentiële en kinetische energie en beschouw het water als niet-samendrukbaar. Dan geldt 25 1P= m (ApP ) (22)

\ W

(23) 30 (24) 35 7903258 21 “Verkregen koeling.

Verwaarloos variaties in potentiële en kinetische energie en de energievergeljjking toegepast op de verdampingsinrichting wordt 5 (25) 10 waarty hp12a= hfpi2 + Fi2 15 eb h^ = enthalpie van het oververhitte freon dat de verwarmings-inrichting verlaat.

Coëfficiënt van werking fCOP) « 20 C0P=Qrep/1? wanneer vry van eenheden.

Vereist vermogen

De grootheid (hy'Ïon) is eveneens een interessante groot- 25 heid en wordt als volgt berekend:

Hp/toN=r2_

Qref waarbij eenheden in het rechter lid paardekracht en tonnen zijn ^ voor vermogen respectievelijk koeling.

In de bovenbeschreven samenvatting van het mathematische model beschouwen de werkingswaarden geen pomprendement of het vermogen van de luchtcirculerende ventilator; echter kunnen met deze rendementen eenvoudig rekening worden gehouden door een- 55 voudige handberekening. Met alle andere reële inefficiënties is 7903258

Claims (15)

1. Inrichting voor het omzetten van een gasvormig koel- 30 fluïdum afgegeven door een verdampingsinrichting in een koelstelsel in een vloeibaar koelfluïdum dat wordt toegevoerd aan eenexpansie-klep van het koelstelsel door het transporteren van het koelfluïdum met behulp van een, met het koelfluïdum niet-mengbare drager, welke inrichting gekenmerkt is door: 35 7903258 s S? (a) een middel voor het transporteren van het gasvormig koelfluïdum met behulp 'van een drager, (¾) een valpyp voor het transporteren van de drager en het meegevoerde koelfluïdum in benedenwaartse richting en het verhogen van de druk daarvan evenredig aan de diepte van de 5 valpyp, totdat het meegevoerde gasvormige koelfluïdum is omgezet in medegevoerd, vloeibaar koelfluïdum; (c) een scheidingskamer dat aan het onderste uiteinde van de valpüp is aangebracht voor het opnemen en afscheiden van de in benedenwaartse richting stromende drager en het 10 meegevoerde koelfluïdum; . (a) een middel voor het afvoeren van de drager uit de scheidingskamer; en (e) een middel voor het transporteren van het koelfluïdum uit de scheidingskamer naar de expansieklep. 15

2. Inrichting volgens conclusie 1,met het kenmerk, dat een middel aanwezig is voor het handhaven van het koelfluïdum in een vloeibare toestand terwijl dit naar de expansieklep wordt getransporteerd.

3* Inrichting volgens conclusie 2,met het ken- 2O merk, dat het handhavingsmiddel een pomp omvat.

4. Inrichting volgens conclusie 3,met het ken merk, dat een reservoir aanwezig is dat in verbinding staat met de valpüp voor de vereffening van volumevariaties van het gasvormige koelfluïdum. 25

5. Inrichting volgens conclusie 3> m e t het kenmerk, dat het transportmiddel een waterstraalpomp omvat .-

6. Inrichting volgens conclusie 1,met het kenmerk, dat de scheidingskamer een middel bevat voor het afremmen van de stroom daardoor. 30

7. Inrichting volgens conclusie 1,met het kenmerk, dat het afvoermiddel een pomp omvat voor het transporteren van de drager naar het transportmiddel.

8. Inrichting volgens conclusie 1,met het kenmerk, dat het koelfluïdum freon is en het niet-mengbare 35 fluïdum water is. 7903258 4.

9. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het afvoermiddel bestaat uit een concentrische pijp om de valpijp.

10. Inrichting volgens conclusie 9» m e t het kenmerk, dat de scheidingskamer een gesloten einddeel van de 5 concentrische pijp omvat dat onder het onderste uiteinde van de valpyp is geplaatst.

11. Werkwijze voor het comprimeren en afvoeren van warmte uit een koelfluïdum binnen een koelstelsel met een verdampings-inrichting en een expansieklep, gekenmerkt door: 10 (a) het binnen een valpijp tot stand brengen van een benedenwaartse stroom van een fluïdum dat niet-mengbaar is met het koelfluïdum; (b) het transporteren van het koelfluïdum in een gasvormige toestand uit de verdampingsinrichting naar het bovenste uiteinde 15 van de valpijp; (c) het meevoeren van het koelfluïdum in de benedenwaartse stroom van het niet-mengbare fluïdum, teneinde het koelfluïdum om te zetten in een vloeibare toestand; (d) het scheiden van het koelfluïdum uit het niet-mengbare 20 fluïdum aan het onderste uiteinde van de valpijp; (e) het overbrengen van het gescheiden koelfluïdum uit het onderste uiteinde van de valpijp naar de expansieklep; en (f) het afgeven van warmte uit het koelfluïdum binnen de valpijp; waarbij de compressie- en warmt e-af gif te van de koel- 25 cyclus binnen de valpyp worden uitgevoerd.

12. Werkwijze volgens conclusie 11, m e t het kenmerk, dat het koelfluïdum in een vloeibare toestand wordt gehandhaafd gedurende de overbrengingsstap,

13· Werkwijze volgens conclusie 12, met het ken- 30 merk, dat het niet-mengbare fluïdum uit het onderste uiteinde van de valpijp naar het bovenste uiteinde van de valpijp wordt getrokken en gepompt.

14· Werkwijze volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat het pompen van het vloeibare koelfluïdum onder druk 35 7903258 plaatsvindt naar de expansieklep.

15· Werkwyze volgens conclusie 14» met het kenmerk, dat volumevariaties van het gasvormige kolefluïdum worden vereffend, die worden veroorzaakt door variatie in de belasting geplaatst op de verdampingsinrichting. 5 7903258