PL229963B1 - Sposób odzysku ciepła pary wodnej zawartej w powietrzu - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób odzyskiwania ciepła pary wodnej zawartej w powietrzu, w szczególności z procesów skraplania i resublimacji pary wodnej zawartej w powietrzu atmosferycznym. Uzyskana energia w postaci ciepła może zostać przetransformowana na wyższy poziom temperatury za pomocą znanych lewobieżnych obiegów termodynamicznych lub zamieniona na energię mechaniczną za pomocą obiegu termodynamicznego ORC (Organic Rankine Cycle).

Sposób uzyskiwania energii z przemian termodynamicznych gazu znany z polskiego opisu patentowego nr PL 218 792, przeznaczony do zasilania maszyn i urządzeń, jak również do napędzania generatorów prądotwórczych. Sposób polega na tym, że energię mechaniczną uzyskuje się z przemian parowania i skraplania czynnika roboczego przemieszczającego się ciągle w układzie pracującym w obiegu zamkniętym, w którym w parowaczu ciekły czynnik roboczy podgrzewa się i odparowuje. Po odparowaniu gazowy czynnik roboczy napędza silnik pneumatyczny i wytwarza energię mechaniczną, wykorzystany gazowy czynnik roboczy w skraplaczu ochładza się i skrapla, przez co zmniejsza swoją objętość i dodatkowo napędza silnik pneumatyczny. Ochłodzony i skroplony ciekły czynnik roboczy ze skraplacza pompą cieczy pompuje się do parowacza przez wstępny podgrzewacz cieczy, przy czym w parowaczu utrzymuje się stałą temperaturę parowania i/lub stałe ciśnienie parowania, które mierzy się i kontroluje ciągle czujnikiem temperatury, i/lub czujnikiem ciśnienia jednocześnie w skraplaczu utrzymuje się stałą temperaturę skraplania, i/lub stałe ciśnienie skraplania, które mierzy się i kontroluje ciągle czujnikiem temperatury, i/lub czujnikiem ciśnienia, ponadto w parowaczu reguluje się i utrzymuje wyższą temperaturę parowania, i/lub wyższe ciśnienie parowania od temperatury skraplania i/lub ciśnienia skraplania, które reguluje się i utrzymuje w skraplaczu.

Sposób optymalizacji parametrów pracy termoelektrycznej pompy ciepła, układ chłodzenia termoelektrycznej pompy ciepła oraz termoelektryczna pompa ciepła znane są z polskiego opisu patentowego nr PL 195 305. Sposób polega na tym, że w czasie pracy urządzenia, po osiągnięciu zadanej wartości parametru mierzonego na zimnym wymienniku ciepła zmienia się kierunek prądu elektrycznego w obwodzie termoelementu na przeciwny, przerywa się podawanie powietrza na wymienniki ciepła i po pewnym czasie pracy, gdy temperatura na powierzchni nowego zimnego wymiennika osiągnie wartość zbliżoną do temperatury powietrza pomieszczenia, a temperatura na powierzchni nowego gorącego wymiennika ciepła osiągnie wartość zbliżoną do temperatury otoczenia, podaje się na zimny wymiennik ciepła w sposób ciągły strumień powietrza pobieranego z pomieszczenia, zaś na gorący wymiennik ciepła podaje się strumień powietrza pobierany z otoczenia i gdy na zimnym wymienniku ciepła mierzony parametr osiągnie zadaną wartość ponownie zmienia się kierunek prądu na przeciwny, przerywa się podawanie powietrza na obydwa wymienniki i dalej wymienione czynności powtarza się cyklicznie w tej samej kolejności, przy czym kierunki przepływu powietrza zmienia się stosownie do zmian kierunku prądu w obwodzie termoelementu tak, że w każdym obiegu zimny wymiennik ciepła omywany jest powietrzem z pomieszczenia, a gorący wymiennik ciepła omywany jest powietrzem z otoczenia, przy czym korzystnie do sterowania strumieni powietrza stosuje się kanały wentylacyjne i przepustnice powietrza. Układ chłodzenia termoelektrycznej pompy ciepła wyróżnia się tym, że ma układ sterujący ruchem powietrza, zawierający kanały wentylacyjne, kanał pierwszy połączony z pierwszym wentylatorem i kanał drugi połączony z drugim wentylatorem, przy czym każdy kanał połączony jest z jednym z wymienników ciepła, przy czym każdy pierwszy i kanał drugi połączone są kierownicami powietrza wewnętrznymi z pomieszczeniem i połączone są kierownicami powietrza zewnętrznymi z otoczeniem zewnętrznym. Termoelektryczna pompa ciepła charakteryzuje się tym, że ma dwa kanały wentylacyjne, kanał pierwszy połączony z pierwszym wentylatorem i kanał drugi połączony z drugim wentylatorem powietrza, w których to kanałach są zainstalowane wymienniki ciepła. W każdym kanale po jednym wymienniku ciepła, przy czym w ścianach kanałów zainstalowane są od strony pomieszczenia wewnętrzne przepustnice powietrza, zaś w ścianach zewnętrznych tych kanałów zainstalowane są zewnętrzne przepustnice powietrza, przy czym przepustnice powietrza rozmieszczone są tak, że w każdym obiegu wymiennik ciepła zimny jest omywany powietrzem z pomieszczenia, a wymiennik ciepła gorący omywany jest powietrzem z otoczenia zewnętrznego.

Sposób optymalizacji parametrów pracy pompy ciepła, układ pompy ciepła oraz pompa ciepła znane z są polskiego opisu patentowego nr 189 083. Sposób optymalizacji parametrów pracy pompy ciepła polega na tym, że w czasie pracy pompy ciepła, po osiągnięciu zadanej wartości parametru mierzonego na dolnym źródle ciepła, odwraca się obieg czynnika roboczego, przy czym przerywa się doPL 229 963 B1 pływ powietrza z pierwszego wentylatora na górne źródło ciepła i po chwili, gdy temperatura na powierzchni górnego źródła ciepła osiągnie w przybliżeniu wartość temperatury powietrza w pomieszczeniu ogrzewanym podaje się wentylatorem powietrze na górne źródło ciepła, a na dolne źródło podaje się wentylatorem powietrze z otoczenia zewnętrznego i gdy na dolnym źródle ciepła mierzony parametr osiągnie zadaną wartość, ponownie przełącza się obieg w przeciwnym kierunku, przerywa się podawanie powietrza na górne źródło ciepła i dalej wymienione czynności powtarza się cyklicznie w tej same j kolejności, przy czym kierunki ruchu powietrza zmienia się stosownie do zmian kierunku obiegu czynnika roboczego tak, że w każdym obiegu górne źródło ciepła omywane jest powietrzem z pomieszczenia ogrzewanego, a dolne źródło ciepła omywane jest powietrzem z otoczenia, przy czym korzystnie do sterowania strumieni powietrza stosuje się kanały wentylacyjne i przepustnice powietrza.

Sposób samoczynnego przekazywania ciepła w kierunku odwrotnym do konwekcji naturalnej i urządzenie do samoczynnego przekazywania ciepła w kierunku odwrotnym do konwekcji naturalnej znane są z polskiego opisu patentowego nr PL 217 073. Sposób przekazywania ciepła w kierunku odwrotnym do cyrkulacji naturalnej charakteryzuje się tym, że do strefy ogrzewania wprowadza się substancję pompującą, która nie rozpuszcza się w tym nośniku i ma temperaturę wrzenia niższą od temperatury wrzenia nośnika ciepła, następnie podgrzewa się nośnik ciepła i odparowuje substancję pompującą, a ciśnieniem pary substancji pompującej wprowadza się ogrzany nośnik w ruch w gałęziach obiegu, a odpracowaną parę substancji pompującej przeprowadza z górnej części gałęzi ciepłej-opadowej do strefy o niższej temperaturze, gdzie zostaje skroplona, po czym skropliny ponownie wprowadzane są do strefy ogrzewania, a ilość substancji pompującej jest nie mniejsza, niż potrzebna do wypełnienia parą przestrzeni obiegu nie zajętej przez ciekły nośnik ciepła oraz do wypełnienia drogi zlewania skroplin ze strefy skraplania do strefy parowania. Substancja pompująca umieszczona w zamkniętym obiegu, częściowo wypełnionym ciekłym nośnikiem ciepła korzystnie ma gęstość mniejszą od tego nośnika. Przedmiotem zgłoszenia jest również urządzenie do przekazywania ciepła w kierunku odwrotnym do cyrkulacji naturalnej.

Sposób odzysku ciepła skroplin pary i układ do odzysku ciepła skroplin pary znane są z polskiego opisu patentowego nr PL 173 422. Sposób odzysku ciepła skroplin pary, odznacza się tym, że gorące skropliny są schładzane do temperatury 70 do 80°C, korzystnie 70°C ciągle napływającą uzdatnioną zimną wodą poprzez zbiornik pośredni nie schłodzonych skroplin pary wtórnej do zbiornika kondensatu, przy zamkniętym obiegu kondensatu i wtórnych oparów poprzez kolumnę schładzania mieszankowego i zbiornik pośredni. Nadmiar kondensatu jest cyklicznie odprowadzany do zbiornika zasilającego kotłowni. Układ do odzysku ciepła skroplin pary, zawierający kolumnę schładzania mieszankowego, zbiornik pośredni i zbiornik oparów, ma zbiornik oparów połączony rurociągiem tłocznym poprzez pompę cyrkulacji kondensatu i zespół zaworów oraz rurociąg pary wtórnej z kolumną schładzania mieszankowego. Zbiornik pośredni ma rurociąg napływu stałego napływu uzdatnionej zimnej wody zaopatrzony w zawór regulacyjny. Zespół zaworów kolumny i zawór przewałowy, zaopatrzony w kryzę przewałową oraz elektrozawór połączony z wyłącznikiem poziomu. Zespół zaworów ma rurociąg cyrkulacji grzewczej połączony poprzez wężownicę ze zbiornikiem pośrednim.

Pompa ciepła o wysokiej prędkości odszraniania z zamkniętą pętlą cyrkulacji czynnika chłodniczego znana z opisu patentowego USA nr US 8 006 506, zawiera zawór czterodrogowy do prowadzenia operacji chłodzenia i ogrzewania poprzez przełączanie kierunku obiegu czynnika chłodniczego za pomocą zaworu czterodrożnego. Zawór trójdrożny lub zawór elektromagnetyczny jest umieszczony na rurze czynnika chłodniczego połączonej między sprężarką a zaworem czterodrogowym, a rura obejściowa jest odgałęziona od zaworu trójdrogowego w taki sposób, aby była połączona z rurą czynnika chłodniczego włączoną między zawór rozprężny i zewnętrzny wymiennik ciepła tak, że gorący gaz uwalniany ze sprężarki jest wprowadzany do zewnętrznego wymiennika ciepła przez rurkę obejściową za pomocą sterowania zaworem trójdrożnym. Temperatura powierzchni zewnętrznego wymiennika ciepła służącego jako parownik podczas operacji ogrzewania w sezonach zimowych jest ustawiona na niższą niż temperatura punktu rosy powietrza zewnętrznego, tak że na powierzchni zewnętrznego wymiennika ciepła, w przypadku nagromadzenia się szronu, przy odszranianiu nie stosuje się wymuszonego przepływu powietrza, co powoduje złą wymianę ciepła między powietrzem zewnętrznym a czynnikiem chłodniczym.

Znane są sposoby realizacji obiegów pomp ciepła, w których wykorzystuje się jako źródło ciepła przemiany chłodzenia powietrza, wody lub w sposób pośredni gruntu w celu wykorzystania tego ciepła w sposób użyteczny na wyższym poziomie temperatury. Konstrukcje te jednak nie wykorzystują przemiany resublimacji lub skraplania pary wodnej z powietrza w sposób użyteczny. W znanych pompach

PL 229 963 B1 ciepła klasy powietrze/woda proces resublimacji pary wodnej z powietrza jest procesem niepożądanym, ponieważ tworzący się na powierzchni wymienników lamelowych lód utrudnia proces przewodzenia ciepła uzyskanego na drodze wychładzania powietrza. Konieczne jest jego cykliczne usuwanie poprzez realizację procesu odszraniania. Powszechnie wykorzystywane są konstrukcje z wymiennikami lamelowymi gdzie ruch powietrza jest wymuszany za pomocą wentylatorów. Poza tym w pompach ciepła stosowane są również parowniki do chłodzenia cieczy typu płaszczowo-rurowego, płytowe, płaszczowowężownicowe oraz rura w rurze. Wszystkie wymienione konstrukcje są przeznaczone do pozyskiwania ciepła jawnego oraz w przypadku wymienników lamelowych w niewielkim stopniu ciepła utajonego. Wykorzystanie parowników lamelowych w pompach ciepła klasy powietrze/ powietrze oraz powietrze/woda nastręcza trudności polegające na konieczności zastosowania systemów odszraniania.

Pompa ciepła znana z polskiego opisu patentowego nr PL 218 108 ma skraplacz połączony przewodem cieczowym przez zbiornik płynu, filtr, wymiennik rekuperacyjny, element rozprężny i złącze z co najmniej jednym parowaczem, przy czym parowacze połączone są równolegle, natomiast przewód parowy skraplacza połączony jest poprzez sprężarkę, wymiennik rekuperacyjny i złącze z co najmniej jednym parowaczem, który osadzony jest na konstrukcji nośnej i spięty u dołu ramą dolną, a u góry ramą górną. Parowacz ma odbiorniki ciepła z powietrza w postaci ustawionych pionowo obok siebie rur parowacza z promieniowo rozchodzącymi się żebrami połączonymi ze sobą szeregowo rurkami. Ponadto wewnątrz rury parowacza osadzony jest element w postaci spirali uformowanej w kierunku przepływu medium.

Istota sposobu, według wynalazku, polega na tym, że dla zadanej objętości czynnika roboczego do objętości instalacji pompy ciepła, mierzy się temperaturę otoczenia, dla której wyznacza się temperaturę punktu rosy dla pary wodnej i zadaje się temperaturę odparowania czynnika roboczego, przy czym temperaturę odparowania czynnika roboczego ustawia się na temperaturę niższą lub równą temperaturze punktu rosy dla pary wodnej, jednocześnie steruje się strumieniem objętościowym czynnika roboczego przepływającego przez parownik.

Korzystnie, dla propanu ustala się objętość czynnika roboczego w zakresie od 0,5 litra do 2,5 litra dla objętości instalacji pompy ciepła wynoszącej od 10 litrów do 50 litrów.

Zaletą sposobu jest wykorzystanie ciepła skraplania oraz ciepła resublimacji pary wodnej, a wysoką wydajność uzyskiwania ciepła uzyskuje się poprzez zastosowanie odpowiedniej konstrukcji parownika. Parownik pompy ciepła, według wynalazku, nie wymaga układów odszraniających oraz zapewnia skuteczną realizację procesu wykraplania i/lub resublimacji pary wodnej na jego powierzchni.

Przedmiot wynalazku objaśniony jest w przykładzie wykonania.

P r z y k ł a d 1

Sposób odzysku ciepła pary wodnej zawartej w powietrzu polega na tym, że dla zadanej objętości czynnika roboczego do objętości instalacji pompy ciepła, mierzy się temperaturę otoczenia, dla której wyznacza się temperaturę punktu rosy dla pary wodnej i zadaje się temperaturę odparowania czynnika roboczego, przy czym temperaturę odparowania czynnika roboczego ustawia się na temperaturę równą temperaturze punktu rosy dla pary wodnej, jednocześnie steruje się strumieniem objętościowym czynnika roboczego przepływającego przez parownik. Dla propanu ustala się objętość czynnika roboczego w ilości 0,5 litra dla objętości instalacji pompy ciepła wynoszącej do 10 litrów.

P r z y k ł a d 2

Sposób odzysku ciepła pary wodnej zawartej w powietrzu, przebiega jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że temperaturę odparowania czynnika roboczego ustawia się na temperaturę niższą od temperatury punktu rosy dla pary wodnej, jednocześnie steruje się strumieniem objętościowym czynnika roboczego przepływającego przez parownik, ponadto dla propanu ustala się objętość czynnika roboczego w ilości 2,5 litra dla objętości instalacji pompy ciepła wynoszącej do 50 litrów.

Pozyskanie energii przemiany skraplania wody z powietrza atmosferycznego według wynalazku realizuje się poprzez termodynamiczny obieg lewobieżny, w którym temperatura odparowania czynnika chłodniczego w parowaczu jest niższa niż temperatura punktu rosy dla powietrza atmosferycznego. Dodatkowym warunkiem jest, to że temperatura punktu rosy jest wyższa niż temperatura zamarzania wody przy ciśnieniu atmosferycznym. Para wodna zawarta w powietrzu atmosferycznym skrapla się w tym przypadku na powierzchni parownika, której temperatura jest równa lub niższa niż temperatura punktu rosy. Z kolei, gdy temperatura powierzchni parownika jest niższa niż temperatura punktu rosy i niższa niż temperatura zamarzania wody na powierzchni parownika dochodzi do resublimacji pary wodnej zawartej w powietrzu atmosferycznym. Koncentrację ciepła uzyskuje dzięki temperaturze powierzchni wymiennika niższej niż temperatura punktu rosy wody dla otaczającego wymiennik powietrza

PL 229 963 B1 wilgotnego, co powoduje, że ciśnienie parcjalne nad powierzchnią wymiennika, na której resublimuje lub skrapla się para wodna z powietrza jest niższe niż ciśnienie równowagi punktu potrójnego. Ciepło przemiany fazowej skraplania lub ciepło resublimacji przenoszone jest na drodze przewodzenia przez materiał parownika do czynnika roboczego realizującego lewobieżny obieg termodynamiczny znany z techniki chłodniczej.

Czynnik roboczy znajdujący się w parowniku w postaci ciekłej odparowuje odbierając ciepło, którego źródłem była przemiana fazowa pary wodnej jest zasysany przez sprężarkę. Następnie, czynnik roboczy w postaci sprężonej pary dopływa do wymiennika ciepła, w którym skrapla się oddając ciepło do źródła ciepła, którym może być dowolny odbiornik ciepła pracujący w zakresie ciśnień i temperatur pracy obiegu czynnika roboczego. Po zmianie stanu skupienia czynnik roboczy kierowany jest do elementu rozprężnego gdzie ulega zdławieniu do ciśnienia odpowiadającego temperaturze odparowania, przy której możliwe jest odebranie ciepła w parowniku. Skutkiem dodatkowym jest uzyskanie wody skroplonej na powierzchni wymiennika, którą można wykorzystać do dowolnych celów co jest dodatkowym efektem w szczególności w miejscach cierpiących na niedobór wody.

Claims (2)

1. Sposób odzysku ciepła pary wodnej zawartej w powietrzu, w którym pracę parownika nastawia się na temperaturę niższą niż temperatura punktu rosy, znamienny tym, że dla zadanej objętości czynnika roboczego do objętości instalacji pompy ciepła, mierzy się temperaturę otoczenia, dla której wyznacza się temperaturę punktu rosy dla pary wodnej i zadaje się temperaturę odparowania czynnika roboczego, przy czym temperaturę odparowania czynnika roboczego ustawia się na temperaturę niższą lub równą temperaturze punktu rosy dla pary wodnej, jednocześnie steruje się strumieniem objętościowym czynnika roboczego przepływającego przez parownik.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że dla propanu ustala się objętość czynnika roboczego w zakresie od 0,5 litra do 2,5 litra dla objętości instalacji pompy ciepła wynoszącej od 10 litrów do 50 litrów.