NO870320L - Fremgangsmaate og apparat for utnyttelse av varmeenergi. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en framgangsmåte i overensstemmelse med den innledende delen av patentkrav 1 for utnyttelse av varmeenergi frigjort i en kjøleprosess.

Oppfinnelsen vedrører også et apparat for utførelse av framgangsmåten.

Kjøleutstyr hvor det benyttes ammoniakk eller et fluorinert hydrokarbon som varmeoverføringsmedium er vanlig brukt i tilfeller hvor det er behov for en mekanisk kjøleprosess. Kombinerte kjøle- og oppvarmingsprosesser som arbeider i omgivelser som innebærer store temperaturforskjeller er ikke i bruk ipraksis på grunn av de tekniske begrensningene som knytter seg til de forannevnte kuldeprosessene.

Ved tidligere kjente kuldeprosesser benyttes varmemedier som på grunn av sine egenskaper vanligvis er giftige overfor omgivelsene og som bare kan benyttes for et ytterst begren-'set temperaturområde.

Dersom kjøleenergien skal utnyttes ved for eksempel varmt-vannsproduksjon, må ei tradisjonell varmepumpe serikobles med kjent kjøleutstyr for å oppnå den nødvendige temperaturen (i overkant av 60°C). Et slikt arrangement gjør systemet komplisert og svekker det spesifikke varmeforbruk-

et .

Oppfinnelsen tar sikte på å avhjelpe ulempene ved ovennevnte teknikk og å oppnå en helt ny slags framgangsmåte for utnyttelse av varmeenergi frigjort i en kjøleprosess.

Framgangsmåten er basert på utnyttelse av Braytons prosess som utmerker seg ved bruk av luft som varmeoverføringsmedi-um. Fordelen med denne sammenliknet med tradisjonelle varmemedier er at den ikke er giftig.

Det temperaturnivået som er nødvendig for dypfrysing oppnås ved den foreslåtte prosessen ved å tillate trykkluft med en temperatur på omtrent 10°C å ekspandere i en turbin inntil atmosfærisk lufttrykk er nådd. Avhengig av lufttemperaturen, er et trykkforhold på 3 tilstrekkelig for å oppnå temperaturer på til og med under -50°C. Den nødvendige trykkluften framstilles ved hjelp av en ukjølt turbokompressor. Trykkluften blir deretter, avhengig av tillufttemperaturen, varmet opp til det oppnås temperaturer på opp til 200°C. Ved bruk av varmevekslere kjøles luft til den tillufttemperaturen som kreves av turbinen, en prosess som produserer varmtvann for eksempelvis oppvarmingsformål. En del av den drivkraften som kreves av kompressoren oppnås fra en turbin som er koblet til den samme akselen og resten fra en elektrisk motor eller liknende. Den totale virkningsgraden ved denne kombinerte kjøle- og oppvarmingsprosessen er av størrelsesorden 3.

Et viktig kjennetegn ved denne prosessens gjennomførbarhet er at mulige fryse- og splintreproblemer ved turbinhjul-skovlene forårsaket av luftfuktighet hindres gjennom temperaturkontrollert tilluft til turbinen.

Framgangsmåten ifølge oppfinnelsen utmerker seg nærmere bestemt ved de trekk som går fram av den karakteriserende delen av patentkrav 1.

Dessuten utmerker apparatet ifølge oppfinnelsen seg ved de trekk som går fram av den karakteriserende delen av patentkrav 5.

Oppfinnelsen medrører betydelige fordeler. Oppfinnelsen sørger således for midler for produksjon av kjøleenergi ved en uvanlig høy virkningsgrad for dypfrysing og andre liknende formål. I overensstemmelse med den foreslåtte framgangsmåten oppnår varmemediet som kommer ut av den kjølte gjenstanden et slikt høytemperaturnivå at det kan benyttes ved oppvarming, produksjon av varmtvann og liknende.

De viktigste fordelene med denne framgangsmåten som er basert på den forannevnte Braytons prosess, består i enkelt utstyr, ikke giftig varmemedium, vidstrakt variasjonsområde for oppnåelige temperaturer og en svært høy total virkningsgrad .

Oppfinnelsen blir i det etterfølgende forklart i detalj ved hjelp av utførelseseksempler i overensstemmelse med med-følgende tegninger, hvor: Fig. 1 skjematisk illustrerer en framgangsmåte ifølge oppfinnelsen . Fig. 2 viser konstruksjonen av en luftturbin, som kan benyttes ved framgangsmåten ifølge oppfinnelsen, sammen med til-knyttet styreutstyr for regulering av den fuktige tilluften som strømmer inn i turbinen. Fig. 3 viser et snittriss av turbinskovlene og et skjema som illustrerer den virkelige tilluftstemperaturen sammen med turbinens veggtemperatur i statoren eller i rotoren.

Apparatet omfatter ifølge fig. 1 en turbokompressor drevet av en motor, idet varmevekslere er anbragt mellom kompressoren og turbinen, et kuldekammer eller -tunnel for kjøle-prosessen og utstyr som kreves for temperaturkontroll.

Ved dette utførelseseksemplet er prosessens tilluftstempera-tur omtrent 30°C. Når luften komprimeres i en turbokompressor 2 ved en virkningsgrad på 82% opp til et trykk på 3 bar, når den en temperatur på 170°C ved et punkt 3 etter turbinen. Ved å varme opp inntaksvannet fra 5°C til 60°C i en varmeveksler 4, kjøles luften til 40°C ved et punkt 5. Ved en luftmassestrøm på 5 kg/s, er vannstrømmen omtrent 2,8 kg/s. Luften avkjøles i en varmeveksler 6 ved eksempelvis utløpsluften fra et kuldekammer 10 til 10°C ved et punkt 7 i den hensikt å eliminere fryseproblemer ved ekspansjons-prosessen. Ved ekspandering i en turbin 8 tilbake til atmosfæretrykk, avkjøles luften til -55°C ved et punkt 9, hvoretter den dirigeres til et kuldekammer eller -tunnel 10. Luft som kommer ut derfra ved en temperatur på -10°C, utnyttes av en regulerende klaffventil 11 som eksempelvis til-luf t for turbinen eller alternativt for avkjøling av enhver annen gjenstand, for eksempel i et luftkondisjoneringssys-tem.

Ved utførelseseksemplet er den effekt som kreves av kompressoren 2 710 kW, hvorav turbinen produserer 325 kW. Den resterende effekt besørges av en elektrisk motor M som for å kompensere for ulike tap, må sørge for en effekt på omtrent 410 kW. Den tilgjengelige varmeeffekten fra prosessen ifølge utførelseseksemplet er 650 kW, mens kjøleeffekten i kuldeprosessen er 230 kW. En tilleggsfordel kan dessuten oppnås fra kuldeprosessens utløpsluft og fra isen som er dannet ved luftkondenseringen. Ved utførelseseksemplet oppnås en mini-mumskapasitetskoeffisient på omtrent 2,15. Prosessens virkningsgrad kan forbedres betydelig dersom det finnes en passende spillvarmekilde for å øke temperaturen i tilluften 1.

En luftturbin som kan benyttes ved prosessen er vist i fig. 2, som viser selve turbinen sammen med et apparat for kontroll/styring av temperaturen av den fuktige tilluftsstrøm-men. Fig. 2 viser et arrangement hvormed det prinsippielt er mulig å konstruere kontrollsystemet. Systemet 19 for kontroll av tilluften er delt i tre strømningskanaler, hvorav den første (I) er forsynt med en oppvarmende varmeveksler 20, den andre (II) er forsynt med en kjølende varmeveksler 21, og den tredje (III) er en rett strømnings-kanal uten varmeveksler. Tilluftens temperatur reguleres ved å styre luftstrømmen helt eller delvis gjennom den ene eller annen av strømningskanalene I, II forsynt med varmeveksler 20, 21 ved å regulere styreklaffer 22, 23 ved hjelp av pneumatiske, hydrauliske eller elektriske akt iveringsorgan 24, 25.

Fig. 2 viser konstruksjonen av luftturbinen. Turbinens til-luf t ledes inn i temperaturkontrollenheten 19, hvor luften kan strømme gjennom de tre kanalene I, II, III. Etter kontrollenheten 19 måles luftstrømmens temperatur i en kanal 13 som fører til turbinen. Dersom lufttemperaturen i kanalen 13 er under den ønskete verdien, åpnes styreportklaffen 22 ved hjelp av aktuatoren 24, hvorved en del av tilluften passerer gjennom den oppvarmende varmeveksleren 20, slik at tilluften varmes opp. Dersom lufttemperaturen i kanalen 13 er over den ønskete verdien, åpnes styreportklaffen 23 ved hjelp av

aktuatoren 25, hvorved en del av tilluftstrømmen passerer via den kjølende varmeveksleren 21, slik at tilluften avkjøles. Temperaturkontroll av tilluften er basert på tradisjonelle teknikk.

Med hensyn til sin konstruksjon kan luftturbinen være enten en aksialturbin, en radialturbin eller en overgangsutfør-else av samme. Med hensyn til dens arbeidsprinsipp kan turbinen være en aksjonsturbin eller en reaksjonsturbin eller en turbinsom som arbeider med en moderat reaksjonsgrad (r = 0,05 ... 0,45). Den turbinen som er vist i fig. 2 og 3 som eksempel, er en aksialturbin som arbeider med en moderat reaksj onsgrad.

Luftturbinen består av en stator 26, hvis ledehjul 27 er forsynt med ledeskovler 14. Turbinens andre del er rotoren 28, hvis løper 29 er forsynt med løpeskovler 15. Ledekanal ene 16 som er dannet mellom ledeskovlene 14, er sterkt krum-met for at de forholdsvis store underkjølte vanndråpene i luftstrømmen som passerer gjennom nevnte kanaler 16 skal utskilles fra luftstrømmen og deles opp når de treffer ledeskovlene 14 og delvis stivne eller fryse eller danne fuktig snø. Vedhengning av is eller fuktig snø på ledeskovlene 14 hindres ved at skovlenes veggtemperatur er over vannets frysepunkt, hvorved snø og is ikke blir hengende fast til den varme og fuktige skovlveggen men glir langs vegg-flaten samt blåses bort sammen med luftstrømmen.

Mellom ledehjulet 27 og løperen 29 er det et forholdsvis stort mellomrom 12, for at den strekning luftstrømmen til-bakelegger fra ledehjulet 27 til løperen 29 skal bli tilstrekkelig lang. Dette er viktig av hensyn til luftturbinens drift fordi - selv om luftstrømmens temperatur er blitt senket til et nivå betydelig under vannets frysepunkt etter at luften har passert gjennom ledekanalene 16 - den våte snøen og de underkjølte vanndråpene som er dannet må ha tilstrekkelig tid til å kunne fryse før de ankommer ved løperen 29. Ettersom kjølingen som finner sted i mellomrommet 12 resulterer i dannelsen av tørre snøflak eller tørre ispartikler, kleber disse ikke til veggene av løperen 29 selv om den rådende veggtemperatur er lavere enn vannets frysepunkt, ettersom tørre ispartikler ikke kleber til en kald vegg-flate.

Mellomrommet 12 er utformet slik at det dannes to ringforme-te hvirvler 18 mellom ledehjulet 27 og løperen 29 for å hindre dannelse og vedhengning av is på turbinveggene.

Fig. 3 viser den virkelige temperaturen av luftstrømmen likesom veggtemperaturene i turbinen i statoren 26 og i rotoren 28 langs aksen for ledehjulet og løperen. Ved studi-um av figuren vil det framgå hvordan arbeidsprinsippet ifølge oppfinnelsen er i et forsøk på å konstruere en luftturbin hvor det unngås isdannelse i det farlige temperaturområdet mellom -10° C og 0° C, og hvor kontakten mellom under- kjølte vanndråper og turbinvegger som har en overflatetem-peratur på 0°C, forhindres.

Den fuktige tilluftens temperatur, som i fig. 3 er angitt ved linjen To, justeres ved hjelp av kontrollenheten 19, slik at den har en ønsket verdi over vannets frysepunkt. Ekspansforholdene og reaksjonsgraden ved turbinen er valgt slik at turbinens veggtemperatur Ts i alle deler av statoren som er i kontakt med luftstrømmen, ligger klart - men bare ubetydelig - over det temperaturområdet som innebærer fare for frysing. Derved vil den våte snøen og de underkjølte vanndråpene som dannes i ledekanalene 16 i statoren ved av-kjøling av den fuktige luftstrømmen, ikke klebe til stator-ens 26 ledeskovler 14, og det finner derfor ikke sted noen isdannelse som er skadelig for luftstrømmen eller farlig for driften av turbinen.

Den statiske lufttemperaturen i mellomrommet mellom ledehjulet og løperen, så vel som turbinveggtemperaturen Tr i alle deler av rotoren som er i kontakt med luftstrømmen, ligger klart under det området som innebærer fare for frysing, slik at eventuelle tørre partikler eller is som dannes ikke smelter delvis på veggflåtene, hvorved det til-lates vedhengning av ispartikler på veggene.

Det bør nevnes at mellomrommets 12 aksiale dimensjon er i det minste 30%, fortrinnsvis 50%, av løpeskovlenes 15 aksiale dimensjon, og at lufttemperaturen foran turbinen i kanalen 13 befinner seg innenfor området 2 ... 10°C, mens temperaturen i mellomrommet 12 mellom ledehjulet og løperen befinner seg i området -30 ... 15°C.

Statoren behøver ikke å være forsynt med ledeskovler, idet den også kan være forsynt med for eksempel dyser.

I tillegg til en direkte dypfrysing i et kuldekammer eller

-tunnel, kan den foreslåtte kuldeprosessen også benyttes eksempelvis ved opprettelse av en kunstig frosset skøyte-

bane, ved kjøling av ammoniakksirkulasjonskretser for is-vannsystemer i meierier, og ved kjøling av andre tilsvar-ende lukkete kjølemiddelsirkulasjoner ved å erstatte kulde-kammeret 10 med en kjøleradiator som inngår i prosessen. Den fremdeles kalde utløpsluft fra radiatoren kan dessuten ofte benyttes ved kjøling av luftkondisjonerte lokaler eller kjøling av utstyr og motorer som krever luftkjøling.

Avhengig av maskineriets størrelse, kan den varme luften som kommer ut av kompressoren utnyttes ved hjelp av varmevekslere for fjernvarmeproduksjon, for den allmenne oppvarming av lokaler og/eller produksjon av varmtvann for bruk ved prosesser og liknende.

Ved kombinasjon med kjølingen av en kunstisbane eller liknende letter fjernvarmeanvendelsen under det lave varme-forbruket som er typisk om sommeren, en fordelaktig sam-produksjon av varme og kjøling ved utnyttelse av den bil-lige elektriske energien om sommeren. Framgangsmåten kan vise seg særlig konkurransedyktig sammenliknet med en fjernvarmekjele som arbeider ved en lav delvis belastning.

Nye anvendelser for den kombinerte kjøle- og oppvarmingsprosessen kan finnes i land med varmt klima hvor kjøling ofte er en livsnødvendighet (for eksempel i store bygnings-konstruksjoner, sjukehus, palasser etc.) og hvor det kreves varmeenergi for industrielle prosesser.

Claims (6)

1. Framgangsmåte for utnyttelse av varmeenergi frigjort ved en kjøleprosess, hvor framgangsmåten er basert på at luft som benyttes som varmeoverføringsmedium, mates inn i en kompressor (2); at luft komprimeres i kompresoren (2) til et høyere trykk; at høytrykksluften avkjøles til en lavere temperatur; at kald luft dirigeres til en turbin (8), hvor den ekspanderes til et lavere trykk og avkjøles, og at luft-ekspansjonsarbeid som er utført i turbinen (8), benyttes for å rotere kompressoren (2), karakterisert ved at luft komprimeres i kompressoren (2) opp til et så høyt trykk at dens temperatur overskrider en minimumstemperatur for vannets kokepunkt ved normalt atmosfæretrykk; at komprimert høytrykksluft avkjøles i minst én varmeveksler (4, 6) ned til en tilstrekkelig lav temperatur, f.eks. under 15°C, i den hensikt å hindre frysing i turbinen (8); at opp-varmet medium fra varmevekslerens (4, 6) sekundærkrets utnyttes som sådant, og at luft dirigeres fra turbinen (8) til den avkjølte gjenstanden.

2. Framgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at framgangsmåten benyttes ved en slik luft-kompressor (8) hvori den aksiale utstrekningen av et mellomrom (12) er i det minste 30% av den aksiale utstrekningen av løpeskovler (15) og mellomrommet (12) er blitt uttrukket i radial retning utover den radiale utstrekningen av kanalene mellom løpeskovlene (15) i den hensikt å opprette en hvirvel (18) ved den indre og ytre randen av mellomrommet (12) for å hindre isdannelse, karakterisert ved at luft komprimeres i kompressoren (2) opp til et trykk på 2,5 ...

3,3 bar, fortrinnsvis til et trykk på 3,0 bar.

3. Framgangsmåte i samsvar med krav 1 eller 2, karakterisert ved at trykkluft fra kompressoren (2) avkjøles i to kjøletrinn før den kommer inn i turbinen (8).

4. Framgangsmåte i samsvar med krav 3, k a r a k - terisert ved at luft avkjøles i det første trinnet ved vannsirkulasjon i en første varmevekslers (4) sekundærkrets og under det andre trinnet ved returluft fra den avkjølte gjenstanden (10) som sirkulerer i den andre varmevekslerens (6) sekundærkrets.

5. Apparat for bruk ved utnyttelse av varmeenergi frigjort ved en kjøleprosess, omfattende en kompressor (2) hvormed varmeoverføringsmediet kan komprimeres til et høyere trykk; en kondensator hvormed det komprimerte mediet fra kompressoren (2) kan avkjøles; en turbin (8) hvori det avkjølte mediet ekspanderes til et lavere trykk og avkjøles ytterlig-ere, og en gjenstand (10) som skal kjøles, hvortil det av-kjølte mediet kan dirigeres, karakterisert ved minst én varmeveksler (4) benyttet som kondensator, hvor varmeenergien i det varmeoverføringsmediet som er komprimert i kompressoren (2) til et høyere trykk kan overføres til det varmemediet som sirkulerer i varmevekslerens (4) sekundærkrets, f.eks. varmtvann, og minst én varmeveksler (6) hvori turbinens (8) tilluft kan forkjøles med luft som ven-der tilbake fra den avkjølte gjenstanden (10).

6. Apparat i samsvar med krav 5, hvor den aksiale utstrekningen av et mellomrom (12) utgjør i det minste 30% av den aksiale utstrekningen av løpeskovler (15) og mellomrommet (12) er blitt trukket ut i radial retning utover den radiale utstrekningen av kanalene (17) mellom løpeskovlene (15) i den hensikt å opprette en hvirvel (18) ved den indre og ytre rand av mellomrommet (12) for å hindre isdannelse, karakterisert ved at kompressoren (2) er innrettet til å komprimere luft opp til et trykk på 2,5 ... 3,3 bar, fortrinnsvis til et trykk på 3,0 bar.