NO138419B - Varmeanlegg. - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse vedrører et varmeanlegg som omfatter en konvensjonell varmekjel med en iradiatorvannkrets, en varmtvannsbereder for tappevann, som er koblet parallelt med varmekjelen,

en shuntledning som er anordnet parallelt med varmekjelen, en shuntventil ved shuntledningens tilslutning til radiatorvannkret-sens stigeledning samt et varmepumpeaggregat med en kondensator som er anordnet i varmevekslingsforhold med radiatorvannkretsen i serie med varmekjelen.

Hensikten med oppfinnelsen er å tilveiebringe et varmeanlegg av den innledningsvis nevnte art som arbeider med best mulig virkningsgrad og som lett kan tilpasses ulike driftsforhold som skyldes varierende varmebehov. Dette er ifølge oppfinnelsen opp-nådd ved at varmepumpeaggregatet omfatter en første varmepumpe og en andre varmepumpe, at den første varmepumpe omfatter en første kondensatorenhet og en andre kondensatorenhet som er seriekoblede, at den andre varmepumpes fordamper i og for seg kjent er i varmevekslingsforhold med den første varmepumpes første kondensatorenhet, at den første varmepumpes kjølemediumkrets omfatter en shuntledning som er koblet parallelt med den første varmepumpes andre kondensatorenhet, at en shuntventil er anordnet ved kjøle-mediumkretsshuntledningens tilslutning til kjølemediumkretsen mellom kondensatorenhetene, hvilken shuntventil er innrettet til å slippe frem kjølemedium til den andre kondensatorenhet, når kjølemediet etter den første kondensatorenhet i det minste delvis foreligger i dampfase, at en andre shuntledning er anordnet mellom radiatorkretsens returledning og radiatorkretsens første shuntledning, og at den andre kondensatorenhet er anordnet i var-mevekslingsf orhold med den andre shuntledning.

Oppfinnelsen tillater f.eks. at vann kan varmes opp til

i det minste to forskjellige temperaturnivåer for anvendelse til forskjellige formål, eller at lavtrykksdamp eller hett vann frem-

stilles ved hjelp av varmepumper idet det gås ut fra prosessvarme fra f.eks. papirmaskiner eller fra vamt avløpsvann. Anlegget kan også brukes med f.eks. oljefyrte kjeler, for oppvarming av boli-ger eller arbeidslokaler under samtidig produksjon av forbruksvarmtvann.

I et varmtvannsanlegg med en brenselfyrt varmekjele og omfattende en radiatorkrets med en shuntledning som gjennom en shuntventil slutter seg til radiatorkretsens stigeledning, og hvor varmeanlegget dessuten omfatter en forbruksvarmtvannsbereder, kan den første varmepumpes kondensatoraggregat omfatte en første kondensator som den. andre varmepumpes fordamper er sluttet til, og en annen kondensator som er innrettet til gjennom varmeutveksling å varme opp radiatorkretsvannet som ledes fra radiatorkretsens returledning til shuntledningen, mens den andre varmepumpes kondensator er anordnet i serie med varmekjelen for forvarming av det•radiatorkretsvann som strømmer gjennom varmekjelen.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere under henvisning til tegningen som viser et varmeanlegg med et varmepumpesystem for to temperaturnivåer for produksjon av vann med to temperaturer for f.eks. beredning av radiatorvarmtvann hhv. forbruksvarmtvann.

På tegningen er det vist en første varmepumpe omfattende en av en vifte 1 påvirket fordamper 2 som er innrettet til å plasseres utvendig. Dessuten inneholder den første varmepumpe en kompressor 3, en kondensator 4, en dråpefanger 5 og en ekspansjonsventil 6. Komponentene 2-6 er koblet i serie med hverandre i en krets som er fylt med et kjølemedium av f.eks. freontypen. En annen varmepumpe er tilsluttet i kaskadekobling til den før-ste varmepumpe. Den andre varmepumpe omfatter en kjølemedium-krets 7 med i serie anordnet en kompressor 8, en kondensator 9, en dråpefanger 10, en ekspansjonsventil 11 og en fordamper 12 som er anordnet til i varmeutvekslingsforhold å oppta varme fra den første varmepumpes kondensator 4. Den andre varmepumpes kondensator 9 er anordnet til ved varmeutveksling å avgi konden-sasjonsvarme til et gjennomstrømmende medium, såsom vann.

Det ovenfor beskrevne varmepumpesystem med to kaskadekoblede varmepumper kan utnyttes for tilveiebringelse av høye temperaturer ved den andre varmepumpes kondensator selv om den første varmepumpes fordamper mates med luft med lav temperatur. Således kan det optimeres et slikt system ved å velge standard-rør for kjølemediumkretsene, hvilke rør har en trykkgrense på f.eks. 24 ata. Hvis det nå for den første varmepumpe velges freon 22 som kjølemedium, så har freon 22 ved en fordampnings-temperatur på -rlO°C et trykk på 3,62 ata. Dette kjølemedium kan så komprimeres til et trykk på f. eks. 19,7 ata, ved hvilket trykk kondensatoren får en temperatur på 50°C som er hensiktsmessig for produksjon av radiatorvarme. Den andre varmepumpes fordamper får da en temperatur på omtrent 45°C. Hvis det i den andre varmepumpe utnyttes freon 12 som kjølemedium, så har freon 12 ved temperatur 45°C et trykk på omtrent 11,1 ata. Freon 12 komprimeres siden til et trykk på 23,65 ata, ved hvilket trykk den andre varmepumpes kondensator får en temperatur på 80°C, som er en hensiktsmessig temperatur til fremstilling av forbruksvarmtvann.

Alternativt kan varmepumpesysternet utnyttes til produksjon av lavtrykksvanndamp, hvilket skal forklares nedenfor. Den første varmepumpes fordamper anbringes i et varmemediummiljø med temperatur 50°C. Når det i den første varmepumpe benyttes freon 12, så har denne ved 50°C et trykk på 12,5 ata. Freon 12 komprimeres til trykket 23,65 ata, hvorved kjølemediet i kondensatoren får en temperatur på 80°C. Den andre varmepumpes fordamper får da en temperatur på omtrent 75°C. Hvis den andre varmepumpekrets er fylt med freon 114, så har denne ved 75°C et trykk på 8,5 ata. For oppnåelse av en temperatur på 135° i den andre varmepumpe komprimeres freon 114 til et trykk på 27,7 ata. Dette innebærer at man bør velge neste kvalitetsklasse for den andre varmepumpes rørledninger og tilbehør, men dette kan være en godtagbar innrøm-melse ettersom man derved ved kondensatoren kan tilveiebringe vanndamp med en temperatur på 135°c og et trykk på 3,13 ata. Dessuten kan det ved den andre varmepumpes kompressor være nød-vendig å forbedre kjølingen, og dette kan tilveiebringes ved at det hentes kjølemedium fra den første varmepumpes kompressor, hvilket har vist seg å være fordelaktig. 1 de hittil beskrevne utførelser av varmepumpesysternet ifølge oppfinnelsen kan det naturligvis benyttes kompressorer med to eller flere stempler som kan kobles til og fra for varie-ring av kjølemediumstrømmen i avhengighet av varmeproduksjonsbe-hovet.

Den tidligere nevnte tegning viser en varmekjele 14 med en tilordnet oljebrenner 15 samt en parallelt med varmekjelen innkoblet frittliggende varmtvannsbereder 16. Varmekjelen 14 er tilkoblet radiatorkretsens stigeledning 17 hhv. radiatorkretsens returledning 18 ved hjelp av rørledninger 19,20,21. Radiatorvan-net sirkuleres ved hjelp av en pumpe 22 i returledningen 18, og vann sirkuleres gjennom varmekjelen ved hjelp av en annen sirku-lasjonspumpe 23 i ledningen 20. Den andre varmepumpes kondensator er i varmeutvekslingsforhold tilkoblet ledningen 20. Varmtvannsberederen er koblet parallelt med varmekjelen, kondensatoren 9 og pumpen 23 ved hjelp av en rørledning 25.

Den første varmepumpes kondensatoraggregat kan omfatte to kondensatorer, nemlig den ovenfor nevnte kondensator 4 og dessuten en i serie med denne koblet kondensator 26. En shuntledning ?7 er koblet parallelt med lavtemperaturkondensatoren og denne shuntledning 27 er tilkoblet varmepumpens hovedkrets gjennom en shuntventil 28 som eventuelt kan være automatisk og som bestem-mer strømmen gjennom kondensatoren 26 i avhengighet av kjøleme-diets varmeinnhold etter kondensatoren 4. Kondensatoren 26 er anordnet i varmeutvekslingsforhold med en rørledning 29 som ved hjelp av en pumpe 30 leder vann fra rørledningen 21 til en shuntledning 31 som strekker seg mellom radiatorkretsens stigeledning 17 og returledning 18. Shuntledningen 31 er tilkoblet til stigeledningen 17 og rørledningen 19 gjennom en stigeledningsshuntven-til 37 som eventuelt kan være av automatisk temperaturavfølende type.

Det ovenfor beskrevne varmeanlegg virker på følgende må-te. Kjølemediet i den første varmepumpe opptar varme i fordampe-ren 2 og komprimeres ved hjelp av kompressoren 3, slik at kjøle-mediet antar en temperatur f,eksc på 50°C. Kompressoren 3 kan fordelaktig være fler-trinnskompressor (tosylinderkompressor), slik at kompressorens kapasitet kan justeres etter eksisterende behov uten at det altfor ofte er nødvendig å stanse kompressorens drivmotor. Kjølemedet kondenseres i kondensatoren 4 og overfører der i det minste en del av sin varme til det kjøleme-dium som strømmer i den andre varmepumpes fordamper 12. Den andre varmepumpes kjølemedium komprimeres ved hjelp av kompressoren 8 og kondenseres i kondensatoren 9, hvor det overfører sitt varmeinnhold til vannet, som ved hjelp av pumpen 23 drives gjennom ledningen 20 og varmekjelen 14. De maksimale temperaturni-

våer for de to varmepumper er fortrinnsvis 55 hhv. 90°C.

Hvis den første varmepumpes kjølemedium har tilstrekke-lig høy temperatur etter kondensatoren 4, vil kjølemediet av shuntventilen 28 slippes automatisk frem til kondensatoren 26, hvor kjølemediets restvarme overføres til det vann som ved hjelp av pumpen 30 drives gjennom rørledningen 29 i varmeutvekslingsforhold med kondensatoren 26. Det vann som i kondensatoren 26 varmes opp til f.eks. 50°C, strømmer gjennom rørledningen 29 og shuntledningen 31. Hvis dette vann har en hensiktsmessig temperatur, vil shuntventilen 32 slippe det inn i stigeledningen 17. Hvis temperaturen i vannet som -<f>orlater ledningen 29 er for lav, vil vannet strømme tilbake til rørledningen 21 for eventuell re-r-irkul.' ing. Det vann som fra radiatorkretsen føres tilbake til rørledningen 21, pumpes av sirkulasjonspumpen 23 gjennom rørled-ningen 70, høytemperaturkondensatoren 9 og varmepannen 14. Høy-temperaturkondensatoren som har en temperatur på f.eks. 80°C,

kan i det minste normalt i sommertiden bibringe vannet en temperatur på 80°C, som er en hensiktsmessig temperatur for beredning av forbrukstappevann. Vannet som ble oppvarmet i kondensatoren 9, strømmer gjennom varmekjelen 14 og gjennom varmtvannsberederen 16 og tilbake til rørledningen 21, Dessuten strømmer også vann etter varmekjelen gjennom rørledningen 19 frem til stigelednings-shuntventilen som avføler temperaturene i ledningene 31 og 19 og blander disse leriningsstrømmer. til en strøm med hensiktsmessig temperatur for stigeledningen 17. således vil vannet i varmekjelen 1.4 i alminnelighet holde en temperatur på 80°C i det minste om sommeren og ved normale forbruksvarmtvannsavtapninger, og om oljebrenneren innstilles slik at den ikke settes igang før kjelevannstemperaturen f.eks. blir lavere enn f.eks. 75°C, kan oljebrenneren forbli avstengt i sommerhalvåret. Hvis imidlertid behovet for radiatorvarmtvannet øker, vil varmepumpesystemets kapasitet ikke strekke til både for varmtvannsberedning og for ra-diatorvannsberedning og dette viser seg ved at kjelevannstemperaturen synker, hvilket medfører at oljebrenneren slåes inn i den utstrekning det er behov for det. Det tilveiebringes således en myk og jevn overgang mellom de forskjellige varmeenergibehov takket være det viste anlegg.

Bakgrunnen til de viste typer anlegg for produksjon av høytemperaturenergi ved hjelp av varmepumper er at det for tempe-rert klima, f.eks. hvoÉ årsmiddeltemperaturen går opp til noen få plussgrader,er stort sett umulig ved hjelp av bare en varmepumpe å tilveiebringe så høye temperaturer som er ønskelige for produksjon av både forbruksvarmtvann og radiatorvann, eller bare høy-temperaturenergi som er anvendelig i industriell sammenheng. Dette beror bl.a. på at man ved en varmepumpe med utgang fra en lav temperatur og for å oppnå en høy temperatur må komprimere kjølemediet i meget høy grad. Dette medfører at man får et meget stort skadelig rom i kompressoren og ved store komprimerings-grader vil dette skadelige rom innvirke ufordelaktig på varmepumpens virkningsgrad, slik at den oppnådde varmeenergi vil nærme seg eller til og med vil kunne bli mindre enn det tilførte kom-presjonsarbeide. Dessuten ville en slik sterk komprimering av kjølemediet kreve bruk av rør med meget stor fasthet, fordi trykket i kjølemediumkretsen ville bli meget høyt. Man har funnet at virkningsgraden eller godhetsfaktoren, dvs. koeffisienten mellom avgitt energi og tilført energi blir overraskende fordelaktig ved kaskadekoblede varmepumper ifølge oppfinnelsen sammenlignet med enkle varmepumper med arbeidsforhold tilsvarende en eneste varmepumpe i systemet ifølge oppfinnelsen.

Claims (1)

1. Varmeanlegg omfattende en konvensjonell varmekjel (14) med en radiatorvannkrets (18,21,20,19,17), en varmtvannsbereder (16) for tappevann, som er koblet parallelt med varmekjelen, en shuntledning (31) som er anordnet parallelt med varmekjelen, en shuntventil (32) ved shuntledningens (31) tilslutning til radia-torvannkretsens stigeledning (17) samt et varmepumpeaggregat (1,2 , 3 ,4 ,26 , 5 ,6 ; 7 , 8 ,9 ,10 ,11,12) med en kondensator (9) som er anordnet i varmevekslingsforhold med radiatorvannkretsen i serie med varmekjelen, karakterisert ved at varmepumpeaggregatet omfatter en første varmepumpe (1,2,3,4,26,5,6) og en andre varmepumpe (7,8,9,10,11,12), at den første varmepumpe omfatter en første kondensatorenhet (4) og en andre kondensatorenhet (26). som er seriekoblede, at den andre varmepumpes fordamper (12) i og for seg kjent er i varmevekslingsforhold med den første varmepumpes første kondensatorenhet (4), at den første varmepumpes kjølemediumkrets omfatter en shuntledning (27) som er koblet parallelt med den første varmepumpes andre kondensatorenhet (26),

   at en shuntventil (28) er anordnet ved kjølemediumkretsshuntled-ningens (27) tilslutning til kjølemediumkretsen mellom kondensatorenhetene (4,26), hvilken shuntventil (28) er innrettet til å slippe frem kjølemedium til den andre kondensatorenhet (26), når kjølemediet etter den første kondensatorenhet i-det minste delvis foreligger i dampfase, at en andre shuntledning (29) er anordnet mellom radiatorkretsens returledning (21) og radiatorkretsens første shuntledning (31), og at den andre kondensatorenhet (26) er anordnet i varmevekslingsforhold med den andre shuntledning (29) .