NO318864B1 - Forbedret varmepumpesystem - Google Patents

Description

Oppfinnelsens gyldighetsområde

Den foreliggende oppfinnelsen dreier seg om et varmepumpesystem med dampkompresjon som innbefatter en kompressor, en varmeavgiver, et ekspansjonsinnretning og en varmeopptaker koblet i en lukket sirkulasjonskrets som kan kjøres med overkritisk trykk på høytrykksiden og ha karbondioksid eller en blanding som inneholder karbondioksid som kjølemiddel i systemet.

Beskrivelse av gjeldende teknologi og bakgrunnen for oppfinnelsen Konvensjonelle dampkompresjonssystemer avgir varme ved kondensasjon av kuldemidlet ved et underkritisk trykk som fås av metningstrykket ved den gitte temperaturen. Hvis det brukes et kuldemiddel med lav kritisk temperatur, for eksempel C02, er trykket ved varmeavgivelsen overkritisk hvis temperaturen i kjølelegemet er høy, for eksempel høyere enn den kritiske temperaturen i kjølemidlet, for å oppnå effektiv drift av systemet. Driftssyklusen vil da være transkritisk, for eksempel som kjent fra WO 90/07683.

WO 94/14016 og WO 97/27437 beskriver begge en enkel krets for å realisere et slikt system, som i grunnleggende trekk består av en kompressor, en varmeavgiver, et ekspansjonsmiddel og en evaporator koblet sammen i en lukket krets. C02 er det foretrukne kuldemidlet for begge. Varmeavgivning ved overkritisk trykk vil føre til at temperaturen i kjølemidlet forandrer seg. Dette kan brukes til å lage effektive systemer for varmtvannstilførsel, f.eks. som kjent fra US 6,370,896 B1.

Luft fra omgivelsene er en billig varmekilde som er tilgjengelig nesten over alt. Med luft som varmekilde får dampkompresjonssystemer ofte en enkel utforming som er kostnadseffektiv. Med ved høye temperaturer i omgivelsene blir utgangstemperaturen fra kompressoren lav, for eksempel rundt 70 °C for en transkritisk C02-syklus. Ønsket temperatur på varmtvann er ofte 60-90 °C. Utgangstemperaturen kan heves ved å øke utgangstrykket, men dette vil redusere ytelsen i systemet. En annen ulempe med høyere trykk er at komponentene blir dyrere fordi de må utformes for det høyere trykket.

En annen ulempe som opptrer ved høy temperatur i omgivelsene er at det ikke er mulig å overhete innsugningsgassen til kompressoren, noe som normalt gjøres med en indre varmeveksler, så lenge fordampningstemperaturen er høyere enn kuldemiddeltemperaturen i utløpet fra varmeavgiveren. Dermed kan man risikere å få væske inn i kompressoren.

En strategi for å løse disse problemene er å regulere fordampningstemperaturen slik at den alltid ligger under kjølemiddeltemperaturen i utløpet fra varmeavgiveren. Dette vil gjøre overheting av innsugningsgassen mulig og også heve temperaturen i kompressorutløpet for høyere varmtvannsproduksjon, men energieffektiviteten i systemet vil være dårlig siden innsugningstrykket vil være lavere enn det som er nødvendig.

US 6,370,896 B1 presenterer en løsning på disse problemene. Tanken er å bruke en del av varmeavgiveren til å varme opp innsugningsgassen til kompressoren. Hele strømmen på høytrykksiden varmeveksles med hele strømmen på lavtrykksiden. Dette sikrer overheting av innsugningsgassen til kompressoren og dermed sikker drift av kompressoren, men systemeffektiviteten vil synke i forhold til et system som komprimerer mettet gass (hvis mulig) og som kjøres med høyere utgangstrykk for å oppnå tilstrekkelig høy temperatur i utløpet fra kompressoren. Den foreslåtte løsningen er derfor mer av driftsmessig betydning.

Sammendrag av oppfinnelsen

Et hovedmål med den foreliggende oppfinnelsen er å lage et enkelt, effektivt system uten de ovennevnte feil og mangler.

Oppfinnelsen er karakterisert ved de trekkene som er definert i det medfølgende uavhengige patentkravet 1.

Fordelaktige trekk ved oppfinnelsen defineres ytterligere i de medfølgende uavhengige patentkravene 2-8.

Den foreliggende oppfinnelsen er basert på systemet som beskrives ovenfor og innbefatter minst en kompressor, en varmeavgiver, en ekspansjonsinnretning og en varmeopptaker. Ved å overhete innsugningsgassen til kompressoren kan utgangstemperaturen fra kompressoren heves uten at utgangstrykket øker slik at det kan produseres varmtvann ved ønsket temperatur. Ved å skille ut en kjølestrøm ved passende temperatur fra varmeavgiveren er det mulig å overhete innsugningsgassen til kompressoren, for eksempel med en motstrømsvarmeveksler. Etter at den har oppvarmet innsugningsgassen til kompressoren, ekspanderes den utskilte strømmen direkte til lavtrykksiden av systemet. På denne måten vil de to delene av varmeavgiveren ha forskjellig oppvarmingskapasitet pr. kg vannstrøm på grunn av lavere gjennomstrømning i den siste delen. Dermed er det mulig å tilpasse en temperaturprofil for oppvarming av vann enda nærmere til kjøletemperaturprofilen i kuldemidlet. Det kan produseres varmtvann med lavere trykk på høytrykksiden og dermed også med høyere systemeffektivitet.

Kort beskrivelse av illustrasjonene.

Oppfinnelsen beskrives nærmere nedenfor bare ved hjelp av eksempler, og med henvisning til illustrasjonene, hvor

Fig. 1 illustrerer en enkel krets for et dampkompresjonssystem,

Fig. 2 viser et temperaturVentropi-diagram for karbondioksid med flere eksempler på

en driftssyklus for varmtvannsproduksjon.

Fig. 3 er et skjematisk diagram som viser et eksempel på en syklus som er

modifisert for å forbedre ytelsen og driftsintervallet for systemet.

Fig. 4 er et skjematisk diagram som viser et annet eksempel på en syklus som er modifisert for å forbedre ytelsen og driftsintervallet for systemet. Fig. 5 viser et temperatur-/entropi-diagram for karbondioksid med eksempler på

temperaturprofiler for varmeavgiveren.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

Fig. 1 illustrerer et konvensjonelt dampkompresjonssystem som inneholder en kompressor 1, en varmeavgiver 2, en ekspansjonsinnretning 3 og en varmeopptaker 4 koblet sammen i et lukket sirkulasjonssystem. Når for eksempel C02 brukes som kjølemiddel vil trykket på høytrykksiden i systemer for varmtvannsproduksjon normalt være overkritisk for å oppnå effektiv varmtvannsproduksjon i varmeavgiveren, illustrert ved krets A på figur 2. Ønsket vannstemperatur fra kranen er gjerne 60 - 90 °C, og temperaturen i kjølemidlet ved innløpet til varmeavgiveren 2, som er lik eller lavere enn utløpstemperaturen fra kompressoren, må være over den ønskede varmtvannstemperaturen.

Luften i omgivelsene er ofte et gunstig alternativ som varmekilde for varmepumper. Luft er tilgjengelig nesten over alt, den er billig, og varmeopptakssystemet kan gjøres enkelt og kostnadseffektivt. Imidlertid vil fordampningstemperaturen bli høyere ved stigende temperatur i omgivelsene, og temperaturen i utløpet fra kompressoren vil synke hvis utløpstrykket fra kompressoren er konstant, se krets B på figur 2. Temperaturen i utløpet fra kompressoren kan synke ned til under den ønskede varmtvannstemperaturen. Det vil da bli umulig å produsere varmtvann ved ønsket temperatur uten å tilføre energi fra andre varmekilder.

En måte å heve utløpstemperaturen på er ved å øke trykket på høytrykksiden, se krets C på figur 2. Men dette vil redusere systemeffektiviteten.

En konvensjonell måte å overhete innsugningsgassen på er å bruke en indre varmeveksler 5, se figur 3. Men ved for eksempel produksjon av varmtvann blir

kuldemidlet i varmeavgiveren 2 avkjølt nesten ned til temperaturen i nettet, vanligvis omtrent 10 °C. Hvis fordampningstemperaturen ligger over denne temperaturen, blir innsugningsgassen avkjølt i stedet for overhetet, se figur 2. Det kommer væske inn i kompressoren 1, noe som kan medføre alvorlige problemer. Det er viktig å unngå å

bruke den indre varmeveksleren 5 når fordampningstemperaturen er høyere enn eller lik vanntemperaturen i nettet.

Den foreliggende oppfinnelsen vil sikre overheting av innsugningsgassen uansett temperatur i omgivelsené. Når fordampningstemperaturen eller andre egnede temperaturer når en forhåndsdefinert verdi, føres en utskilt kuldemiddelstrøm fra varmeavgiveren 2 ved en passende temperatur til en varmeveksler, for eksempel en motstrømsvarmeveksler, for oppvarming av innsugningsgassen til kompressoren. Temperaturen i utløpet fra kompressoren vil stige, og dermed kan systemet produsere varmtvann med høy effektivitet, se krets D på figur 2. Etter oppvarming av innsugningsgassen til kompressoren ekspanderes den utskilte strømmen direkte ned til lavtrykksiden.

Eksempel 1

Et mulig arrangement for oppfinnelsen er å føre den utskilte kuldemiddelstrømmen gjennom en indre varmeveksler 5 som allerede eksisterer. Det krever et arrangement for å omgå hovedstrømmen utenfor den indre varmeveksleren 5 og føre den utskilte strømmen gjennom den indre varmeveksleren 5. Det finnes forskjellige løsninger for dette arrangementet. Et alternativ er å bruke to treveisventiler 6' og 6", som vist på figur 3. Den ene treveisventilen eller begge kan for eksempel erstattes med to sperreventiler. Den utskilte kuldemiddelstrømmen ekspanderes direkte til lavtrykksiden gjennom en åpning 7 i bakkant av den indre varmeveksleren 5. Åpningen 7 kan erstattes med andre ekspansjonsmidler, og det kan installeres ventiler på den ene siden eller begge sider av ekspansjonsinnretningen for å forbedre strømningskontrollen gjennom ekspansjonsinnretningen 7.

Eksempel 2

En annen mulighet er å installere en separat varmeveksler 8, for eksempel en motstrømsvarmeveksler, for å varme opp innsugningsgassen. Dette er illustrert på figur 4. Når fordampningstemperaturen eller andre brukbare temperaturer når en forhåndsdefinert verdi, føres en utskilt kuldemiddelstrøm gjennom varmeelementet for innsugningsgass 8 ved å åpne ventilen 10. Denne ventilen kan installeres hvor som helst i banen til den utskilte kuldemiddelstrømmen. Den utskilte kuldemiddelstrømmen ekspanderes direkte til lavtrykksiden gjennom en ekspansjonsinnretning, for eksempel en åpning 7, som vist på figur 4. Den indre varmeveksleren 5 kan unngås enten ved et arrangement på høytrykksiden som vist ved treveisventilen 9', eller et likeverdig arrangement på lavtrykksiden som vist ved de stiplede linjene på figur 4.

Overhetingen av innsugningsgassen kan kontrolleres ved å regulere den utskilte kjølemiddelstrømmen. Dette kan for eksempel gjøres med en måleventil. En annen mulighet er å bruke en varmeekspansjonsventil.

Som forklart ovenfor vil oppfinnelsen forbedre energieffektiviteten ved høy temperatur i varmekilden, som vist ved krets D på figur 2. Grunnen til dette er at trykket på høytrykksiden med den foreliggende oppfinnelsen kan reduseres ytterligere sammenliknet med hva som normalt ville vært det optimale. Dette er illustrert på figur 5. Den første delen av varmeavgiveren 2' vil ha høyere oppvarmingskapasitet i forhold til vannstrømmen sammenliknet med den siste delen av varmeavgiveren 2". Temperaturprofilen for oppvarmingen av vannet vil være enda bedre tilpasset kjøleprofilen for kuldemidlet, se vannoppvarmingsprofilen b på figur 5. Med et konvensjonelt system fås vannoppvarmingsprofilen a. Som man kan se av figur 5, vil det opptre en temperatursenkning i varmeavgiveren 2. Trykket på høytrykksiden må da økes. Med den foreliggende oppfinnelsen er det mulig å produsere varmt vann ved ønsket temperatur med lavere trykk på høytrykksiden, noe som gir et enda mer energieffektivt system.

Claims (8)

1. Et varmepumpesystem med dampkompresjon som innbefatter minst en kompressor (1), en varmeavgiver (2), en ekspansjonsinnretning (3) og en varmeopptaker (4) koblet sammen i en lukket sirkulasjonskrets som kan drives med overkritisk trykk på høytrykksiden, og hvor karbondioksid eller en kuldemiddelblanding som inneholder karbondioksid brukes som kuldemiddel i systemet, karakterisert ved at varmepumpen i systemet forbedres ved å kontrollere overhetingen av innsugningsgassen til kompressoren (1) ved utnyttelse av varme med høyere temperatur fra en annen del av systemet.

2. System i henhold til krav 1,karakterisert ved at overhetingen av innsugningsgassen økes når temperaturen i varmekilden er over en forhåndsdefinert verdi.

3. System i henhold til ett av eller begge de foregående kravene 1 -2, karakterisert ved at utløpstemperaturen for kompressoren, som ikke kan gå over en forhåndsdefinert verdi, er en grense for overhetingen.

4. System i henhold til ett eller flere av de foregående kravene 1 -3, karakterisert ved at en utskilt kuldemiddelstrøm fra varmeavgiveren (2) brukes til å overhete innsugningsgassen til kompressoren (1).

5. System i henhold til ett eller flere av de foregående kravene 1 -4, karakterisert ved at den utskilte kuldemiddelstrømmen fra høytrykksiden ekspanderes direkte ned til trykket i varmeopptakeren etter oppvarming av innsugningsgassen.

6. System i henhold til ett eller flere av de foregående kravene 1-5, karakterisert ved at den utskilte kuldemiddelstrømmen reguleres for å kontrollere overhetingen av innsugningsgassen.

7. System i henhold til ett eller flere av de foregående kravene 1 -6, karakterisert ved at det brukes en motstrømsvarmeveksler (5, 8) til å varme opp innsugningsgassen til kompressoren.

8. System i henhold til ett eller flere av de foregående kravene 1 -7, karakterisert ved at motstrømsvarmeveksleren kan være enten en separat enhet eller den indre varmeveksleren hvis denne allerede er installert.