NO145287B

NO145287B - HEAT EXCHANGER WITH REDUCED AIR POCKET

Info

Publication number: NO145287B
Application number: NO791523A
Authority: NO
Inventors: Lennart Backlund
Original assignee: Foerenade Fabriksverken
Priority date: 1978-05-09
Filing date: 1979-05-07
Publication date: 1981-11-09
Also published as: FI65328B; CA1114805A; DK192179A; FI791470A; NO145287C; FI65328C; NO791523L; SE422624B

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår et varmeveksleraggregat The present invention relates to a heat exchanger unit

hvor forekomsten av luftlommer er redusert, og som innbefatter et rørsystem omgitt av vann hvorfra varme skal overføres til et varmevekslingsmedium som strømmer gjennom rørsystemet. Aggregatet er. særlig anvendelig for utvinning av energi fra vann i sjøer, elver og lignende. where the occurrence of air pockets is reduced, and which includes a pipe system surrounded by water from which heat is to be transferred to a heat exchange medium that flows through the pipe system. The unit is. particularly applicable for extracting energy from water in lakes, rivers and the like.

Ved utvinning av energi fra sjøvann ved hjelp av varmepumpeanlegg er det hittil ikke lykkes å oppnå høy virkningsgrad, altså høyt forhold mellom effekt avgitt av anlegget, og pumpeeffekt tilført dette. Dette forhold beror på mange faktorer. When extracting energy from seawater using heat pump systems, it has so far not been successful in achieving a high degree of efficiency, i.e. a high ratio between the power emitted by the system and the pump power added to it. This relationship depends on many factors.

En meget vanlig årsak til utilfredsstillende effekt av konvensjonelle varmepumpeanlegg er det ofte vanskelige problem med luftlommer som dannes i varmeveksleraggregatets rørsystem. A very common reason for the unsatisfactory performance of conventional heat pump systems is the often difficult problem of air pockets that form in the pipe system of the heat exchanger unit.

Dette problem gjør seg særlig gjeldende ved varmepumpeanlegg med rørsystemer nedsenket i vassdrag. Et annet vanlig problem ved kjente varmepumpeanlegg er den effektreduserende nedising av anleggets energiopptagende deler, fremfor alt ved langvarig uttak av toppeffekt og innløpstemperaturer av det sirkulerende varmevekslingsmedium lavere enn 0°C. Gjengse varmepumpeanlegg har vanligvis heller ikke effektive feilsøkningssystemer som uavhengig av årstid og ytre omstendigheter skal lokalisere og angi eventuelle lekkasjer. Når aggregatets rørsystem har vært nedsenket i vann, This problem is particularly relevant for heat pump systems with pipe systems submerged in waterways. Another common problem with known heat pump systems is the effect-reducing frosting of the system's energy-absorbing parts, above all in case of long-term withdrawal of peak power and inlet temperatures of the circulating heat exchange medium lower than 0°C. Conventional heat pump systems usually also do not have effective troubleshooting systems which, regardless of the season and external circumstances, should locate and indicate any leaks. When the unit's pipe system has been immersed in water,

har man hittil også hatt vanskelighet med å forankre rørsystemet på tilfredsstillende måte så det ikke flyter opp til overflaten. has so far also had difficulty anchoring the pipe system in a satisfactory manner so that it does not float to the surface.

Hensikten med den foreliggende oppfinnelse er først og frémst The purpose of the present invention is first and foremost

å skaffe et varmeveksleraggregat av den ovenfor angitte art som er særlig fattig på luftlommer, og hvor også de øvrige ovennevnte ulemper er eliminert eller påtagelig redusert. to obtain a heat exchanger unit of the type specified above which is particularly poor in air pockets, and where the other disadvantages mentioned above are also eliminated or significantly reduced.

Hensikten oppnås ved at varmeveksleraggregatet ifølge oppfinnelsen har fått kjennetegn som angitt i patentkrav 1. The purpose is achieved by the fact that the heat exchanger unit according to the invention has been given characteristics as stated in patent claim 1.

Ved utformningen av varmeveksleraggregatet i samsvar med oppfinnelsen fås en betraktelig reduksjon av dannelsen av luftlommer i varmeveksleraggregatets rørsystem og samtidig en effektiv eliminering av luftlommer som eventuelt måtte være dannet. Andre fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå av den følgende detaljerte beskrivelse. The design of the heat exchanger assembly in accordance with the invention results in a considerable reduction in the formation of air pockets in the heat exchanger assembly's pipe system and at the same time an effective elimination of air pockets that may have been formed. Other advantages of the invention will be apparent from the following detailed description.

Oppfinnelsen vil bli belyst nærmere under henvisning til tegningen, som viser en utførelsesform. The invention will be explained in more detail with reference to the drawing, which shows an embodiment.

Fig. 1 er et forenklet skjema over et varmepumpeanlegg med Fig. 1 is a simplified diagram of a heat pump system with

et varmeveksleraggregat ifølge oppfinnelsen. a heat exchanger unit according to the invention.

Fig. 2 og 3 viser varmeveksleraggregatets rørsystem henholdsvis forfra og fra siden. Fig. 4 viser vertikalsnitt av varmeveksleraggregatets fordeler og kollektor. Figs 2 and 3 show the heat exchanger unit's pipe system from the front and from the side, respectively. Fig. 4 shows a vertical section of the heat exchanger unit's distributor and collector.

På fig. 1 betegner 1 en innretning til å sirkulere et varmevekslermedium, f.eks. en væske med nedsatt frysepunkt, gjennom et rørsystem 2 forankret i en sjø. Innretningen 1 kan være av konvensjonell utførelse og er derfor ikke vist nærmere. Temperaturen av vannet i sjøen kan være ca. +2°C, mens væsken med nedsatt frysepunkt f.eks. kan ha en temperatur av -4°C. In fig. 1 denotes a device for circulating a heat exchanger medium, e.g. a liquid with a reduced freezing point, through a pipe system 2 anchored in a lake. The device 1 can be of conventional design and is therefore not shown in more detail. The temperature of the water in the lake can be approx. +2°C, while the liquid with a reduced freezing point e.g. can have a temperature of -4°C.

Systemet 2 innbefatter en langstrakt væskefordeler i form av et rør 3 og en langstrakt væskekollektor i form av et rør 4 som er parallelt med røret 3. Mellom rørene 3 og 4 er der innkoblet en rekke varmevekslerrør 5. Varmevekslerrørene 5 er fortrinnsvis av den prinsippielle type som er vist og beskrevet i søkernes samtidig søkte p»tent nr. 79 1524 på "Varmeveksler med et hovedrør omgitt av vann". The system 2 includes an elongated liquid distributor in the form of a pipe 3 and an elongated liquid collector in the form of a pipe 4 which is parallel to the pipe 3. Between the pipes 3 and 4 a number of heat exchanger pipes 5 are connected. The heat exchanger pipes 5 are preferably of the principle type which is shown and described in the applicant's simultaneously applied for patent no. 79 1524 for "Heat exchanger with a main pipe surrounded by water".

Væsken med nedsatt frysepunkt tilføres under trykk gjennom røret 3, hvoretter den strømmer gjennom rørene 5 som vist ved pilene, hvorved den opptar varme, så dens temperatur stiger til ca. +1°C ved inngangen i røret 4. Den således utvunne varme utnyttes i innretningen 1 på konvensjonell måte, så temperaturen av væsken som forlater innretningen 1, igjen er sunket til ca. -4°C. The liquid with a reduced freezing point is supplied under pressure through the pipe 3, after which it flows through the pipes 5 as shown by the arrows, whereby it absorbs heat, so that its temperature rises to approx. +1°C at the entrance to the pipe 4. The heat thus recovered is used in the device 1 in a conventional way, so the temperature of the liquid leaving the device 1 has again dropped to approx. -4°C.

Rørsystemet 2 er vist mer detaljert på fig. 2 og 3. Det er nedsenket under vannflaten 6 i en sjø. Væskefordeleren 3 og væske-kollektoren 4 har begge form av et rør av plast, aluminium eller annet passende materiale som i hver ende er utformet med et hus 7 for en flottørmekanisme som vil bli beskrevet nærmere under henvisning til fig. 4. Rørene 3 og 4 er plassert rett over hverandre og innbyrdes forbundet ved stag 8. The pipe system 2 is shown in more detail in fig. 2 and 3. It is submerged below the water surface 6 in a sea. The liquid distributor 3 and the liquid collector 4 both have the form of a tube of plastic, aluminum or other suitable material which is designed at each end with a housing 7 for a float mechanism which will be described in more detail with reference to fig. 4. Pipes 3 and 4 are placed directly above each other and interconnected by strut 8.

Røret 3 er i sin ene ende forsynt med en tilslutning 9 for tilførsel av et varmevekslermedium i form av en væske med nedsatt frysepunkt. På lignende måte er røret 4 i sin ene ende forsynt med en tilslutning 10 for bortføring av varmevekslermediet. The pipe 3 is provided at one end with a connection 9 for the supply of a heat exchange medium in the form of a liquid with a reduced freezing point. In a similar way, the pipe 4 is provided at one end with a connection 10 for carrying away the heat exchanger medium.

Som vist på fig. 3 har hvert av varmevekslerrørene 5 form av en hovedsakelig V-formet sløyfe med ben 5a og 5b. Benene 5a danner en nedstrømsdel og benene 5b en oppstrømsdel. Sløyfens spisser 5c når ned til sjøbunnen 11, hvor de er forankret med passende forankringsorganer 12. As shown in fig. 3, each of the heat exchanger tubes 5 has the shape of a mainly V-shaped loop with legs 5a and 5b. The legs 5a form a downstream part and the legs 5b an upstream part. The tips 5c of the loop reach down to the seabed 11, where they are anchored with suitable anchoring means 12.

Det er tenkelig å anordne rørene 3 og 4 på samme dyp, og det It is conceivable to arrange pipes 3 and 4 at the same depth, and that

er også tenkelig å la sløyfene 5 ha annen form enn V-form. it is also conceivable to let the loops 5 have a shape other than V-shape.

Det varmeveksleraggregat som er vist på fig. 2 og 3, innbefatter to grupper, hver på fem rørsløyfer 5, nemlig en gruppe på hver side av rørene 3 og 4. Det er dog underforstått av gruppene i praksis dels kan være flere enn to og dels kan innbefatte et vil-kårlig antall sløyfer. Gruppene av rørsløyfer 5 kan være anordnet innbyrdes symmetrisk eller usymmetrisk på begge sider av rørene. The heat exchanger unit shown in fig. 2 and 3, includes two groups, each of five tube loops 5, namely one group on each side of the tubes 3 and 4. It is, however, understood that the groups in practice may partly be more than two and partly may include an arbitrary number of loops . The groups of pipe loops 5 can be arranged mutually symmetrically or asymmetrically on both sides of the pipes.

Rørene 3 og 4 er som antydet ovenfor, og som vist på fig. 4, The tubes 3 and 4 are, as indicated above, and as shown in fig. 4,

i hver ende forsynt med et hus 7 inneholdende en konvensjonell flottørmekanisme 13. Fra hver flottørmekanisme 13 fører et rør-system 14, hensiktsmessig av plastslanger, ut til ytterluften. Rør-systemet 14 innbefatter en rørledning 14a i hvert av rørene 3 og 4, en rørledning 14b mellom hver flottørmekanisme og det respektive rørs rørledning 14a, en rørledning 14c som forbinder rørledningene 14a med hverandre, samt en rørledning 14d som forbinder rørledningen 14a i røret 4 med friluft via et ikke vist kontrollrom hvor av-luftningsautomatikken kan kontrolleres. at each end provided with a housing 7 containing a conventional float mechanism 13. From each float mechanism 13, a pipe system 14, suitably made of plastic hoses, leads out to the outside air. The pipe system 14 includes a pipeline 14a in each of the pipes 3 and 4, a pipeline 14b between each float mechanism and the respective pipe's pipeline 14a, a pipeline 14c which connects the pipelines 14a to each other, as well as a pipeline 14d which connects the pipeline 14a in the pipe 4 with fresh air via a control room not shown where the automatic deaeration can be checked.

Luft som kommer inn i rørene 3 og 4 eller i varmevekslerrørene 5, blir samlet i husene 7. Gjennom flottørmekanismene 13 strømmer luften deretter gjennom rørsystemet 14 og ut i friluft. Når væske-nivået i husene 7 stiger opp til flottørmekanismen og stenger denne, er avluftningen fullført. Det skal påpekes at denne avluftning skjer automatisk såvel under fylling av væskesystemet som under drift av anlegget. Air that enters the pipes 3 and 4 or the heat exchanger pipes 5 is collected in the housings 7. Through the float mechanisms 13, the air then flows through the pipe system 14 and out into the open air. When the liquid level in the housings 7 rises to the float mechanism and closes it, the venting is complete. It should be pointed out that this venting occurs automatically both during filling of the liquid system and during operation of the plant.

Rørsystemet 14 er innesluttet i rørene 3 og 4 så avluftningen ikke blir påvirket av forurensninger og is rundt rørene 3 og 4 og varmevekslerrørene 5. Avluftningssystemet 14 blir heller ikke utsatt for tilfrysning og mekaniske skader. The pipe system 14 is enclosed in the pipes 3 and 4 so that the deaeration is not affected by contaminants and ice around the pipes 3 and 4 and the heat exchanger pipes 5. The deaeration system 14 is also not exposed to freezing and mechanical damage.

Utløpsledningen 14d er ført gjennom utløpet fra røret 4, hvor varmevekslermediet holder en temperatur over 0°C. Derved blir det forhindret at luftledningen 14d fryser igjen pga. kondens. The outlet line 14d is led through the outlet from the pipe 4, where the heat exchanger medium maintains a temperature above 0°C. This prevents the air line 14d from freezing again due to condensation.

Det lar seg også gjøre å anvende ledningene 14 for å oppdage og lokalisere lekkasje i rørsystemet 3-5 og tilførselsledninger. Feilsøkningen foregår slik at man fra kontrollrommet mater avluftningsledningene 14 med trykkluft. Synker trykket i ledningene, mater man avluftningsledningene med trykkluft inntil luft strømmer ut av lekkasjen og angir hvor denne er. Ved islagt vann vil den utstrømmende luft trekke med seg sjøvann med temperatur over 0°C og smelte isen over lekkasjen. Siden kan man med veiledning i dette reparere lekkasjen. Varmeveksleraggregatets utformning medfører at man ved feilsøkning ikke presser en unødig stor væskemengde med nedsatt frysepunkt ut i sjøen. It is also possible to use the lines 14 to detect and locate leaks in the pipe system 3-5 and supply lines. Fault finding takes place in such a way that the ventilation lines 14 are fed with compressed air from the control room. If the pressure in the lines drops, the ventilation lines are fed with compressed air until air flows out of the leak and indicates where it is. In the case of frozen water, the escaping air will draw in seawater with a temperature above 0°C and melt the ice above the leak. Then, with guidance in this, the leak can be repaired. The design of the heat exchanger unit means that when troubleshooting, you do not push an unnecessarily large amount of liquid with a reduced freezing point into the sea.

Varmeveksleraggregatet ifølge oppfinnelsen kan sammenmonteres på land. Det legges deretter i vannet, hvor det flyter i overflaten. Aggregatet bukseres på plass og tilsluttes eksisterende tilførsels-ledninger og lufteledninger. Rørsløyfene 5 mellom rørene 3 og 4 blir deretter forankret .en ad gangen i sjøbunnen, så rørene flyter i passende nivå under vannflaten. Aggregatet fylles suksessivt med væske for å muliggjøre nedsenkning av rørene. Aggregatets utformning medfører at all luft blir samlet i rørenes avluftningsrom 7, som automatisk blir avluftet i takt med væskefyllingen som antydet tidligere. The heat exchanger unit according to the invention can be assembled on land. It is then placed in the water, where it floats on the surface. The unit is bolted into place and connected to the existing supply lines and ventilation lines. The pipe loops 5 between pipes 3 and 4 are then anchored one at a time in the seabed, so that the pipes float at a suitable level below the water surface. The unit is successively filled with liquid to enable immersion of the pipes. The unit's design means that all air is collected in the pipes' deaeration chamber 7, which is automatically deaerated in time with the liquid filling as indicated earlier.

For å skaffe væskestrømning og sirkulasjon rundt aggregatet kan man forsyne dette med en spesiell anordning som kontinuerlig dels forskyver aggregatet opp og ned og i aksial retning innen rammen av hva aggregatets forankring tillater, og dels bevirker væskestrømning forbi aggregatet. Denne metode kan selvsagt suppleres eller erstattes med luft- og/eller vannpumping til å skaffe vannsirkulasjon rundt aggregatet på vanlig måte. Fordelen ved den sistnevnte metode er at det blir mulig å benytte en billig kompressor med liten kapasitet og lite energiforbruk for å bevirke vannsirkulasjonen. In order to provide fluid flow and circulation around the unit, this can be provided with a special device which continuously partly displaces the unit up and down and in an axial direction within the framework of what the unit's anchoring allows, and partly causes liquid flow past the unit. This method can of course be supplemented or replaced with air and/or water pumping to provide water circulation around the unit in the usual way. The advantage of the latter method is that it becomes possible to use a cheap compressor with a small capacity and low energy consumption to effect the water circulation.

Aggregatet kan utføres slik at man får et optimalt anlegg uavhengig av vanndybde, vannhastigheter og temperaturer. Ved ekstremt grunne vassdrag blir rørsløyfene drevet ned i bunnen til ønsket dybde. The unit can be designed so that you get an optimal system regardless of water depth, water speeds and temperatures. In extremely shallow waterways, the pipe loops are driven down to the bottom to the desired depth.

Oppfinnelsen er ikke begrenset til de viste og beskrevne utførelsesformer, idet et stort antall modifikasjoner av disse er tenkelige innen patentkravenes ramme. The invention is not limited to the embodiments shown and described, as a large number of modifications of these are conceivable within the scope of the patent claims.

Claims

1. Heat exchanger unit with reduced occurrence of air pockets and including a pipe system that is submerged in a lake or similar, from whose water heat is to be transferred to a heat exchanger medium that flows through the pipe system, which includes a distributor (3) for heat exchange medium, a collector (4) for heat exchange medium and a number of heat exchanger tubes (5) connected between the distributor and the collector, while a pump device (1) is arranged to lead the medium under pressure to the distributor , whereby the medium is made to flow through the heat exchanger tubes to the collector and from there back to the pump device, characterized in that each heat exchanger tube (5) includes both a downstream and an upstream part (respectively 5a and 5b), that the distributor (3) and the collector (4) includes means (7, 13) for collecting occurring air in the pipe system, and that deaeration lines (14) are arranged to lead the air from the latter means to the outside air.

2. Aggregate as specified in claim 1, characterized in that the distributor (3) and the collector (4) are arranged at different depths in the water.

3. Aggregate as stated in claim 1, characterized in that the distributor (3) and the collector (4) are arranged at the same depth in the water.

4. Aggregate as specified in claim 1, 2 or 3, characterized in that the distributor (3) and the collector (4) each consist of a mainly horizontally oriented pipe.

5. Aggregate as specified in one of claims 1-4, characterized in that each heat exchanger tube (5) has the form of a tube loop and at least one such tube loop extends deeper into the sea than the distributor (3) and the collector (4).

6. Aggregate as specified in one of claims 1-4, characterized in that at least one of the heat exchanger tubes (5) is anchored on the beach or the bottom of the sea.