NO168726B - Innretning for transport av vaeske som kan kokes. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en innretning for transport av væske som kan kokes av den art som angitt i innledningen til krav 1.

Oppløsningspumpen gir betydelige konstruksjonsmessige vanskeligheter selv om effektforbruket for disse komponentene er forholdsvis lite. Trykkforskjellen som skal overvinnes er avhengig av anvendt stoffpar til kulde- og oppløsningsmiddel. Et stoffpar som anvendes ofte er NH3/H2O, ved hvilket stoffpar det kan opptre trykkforskjell fra 20 bar og mer. Lignende problemer som oppstår ved mange andre stoffpar er dårlig virkningsgrad og kavitasjonsproblemer såvel som uttrengning av kjølemiddel som svært ofte er skadelig for omgivelsen hhv. giftige. Også kostnadene for disse komponentene, spesielt ved store kjøle- hhv. varmeeffekter målt i forhold til anleggets totalkostnad vil være uforholdsmessig høye.

Fra GB 2 019 486 er det kjent en pumpe med et kammer, som delvis er fylt med væske, idet det består en damp/væske-grenseflate mellom to områder med forskjellig temperatur. I væsken befinner seg et flytelegeme, som utfører en oppover-og nedoverrettet bevegelse og som beveger seg mellom nevnte områder slik at væskens damptrykk endrer seg. Denne opp-overrettede og nedoverrettede bevegelsen til flytelegemet bevirkes imidlertid ikke ved temperatur- og trykkendringer, men enten ved vekselspill mellom oppdrift og tyngdekraft til flytelegemet eller ved utnyttelse av strømningskreftene til transportvæsken ved inn- henholdsvis utstrømming på et under flytelegemet anbrakt motstandslegeme.

En slik form for flytelegemebevegelse er av ren teoretisk art og har ikke noe grunnlag innenfor den tekniske virkeligheten. I praksis foregår såvel trykkøkning som også trykkreduksjon Innenfor definerte tidsrom av varmeoverføringsgrunner, som er avhengig i første linje av den tekniske utførelsen, men også av konstruksjonen. Ved disse tidene er flytelegemebevegelsen synkronisert, ellers ville det hele ikke kunne funksjonere. Dette vil kunne realiseres kun ved hjelp av en system-uavhengig ytre drivinnretning.

En innretning av ovenfornevnte art kan ikke muliggjøre en tilfredsstillende arbeidsmåte og den vil, om overhodet realiserbar, heller ikke kunne tilveiebringe noen brukbar virkningsgrad. F.eks. kan en trykkreduksjon ved kjøling med den transporterte væsken ikke foregå innenfor et kort tidsrom. Det beskrives i ovennevnte publikasjon at strøm-ningskreftene ved innstrømning av væsken i kammeret også kan utnyttes for andre formål, men nettopp da må varmebort-føringen fra en væske foregå fra tydelig lavere temperatur enn temperaturen til den innstrømmende væsken, da enhver strømningstilførsel krever en trykkforskjell.

Foreliggende oppfinnelse har derimot til oppgave å sørge for at fortrengningslegemet kan beveges periodisk av ytre kraftpåvirkning og at beholderveggene er oppdelt i soner med økende temperatur, idet sonen mellom den nederste (kaldeste) og den øverste (varmeste) sonen er utformet som regenerative soner. Herved kan på en fordelaktig måte tilveiebringes en arbeidsmåte med god effekt og også en spesielt økonomisk arbeidsmåte.

Innretningen ifølge ovenfornevnte publikasjon har derimot en annen oppbygning og en annen arbeidsmåte og et annet resultat.

Fra DD-219 969 er kjent en fremgangsmåte for å drive absorpsjonsvarmepumper ved hvilke det anvendes en som membranpumpe utformet oppløsningspumpe med en termisk drivdel for å spare elektrisk energi. Oppløsningspumpen består av en lukket beholder fylt med en tostoffblanding av ammoniakk og vann, i hvilken beholder er anordnet en varmeveksler drevet periodisk med kald damp fra fordamperen og varmt medium fra varmepumpekretsløpet.

Ved en innretning av denne art er det nødvendig å varme opp og avkjøle periodisk to varmevekslere. Dette betinger uunngåelig en treg og mindre økonomisk arbeidsmåte da hele det oppvarmende og avkjølende varmevekslersystemet må bli oppvarmet henholdsvis avkjølt. Det er også nødvendig å ha stadig for hånden membraner som har en begrenset levetid og hvilken erstatning krever en demontering av hele anordningen.

Foreliggende oppfinnelse har derfor til oppgave å tilveiebringe en innretning av den innledningsvis nevnte art hvor det ikke er nødvendig med de sterkt utsatte slitasjedelene, spesielt membraner, og ved hvilke det kan tilveiebringes en hurtigere og mer økonomisk arbeidsmåte enn ved tidligere kjente innretninger.

Ovenfornevnte oppgave blir tilveiebrakt ved hjelp av foreliggende oppfinnelse hvis karakteristiske trekk fremgår av krav 1.

Ytterligere foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen fremgår av de øvrige kravene.

I det påfølgende skal oppfinnelsen beskrives nærmere med henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1-4 viser innretninger for utførelse av fremgangsmåten i fire forskjellige driftstilstander.

Innretningen består av en beholder 1, som omslutter et arbeidsrom 2, I hvilket er tilpasset en fortrenger 3 slik at mellom veggen til beholderen 1 og fortrengeren 3 er en smal sylinderspalte 4. Fortrengeren 3 får via en drivinnretning 5 en oscillerende translasjonsbevegelse innenfor arbeidsrommet 2. Veggen 6 såvel som bunnen 7 og dekselet 8 til beholderen er på egnet måte utformet f.eks. dobbeltvegget og oppdelt slik at det kan foretas en adskilt varmeveksling dersom den gjennomstrømmes av medier med tilsvarende temperatur. Dermed stiger veggtemperaturen til beholderen 1 i aksial retning oppover. For dette formål er veggene f.eks. oppdelt og gjennomstrømmes av fluidum av forskjellig temperatur slik at i den nedre delen av beholderen dannes en "kald sone" og i toppen av beholderen 1 en "varm sone". Veggdelen 9 mellom dekselet 8 og bunnen 7 er på ene siden utformet på egnet måte som regenerativ varmeveksler slik at det innstiller seg en temperaturgradient i sylinderakseretningen og på andre siden blir hulrommet til veggdelen 9 gjennomstrømmet av væsken brakt på høytrykk etter avsluttet arbeidssyklus til en seg tilsluttende varmeveksler. I nedre del av beholderen 1 befinner seg en innløpsåpning 10 til en lavtrykksdel til et (ikke vist) sorpsjonsanlegg såvel som en utløpsåpning 11 til høytrykksventilen til sorpsjonsanlegget, idet begge åpningene er forsynt med respektive tilbakeslagsventiler 12, 13.

Innenfor sylinderspalten 4 mellom veggen til beholderen 1 og fortrengeren 3 dannes i avhengighet av posisjonen til fortrengeren 3 et væskenivå, som kan bli ansett som fase-grense mellom det øvre damprommet og det nedre væskerommet, da (som skal bli beskrevet nærmere senere) det alltid forblir en restmasse av væske og dampformet fase i systemet. Ved hjelp av temperatursjiktene I beholderveggen blir med hver endring i væsketilstanden i den smale sylinderspalten 4 mellom beholderen 1 og fortrengeren 3 tilveiebrakt en varmetilførsel hhv. en bortføring og dermed en temperatur-endring i faseskillesjiktet. Temperaturen til dette skille-sjiktet, ved hvilket det i idealtilfellet stadig hersker en faselikevekt, er alene bestemmende for trykket i total-beholderen 1, idet det tilnærmet er tilordnet et diskret nivå for ett bestemt beholdertrykk. Blir altså ved en bevegelse av fortrengeren 3 nivået til fasegrensen forskjøvet endres på samme måte beholdertrykket. Transportforløpet er forklart av enkelhetens skyld ved hjelp av en absorpsjonsvarmepumpe med stoffpar NH3/H2O, idet den i det følgende beskrevne fremgangsmåte ikke bare kan anvendes på tostoffblanding. I det påfølgende blir driftsmåten til en absorpsjonsvarmepumpe ansett som tilstrekkelig kjent slik at denne ikke skal bli beskrevet nærmere.

Innretningen har til oppgave å transportere oppløsningen anriket av kjølemiddel, som går ut av absorberen med lavere absorbertrykk (f.eks. 4 bar) til generatoren som befinner seg på høytrykk (f.eks. 20 bar). Derved skal trykket til væsken bli øket, men ikke temperaturen, for å holde energiforbruket så lavt som mulig. For å muliggjøre en inngang i lavtrykks-oppløsningen blir den i systemet tilbakeblivende blanding av damp og væske underkjølt i den kalde sonen i forhold til inngangstemperaturen til denne oppløsningen, idet beholderbunnen 7 gjennomstrømmes med kjølevann, som f.eks. er avgrenet før absorberen og derfor er kaldere enn oppløsningen som betraktes her, slik at i beholderen 1 innstiller det seg et relativt undertrykk (f.eks. 3,8 bar) i forhold til absorberen hvorved tilbakeslagsventilen 12 i innløpsåpningen 10 åpnes. For å kunne skyve væsken transportert på høytrykk fra beholderen 1 må det i beholderen 1 bli frembrakt et relativt overtrykk i forhold til generatoren (f.eks. 20,2 bar) for at tilbakeslagsventilen 13 i utløpsåpningen 11 åpnes. Dette foregår ved anleggsintern varmeveksling, idet det varme dekselet 8 til beholderen 1 gjennomstrømmes av en væske, hvilken temperatur er høyere enn likevektstemperaturen til kjølemiddelet ved dette trykket, f.eks. den avgassede oppløsningen etter generatorutgangen. I det følgende blir tilstandsendringene til kretsprosessen for det betraktede systemet beskrevet nærmere med henvisning til fig. 1 til 4.

På fig. 1 er en tilstand (1), som tilsvarer fortrengeren 3 i nedre hvilestilling vist. Dampvolumet i den øvre delen av beholderen 1 utgjør styrevolumet, som i det påfølgende gjennomstrømmer en kretsprosess. Faseskillingsnivået befinner seg i den varme sonen. Det hersker dermed i beholderen 1, hvilket deksel 8 oppvarmes med en prosessintern væske av egnet temperatur, et relativt overtrykk i forhold til generatoren til sorpsjonsanlegget slik at tilbakeslagsventilen 13 i utløpskanalen 11 åpnes. Blir nå fortrengeren 3 beveget oppover endrer seg faseskillesjiktet mellom væsken som forblir i arbeidsrommet og den tilhørende dampfasen i retning mot lavere temperatur. Da begge tilbakeslagsventilene 11, 12 lukkes ved tilstandsendring fra (1) til (2) forløper dette isokorisk. En del av styrevolumet, som ved tilstand (1) var dampformet, blir ved denne tilstandsendringen væskeformet og avgir derved til varmebeholderen varmemengden qi2» som lagres I beholderveggen.

Har væskenivået nådd den kalde sonen (tilstand (2) på fig. 2) som avkjøles med kjølevann med lavere temperatur enn oppløsnings-inngangstemperaturen så synker beholdertrykket under absorbertrykket hvorved tilbakeslagsventilen 12 i innløpsåpningen 10 åpnes og det forhindres en ytterligere reduksjon av væskenivået og dermed beholdertrykket. Mens fortrengeren 3 beveges videre oppover fyller seg beholderen 1 med lavtrykksoppløsning. Derved forblir væskenivået uendret (isobar, isoterm fortetning). Fortrengeren 3 beveger seg nå videre oppover inntil den øvre hvilestillingen (3) ifølge fig. 3, og damper fortrengt fra styrevolumet blir derved væskeformet idet varmemengden qg3 bortføres til kjølevannet, som gjennomstrømmer beholderbunnen 7.

Nå er nesten hele kontrollvolumet blitt væskeformet fra tilstand (1). Ved den påfølgende arbeidsbevegelsen til fortrengeren 3 lukkes tilbakeslagsventilen 12 i innløpsåpnin-gen 10, da faseskillesjiktet fortrenges inn i den varme sonen slik at beholdertrykket stiger. Inntil maksimaltrykket (tilstand (4) tilsvarende fig. 4) nås, forløper denne tilstandsendringen isokorisk, idet væsken som stiger i sylinderspalten 4 opptar varmen q34 slik at en del av styrevolumet som er blitt væskeformet igjen kan fordampes. Varmemengden q34 er betydelig mindre enn varmemengden qi2» som ble lagret av beholderveggen, slik at her kan det bli foretatt en regenerativ varmeutveksling. Ved et mindre overtrykk i forhold til generatortrykket åpnes tilbakeslagsventilen 13 i utløpsåpningen 11, og oppløsningen blir fortrengt for den nedre delen av beholderen 1 inn i generatoren gjennom en ytterligere nedoverrettet bevegelse av fortrengeren 3 under opprettholdelse av høytrykket. Derved må i det varme dekselet 8 bli tilført varmen q4i fra den i den øvre delen av beholderen gjennomstrømmede oppløsning, hvorved et ytterligere kondensat fra styrevolumet igjen kan fordampes.

Har fortrengeren 3 nådd den nedre hvilestillingen så er hele oppløsningen minus den i sylinderspalten 4 resterende hvilemengde, som er nødvendig for opprettholdelse av høytrykket, blitt fortrengt inn i generatoren. Dermed er utgangsstlllingen (1) gjenopprettet. Den transporterte mengden eller en delstrøm derav kan bli ført i løpet av fortrengningen inn i høytrykksdelen gjennom hulrommet i beholderveggen og derved oppta restvarmen <q>^2 ~ ^34•

Energiforbruket for drift av den beskrevne innretningen ved ideell prosessføring består av tilførsel av den spesifikke varmemengden q4^ såvel som det forholdsvis mindre volumendringsarbeidet P23» som utgjør væsken i styrevolumet som strømmer inn i beholderen 1. Prosessen leverer volumendringsarbeidet P41 til den fortrengte væsken såvel som varmen q23. som blir avgitt ved det her beskrevne eksempel til en absorpsjonsvarmepumpe som bruksvarme til den på forbrukssiden anordnede varmebærer, såvel som forskjellen mellom varme-strømmende - q34. Merforbruket av høytemperaturvarme, som i tillegg må bli frembrakt av primærenergi i generatoren til en varmepumpe utgjør:

Med dette forbruket kan volumendringsarbeidet Pjfutz bli tilveiebrakt. Dessuten reduseres varmen q23 til nyttetempera-turnivået.

For bevegelse av fortrengeren 3 er det 1 ldealtilfellet ikke nødvendig med noen energi, da denne delen ikke utgjør noe arbeid. I praksis er det imidlertid nødvendig å overvinne friksjonskrefter såvel som massekrefter, hvilke størrelser er avhengig av den tekniske utførelsen av drivinnretningen 5 til den beskrevne innretningen. Denne drivinnretningen kan imidlertid også være påvirket internt i anlegget da den potensielle energien til den rike oppløsningen, som befinner seg i høytrykk, fra generatoren, som før innløp i absorberen omformes til tapsvarme ved lavtrykk i en drosselinnretning kan istedenfor dette bli utnyttet.

Utformingen av den på fig. 1 og 2 viste drivinnretning 5 er kun et utførelseseksempel. Som fig. 3 viser kan også en hydraulisk fortrengningsenhet 20 bli anvendt for bevegelse av fortrengningslegemet 3, som utnytter trykkenergien til det flytende transport- hhv. oppløsningsmiddelet.

På fig. 4 er vist en elektromagnetisk drivinnretning 30 for periodisk frem- og tilbakegående bevegelse av fortrengningslegemet 3, som kan være anordnet innenfor fortrengningslegemet 3 hvorved det tilveiebringes den spesielle fordelen at arbeidsrommet 2 er fullstendig lukket slik at det sikres en uønsket utgang av væske.

Ved hjelp av foreliggende oppfinnelse sikres en spesielt gunstig arbeidsmåte i og med at det er unødvendig med membran, som er en del som utsettes for sterk slitasje. Dessuten har innretningen ifølge oppfinnelsen en fordel ved at den er spesielt hurtig og økonomisk.

Claims (4)

1. Innretning for transport av væske som kan kokes med en beholder forsynt med lukkbart til- og avløp, hvis indre flater i nedre område har en lavere temperatur enn det øvre området, og idet et fortrengningslegeme kan beveges opp og ned i beholderen slik at grensesjiktvæske-dampen transporteres i soner med forskjellig temperatur, karakterisert ved at fortrengningslegemet er periodisk bevegelig ved hjelp av en ytre kraftpåvirkning og at den ytre veggen til beholderen er oppdelt i soner med økende temperatur, idet sonen mellom den nederste (kaldeste) og den øverste (varmeste) sonen er utformet som regenerative soner.

2. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at den er bygd inn for transport av oppløsnings- og eller transportmiddel i et sorpsjonsanlegg (absorpsjonskulde-maskin, -varmepumpe eller -varmetransformator såvel som resorpsjonskuldemaskin, -varmepumpe eller -varmetransformator ).

3. Innretning ifølge krav 2, karakterisert ved en hydraulisk fortrengningsinnretning for bevegelse av fortrengningslegemet gjennom trykkenergien til det flytende transport- hhv. oppløsningsmiddelet.

4. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved en elektromagnetisk drivinnretning for periodisk oppover- og nedoverbevegelse av fortrengningslegemet.