NL9500130A

NL9500130A - Regeneratieve warmtewisselaar; warmtepomp en koelinrichting voorzien van regeneratieve warmtewisselaar; werkwijze voor uitwisseling van warmte; werkwijze voor koelen; werkwijze voor verwarmen.

Info

Publication number: NL9500130A
Application number: NL9500130A
Authority: NL
Inventors: Rene Jean Marie Van Gerwen; Bartel Jan Cornelis Van Wekken
Original assignee: Tno
Priority date: 1995-01-24
Filing date: 1995-01-24
Publication date: 1996-09-02
Also published as: DE69612546T2; AU4679296A; EP0805942A2; WO1996023188A2; DE69612546D1; EP0805942B1; WO1996023188A3

Description

Titel: Regeneratieve warmtewisselaar; warmtepomp en koelinrichting voorzien van regeneratieve warmtewisselaar; werkwijze voor uitwisseling van warmte; werkwijze voor koelen; werkwijze voor verwarmen.

Beschrijving

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een regeneratieve warmtewisselaar, omvattende ten minste één compartiment, en aansluitmid-delen om de warmtewisselaar in ten minste twee leidingstelsels te kunnen opnemen.

Dergelijke regeneratieve warmtewisselaars zijn algemeen bekend en worden in velerlei gebieden toegepast om een rendementsverhoging en energiebesparing te realiseren. Met behulp van een dergelijke regeneratieve warmtewisselaar is de in een fluïdumstroom bevatte restwarmte of restkou-de te benutten om een andere fluïdumstroom (of ander gedeelte van dezelfde fluïdumstroom) te verwarmen respectievelijk af te koelen. Eén compartiment wordt hierbij alternerend door één fluïdumstroom opgewarmd en door een andere fluïdumstroom afgekoeld, waarbij de tussentijds opgeslagen warmte van de ene fluïdumstroom op de andere fluïdumstroom wordt overgedragen. Dergelijke regeneratieve warmtewisselaars kunnen zowel van het statische als roterende type zijn.

Bij gebruik van gasvormige media waarin een damp is opgenomen, kan hierbij in de warmtewisselaar neerslag van vloeistof en/of aanzetting van vast materiaal optreden. Wanneer bijvoorbeeld omgevingslucht wordt gebruikt, zal gemakkelijk condensvorming en bevriezing in de warmtewisselaar optreden. Het gevolg hiervan is dat de warmtewisselaar dichtslibt, hetgeen leidt tot drukverliezen en soms verstopping van de warmtewisselaar.

Het doel van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van een regeneratieve warmtewisselaar, die voornoemde nadelen niet vertoont. In het bijzonder is het doel van de onderhavige uitvinding het verschaffen van een regeneratieve warmtewisselaar met goede warmte-overdrachtseigen-schappen, waarmee vocht of damp aan de ene fluïdumstroom is te onttrekken en aan de andere fluïdumstroom is over te dragen.

Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt doordat het ten minste ene compartiment is voorzien van een bed met deeltjesvormige materiaal. Een dergelijke deeltjesvormig materiaal biedt een relatief groot oppervlak voor warmte-uitwisseling en dampuitwisseling.

Het is hierbij volgens de uitvinding in het bijzonder voordelig wanneer de verhouding van het volume aan deeltjesvormig materiaal tot het door het bed ingenomen volume tussen 0,2 en 0,8 ligt. Bij een dergelijke verhouding is een goede doorstroming van het bed en tegelijk een goede uitwisseling van warmte en damp te realiseren.

Voor een voldoende groot warmte-uitwisselingsoppervlak is het volgens de uitvinding voordelig gebleken wanneer de equivalente diameter D van de van de deeltjes van het deeltjesvormige materiaal tussen 1 en 25 mm ligt. De equivalente diameter D is hierbij gedefinieerd als

waarin V het volume van een deeltje is.

In het bijzonder met bolvormige deeltjes zijn zeer goede resultaten te bereiken.

Als ontwerpeis voor een goed functionerende regeneratieve warmtewisselaar volgens de uitvinding kan worden gehanteerd, dat de fysische eigenschappen van het deeltjesvormige materiaal, de equivalente diameter van het deeltjesvormige materiaal, en de dimensies van de warmtewisselaar moeten voldoen aan de volgende relatie:

waarin A = totaal warmtewisselend oppervlak van de deeltjes in één com partiment, in m2 D = gemiddelde equivalente diameter van de deeltjes in m

λ = warmtegeleidingscoëfficiënt deeltjes in W/mK

mlucht = massastroom lucht in kg/s

Cp = soortelijke warmte lucht in J/KgK

L = lengte bed in m.

Op basis van de voorgaande formule zijn vele soorten materiaal als deeltjesvormig materiaal bruikbaar. Het is echter volgens de uitvinding in het bijzonder voordelig wanneer het deeltjesvormige materiaal één of meer van de volgende materialen omvat: keramisch materiaal, glas, en/of hygroscopisch materiaal. De deeltjes kunnen hierbij op zich uit één of meer van deze materialen zijn samengesteld, maar ook is het denkbaar, het bed op te bouwen uit een mengsel van verschillende deeltjes, bijvoorbeeld een mengsel van glasdeeltjes en keramische deeltjes.

Volgens een voordelige uitvoeringsvorm, waarbij de regeneratieve warmtewisselaar wisselmiddelen omvat om het ene compartiment altererend te kunnen opnemen in het ene of het andere leidingstelsel, omvat de regeneratieve warmtewisselaar twee compartimenten, die gelijktijdig zijn op te nemen in het ene respectievelijk het andere leidingstelsel. Een dergelijke regeneratieve warmtewisselaar kan in hoofdzaak continu bedreven worden, waarbij het deeltjesvormige materiaal in het ene compartiment warmte van de passerende fluïdumstroom opneemt, terwijl in het andere compartiment door het deeltjesvormige materiaal warmte aan de daar passerende fluïdumstroom wordt afgegeven. Zodra het deeltjesvormige materiaal in het ene compartiment voldoende warmte heeft opgenomen en het deeltjes-vormige materiaal in het andere compartiment zijn warmte heeft afgegeven, kunnen de twee fluïdumstromen en de twee compartimenten ten opzichte van elkaar verwisseld worden. Dit alternerende proces kan vervolgens steeds opnieuw herhaald worden.

De uitvinding heeft verder betrekking op een zogenaamde warmtepomp voor het verwarmen van een doelruimte, omvattende een regeneratieve warmtewisselaar volgens de uitvinding, waarbij de warmtepomp wordt gekenmerkt doordat deze expansiemiddelen en eerste compressiemiddelen omvat, doordat de regeneratieve warmtewisselaar enerzijds is opgenomen in een zich vanaf de uitlaat van de expansiemiddelen naar de inlaat van de eerste compressiemiddelen uitstrekkend tussen-leidingstelsel en anderzijds is opgenomen in een vanaf de doelruimte komend, in in hoofdzaak open verbinding hiermee staand retour-leidingstelsel, en doordat de uitlaatzijde van de eerste compressiemiddelen in in hoofdzaak open verbinding met de doelruimte staat. Een dergelijke warmtepomp is te bedrijven met lucht als fluïdum, waarbij dichtslibbing van de regeneratieve warmtewisselaar ten gevolge van dampneerslag en/of bevriezing wordt verhinderd.

De uitvinding heeft verder betrekking op een koelinrichting voor het koelen van een doelruimte, waarbij de regeneratieve warmtewisselaar volgens de uitvinding zich op bijzonder voordelige wijze laat toepassen. Een dergelijke koelinrichting wordt gekenmerkt, doordat de koelinrichting expansiemiddelen en eerste compressiemiddelen omvat, doordat de regeneratieve warmtewisselaar enerzijds is opgenomen in een zich vanaf de uitlaat van de eerste compressiemiddelen naar de inlaat van de expansiemiddelen uitstrekkend tussen-leidingstelsel, en anderzijds is opgenomen in een vanaf de doelruimte komend, in in hoofdzaak open verbinding hiermee staand retour-leidingstelsel, en doordat de uitlaatzijde van de expansie-middelen in in hoofdzaak open verbinding met de doelruimte staat. De doelruimte kan hierbij bijvoorbeeld een vriescel of koelcel voor het bewaren van etenswaren zijn. Met een dergelijke, van een regeneratieve warmtewisselaar volgens de uitvinding voorziene koelinrichting zijn energetisch goede rendementen realiseerbaar, terwijl de te koelen doelruimte ten gevolge van het hierin inblazen van gekoelde lucht op gelijkmatige wijze kan worden gekoeld. Als koelmedium laat zich hierbij lucht toepassen, waarbij door toepassing van de regeneratieve warmtewisselaar volgens de uitvinding dichtslibbing of verstopping van de koelinrichting ten gevolge van condens- of ijsvorming wordt verhinderd.

Volgens een energetisch gunstige uitvoeringsvorm omvat de koelinrichting of warmtepomp verdere compressiemiddelen, waarvan de uitlaat, eventueel via een met de omgeving warmte uitwisselende warmtewisselaar, is verbonden met de inlaat van de eerste compressiemiddelen. Op voordelige wijze omvatten de eerste compressiemiddelen en de expansiemiddelen hierbij elk een rotor, waarbij beide rotoren via een gemeenschappelijke as aandrijfbaar zijn. Een dergelijke gecombineerde compressie-expansie-eenheid (een zogenaamde turbocharger) werkt in het algemeen optimaal bij toerentallen waarbij het praktisch niet uitvoerbaar is om de benodigde arbeid direct aan de gemeenschappelijke as toe te voeren. Deze extra benodigde arbeid is toe te voeren door middel van de verdere compressiemiddelen.

In die gevallen waarbij het ongewenst is omgevingslucht direct in de doelruimte in te brengen, is het volgens de uitvinding voordelig wanneer het retour-leidingsstelsel zich vanaf de uitlaatzijde van de regeneratieve warmtewisselaar uitstrekt tot aan de inlaat van de compressiemiddelen in het geval van een koelinrichting of tot aan de inlaat van de expansiemiddelen in het geval van een warmtepomp. De inlaat van de compressiemiddelen of expansiemiddelen zuigt hierbij niet direct omgevingslucht aan, maar via de regeneratieve warmtewisselaar uit de doelruimte afgevoerde lucht. Voor een goede beheersing van dit proces vindt de terugkoppeling vanaf de regeneratieve warmtewisselaar naar de inlaat van de compressiemiddelen of expansiemiddelen plaats via een verdere warmtewisselaar.

De regeneratieve warmtewisselaar volgens de uitvinding laat zich volgens de uitvinding verder op zeer voordelige wijze toepassen bij een koelinrichting of warmtepomp voor het koelen respectievelijk verwarmen van een doelruimte, waarbij de doelruimte bij voorkeur in open verbinding staat met de koelinrichting respectievelijk warmtepomp.

De uitvinding heeft verder betrekking op een werkwijze voor het uitwisselen van warmte, waarbij alternerend een eerste en een tweede fluïdumstroom, zoals lucht, door of over een bed met deeltjesvormig materiaal worden geleid, waarbij de eerste fluïdumstroom relatief warm en vochtig is, en warmte en vocht aan het deeltjesvormige materiaal afgeeft, en waarbij de tweede fluïdumstroom relatief koud en droog is, en warmte en vocht van het bed opneemt en mee afvoert. Met behulp van een dergelijke werkwijze is een goede warmte- en dampuitwisseling tussen twee fluïdumstromen te realiseren, welke uitwisselingen te verbeteren zijn door gebruikmaking van het eerder beschreven deeltjesvormige materiaal.

Ten einde lekken van fluïdum vanuit de doelruimte naar de omgeving toe tegen te gaan, is het volgens de uitvinding voordelig wanneer de koelinrichting of warmtepomp volgens de uitvinding zodanig wordt bedreven, dat de druk in de doelruimte in hoofdzaak gelijk wordt gehouden aan de omgevingsdruk.

De temperatuur of capaciteit van een koelinrichting of warmtepomp volgens de uitvinding laten zich wanneer de compressiemiddelen een rotor omvatten op voordelige wijze regelen door het toerental van de rotor te regelen.

De uitvinding heeft verder betrekking op een werkwijze voor het koelen van een doelruimte met gebruikmaking van een regeneratieve warmtewisselaar volgens de uitvinding. Een dergelijke werkwijze omvat de volgende stappen: het vanuit de atmosfeer aanzuigen van lucht, het in ten minste één trap verdichten van deze lucht, waarbij de druk en temperatuur van de lucht toenemen, het door een regeneratieve warmtewisselaar volgens één der conclusies 1-9 leiden vein de gecomprimeerde lucht, waarbij de gecomprimeerde lucht wordt gekoeld en zonodig van vocht wordt ontdaan, het laten expanderen van de in de regeneratieve warmtewisselaar gekoelde en ontvochtigde lucht, het aan de te koelen ruimte toevoeren van de geëxpandeerde lucht, het vanuit de te koelen ruimte aanzuigen van lucht, het door de regeneratieve warmtewisselaar leiden van de uit de te koelen ruimte aangezogen lucht, waarbij deze lucht wordt verwarmd en eventueel vocht opneemt.

Tevens heeft de uitvinding betrekking op een werkwijze voor het verwarmen van een doelruimte met gebruikmaking van de regeneratieve warm- tewisselaar volgens de uitvinding. Een dergelijke werkwijze omvat de volgende stappen: - het vanuit de atmosfeer aanzuigen van lucht, - het in ten minste één trap expanderen van deze lucht, waarbij de druk en de temperatuur van de lucht afnemen, - het door een regeneratieve warmtewisselaar volgens één der conclusies 1-9 leiden van de geëxpandeerde lucht, waarbij de geëexpandeer-de lucht wordt verwarmd en eventueel wordt bevochtigd, - het in ten minste één trap verdichten van de in de regeneratieve warmtewisselaar verwarmde en eventueel bevochtigde lucht, het aan de te verwarmen ruimte toevoeren van de verdichte lucht, het vanuit de te verwarmen ruimte aanzuigen van lucht, - het door de regeneratieve warmtewisselaar leiden van de uit de te verwarmen ruimte aangezogen lucht, waarbij deze lucht wordt afge-koeld en eventueel vocht afstaat.

Eventueel kan de verdichting van de lucht bij deze werkwijzen in twee of meer trappen plaatsvinden, waarbij eventueel de verdichte lucht tussen twee trappen in een warmtewisselaar wordt gekoeld met omgevingslucht in het geval van een werkwijze voor koelen van een doelruimte.

Om lekstromen tegen te gaan, is het bij de werkwijzen volgens de uitvinding voordelig wanneer de druk in de doelruimte in hoofdzaak gelijk wordt gehouden aan de atmosferische druk.

De koeltemperatuur of koelcapaciteit laten zich op voordelige wijze regelen door het luchtdebiet in de eerste verdichtingstrap te regelen.

De uitvinding zal in het navolgende aan de hand van enkele in de tekening weergegeven uitvoeringsvoorbeelden nader worden toegelicht. Hierin toont:

Fig. la een schematisch aanzicht van een koelinrichting volgens de uitvinding;

Fig. lb een schematisch aanzicht van een zogenaamde warmtepomp volgens de uitvinding;

Fig. 2a een koelinrichting volgens een verdere uitvoeringsvorm van de uitvinding;

Fig. 2b een warmtepomp volgens een verdere uitvoeringsvorm van de uitvinding;

Fig. 3 op schematische wijze een regeneratieve warmtewisselaar volgens de uitvinding van het zogenaamde statische type, en

Fig. 4 op schematische wijze een regeneratieve warmtewisselaar volgens de uitvinding van het zogenaamde roterende type.

In Fig. la is met ononderbroken lijnen op schematische wijze een zogenaamde tweezijdig open koelinrichting 30 volgens de uitvinding weergegeven. De gehele Fig. la, dat wil zeggen het gedeelte met ononderbroken lijnen en het gedeelte met streep-stippel-lijnen geeft een zogenaamde halfgesloten koelinrichting 30 volgens de uitvinding weer.

In Fig. lb is een twee-zijdig open warmtepomp 20 volgens de uitvinding weergegeven.

De koelinrichting 30 en de warmtepomp 20 werken volgens het Joule-proces, dat in zijn eenvoudigste vorm bestaat uit een adiabatische com-pressie-stap, een isobare warmtewisselings-stap en een adiabatische ex-pansie-stap.

De twee-zijdig open koelinrichting 30 volgens Fig. la werkt als volgt:

Via inlaat 51 wordt uit de omgeving (atmosfeer) uitgezogen lucht naar een compressor 32 geleid. De lucht wordt in de compressor 32 verdicht, waarbij de druk en temperatuur van de lucht toenemen. Vervolgens wordt de verdichte lucht via een tussen-leidingstelsel 6,7. waarin een aan de hand van Fig. 3 te beschrijven regeneratieve warmtewisselaar is opgenomen, toegevoerd aan een expander 31 (expansie-inrichting). In de expander 31 vindt expansie van de lucht plaats, waarbij de druk en temperatuur van de lucht afnemen. Via leiding 46 wordt de geëxpandeerde, gekoelde lucht aan de te koelen doelruimte 34 toegevoegd. Deze te koelen doelruimte 3^ kan een in hoofdzaak afgesloten ruimte, zoals een koelcel of vriescel zijn. De gekoelde lucht stroomt vanaf leiding 46 vrij de koelruimte 3^ binnen. De toegevoerde koude lucht zal zich hierbij in de doelruimte verspreiden, waardoor een gelijkmatige koeling van de doelruimte 34 te realiseren is. Vanuit de doelruimte 3^ wordt via retour-leidingstelsel 4,5 nog relatief koude of koele lucht uit de doelruimte 3^ afgevoerd. Alvorens deze nog relatief koude of koele lucht vrijelijk in de omgeving wegstroomt, wordt deze door de regeneratieve warmtewisselaar heengeleid voor warmte- en vochtuitwisseling met de naar de doelruimte 3^ toe te voeren luchtstroom. De via het retour-leidingstelsel 4,5 uit de doelruimte afgevoerde lucht neemt hierbij warmte en vocht van de naar de doelruimte 3^ toe te voeren lucht op. In die gevallen waarbij het ongewenst is omgevingslucht direct in de doelruimte in te brengen, is het volgens de uitvinding voordelig de leiding 5 via leidingen 47,48 met de inlaat 51 te verbinden, waarbij in leidingen 47 en 48 bijvoorkeur een warmtewisselaar 50 wordt opgenomen. De via leiding 51 aan de compressor 32 toegevoerde lucht zal nu niet direct vanuit de omgeving worden aangezogen maar via leidingen 48, 47, 5 en 4 vanuit de doelruimte 34.

In Fig. lb is op schematische wijze een zogenaamde warmtepomp volgens de uitvinding weergegeven. De werking van deze warmtepomp is in het kort als volgt:

Via leiding 25 wordt vanuit de omgeving lucht aangezogen. Deze lucht wordt in een expander 22 tot expansie gebracht. De druk en temperatuur van de lucht nemen hierbij af. Vervolgens wordt de lucht via tussen-lei-dingstel 6, 1, waarin een aan de hemd van Fig. 3 te beschrijven regeneratieve warmtewisselaar is opgenomen, aan een compressie-inrichting 23 toegevoerd. In de regeneratieve warmtewisselaar wordt de temperatuur van de lucht verhoogd, terwijl de druk in hoofdzaak gelijk zal blijven. Aangekomen in de compressor 23 wordt de lucht gecomprimeerd, waarbij de druk en temperatuur toenemen. Vervolgens wordt de warme lucht via leiding 24 aan de te verwarmen doelruimte 21 toegevoerd. De verwarmde lucht stroomt hierbij in hoofdzaak vrijelijk de doelruimte 21 binnen, waardoor een gelijkmatige en efficiënte verwarming van de ruimte mogelijk wordt. Uit deze doelruimte 21 wordt via retour-leidingstelsel 4, 5 lucht afgevoerd, welke, alvorens via leiding 5 in de vrije ruimte te stromen, door de regeneratieve warmtewisselaar 1 wordt geleid om de via het tussen-lei-dingstelsel 6, 7 naar de doelruimte 21 toe te voeren lucht voor te verwarmen .

In die gevallen waarbij het ongewenst is omgevingslucht direct in de doelruimte in te brengen, is het volgens de uitvinding voordelig leiding 5 en leiding 25 met elkaar te verbinden, zodat de warmtepomp 20, 29 aan deze zijde gesloten wordt.

Fig. 2a toont een andere uitvoeringsvorm van een koelinrichting volgens de uitvinding. Deze koelinrichting 40 volgens Fig. 2a komt in grote lijnen overeen met de koelinrichting 30 volgens Fig. la. Het verschil is in hoofdzaak, dat bij de koelinrichting 40 volgens Fig. 2a de compressie in twee trappen plaatsvindt. Er is sprake van een eerste compressietrap, die plaatsvindt in de verdere compressiemiddelen 4l, en van een tweede compressietrap, welke plaatsvindt in de eerste compressiemiddelen 33* Hierbij vindt tussen de twee trappen bij voorkeur een tussenkoeling plaats door middel van een warmtewisselaar 43. welke is opgenomen in het leidingstelsel 42, 44 tussen de twee compressoren 4l en 33· In deze warmtewisselaar 43 wordt de door het leidingstelsel 42, 44 geleide lucht gekoeld met behulp van omgevingslucht, die via leiding 49 aan de warmtewisselaar 43 wordt toegevoerd, en via leiding 57 weer vanuit de warmtewisse laar 43 naar de omgeving wordt afgevoerd. De compressor 33 en de expander 3i vormen hier een zogenaamde turbo-charger, die door een gemeenschappelijke as 45 wordt aangedreven. Dergelijke turbo-chargers draaien in het algemeen optimaal bij toerentallen van 50.000 è 150.000 omwentelingen/mi-nuut. De extra compressor 4l maakt het hierbij mogelijk dat voldoende arbeid is toe te voeren.

Het zal duidelijk zijn dat ook de koelinrichting 40 is om te vormen tot een zogenaamde half-gesloten koelinrichting, door uitlaat 5 van de regeneratieve warmtewisselaar 1 te verbinden met inlaat 51 van de compressor 4l, waarbij in deze verbinding bijvoorkeur ook een warmtewisselaar wordt opgenomen.

Lekstromen kunnen worden tegengegaan door de druk in de te koelen ruimte in hoofdzaak gelijk te houden aan de omgevingsdruk. Dit is te realiseren door compressiemiddelen op te nemen in de luchtstroom die de doelruimte verlaat. Bij voorkeur bevinden deze compressiemiddelen zich in leiding 5· De regeling voor deze compressiemiddelen kan worden gebaseerd op het drukverschil tussen de omgeving en de doelruimte of op de volu-medebieten in de leidingstelsels 4, 5 en 51. 42, 44, 6, 7. 46.

De koeltemperatuur of het koelvermogen van een koelinrichting 40 volgens Fig. 2a laat zich op voordelige wijze regelen door het toerdebiet van de compressor 4l te regelen, bijvoorbeeld door middel van een toeren-regeling voor een rotor.

Fig. 2b toont een andere uitvoeringsvorm van een warmtepomp volgens de uitvinding. Deze warmtepomp 29 volgens Fig. 2b komt in grote lijnen overeen met de warmtepomp 20 volgens Fig. lb. Het verschil is in hoofdzaak, dat bij de warmtepomp 29 volgens Fig. 2b de compressie in twee trappen plaatsvindt. Er is sprake van een eerste compressietrap, die plaatsvindt in de verdere compressiemiddelen 26, en van een tweede compressietrap, welke plaatsvindt in de eerste compressiemiddelen 23· Een tussentijds koelen of verwarmen tussen de compressietrappen, zoals bij de koelinrichting volgens Fig. 2a, is bij de warmtepomp 29 volgens Fig. 2b niet nodig. De compressor 23 en de expander 22 vormen, overeenkomstig de compressor 33 en de expander 31 van de koelinrichting 40 volgens Fig. 2a, een zogenaamde turbo-charger, die door een gemeenschappelijke as 28 wordt aangedreven. Zoals al uiteengezet, draaien dergelijke turbo-chargers in het algemeen optimaal bij toerentallen van 50.000 a 150.000 omwentelin-gen/minuut. De extra compressor 26 maakt het hierbij mogelijk dat voldoende arbeid is toe te voeren.

Het zal duidelijk zijn dat ook de warmtepomp 29 zich laat omvormen tot een zogenaamde half-gesloten warmtepomp, door uitlaten 5 van de regeneratieve warmtewisselaar 1 te verbinden met inlaat 25 van de expander 22, waarbij in deze verbinding bijvoorkeur ook een warmtewisselaar wordt opgenomen.

Ook bij de warmtepomp 29 kunnen lekstromen worden tegengegaan door de druk in de te verwarmen ruimte 21 in hoofdzaak gelijk te houden aan de omgevingsdruk. Dit is te realiseren door compressiemiddelen, zoals een ventilator, op te nemen in de luchtstroom die de doelruimte 21 verlaat. Bij voorkeur vinden deze compressiemiddelen zich in leiding 5· De regeling voor deze compressiemiddelen kan worden gebaseerd op het drukverschil tussen de omgeving en de doelruimte 21 of op de volumedebieten in de leidingstelsels 4, 5 en 25. 6, 7. 27, 24.

De verwarmingstemperatuur of het verwarmingsvermogen van de warmtepomp 29 volgens Fig. 2b laat zich op voordelige wijze regelen door het luchtdebiet van de compressor 26 te regelen, bijvoorbeeld door middel van een toerenregeling voor een rotor.

Fig. 3 toont een voorbeeld van een regeneratieve warmtewisselaar 1 volgens de uitvinding. Deze warmtewisselaar omvat twee compartimenten 2 en 3, die elk zijn voorzien van een gepakt bed van deeltjesvormig materiaal 10. Zoals weergegeven zijn de deeltjes 11 hiervan in hoofdzaak bolvormig, maar ook andersvormige, bijvoorbeeld onregelmatig gevormde, deeltjes zijn zeer wel denkbaar.

De werking van de regeneratieve warmtewisselaar 1 kan als volgt worden omschreven:

Naar de doelruimte 21, 34 toe te voeren fluïdum, zoals lucht, wordt via leiding 6 aan de regeneratieve warmtewisselaar toegevoerd, door middel van klep 9 naar het linker compartiment 3 geleid, door het zich hierin bevindende gepakte bed geleid en via klep 8 en leiding 7 in de richting van de doelruimte doorgevoerd. Vanuit de doelruimte afgevoerd fluïdum, zoals lucht, wordt via leiding 4 en klep 8 het rechter compartiment 2 ingeleid, door het gepakte bed van deeltjesvormig materiaal 10 geleid, en via klep 9 en leiding 5 uit de regeneratieve warmtewisselaar 1 afgevoerd. Door de standen van de kleppen 8 en 9 gelijktijdig over 90° te verdraaien naar de met streeplijnen weergegeven standen, wordt bewerkstelligd dat de naar de doelruimte toegaande fluïdumstroom door het rechter compartiment (in plaats van door het linker compartiment) wordt geleid, en dat de uit de doelruimte afgevoerde fluïdumstroom door het linker compartiment (in plaats van door het rechter compartiment) wordt geleid. Door dit verdraaien van de kleppen 8, 9 volgens een nader te bepalen regelmaat (dis afhankelijk zal zijn van onder meer de procesomstandigheden, de fysische eigenschappen van het deeltjesvormige materiaal, etc.) te laten plaatsvinden, wordt bewerkstelligd dat alternerend steeds het bed in het ene compartiment warmte opneemt, terwijl het bed in het andere compartiment warmte afgeeft.

Gebleken is dat het bed van een dergelijk deeltjesvormig materiaal tevens zeer goed in staat is condens of neerslag, zoals vocht- of ijsafzetting, aan zich te binden en vervolgens aan de andere fluïdumstroom af te geven. Op deze wijze is één van de fluïdumstromen te ontvochtigen. In het bijzonder bij toepassing van een dergelijke regeneratieve warmtewisselaar in koelinrichtingen zijn hiermee grote voordelen te behalen. De aan de koelinrichting toe te voeren lucht wordt hierbij in de regeneratieve warmtewisselaar gelijktijdig gekoeld en ontvochtigd, waarbij het vocht na het omschakelen van de kleppen door de uit de koelruimte afgevoerde fluïdumstroom kan worden afgevoerd, terwijl de temperatuur van het deeltjesvormige materiaal gelijktijdig verlaagd wordt. Op deze wijze wordt voorkomen dat ten gevolge van vocht- en/of ijsafzetting de regeneratieve warmtewisselaar 1 verstopt raakt.

Een verder voordeel is dat de in de regeneratieve warmtewisselaar 1 ontvochtigde luchtstroom ook in verdere processtappen in een koelinrichting of warmtepomp geen vocht- of ijsafzetting zal vormen, zodat ook hier defect raken van de inrichting wordt tegengegaan.

Fig. 4 toont een regeneratieve warmtewisselaar 70 volgens de uitvinding van het zogenaamde roterende type. Deze regeneratieve warmtewisselaar 70 bestaat in hoofdzaak uit een cilinder 74, die is onderverdeeld in zich in langsrichting hiervan uitstrekkende compartimenten. De in Fig. 4 weergegeven cilinder 74 omvat drie compartimenten 71. 72 en 73. die zijn verkregen door in de cilinder 74 drie schotten 75. 76 en 77 aan te brengen, welke schotten bij de langshartlijn van de cilinder 74 aan elkaar zijn bevestigd. Elk aldus verkregen compartiment is gevuld met een bed 10 van deeltjesvormig materiaal 11. De cilinder 74 is roteerbaar rond as 77 opgesteld. Aan de kopse einden van de cilinder 74 zijn toevoerleidingen 4, 6 en afvoerleidingen 5. 7 aangebracht. De leidingen 4 en 5 maken hierbij deel uit van één leidingstelsel, terwijl de leidingen 6 en 7 deel uitmaken van een ander leidingstelsel. Door de cilinder rond zijn rota-tieas 77 te roteren, terwijl door de leidingstelsels 4, 5 respectievelijk 6, 7 fluïdum, bijvoorbeeld lucht, stroomt, wordt bewerkstelligd dat achtereenvolgens de verschillende compartimenten in het ene leidingstelsel (bijvoorbeeld 4, 5) of het andere leidingstelsel (bijvoorbeeld 6, 7) zijn opgenomen. Door de cilinder ik in drie of meer compartimenten onder te verdelen, is gemakkelijk te realiseren dat een compartiment slechts op één leidingstelsel tegelijk kan zijn aangesloten, zodat de fluïdumstromen uit de verschillende leidingstelsels zich niet direct met elkaar kunnen vermengen. De werking van de regeneratieve warmtewisselaar 70 is, zoals duidelijk zal zijn, voor het overige overeenkomstig de werking zoals deze aan de hand van Fig. 3 voor regeneratieve warmtewisselaar 1 is beschreven. Het zal dan ook duidelijk zijn dat de regeneratieve warmtewisselaar 1 uit de Fig. la, lb, 2a en 2b zonder meer is te vervangen door een regeneratieve warmtewisselaar 70 van het roterende type.

Het zal duidelijk zijn dat op de in Fig. 3 schematisch weergegeven regeneratieve warmtewisselaar vele varianten denkbaar zijn. Zo kan bijvoorbeeld toevoerleiding 6 een afvoerleiding zijn, waarbij dan afvoerlei-ding 7 een toevoerleiding wordt. Op overeenkomstige wijze is het mogelijk de stromingsrichting in de leidingen 4 en 5 o® te draaien. In plaats van de kleppen 8, 9 zijn ook vele andere wisselmiddelen voor het bewerkstelligen van het alternerend met de ene of andere fluïdumstroom doorstromen van de respectievelijke compartimenten denkbaar. Ook is een variant denkbaar, waarbij de regeneratieve warmtewisselaar één, bij voorkeur cilindrisch compartiment omvat, dat rond zijn as roteert. Het deeltjesvormig materiaal in dit compartiment wordt dan beurtelings blootgesteld aan de ene of de andere fluïdumstroom.

Ook op de in de Figuren la, lb en Fig. 2 weergegeven warmtepomp en koelinrichtingen zijn vele varianten denkbaar. Zo kunnen nog warmtewisselaars, compressoren, expanders, etc. worden voorgeschakeld, tussengescha-keld of nageschakeld. Dergelijke inrichtingen dienen in hun eenvoudigste vorm ten minste één expansie-inrichting, ten minste één compressie-in-richting, en ten minste één tussen een compressie-inrichting en expansie-inrichting aangebrachte regeneratieve warmtewisselaar te omvatten.

Claims

1. Regeneratieve warmtewisselaar (1;70), omvattende ten minste één compartiment (2,3) en aansluitmiddelen om de warmtewisselaar in ten minste twee leidingstelsels (4,5 en 6,7) te kunnen opnemen, met het kenmerk, dat het ten minste ene compartiment (2,3;71.72,73) is voorzien van een bed met deeltjesvormig materiaal (10).

2. Regeneratieve warmtewisselaar (1;70) volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de verhouding (e) van het volume van het deeltjesvormige materiaal tot het door het bed ingenomen volume tussen 0,2 en 0,8 ligt.

3. Regeneratieve warmtewisselaar (1;70) volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de equivalente diameter (D) van de deeltjes (11) van het deeltjesvormige materiaal tussen 1 en 25 mm ligt, waarbij de equivalente diameter D wordt bepaald volgens

waarin V het volume van een deeltje is.

4. Regeneratieve warmtewisselaar volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de deeltjes (11) van het deeltjesvormige materiaal in hoofdzaak bolvormig zijn.

5. Regeneratieve warmtewisselaar {1;70) volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de fysische eigenschappen van het deel- tjesvormige materiaal (10), de equivalente diameter van het deeltjes vormige materiaal (10), en de dimensies van de warmtewisselaar voldoen aan de volgende relatie:

waarin A = totaal warmtewisselend oppervlak van de deeltjes in één com partiment, in m2 D = gemiddelde equivalente diameter van de deeltjes in m λ = warmtegeleidingscoëfficiënt deeltjes in W/mK miucht= massastroom lucht in kg/s Cp = soortelijke warmte lucht in J/KgK L = lengte bed in m.

6. Regeneratieve warmtewisselaar {1;70 > volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het deeltjesvormige materiaal een keramisch materiaal omvat.

7. Regeneratieve warmtewisselaar (1;70) volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het deeltjesvormige materiaal glas omvat.

8. Regeneratieve warmtewisselaar (1;70) volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het deeltjesvormige materiaal een hygro-scopisch materiaal omvat.

9· Regeneratieve warmtewisselaar (1;70) volgens één der voorgaande conclusies, verder omvattende wisselmiddelen (8,9) om het ten minste ene compartiment (2,3:71.72,73) alternerend op te kunnen nemen in het ene (4,5 of 6,7) of het andere (6,7 of 4,5) leidingstelsel, met het kenmerk, dat de regeneratieve warmtewisselaar twee compartimenten (2,3:71.72,73) omvat, die gelijktijdig zijn op te nemen in het ene (4,5 of 6,7) respectievelijk het andere (6,7 of 4,5) leidingstelsel.

10. Warmtepomp (20) voor het verwarmen van een doelruimte (21), omvattende een regeneratieve warmtewisselaar (1;70) volgens één der conclusies 1-9. met het kenmerk, dat de warmtepomp expansiemiddelen (22) en eerste compressiemiddelen (23) omvat, en dat de regeneratieve warmtewisselaar (1;70) enerzijds is opgenomen in een zich vanaf de uitlaat van de expansiemiddelen (22) naar de inlaat van de eerste compressiemiddelen (23) uitstrekkend tussen-leidingstelsel (6,7.27,26) en anderzijds is opgenomen in een vanaf de doelruimte (21) komend, in in hoofdzaak open verbinding hiermee staand retour-leidingstelsel (4,5). en dat de uitlaat-zijde (24) van de eerste compressiemiddelen (23) in in hoofdzaak open verbinding met de doelruimte (21) staat.

11. Koelinrichting (30,40) voor het koelen van een doelruimte, omvattende een regeneratieve warmtewisselaar (1;70) volgens één der conclusies I-9, met het kenmerk, dat de koelinrichting (30,40) expansiemiddelen (31) en eerste compressiemiddelen (32,33) omvat, dat de regeneratieve warmtewisselaar (1;70) enerzijds is opgenomen in een zich vanaf de uitlaat van de eerste compressiemiddelen (32,33) naar de inlaat van de expansiemiddelen (31) uitstrekkend tussen-leidingstelsel (6,7). en anderzijds is opgenomen in een vanaf de doelruimte (34) komend, in in hoofdzaak open verbinding hiermee staand retour-leidingstelsel (4,5). en dat de uitlaatzijde van de expansiemiddelen (31) in in hoofdzaak open verbinding met de doelruimte (34) staat.

12. Koelinrichting (40) volgens conclusie 11 of warmtepomp volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat deze verdere compressiemiddelen (Ul;26) omvatten, waarvan de uitlaat (42;27). eventueel via een met de omgeving warmte uitwisselende warmtewisselaar (43), is verbonden met de inlaat (44;27) van de eerste compressiemiddelen {33ï23)-

13. Koelinrichting of warmtepomp volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat de eerste compressiemiddelen (33;23) en de expansiemiddelen (31;22) elk een rotor omvatten, waarbij beide rotoren via een gemeenschappelijke as (45;28) aandrijfbaar zijn.

14. Koelinrichting of warmtepomp volgens één der conclusies 10-13. met het kenmerk, dat deze compressiemiddelen, zoals een ventilator, omvatten voor het vereffenen van het drukverschil tussen de omgeving en de doelruimte.

15. Koelinrichting of warmtepomp volgens één der conclusies 10-13. met het kenmerk, dat het retour-leidingstelsel (4,5) zich vanaf de uit-laatzijde van de regeneratieve warmtewisselaar (1;70), bij voorkeur via een verdere warmtewisselaar (50), uitstrekt tot aan de inlaat (51) van de compressiemiddelen (41,32), respectievelijk tot aan de inlaat (25) van de expansiemiddelen (22).

16. Gebruik van een regeneratieve warmtewisselaar volgens één der conclusies 1-9 bij een koelinrichting of warmtepomp voor het koelen respectievelijk verwarmen van een doelruimte, waarbij de doelruimte bij voorkeur in open verbinding staat met de koelinrichting respectievelijk warmtepomp.

17. Werkwijze voor het uitwisselen van warmte, met het kenmerk, dat alternerend een eerste en een tweede fluïdumstroom, zoals lucht, door of over een bed met deeltjesvormig materiaal worden geleid, waarbij de eerste fluïdumstroom relatief warm en vochtig is, en warmte en vocht aan het deeltjesvormige materiaal afgeeft, en waarbij de tweede fluïdumstroom relatief koud en droog is, en warmte en vocht van het bed opneemt en mee afvoert.

18. Werkwijze volgens conclusie 17. waarbij als deeltjesvormig materiaal een deeltjesvormig materiaal volgens één der conclusies 2-8 wordt gebruikt.

19. Werkwijze volgens conclusie 17 of 18, waarbij het eerste en tweede fluïdum gelijktijdig over of door een bed met deeltjesvormig materiaal worden geleid.

20. Werkwijze voor het bedrijven van een koelinrichting of warmtepomp volgens één der conclusies 10-14, met het kenmerk, dat de druk in de te koelen ruimte in hoofdzaak gelijk wordt gehouden aan de omgevingsdruk.

21. Werkwijze voor het regelen van de temperatuur of capaciteit van een koelinrichting of warmtepomp volgens één der conclusies 12, 13 of 14, met het kenmerk, dat de verdere compressiemiddelen een rotor omvatten en dat het regelen plaatsvindt door het toerental van de rotor te regelen.

22. Werkwijze voor het koelen van een doelruimte, omvattende de volgende stappen: het aanzuigen van lucht, bijvoorkeur vanuit de atmosfeer, het in ten minste één trap verdichten van deze lucht, waarbij de druk en temperatuur van de lucht toenemen, het door een regeneratieve warmtewisselaar volgens één der conclusies 1-9 leiden van de gecomprimeerde lucht, waarbij de gecomprimeerde lucht wordt gekoeld en zonodig van vocht wordt ontdaan, het in ten minste één trap laten expanderen van de in de regeneratieve warmtewisselaar gekoelde en eventueel ontvochtigde lucht, het aan de te koelen ruimte toevoeren van de geëxpandeerde lucht, het vanuit de te koelen ruimte aanzuigen van lucht, het door de regeneratieve warmtewisselaar leiden van de uit de te koelen ruimte aangezogen lucht, waarbij deze lucht wordt verwarmd en eventueel vocht opneemt.

23. Werkwijze voor het verwarmen van een doelruimte, omvattende de volgende stappen: het aanzuigen van lucht, bijvoorkeur vanuit de atmosfeer, het in ten minste één trap expanderen van deze lucht, waarbij de druk en de temperatuur van de lucht afnemen, het door een regeneratieve warmtewisselaar volgens één der conclusies 1-9 leiden van de geëxpandeerde lucht, waarbij de geëexpandeer-de lucht wordt verwarmd en eventueel wordt bevochtigd, het in ten minste één trap verdichten van de in de regeneratieve warmtewisselaar verwarmde en eventueel bevochtigde lucht, het aan de te verwarmen ruimte toevoeren van de verdichte lucht, het vanuit de te verwarmen ruimte aanzuigen van lucht, het door de regeneratieve warmtewisselaar leiden van de uit de te verwarmen ruimte aangezogen lucht, waarbij deze lucht wordt af gekoeld en eventueel vocht afstaat. 2k. Werkwijze volgens conclusie 22, waarbij de in de eerste trap verdichte lucht, in een tweede trap verder wordt verdicht na eventueel in een warmtewisselaar met omgevingslucht gekoeld te zijn.

25· Werkwijze volgens één der conclusies 22 of 23. waarbij de druk in de te koelen ruimte in hoofdzaak gelijk wordt gehouden aan de atmosferische druk.

26. Werkwijze volgens één der conclusies 22-24, waarbij de koeltem-peratuur of koelcapaciteit wordt geregeld door het luchtdebiet in de eerste verdichtingstrap te regelen.

27. Werkwijze volgens één der conclusies 22-25, waarbij de vanuit de te koelen ruimte aangezogen lucht, na door de regeneratieve warmtewisselaar geleid te zijn, als aan te zuigen lucht aan de eerste verdichtingstrap wordt toegevoerd.

28. Werkwijze volgens één der conclusies 22-25, waarbij de vanuit de te verwarmen ruimte aangezogen lucht, na door de regeneratieve warmtewisselaar geleid te zijn, als aan te zuigen lucht aan de expansietrap wordt toegevoerd.