NO152062B

NO152062B - PROCEDURE FOR USING A HEAT PUMP AA RECOVERED HEAT ENERGY FROM SEA WATER AND COMPARABLE WATER MASS.

Info

Publication number: NO152062B
Application number: NO831620A
Authority: NO
Inventors: Lennart Litzberg
Original assignee: Skandinavisk Installasjonssamo
Priority date: 1981-09-16
Filing date: 1983-05-06
Publication date: 1985-04-15
Also published as: FI71416C; SE8105501L; FI831640L; FI71416B; EP0089988B1; EP0089988A1; WO1983001102A1; NO152062C; SE428154B; FI831640A0; SE428154C; DE3262340D1; NO831620L

Description

Denne oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for utvinning av varmeenergi fra sjøvann og sammenlignbare vannmasser. This invention relates to a method for extracting heat energy from seawater and comparable bodies of water.

På grunn av risikoen for minskende tilganger, både perio-devis og på lang sikt, av i dag anvendelige energiformer, særlig olje, og de dermed sammenhengende høye og stadig mer øken- Due to the risk of diminishing supplies, both periodic and in the long term, of today's applicable forms of energy, particularly oil, and the associated high and increasingly increasing

de priser på tilgjengelige energiformer, har det spesielt for oppvarmningsformål blitt mer og mer attraktivt å søke å ivare- the prices of available forms of energy, it has become more and more attractive, especially for heating purposes, to seek to

ta den i naturen lagrete lavverdige varmeenergi. Foruten direkte å utnytte solvarmen søker man således, særlig på nordlige-re breddegrader, ved hjelp av varmepumpeteknikken blant annet for oppvarmningsformål å benytte den varme som finnes i luften, jorden og vannet. take the low-grade heat energy stored in nature. In addition to directly utilizing the sun's heat, one seeks, especially in northern latitudes, with the help of heat pump technology, among other things, to use the heat found in the air, the earth and the water for heating purposes.

På nordlige breddegrader faller dessverre tilgangen på varmere lufttemperaturer sjelden sammen med behovet for oppvarm-ning, hvorfor fremgangsmåten å ta vare på luftens varmeenergi har vist seg å være mindre økonomisk forsvarlig i forbindelse méd varmepumpeteknikk. In northern latitudes, unfortunately, access to warmer air temperatures rarely coincides with the need for heating, which is why the method of taking care of the air's heat energy has proven to be less economically sound in connection with heat pump technology.

Man har utviklet fremgangsmåter for å søke å utnytte jord-varmen som på frostfritt dybde ikke underskrider _+ 0°C. Den i sommerhalvåret opptatte og i jorden lagrete varmeenergi kan utnyttes i vinterhalvåret. I prinsipp tas vare på varmeenergien ved at mange lange slanger eller ledninger forlegges på hensiktsmessig dybde, og en varmebærer (f .eks. vann og glykol) sir-kuleres i slangen for å oppta den i jorden opplagrede varmeenergi for avgivelse av samme til fordamperen i en varmepumpe. Methods have been developed to seek to utilize the earth's heat, which at a frost-free depth does not fall below _+ 0°C. The heat energy absorbed in the summer and stored in the ground can be utilized in the winter. In principle, the heat energy is taken care of by laying many long hoses or wires at an appropriate depth, and a heat carrier (e.g. water and glycol) is circulated in the hose to absorb the heat energy stored in the earth for release of the same to the evaporator in a heat pump.

En parallell eller et alternativ til disse metoder er iste-denfor i Vinterhalvåret å ta vare på den varmeenergi som under årets varmeste periode oppsamles i hav, sjøer og vassdrag. A parallel or an alternative to these methods is, therefore, in the Winter half-year to take care of the heat energy that is collected in seas, lakes and waterways during the hottest period of the year.

I årets kaldere deler er relativt sett varmen konstant på den dybde som er av betydning for den berørte vannmasse. Varmeenergien tas i praksis vare på også her ved at slanger eller rørledninger legges ut på bunnen av sjøen med en varmebærer som avgir den opptatte varmeenergi til varmepumpens fordamper. In the colder parts of the year, the heat is relatively constant at the depth that is important for the affected body of water. In practice, the heat energy is taken care of here as well, by laying hoses or pipelines on the bottom of the sea with a heat carrier that emits the captured heat energy to the heat pump's evaporator.

Bortsett fra rent tilvirkningstekniske problemer og vans-keligheter i forbindelse med installasjonen, foruten krav på store mark- respektive bunnarealer, eksisterer også store driftstekniske problemer ved de to sistnevnte metoder. Apart from purely manufacturing technical problems and difficulties in connection with the installation, in addition to requirements for large land and bottom areas, there are also major operational technical problems with the latter two methods.

Jordmassen rundt ledningen holder, som nevnt, en temperatur noe over +_ 0°C, normalt +1 til +2°C. Ved at varme trans-porteres bort med varmebæreren, vil temperaturen i omgivende jordmasse synke hele tiden. Det oppnås temperaturer under + 0°C, hvilket medfører isdannelse rundt ledningen med etterfølgende dårligere virkningsgrad. As mentioned, the soil mass around the line maintains a temperature somewhat above +_ 0°C, normally +1 to +2°C. As heat is transported away with the heat carrier, the temperature in the surrounding soil will drop all the time. Temperatures below + 0°C are reached, which causes ice to form around the wire with subsequent poorer efficiency.

Motsvarende kan sies å gjelde for ledninger i sjøen. I vinterhalvåret (med tidsforskyvninger beroende på klima og bred-degrad) holder sjøvannet en temperatur på ca. +1 til +2°C. På grunn av at vannet rundt ledningen som ligger på bunnen kan væ-re mer eller mindre stillestående, kommer ved borttransporten av varmeenergi temperaturen til å synke og is vil dannes på ut-siden av ledningen, hvilket innebærer en isolering av ledningen med svekkelse av dennes varmegjennomgangstall og dermed anleg-gets virkningsgrad. The same can be said to apply to cables in the sea. In the winter months (with time shifts depending on climate and latitude) the seawater maintains a temperature of approx. +1 to +2°C. Due to the fact that the water around the cable lying on the bottom can be more or less stagnant, during the transport away of heat energy the temperature will drop and ice will form on the outside of the cable, which means an insulation of the cable with a weakening of its heat transfer rate and thus the plant's efficiency.

Ledninger utsettes også for en utvendig tilsmussing ved bl.a. på grunn av alger, hvilket også reduserer virkningsgraden. Cables are also exposed to external soiling by e.g. due to algae, which also reduces the efficiency.

Gjennom den foreliggende oppfinnelse, slik denne fremgår Through the present invention, as it appears

i patentkravenes karakteristiske deler, er det mulig i kombina-sjon med varmepumpeteknikk kontinuerlig å ta vare på sjøvannets eller sammenlignbare vannmassers varmeenergi i den kaldere periode av året, og derved å velge dimensjonerende data slik at sjø-vann med temperatur nær frysepunktet kan utnyttes med fullt in-stallert varmepumpeeffekt uten hindring av isdannelse. in the characteristic parts of the patent claims, it is possible, in combination with heat pump technology, to continuously take care of the thermal energy of seawater or comparable bodies of water in the colder period of the year, and thereby to select dimensioning data so that seawater with a temperature close to the freezing point can be fully utilized installed heat pump effect without preventing ice formation.

Dette innebærer at fullt energiuttak kan foregå også under årets kaldeste periode, f.eks. i månedene januar, februar og mars . This means that full energy extraction can also take place during the coldest period of the year, e.g. in the months of January, February and March.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere i form av et eksempel med henvisning til tegningene, hvor fig. 1 meget skjematisk vi-ser et anlegg til utførelse av oppfinnelsen, og fig. 2 en an-nen utforming av anlegget. The invention shall be explained in more detail in the form of an example with reference to the drawings, where fig. 1 very schematically shows a plant for carrying out the invention, and fig. 2 a different design of the facility.

En varmeveksler 3 plasseres direkte i sjøvannet (fig. 1). En varmebærer, f .eks. en blanding av vann og glykol, pumpes av en pumpe 6 fra varmeveksleren 3 gjennom ledningen 7 og 11 til fordamperen i en i og for seg kjent og her ikke nærmere beskrevet varmepumpe 8. Fra varmepumpen ledes varmebæreren igjen gjennom ledningene 9 og 12 til varmeveksleren 3. En shuntled-ning 10 forbinder ledningene 7 og 9 med hverandre, idet den går forbi fordamperen. Med 4 er betegnet generelt de ledninger som forbinder varmepumpens kondensator med det eller de oppvarmningssystemer som betjenes av varmepumpen. 13 betegner sjøvannets overflate. Varmeveksleren 3, i hvilken sjøvannets varme opptas av varmebæreren, kan hensiktsmessig være av den type der varmebæreren strømmer i konsentrisk i hverandre anordnede rørviklin-ger, mellom hvilke sjøvannet strømmer. Ved hjelp av børster som er anordnet på armer som er svingbare rundt en aksel belig-gende på viklingenes felles senterlinje, er det mulig å holde viklingenes varmevekslerflater rene for forurensninger fra sjø-vannet samt hindre igjengroing av disse med alger og andre vann-vekster, samtidig som sjøvannet tvinges til å strømme langsetter og gjennom viklingene. Børstearmenes rotasjonsbevegelse tilveie-bringes av en drivmotor, f.eks. elektrisk eller hydraulisk mo-tor, som i sistnevnte tilfelle kan drives av det pumpedrevne varmebærersystemet. A heat exchanger 3 is placed directly in the seawater (fig. 1). A heat carrier, e.g. a mixture of water and glycol is pumped by a pump 6 from the heat exchanger 3 through lines 7 and 11 to the evaporator in a heat pump 8 known per se and not described in detail here. From the heat pump, the heat carrier is led again through lines 9 and 12 to the heat exchanger 3 A shunt line 10 connects the lines 7 and 9 to each other, as it passes the evaporator. 4 generally refers to the lines that connect the heat pump's condenser with the heating system(s) served by the heat pump. 13 denotes the surface of the sea water. The heat exchanger 3, in which the seawater's heat is taken up by the heat carrier, can suitably be of the type where the heat carrier flows in concentrically arranged tube windings, between which the seawater flows. With the help of brushes which are arranged on arms which can be pivoted around an axle located on the common center line of the windings, it is possible to keep the heat exchanger surfaces of the windings clean of contamination from the sea water and to prevent their overgrowth with algae and other aquatic growth, at the same time as the seawater is forced to flow along the length and through the windings. The rotational movement of the brush arms is provided by a drive motor, e.g. electric or hydraulic motor, which in the latter case can be driven by the pump-driven heat carrier system.

Varmeveksleren er forsynt med en innløpsåpning for sjøvann The heat exchanger is equipped with an inlet opening for seawater

i bunnen av veksleren. Denne åpning kan tilkobles en ledning som munner ut på passende dypt sted for vinterstid å utnytte vannets største varmekapasitet. Prinsippet for slike varmeveks-lere er beskrevet i svensk patent 77 06927-6 og svensk patent-søknad 79 08805-0. at the bottom of the exchanger. This opening can be connected to a line that empties into a suitable deep place in winter to utilize the water's greatest heat capacity. The principle for such heat exchangers is described in Swedish patent 77 06927-6 and Swedish patent application 79 08805-0.

Om det finnes mer hensiktsmessig å plassere varmeveksleren på annet sted enn i sjøen (fig. 2) kan sjøvannet pumpes gjennom en ledning 1 ved hjelp av en pumpe 2 til en varmeveksler 3 If it is found more appropriate to place the heat exchanger somewhere other than in the sea (fig. 2), the seawater can be pumped through a line 1 using a pump 2 to a heat exchanger 3

og tilbake til sjøen gjennom en ledning 5. Ledningens 1 innløp er plassert i sjøen på et slikt sted hvor høyeste temperatur råder i vinterhalvåret. and back to the sea through a line 5. Line 1's inlet is placed in the sea at such a place where the highest temperature prevails in the winter.

Ledningens 5 utløp kan prinsipielt sett være plassert hvor som helst, men i avstand fra innløpet, slik at vannmassen om-kring dette ikke påvirkes av utløpsvannets temperatur. På samme måte som beskrevet ovenfor pumpes en varmebærer ved hjelp av en pumpe 6 fra varmeveksleren 3 gjennom ledningene 7 og 11 til fordamperen i en varmepumpe. Fra denne ledes varmebæreren igjen gjennom ledningene 9 og 12 til varmeveksleren 3. En shuntled-ning går forbi fordamperen og forbinder ledningene 7 og 9 med hverandre uten å gå om fordamperen. 4 betegner generelt de ledninger som forbinder varmepumpens kondensator med det eller . de oppvarmningssystemer som betjenes av varmepumpen. 13 betegner sjøvannets overflate og 14 b/etegner sjøvannets overflate inne i varmeveksleren. The outlet of the line 5 can in principle be located anywhere, but at a distance from the inlet, so that the mass of water around this is not affected by the temperature of the outlet water. In the same way as described above, a heat carrier is pumped using a pump 6 from the heat exchanger 3 through the lines 7 and 11 to the evaporator in a heat pump. From this, the heat carrier is led again through lines 9 and 12 to the heat exchanger 3. A shunt line goes past the evaporator and connects lines 7 and 9 to each other without going around the evaporator. 4 generally denotes the lines that connect the heat pump's condenser with it or . the heating systems operated by the heat pump. 13 denotes the surface of the seawater and 14 b/denotes the surface of the seawater inside the heat exchanger.

En plassering av varmeveksleren hvor gjennomstrømning av sjøvannet skjer ved hjelp av en pumpe, kan f.eks. være som følger. A location of the heat exchanger where seawater flows through with the help of a pump, can e.g. be as follows.

I den kalde del av året pumpes sjøvannet, f.eks. med en temperatur på +2°C gjennom ledningen 1. Sjøvannet som pumpes med forholdsvis stort gjennomstrømningsvolum, avgir i varmeveksleren 3 varme til varmebæreren og forlater veksleren gjennom ledningen 5 ved en temperatur av +1,5°C. Varmebæreren med noe mindre gjennomstrømningsvolum når varmeveksleren 3 ved en temperatur på -1°C, opptar i varmeveksleren varme fra sjøvannet og forlater ifølge eksemplet varmeveksleren en grad varmere, dvs. ved + 0°C. Varmebæreren har denne temperatur når den gjen-nomledningen 11 når varmepumpens 8 fordampningsflater. I fordamperen avgis varme (antatt fordampningstemperatur -7°C) og varmebæreren forlater fordamperen gjennom ledningen 12 med en temperatur på -4°C. Strømmen gjennom fordamperen er omtrent 1/4 av varmebærerstrømmen gjennom varmeveksleren og denne del av varmebæreren med -4°C, vil etter shuntledningen 10 blandes med den resterende, shuntede del av varmebæreren med 0°C i ledningen 9, hvorfor temperaturen hos varmebæreren når denne når varmeveksleren 3, er den tidligere nevnte temperatur på -1°C. Ved at det i samsvar med oppfinnelsen benyttes sjøvann med tvun-gen gjennomstrømning og med stort gjennomstrømningsvolum i kom-binasjon med en bærer likeledes med stor strømning som til dels shuntes forbi fordamperen hos varmepumpen, er det mulig å nær-me seg frysepunktet uten at is vil dannes på varmevekslerflåte-ne. I shuntledningen 10 er hensiktsmessig en shuntventil anordnet slik at varmetilførselen til fordamperen kan styres ved hjelp av ventilen, hensiktsmessig holdes konstant eller varie-res etter belastningsbehov, avhengig av innen visse grenser va-rerende temperaturer på sjøvannet og dermed varmebæreren. In the cold part of the year, the seawater is pumped, e.g. with a temperature of +2°C through line 1. The seawater, which is pumped with a relatively large flow volume, emits heat in heat exchanger 3 to the heat carrier and leaves the exchanger through line 5 at a temperature of +1.5°C. The heat carrier with a somewhat smaller flow volume reaches the heat exchanger 3 at a temperature of -1°C, absorbs heat from the seawater in the heat exchanger and, according to the example, leaves the heat exchanger one degree warmer, i.e. at + 0°C. The heat carrier has this temperature when the through-line 11 reaches the heat pump's 8 evaporation surfaces. Heat is emitted in the evaporator (assumed evaporation temperature -7°C) and the heat carrier leaves the evaporator through line 12 with a temperature of -4°C. The flow through the evaporator is approximately 1/4 of the heat carrier flow through the heat exchanger and this part of the heat carrier with -4°C, will after the shunt line 10 mix with the remaining, shunted part of the heat carrier with 0°C in the line 9, which is why the temperature of the heat carrier reaches this when the heat exchanger 3 reaches the previously mentioned temperature of -1°C. By using, in accordance with the invention, seawater with forced flow and with a large flow volume in combination with a carrier as well as with a large flow that is partly shunted past the evaporator of the heat pump, it is possible to approach the freezing point without ice will form on the heat exchanger rafts. In the shunt line 10, a shunt valve is suitably arranged so that the heat supply to the evaporator can be controlled with the help of the valve, suitably kept constant or varied according to load requirements, depending on the temperatures of the seawater and thus the heat carrier lasting within certain limits.

I det tilfelle at ledningene 11 og 12 er lange, f.eks. beroende på byggetekniske årsaker, vil strømningsmotstanden i disse ledninger bli alt for stor for at en regulert shunting i ledningen 10 skal være mulig ved hjelp av bare en shuntventil. For i slike tilfeller å kunne tilveiebringe en nøyaktig shunting anordnes f .eks. i ledningen 11 en pumpe, som antydet stre-ket ved 15 på fig. 2, ved hjelp av hvilken pumpe strømmen gjennom ledningene 11,12 kan reguleres. In the event that the wires 11 and 12 are long, e.g. depending on construction engineering reasons, the flow resistance in these lines will be far too great for a regulated shunting in the line 10 to be possible with the help of only one shunt valve. In order to be able to provide accurate shunting in such cases, e.g. in line 11 a pump, as indicated by the line at 15 in fig. 2, by means of which pump the flow through the lines 11,12 can be regulated.

Det er mulig innenfor rammen av oppfinnelsen til og med å tillate en kontrollert, begrenset isdannelse i varmeveksleren 3 avhengig av ytre forhold, vanntemperatur og varmebærer-type. Oppfinnelsen er heller ikke begrenset til den viste plassering av varmeveksleren, men denne kan naturligvis også anordnes under vannflaten. It is possible within the scope of the invention to even allow a controlled, limited ice formation in the heat exchanger 3 depending on external conditions, water temperature and heat carrier type. The invention is also not limited to the location of the heat exchanger shown, but this can of course also be arranged below the water surface.

Claims

1. Procedure for extracting heat energy from sea-water and comparable bodies of water, characterized by the fact that the seawater is conveyed in a constant or variable flow from a place in the body of water appropriately chosen with regard to the temperature conditions to a heat exchanger (3) and then back to the sea, that a heat-carrying medium is pumped through the heat exchanger (3) and to an inlet line (7,11) to an evaporator for a heat pump (8) known per se and through a return line (12,9) back to the heat exchanger (3), whereby the medium is pumped in a flow that is greater than "the flow of the medium through the evaporator and that part of the medium is led from the supply line (7) past (10) the evaporator and to the return line (9), and that the flow of the seawater is at least as great as that of the medium.

2. Method according to claim 1, characterized in that part of the medium is led controllably from the supply line (7) past the evaporator to the return line (9) by means of a shunt valve.

3. Method according to claim 1, characterized in that part of the medium is led controllably from the supply line (7) past the evaporator to the return line (9) by means of a pump in the line between the evaporator and the passage of the medium through it.