SE1230028A1 - Värmecykel för överföring av värme mellan medier och för generering av elektricitet - Google Patents

Abstract

En värmepumpkrets har en kompressor (C) som komprimerar en arbetsfluid från en gas i ett förstatillstånd (1) med lågt tryck och låg temperatur till en gas i ett andra tillstånd (2) med högt tryck ochhög temperatur, där ett första delflöde av arbetsfluiden förs i en huvudkrets (Main) och kondenserastill en gas/vätske-blandning vid passage av en kondensor (COND) och intar ett tredje tillstånd (3)genom att arbetsfluiden avger värme i kondensorn (COND) till ett första medium tillhörande ettvärmekretslopp, och sagda första delflöde av arbetsfluiden expanderas i en förångare (EVAP) ochåtergår därvid till en gas i det första tillståndet (1) genom att uppta värme från ett andra mediumi enkollektorkrets ansluten till förångaren (EVAP), varefter arbetsfluiden återförs till kompressorn (C) ochgenomlöper kretsen på nytt, och där ett andra delflöde av den komprimerade arbetsfluiden expanderasfrån det andra tillståndet (2) som råder vid kompressorns (C) utlopp och förs i en konverteringskrets(Transf) till en turbin (T) för att omvandla energiinnehåll i det andra delflöde av arbetsfluiden somgenomlöper turbinen (T) till rotationsrörelse, varefter expanderad arbetsfluid från turbinens utlopp förstillbaka till kompressorn (C) enligt något av a) efter passage av förångaren (EVAP) för ytterligareexpansion, b) direkt tillbaka till kompressorn (C) efter expansion i turbinen (T) från det andratillståndet (2) till det första tillståndet (1), c) enligt både a) och b), samt att till turbinen (T) är en generator (G) kopplad för att omvandla nämnda rotationsrörelse till elektrisk energi. (Fig. 1).

Description

[0006] I och med globalt stigande priser på energi av olika slag har värmepumplösningar ökat kraftigt under senaste årtiondena och en hel del utveckling och resurser satsas av olika aktörer för att effektivisera värmepumpar. Idag uppnås för värmepumpar värmefaktorer (COP-värden) som ligger kring 5. Detta innebär att värmepumpen levererar optimalt 5 gånger så mycket energi som den förbrukar. Sådana optimala värden kan åstadkommas vid t.ex. bergvärmepumpar, där bergvärme utnyttjas som den kalla källan för att värma förbrukare med låga krav på temperatur, t.ex. vid golvvärme i bostäder.

[0007] Idag görs stora ansträngningar för att ytterligare höja effektiviteten i värmepumpsystem.

Det har dock visat sig att det är svårt att nå längre, då tekniken redan förfinats för att uppnå de höga COP-värden som angett ovan, bl.a. genom införandet av högeffektiva plattvärmeväxlare, lågenergi- centrifugalpumpar, mer energieffektiva scrollkompressorer och optimerade köldmedieblandningar (dvs. de arbetsfluider som genomgår kretsloppet i en värmepumpcykel). Vidare har resurser satsats på att åstadkomma sofistikerade styr- och reglersystem för styrning av värmepumpens kretslopp på ett optimalt sätt. Sålunda verkar det som att tekniken har nått en gräns som är svår att överskrida, annat än med möjligen höjning av värmefaktorn med tiondelar, vid användning av konventionella instrument.

[0008] I känd teknik används i en krets för en värmepump en arbetsfluid, som är ett medium, vilket under kretsloppet i värmepumpen omvandlas mellan olika tillstånd av vätska, vätske/gas- blandning och gas. Arbetsfluiden genomgår kretsloppet genom att i ett första steg i gasform från ett första tillstånd med lågt tryck p] och låg temperatur t] komprimeras till ett andra tillstånd med högt tryck ph och hög temperatur th. Därefter värmeväxlas arbetsfluiden i en kondensor där arbetsfluiden kyls av ett första medium tillhörande ett värmekretslopp och därvid erhåller ett tredje tillstånd med ett tryck pm och en temperatur tm, varvid p] < pm < p], och t] < tm < th. Arbetsfluiden förs sedan vidare till en förångare och värmeväxlas i denna med ett andra medium tillhörande en kollektorkrets, där detta andra medium avger värme till arbetsfluiden, varvid arbetsfluiden expanderar och väsentligen återgår till det tryck och den temperatur som råder vid det första tillståndet.

[0009] Den beskrivna kända tekniken kan exemplifieras medelst en värmepump som upptar vär- me från exempelvis berggrund och avger värme i ett uppvärmningssystem för t.ex. en bostad. Vid en sådan värmepump tillförs det nödvändiga arbetet vid kompression av arbetsfluiden vanligen medelst en elmotordriven kompressor, som här sägs leverera effekten P till värmepumpkretsen. Under krets- loppet kommer arbetsfluiden vid det mest optimala utnytjandet, när värmefaktorn uppgår till 5, att i kondensorn avge en effekt 5P till det första mediet som genomlöper en värmekrets, som nyttjas vid nämnda uppvärmning. 10 15 20 25 30 35

[0010] Under passagen av kondensorn kyls arbetsfluiden och kommer därvid som nämnts att inta ett tillstånd av en gas/vätske-blandning. Denna blandning leds vidare via en strypventil till förångaren, varvid blandningen väsentligen ges vätskeform, varefter arbetsfluiden i vätskeform nu expanderar till en arbetsfluid i gasform. Ängbildningsvärmet som krävs för förångningen upptas i detta fall från det andra mediet som även det cirkulerar i förångaren för värmeutbyte med arbetsfluiden. Den upptagna effekten är i detta exempel 4P. Det andra mediet genomlöper en kollektorkrets, som i det aktuella exemplet innehåller det andra mediet, vilket på ett lämpligt sätt anordnats att cirkulera i berget för upptagning av värme ur bergrunden. I de kända anordningarna dimensioneras kompressor, kondensor och förångare på ett sådant sätt att de på ett optimalt sätt kompletterar varandra och till värmekretsen levererar den effekt som krävs i sammanhanget.

[0011] Då arbetsfluiden lärnnar kompressorn som en hetgas i en värmepumpcykel och avger värme till kondensorn faller temperatur och tryck hos hetgasen kraftigt, varvid hetgasen åtminstone till större delen övergår till vätska. Fortfarande finns outnyttj at tryck och temperaturöverskott kvar hos arbetsfluiden att utnyttja före en expansionsventil anordnad uppströms förångaren. Expansionsventilen har till uppgift att fördela förutbestämd mängd arbetsfluid till förångaren, på så sätt att expansions- ventilen styrs att expandera vätskeflödet nedströms kondensorn. Vätskan expanderas i expansions- ventilen så att den ges lägre tryck och lägre temperatur innan vätskan expanderas till ånga i förångaren.

[0012] Förslag till nya, alternativa lösningar vid utnyttjande av en värmecykel vid värmepumpsystem ges bl.a. i skrifterna: J P2005 172336, WO 2011059131, JP2007132541och JP 2009216275 visar alla en turbin som utnyttjar överskottsenergi i cykeln och omvandlar denna till elenergi. Turbinen är placerad mellan kondensor och förångare. Det kan här noteras att turbinen i dessa fall är anslutna seriellt i kretsen med arbetsfluiden. Nämnda dokument redovisar lösningar som är avsedda att omsätta ovan nämnda överskott av temperatur och tryck nedströms kondensorn till elektrisk energi genom att en turbin kopplad till en generator skall ersätta expansionsventilen. Det är dock mycket svårt att få en turbin att fungera under de prernisser som råder vid de tillstånd som uppträder hos arbetsfluiden mellan kondensor och förångare.

US2009165456 visar en anordning i många olika utföranden, där bl.a. finns en turbin för utvinning av elenergi direkt kopplad efter kompressorns högtryckssida i flera av utförandena. I cykeln är en pump ansluten i kretsen efter kondensorn för att öka trycket i kretsen. Ett flertal värmeväxlare och pumpar gör anordningen komplicerad.

[0013] Det är ett syfte med den föreliggande uppfinningen att frarnlägga en värmepumpcykel som visar på ett effektivare utnyttjande av tillgänglig energi i ett värmepumpsystem. 10 15 20 25 30 35 BESKRIVNING AV UPPFINN INGEN

[0014] Den föreliggande uppfinningen utgör en modifiering av en värmepumpkrets enligt den kända tekniken. Härvid har i första hand inriktats på att med vissa medel anordna värmepumpkretsen så att mer värme upptas ur kollektorkretsen vid en anläggning med ett förutbestämt värme/kyl-behov.

För att åstadkomma detta anordnas elmotorn för att leverera mer effekt till en kompressor som är överdimensionerad i förhållande till vad som krävs för att frambringa den erforderliga effekten till värmekretsen vid kondensorn, eller i fallet med kylmaskiner den erforderligt upptagna effekten i för- ångaren. Genom denna åtgärd kommer vid en viss värmefaktor ytterligare energi att tillföras arbets- fluiden i värmepumpkretsen. Denna ytterligare tillförda energi till värmecykeln kan inte avges vid kondensorn eftersom värmecykeln är dimensionerad för nämnda erforderliga effekt. I stället anordnas en förbiledning av kondensorn från utloppet hos kompressorn och vidare till inloppet av förångaren, alternativt direkt tillbaka till kompressorns inlopp beroende av expansionsgrad av arbetsfluiden i turbinen. I denna förbiledning är en turbin anordnad i gasflödet från kompressorn. Flödet av het gas med högt tryck och hög temperatur ut från kompressorn delas således upp och leds, dels till konden- sorn, dels till turbinen. Den del av flödet som genomströmmar turbinen och sedan återförs till kompressorn utan att passera kondensorn flödar i en krets som här benänms konverteringskrets. Både kretsen som innefattar kondensorn och konverteringskretsen genomströmmas av arbetsfluiden som sålunda komprimeras, kondenseras och expanderas på likartat sätt i de båda delflödena. Detta medför att arbetsfluiden genomlöper en carnotcykel på det kända sättet, varvid värmefaktorn för de båda delflödena av arbetsfluiden i den samlade värmepumpkretsen kan tillskrivas en värmefaktor som kan uppgå till 5. Det delflöde av arbetsfluiden som genomströmmar turbinen i konverteringskretsen kondenseras till en gas/vätske-blandning och genomgår därvid en process som liknar omvandlingen av gas från det första tillståndet till det andra tillståndet i det delflöde som passerar kondensorn. Turbinen roteras av det heta gasflödet och omvandlar energi i ångan till mekanisk energi som kan tillföras en generator för utvinning av elektrisk energi. Denna elektriska energi kan användas för driften av den elmotor som driver kompressorn eller levereras ut på ett elnät.

[0015] Uppfinningen kan exemplifieras generellt såsom följer. Det antas såsom i det tidigare exemplet enligt känd teknik att effektbehovet i en värmekrets för vilken värmepumpen är dimen- sionerad uppgår till SP. I stället för att som enligt den kända tekniken lägga ut generatorn att leverera effekten IP till kompressorn, dimensioneras enligt uppfinningen generatorn för effekten 2P för att ge ett belysande exempel. Vid värmefaktorn 5 kommer den effekt som värmepumpen kan leverera att växa till 10P. Den upptagna effekten i kollektorkretsen växer till storleken 8P. Hälften av den effekt som värmepumpen kan leverera förs enligt exemplet till värmekretsen där den erforderliga effekten SP kan transfereras till det första mediet i värmekretsen. Äterstoden av den utvunna effekten 10P ur värmekretsen, dvs. SP, blir via förbiledningen i konverteringskretsen tillgänglig vid turbinen och avges sålunda som nyttig energi till en elgenerator som levererar den elektriska energi som nämnts. 10 15 20 25 30 35 Effektuttaget från elgeneratorn bestäms bl. av verkningsgraden hos paketet turbin/ generator, härefter kallad konverteringsenhet. Om det antas att denna verkningsgrad är 50%, så kommer den utlevererade elektriska effekten från värmepumpkretsen att teoretiskt uppgå till 2,5P. Eftersom ett större flöde av arbetsfluid kommer att passera förångaren än vad som är fallet i den refererade motsvarande konven- tionella värmepumpkretsen behöver förångaren graderas upp för att hantera större effekter jämfört med det uppfinningsenliga exemplet.

[0016] Av det visade enligt uppfinningsaspekten kommer vid en höjning av inmatad effekt till kompressorn i värmepumpkretsen, vid en anläggning med ett förutbestämt effektbehov, en större mängd energi att utvinnas ur kollektorkretsen. Naturligtvis behöver enligt uppfinningen det andra mediet som levererar värme till förångaren ha ett tillräckligt energiinnehåll för att kunna bistå med det ökade effektuttag som krävs i förångaren. Vid exempelvis en anläggning för utvinning av bergvärme kan härvid för det andra mediet krävas två borrhål på visst avstånd från varandra, vid en sådan anläggning där idag endast erfordras ett borrhål.

[0017] Enligt en aspekt av uppfinningen presenteras en metod som har kännetecknen enligt patentkravet 1. En anordning som utnyttjar metoden presenteras i det oberoende anordningskravet 3.

[0018] Ytterligare utföranden av uppfinningen presenteras i de beroende patentkraven.

[0019] En fördel med konverteringsenheten enligt uppfinningen är att den möjliggör utnyttj andet av en tidigare ej fullt utnyttjad resurs i form av ett överskott av tryck och värme i värmepumpkretsen.

Uppfinningen bidrar dessutom till en miljöförbättring, då betydligt mindre elektrisk energi åtgår för en viss energiutvinning i form av en energitransferering vid en värmepump. Uppfinningens potential kan härigenom bli stor då dess användningsområde är brett inom hela området kyl/värme-teknik oavsett vilket effektområde som är aktuellt.

[0020] Ytterligare fördelaktiga utföranden av uppfinningen visas i den detaljerade beskrivningen av uppfinningen.

RITNINGSFÖRTECKNING Fig. 1 visar en schematiserad schablonskiss med en värmepumpkrets enligt uppfinningen.

Fig. 2 visare ett tvärsnitt av en schematiserad konverteringsenhet som enligt uppfinningen innefattar en integrerad turbin och generator för omvandling av värme ur värmepumpkretsen till elektrisk energi.

Fig. 3 visar en schematiserad värmepumpkrets enligt uppfinningen, där en kollektorkrets upptar överskottsvärme från konverteringsenheten. 10 15 20 25 30 35 Fig. 4 visar en schematiserad värmepumpkrets enligt uppfinningen, där förångaren är integrerad med konverteringsenheten.

BESKRIVNING AV UTFÖRANDEN

[0021] För realiserande av uppfinningen presenteras ett antal utföranden av uppfinningen, vilka även framställs med stöd av de bifogade ritningarna.

[0022] En huvudprincip av uppfinningen visas i Fig. l. Figuren visar en komplett värmepump enligt uppfinningen inkluderande en konverteringskrets som lagts till i förhållande till den kända tekniken. Ett köldmedium, här kallat arbetsfluid, cirkulerar i huvudkretsen, benämnd Main, och i konverteringskretsen, benänmd Transf. Arbetsfluiden kan väljas i beroende av användning av värme- pumpen. Olika slag av arbetsfluider kan komma ifråga vid exempelvis uppvärmingsändamål och kylanläggningar. Som ett exempel kan anges R407C, vilken används bl.a. i bergvärmepumpar.

[0023] I det följ ande är beskrivningen riktad mot en värmepump som används vid uppvärmning av bostäder baserad på energiuttag ur berggrund, sjö eller mark. De exempel som ges här avseende tryck, temperaturer eller andra parametrar hänförs sig härvid till en värmepump av det slaget. Om en annan användning av värmepumpen enligt uppfinningen kommer ifråga betyder detta att andra värden på parametrar kan bli aktuella.

[0024] Här ges en överblick över arbetsfluidens data vid dess lopp genom värmepumpcykeln.

Värden som anges får endast uppfattas som visningsexempel och kan variera i beroende av ändamål.

Vid punkten 1 i figuren befinner sig arbetsfluiden i kretsloppet i gastillstånd, det första tillståndet, och kan då ha ett tryck kring 2 kPa och en temperatur kring - 5 °C. Vid passage genom kompressorn C komprimeras gasen till det andra tillståndet, som är ett hetgastillstånd (vid 2). Trycket hos arbets- fluiden kan då ligga runt 22 kPa och dess temperatur kan uppgå till 120 °C. Energin för att kompri- mera arbetsfluiden i kompressorn C erhålls genom tillförsel av elektrisk energi via motorn M. Det är naturligtvis möjligt att tillföra energi till kompressorn C med hjälp av annat slag av mekaniskt arbete.

[0025] Enligt uppfinningen förs ett första delflöde av arbetsfluiden, nu i form av hetgas, vidare i huvudkretsen Main till en kondensor CON D. Kondensorn är byggd som en värmeväxlare och i det här aktuella exemplet, där värmepumpen värmer en bostad, genomflyts kondensorn COND av ett första medium, som cirkulerar i en värmekrets Q, vilken kan utgöras av radiatorer eller golvvärmeslingor.

Värmekretsen Q har på känt sätt slingor som genomlöper kondensorn. Det första mediet är vanligen vatten och uppvärms av den heta gasen vid värmeväxling med arbetsfluiden som hetgas i kondensorn. 10 15 20 25 30 35 Det uppvärmda vattnet cirkuleras ut till värmekretsen vid Vut och leds med reducerad temperatur i retur vid Vin hos kondensorn COND. Värme transporteras sålunda bort från kondensorn med utnyttjande av värmekretsen. Värmen som arbetsfluiden avger i kondensorn medför en temperatur- sänkning hos den heta gasen, som härigenom till stor del kondenserar till vätska. Ett gas/vätske- tillstånd uppkommer hos arbetsfluiden. Detta har här kallats det tredje tillståndet (vid 3). Vid detta tredje tillstånd kan trycket uppgå till ca 10 kPa och temperaturen kan ha sjunkit till 65 °C, allt beroende på energiuttaget i kondensorn.

[0026] Från kondensorn förs arbetsfluiden vidare i huvudkretsen Main till en förångare EVAP. Även förångaren EVAP innefattar en värmeväxlare som i det här fallet upptar värme från ett andra medium, ett köldbärarmedium, som cirkulerar i en kollektorkrets Coll. Det andra mediet (köldbärar- mediet) utgörs av ett medium väsentligen i vätskefas, exempelvis en sprit-vattenlösning, som i fallet med berg-, sjö- eller markvärme cirkulerar i en slinga (kollektorkretsen) för att uppta värme ur berget, sj ön eller marken på känt sätt.

[0027] Kollektorkretsen löper genom förångaren EVAP och bildar i denna en värmeväxlar- struktur tillsammans med slingor av huvudkretsen Main. Arbetsfluiden i huvudkretsen Main inträder i förångaren, väsentligen i vätskefas, och upptar här värme från köldbärarmediet vid värmeväxling med detta i värmeväxlarstrukturen. Värme tillförs förångaren EVAP via köldbärarmediet som förs in till förångaren vid dess inlopp Cm. Denna via kollektorkretsen tillförda värme förångar härvid den väsent- ligen i vätskefas till förångaren tillförda arbetsfluiden. Ãngbildningsvärmet för förångningen tas från köldbärarmediet. Det härigenom avkylda köldbärarmediet återförs i kollektorkretsen till värmekällan (berg, sjö, mark) vid utloppet Cut.

[0028] Regleringen av mängden arbetsfluid i gas/vätskefas som tillåts släppas in i förångaren EVAP styrs normalt via en mellan kondensor och förångare befintlig expansionsventil Exp, vilken som nämnts sänker temperatur och tryck hos den till förångaren EVAP som väsentligen i vätskeform förda arbetsfluiden. Den så långt beskrivna funktionen hos värmepumpkretsen Main visar i princip funktionen för en värmepump enligt känd teknik. Enligt denna kända teknik förloras en del energi, då kompressorn C arbetar även när övertryck redan existerar i kretsen före expansionsventilen Exp.

[0029] Enligt en aspekt av uppfinningen leds ett andra delflöde av arbetsfluiden i en förbiledning förbi kondensorn COND med uttag av arbetsfluiden vid en första shuntventil S1 nedströms arbets- fluidens utlopp från kompressorn C. Detta delflöde strömmar härvid i konverteringskretsen Transf. I detta delflöde i konverteringskretsen Transf är en konvertingsenhet TG placerad, vilken genomström- mas av delflödet innan detta återföres till huvudkretsen Main, antingen via en tredje shuntventil S3 till förångarens EVAP inlopp nedströms expansionsventilen Exp, eller via nämnda tredje shuntventil S3 10 15 20 25 30 35 direkt tillbaka till kompressorn C. Den tredje shuntventilen kan under vissa driftfall medge återföring till huvudkretsen Main enligt båda dessa alternativ simultant, dvs. återföring av delflödet av arbets- fluiden från konverteringskretsen till huvudkretsen Main både före och efter förångaren EVAP.

Konverteringsenheten TG utgörs av en ångturbin T integrerad med en Generator G. Turbinen T drivs av hetgasflödet som utgörs av det delflöde av hetgasen ut från kompressorn C som via den första shuntventilen S1 styrs att flöda genom turbinen T. Generatorn G drivs av turbinen T, varvid genera- torn levererar elenergi, som kan användas på önskvärt sätt. En ny och unik aspekt enligt uppfinningen är att värmeöverskott och trycköverskott som enligt känd teknik inte kan tillvaratas på effektivast och praktiskt möjliga sätt i en värmepumpkrets nu kan styras att medelst uppfinningen tillvaratas med konverteringsenheten TG. Turbinen T kan med fördel vara utformad som en tvåstegsturbin, där de båda turbinstegen är monterade på samma axel. På samma axel som turbinens T axel är även genera- tordelen monterad. Sålunda kan generatorns G rotordel integreras med den roterande delen av turbinen T. Generatorns G statordel är lämpligen fast fixerad till en vägg av konverteringsenhetens hölje.

Statordelen är vidare tillsammans med generatorns rotordel och turbinen T företrädesvis integrerade och anordnade i ett gemensamt trycktätt hölje. Eftersom en ångturbin av det slag som här kan komma till användning roterar med höga varvtal bör lämpligen en elgenerator av höghastighetstyp användas, exempelvis en generator G av höghastighetstyp för likströmsgenerering, vilket ger tekniska fördelar i samband med eldrift av externa enheter och med tanke på egenförluster i generatorn G och egenförlus- ter i elmotorn M till kompressorn i det fall där genererad elektricitet används för drivning av elmotorn.

Generatorn kan exempelvis producera elektrisk energi som kan användas som bidrag för drift av kom- pressorns C drivmotor M. Alternativt, eller simultant med matning till drivmotorn M, kan överskott av el matas ut på ett yttre elnät. Konverteringsenheten TG bidrar härigenom till att avlasta drivmotorns M behov av elektrisk energi i beroende av det överskott av energi som är tillgängligt i värmepumpkretsen genom de tryck- och temperaturfall som uppträder i denna, samt på grund av det ökade tillgängliga uttag av energi från kollektorkretsen som skapats genom design av värmepumpkretsen på anvisat sätt.

[0030] Kompressorn C kan vara en kolv-, scroll- eller skruvkompressor. Förångaren EVAP kan i sin tur vara av typen indirekt förångare och utgörs då vanligen av en plattvärmeväxlare. Alternativt kan förångning ske direkt i t.ex. en förångningsslinga för jord-, sjövärme eller utgöras av ett fläns- batteri för luft. Företrädesvis är kompressorn C en varvtalsstyrd likströmskompressor.

[0031] Vid utnyttjande av konverteringsenhet TG enligt uppfinningen kan förångaren dessutom ha ett shuntat fast förångningsförlopp genom en komplettering med behovsstyrd påspädning med ar- betsfluid via befintlig expansionsventil Exp. Detta sker genom att expansionsventilen styrs av vilket värde temperaturupptagningen förångaren får ha. Genom detta förfarande åstadkoms maximal förång- 10 15 20 25 30 35 ning, så att kompressorn C klarar av att utföra sitt arbete utan risk för haveri, p.g.a. så kallat ”vätskeslag”.

[0032] Principen för uppfinningen bygger på att skapa ett högre flöde av arbetsfluid genom värmepumpkretsen än vad som är motiverat baserat på det förutbestämda behovet för en viss in- stallation, såsom i exemplen där det förutbestämda behovet kan vara effektbehovet i en värmekrets för uppvärnmingsändamål. Detta åstadkoms genom att införa det extra delflöde som enligt uppfinningen passerar konverteringsenheten TG parallellt med delflödet i den ordinarie värmepumpkretsen anpassad till det förutbestämda behovet, vid t.ex. uppvärmning, enligt känd teknik. För att detta ska kunna ordnas krävs att tryck och temperatur hos delflödet genom konverteringskretsen Transf har väsentligen samma värden som de värden som delflödet i huvudkretsen Main har vid de punkter där delflödena återförenas, vilket sker som ovan närrmts vid ett eller båda av den tredje shuntventilens S3 båda utlopp, dvs. vid något av förångarens inlopp resp. utlopp.

[0033] Under vissa driftfall kan det vara nödvändigt att länka samman huvudkretsen Main upp- ströms kondensorn C med konverteringskretsen Transf för att föra över arbetsfluid från konverterings- kretsen till huvudkretsen. En backventil V förhindrar att arbetsfluiden kan strömma i den motsatta riktningen.

[0034] I figur 1 visas även en styrenhet CONTR. Denna styrenhet övervakar de driftfall som kan förekomma för drift av värmepumpen . Sålunda styr styrenheten CONTR start och stopp av komp- ressorn C, styrning av flöden av arbetsfluid vid shuntventilerna S1, S2, S3, expansionsventilen Exp, samt styr spänningsregulator REG som styr utmatad spänning från generatorn G. Styrning av en värmepump är konventionell teknik, varvid styrenhetens funktion inte i detalj redovisas här.

[0035] Konverteringsenheten kan placeras på olika sätt i värmepumpkretsen och ges då något olika utföranden, men utnyttjar nämnda tryck/värme-överskott. En utföringsvariant är att integrera turbindelen och kompressor/elmotor, varvid dessa blir mekaniskt avlastade och därmed kräver lägre energi för driften. Vid detta utförande krävs ingen generatordel, vilket är en förenkling i sig, men som kräver en omkonstruktion av kompressorenhet.

[0036] Beräkningsexempel Här redovisas ett exempel på en dimensionering av en värmepumkrets enligt uppfinningen. Exemplet är enbart avsett att tydligare belysa uppfinningens ide och får endast uppfattas som ett principiellt utförande och kan som sådant inte ligga till grund som någon bas för en argumentation mot upp- finningen. Som sådant exempel visas här en teoretisk beräkning av parametrar vid en värmepumpkrets enligt uppfinningen baserad på en värmepump enligt Carnot-principen: 10 15 20 25 30 35 10 Förutsättningar: - Fastställt värmebehov vid en anläggning och uttag av Vatten med i snitt temperaturen +40 °C (T 1) vid Vu, i värmekretsen vid kondensorn COND: 8 kW (toppeffekt).

- Vald Värmepump: 0-17 kW med varvtalsstyrd likströmsdrift av kompressor (alltså överdimensionerad i förhållande till fastställt behov).

- Driftsfakta: Ãrsmedeltemperatur (T2) för köldbärarmediet: +4 °C, bergvärme, direktåterföring av arbetsfluid från kompressor, dels via kondensor till förångare, dels via konverteringsenhet till förångare (dvs. återföring av värmeöverskott i hetgas efter tryck/temperatur-sänkning i turbinen T): T1= 40 +273 = 313 (K) T2 = 4 + 273 = 277 (K) - Teoretiskt uppnåelig värmefaktor enligt formeln: COP = T1/(T1- T2) = 313/(313 - 277) = 313/36 = 8,69 - Praktiskt möjlig värmefaktor (COP) hos värmepump uppgår enligt känd teknik till ca 50% av teoretisk, p. g.a. tryck och värmeförluster.

- Verklig värmefaktor för värmepumpkretsen 0,5 X 8,69 = 4,35 Enligt ett första alternativ, där värmefaktorn 4,35 vid fördelning av effekt med 8 kW till kondensor COND och 9 kW till konverteringsenhet TG (dvs. med både direktåterföring av hetgas via kondensor COND och återföring av tryck/temperatur-sänkt hetgas till förångare EVAP utan användning av normalt begränsande eXpansionsventil) ger: - Effektbehov vid kompressor för täckning av värmebehovet: 8 kW/4,35 = 1,84 kW.

- Effektbehov vid kompressor för leverans av resterande (9 kW) tillgänglig värmepumpeffekt (17 kW) till konverteringskrets: 9 kW/4,35 = 2,07 kW.

Sammanlagd erforderlig effektförbrukning vid uttag av maximal effekt: 3,91 kW.

Avgiven maxeffekt från konverteringsenheten TG vid en antagen verkningsgrad 50 % för denna uppgår till: 0,50 X 9 kW = 4,5 kW.

Enligt ett andra alternativ antas den praktiskt möjliga verkningsgraden för konverteringskretsen TG utgöra endast 40% av tillgänglig (9 kW). Möjligt effektuttag blir 0,40 X 9 kW = 3,6 kW.

Effektbehov vid kompressor för täckning av värmebehovet (via kondensor) är detsamma som i alt. 1, dvs. 8 kW/4,35 = 1,84 kW, - Effektbehov vid kompressor för leverans av resterande (9 kW) tillgänglig värmepumpeffekt (17 kW) till konverteringskrets: 9 kW/4,35 = 2,07 kW.

Sammanlagd erforderlig effektförbrukning vid uttag av maXimal effekt: 3,91 kW.

Sålunda ger alternativ 2 ett ytterligare behov av 0,31 kW men producerar å andra sidan maximalt 8 kW till värmekretsen samt maximalt 3,6 kW som elektrisk effekt från konverteringskretsen TG. 10 15 20 25 30 35 11

[0037] Konverteringsenheten TG kan var utformad så som denna visas i ett tvärsnitt i fig, 2.

Turbinen T är innesluten i ett hölje H och monterad på axeln A. Axeln är lagrad på lager B i sina respektive ändar vid höljets H sidor. Intill och integrerad med turbinhjulet på turbinen är en rotordel R av generatorn G anbringad. Härigenom kommer rotordelen R att rotera tillsammans med turbinhjulet hos turbinen T. En statordel S av generatorn G är fast anbringad till höljets H ena vägg. På känt sätt alstras en spänning över en utmatning från generatorn när turbinhjulet roterar då ånga från inloppet Fm passerar turbinen T och leds ut vid utloppet Fm.

[0038] Ett ytterligare utföringsexempel visas i figur 3.

När det delflöde av hetgas som enligt uppfinningen passerar konverteringsenheten och levererar rotationsenergi till turbinen T avges även värme till själva turbinens gods. En viss värmeutveckling uppkommer även i generatorns G delar. För att tillvarata all sådan överskottsvärme som kommit konverteringsenheten TG till del under drift omsluts det hölje som trycktätt innesluter turbin T och generator G, så som visas i fig. 3, av en mantel M, så att härigenom ett dubbelt skal bildas och mellan de två skalen ett mantelutrymme. Till detta mantelutrymme leds vid mantelutrymmets inlopp Cm det andra mediet, dvs. köldbärarmediet, så att detta uppvärms av överskottsvärmet från den inneslutna konverteringsenheten TG. Det andra mediet återförs efter värmeupptagningen till ingången vid förångaren EVAP (vid det inlopp somi fig. 1 är benämnd Cm), varvid därefter förloppet är så som tidigare redovisats. Hetgasflödet utnyttjas härigenom till att producera elenergi via turbin/ generator och restvärmen tillvaratas genom återföring till kollektorkretsen.

[0039] Funktionsbeskrivning av värmepumpkretsen.

Vid start hålls shuntventilerna S1 och S2 stängda för gasflöde genom konverteringsenheten TG medelst styrning från styrenheten CONTR. Då kompressorn C uppnått arbetstryck med hjälp av den styrda expansionsventilen Exp ger styrenheten CONTR öppningsimpulser till ventilerna Sl/SZ som i steg reglerar ett gasflöde till konverteringskretsen Transf, varvid turbinen T med integrerad generator G i konverteringsenheten TG börjar alstra elektrisk spänning till en spänningsregulator REG, som reglerar utmatning av den alstrade spänningen. När konverteringsenhetens turbin T och generator G är i fas med värmepumpens spänning ger styrenheten CONTR impuls till shuntventil S2 att helt öppna konverteringskretsen fram till förångaren EVAP. Shuntventilen S1 regleras därefter via spännings- regulatorn REG och styrenheten CONTR på så sätt att hetgasflödet styr generatorspänningen till den varvtalsstyrda likströmskompressorn C, som enligt uppfinningen är överdimensionerad i förhållande till behovet av vänne i värmekretsen (alternativt behovet av ”kyla” vid förångaren vid fallet kyl- anläggning). Förångaren EVAP direktmatas med ett begränsat styrt shuntat gas/vätske-flöde av lågt tryck p. g.a. att trycket sjunkit hos delflödet som passerat turbinen T. Även temperaturen har sjunkit hos nämnda delflöde, eftersom överskottsvärme bortförts i det fall där konverteringsenheten TG kyls.

För optimalt utnyttjande av arbetsfluiden i förångaren EVAP styrs shuntventilen S3 som fördelar fluid 10 15 20 25 30 35 12 till förångaren EVAP via styrenheten CONTR. Vid vissa driftfall blir det mer optimalt att återföra viss del av delflödet som passerar via konverteringskretsen Transf direkt tillbaka till kompressorns C sugsida, som då arbetar tryckavlastad (s.k. kapacitetsreglering). Denna styrning verkställs medelst shuntventilen S3. Som option kan en underkylare Ul läggas in i kollektorkretsen, som genomflyts av det andra mediet, för att utnyttja resterande värmeöverskott efter kondensor COND på maximalt sätt.

Detta är känd teknik och illustreras med streckade linjer i fig. 3. Omhändertagandet av tryck och Värme i Värmepumpkretsen enligt uppfinningen kan utföras på flera alternativa sätt, varav här endast de föredragna utförandena beskrivits. Backventilen V måste finnas för att hindra kompressorns C egenproducerade hetgastryck avsedd för kondensor att inte orsaka fel flödesriktning för arbetsfluiden och skapa driftstörningar i värmepumpkretsen. Den andra shuntventilen S2 kan styras att återföra åtminstone en del av det andra delflödet av arbetsfluiden (i kretsen Transf) till huvudkretsen Main, vilket kan vara fördelaktigt under vissa driftsförhållanden.

[0040] En värmepump som är uppbyggd enligt förfarandet kan ges alternativa utföranden. Som exempel kan förångaren EVAP och konverteringskretsen TG integreras med varandra, exempelvis genom att förångaren utgör den yttre manteln av konverteringsenheten. Genom denna design kan allt överskottsvärme från konverteringsenheten TG överföras till förångaren EVAP, som därvid tillvaratar ytterligare överskottsenergi. En uppbyggnad av förångaren EVAP enligt denna princip visas i fig. 4.

Denna variant kan vara den kommersiellt mest intressanta trots att den är mer komplex till sin konstruktion. Som optioner kan underkylare U1 och U2 anordnas på sätt som framgår av fig. 4.

[0041] Teoretiska beräkningar vid nyttjande av konverteringsenhetens applikationsmöjligheter vid en värmepumpkrets enligt uppfinningens aspekter, här redovisade baserade på applikationen enligt figur 4: Enligt Mollierdiagram applicerat för arbetsfluiden R407 C får detta medium i form av en hetgas med tryck 24 kPa och temperatur ca +l00 °C en temperatur som uppgår till ca + 20 °C om trycket sänks till ca 4 kPa, när mediet förslagsvis passerar genom en 2-stegsturbin som driver en höghastighetsgenera- tor. En kommersiellt tillgänglig varvtalstyrd likströmsdriven värmepump som har en märkeffekt 0-17 kW har som exempel ett maximalt hetgasflöde på ca 18 kbm/tim enl. teknisk specifikation från till- verkare. Detta innebär ett maximalt hetgasflöde på ca 300 liter/rnin eller ca 5 liter/sek. Energiinne- hållet i detta ”massflöde” delas upp av shuntventilen S1 som är en av styrenheten CONTR styrd shunt- ventil. Om 2-stegsturbinen sänker gastrycket 24 kPa till ca 4 kPa bör följaktligen över 80% energi- innehåll av trycköverskottet i konverteringskretsen Transf omvandlas till rörelseenergi i 2-stegstur- binen T samt ge värmeutveckling i hela konverteringsenheten TG. Vi förutsätter i exemplet att tryck och temperatur står för lika delar i detta förlopp så som ett Mollierdiagram visar. Då en värmepump- krets anordnas enligt utförandet i fig. 4 med konverteringsenheten TG integrerad/innesluten i förångaren EVAP kommer i stort sett alla värmeförluster i konverteringsenheten TG att tillföras 10 15 20 25 13 förångaren EVAP, Vilket påtagligt ökar förångningstemperaturen för hela värmepumpkretsen Main+Transf, dvs. både från kondensorn COND via expansionsventilen Exp (normalvägen enl. känd teknik) +””direktgas-blandningen” som passerat via den integrerade konverteringsenheten TG. Med rätt dimensionerad förångare EVAP och kollektorkrets kommer då ett betydligt större energiupptag att göras ur kollektorkretsen vilket medger uttag av elenergi via redan känd och fungerande kyl/värme- pumpteknik. För att utnyttja resterande tryck/temperatur dvs. energiinnehåll efter kondensor- uttag/passage är det fördelaktigt att seriekoppla en underkylare Ul i inkommande ledning Cm till förångare i kollektorkretsen, då expansionsventilen Exp inte släpper igenom arbetsfluid som har för högt tryck/temperaturvärde och därmed utgör en onödig förlustkälla. Samma inkopplingsmetod kan man även nyttja med en underkylare U2 placerad i utgående ledning Cu, i kollektorkretsen för att sänka temperaturen hos arbetsfluiden ytterligare efter passage av turbinen T och därmed krama ur mer energi ur delflödet ut från turbinen T före insläpp i förångaren EVAP. Detta förutsätter att det är ekonomiskt motiverat att ytterligare optimera förångningstemperaturen hos de sarnlänkade delflödena av arbetsfluiden, summagasflödet (vid 3), som skall återgå till kompressorns C sugsida. I lägen där för stort delflöde skapats genom turbinen T shuntas/förbikopplas överskott via styrd shuntventil S3 förbi förångaren EVAP. Detta förbikopplade överskott länkas samman med utflödet från förångaren EVAP och förs till kompressorns C sugsida. Kompressorn blir då ”tryckavlastad”, vilket innebär att energiförbrukningen sjunker, då minimala tryckdifferenser härigenom skapas.

[0042] Så som nämnts tidigare kan den värmepumpkrets som här beskrivits även användas vid kylmaskiner. I dessa sammanhang är det avkylning av ett yttre medium vid förångaren (EVAP) som eftersträvas, t.ex. luft som det andra mediet, vilket i förångaren (EVAP) passerar kylslingor med arbetsfluid som upptar värme ur luften. Om den här presenterade uppfinningen skall användas vid kylmaskiner, så utgår man i stället vid dimensionering av kretsen från den kyleffekt som eftersträvas vid förångaren (EVAP), i stället för som angetts i exemplen ovan avseende uppvärmningsändamål, där det är effektbehovet i värmekretsen vid kondensorn som är styrande vid design av kretsen.

Claims (1)

1. 0 15 20 25 30 35 14 PATENTKRAV Förfarande vid ett köldmediekretslopp som innefattar en arbetsfluid, vilken i kretsloppet från ett första tillstånd (1) med lågt tryck pl och låg temperatur tl komprimeras till ett andra tillstånd (2) med högt tryck pl, och hög temperatur tll, varefter arbetsfluiden kyls och därvid intar ett tredje tillstånd (3) med ett tryck pm och en temperatur tm, varvid pl < pm < pl, och tl < tm < tll, och där arbetsfluiden därefter expanderas för att väsentligen återgå till det tryck och den temperatur som råder vid det första tillståndet (1) innan arbetsfluiden återigen komprimeras i kretsloppet, kännetecknat av att - ett första delflöde av den komprimerade arbetsfluiden värmeväxlas i en kondensor (COND) så att sagda kylning av arbetsfluiden sker via ett första medium tillhörande ett värmekretslopp (Q) med slingor genom kondensorn, där det första mediet kyler arbetsfluiden som därvid intar det tredje tillståndet (3), och där arbetsfluiden förs vidare till en förångare (EVAP) och i denna värmeväxlas med ett andra medium tillhörande en kollektorkrets (Coll), där detta andra medium avger värme till arbetsfluiden, varigenom arbetsfluiden genomgår sagda expansion och väsentligen återgår till det tryck och den temperatur som råder vid det första tillståndet (1), - ett andra delflöde av den komprimerade arbetsfluiden genomgår sagda kylning och sagda expansion från det andra tillståndet (2) vid passage genom en turbin (T) och återförs till det första tillståndet (1) i kretsloppet genom något av: a) ytterligare expansion i förångaren (EVAP), b) expansion i turbinen (T) från det andra tillståndet (2) till det första tillståndet (1), c) expansion enligt både a) och b), och - turbinen (T) driver en generator (G) som omvandlar arbete utvunnet vid arbetsfluidens expansion i turbinen (T) till elektrisk energi. Förfarande enligt patentkrav 1, där: - fördelningen av arbetsfluid till det första resp. till det andra delflödet, och - återföring av arbetsfluid i det andra delflödet till det första tillståndet (1) enligt något av alternativen a), b) och c), styrs medelst en styrenhet (CONTR) via styrbara shuntventiler (S1, S2, S3). Anordning innefattande åtminstone en kompressor (C), en kondensor (COND), en förångare (EVAP) och en turbin (T) i en krets som genomflyts av en arbetsfluid, kännetecknad av att: - kompressorn (C) komprimerar arbetsfluiden från en gas i ett första tillstånd (1) med lågt tryck pl och låg temperatur tl till en gas i ett andra tillstånd (2) med högt tryck pll och hög temperatur tll, 10 15 20 25 30 35 15 - ett första delflöde av arbetsfluiden förs i en huvudkrets (Main) och kondenseras till en gas/vätske-blandning vid passage av kondensorn (COND) och intar därvid ett tredje tillstånd (3) med ett tryck pm och en temperatur tm genom att arbetsfluiden avger värme till ett första medium tillhörande ett värmekretslopp (Q), där det första mediet värmeväxlas med arbetsfluiden i kondensorn (COND) och här gäller att pl < pm < ph och tl < tm < th, sagda första delflöde av arbetsfluiden förs vidare från kondensorn (COND), expanderas i förångaren (EVAP) och återgår därvid till en gas i det första tillståndet (1) genom att uppta värme från ett andra medium i en kollektorkrets (Coll) ansluten till förångaren (EVAP), där det andra mediet värmeväxlas med arbetsfluiden, varefter arbetsfluiden återförs till kompressorn (C) och genomlöper kretsen på nytt, - ett andra delflöde av den komprimerade arbetsfluiden expanderas från det andra tillståndet (2) som råder vid kompressorns (C) utlopp och förs i en konverteringskrets (Transf) till en turbin (T) för att omvandla energiinnehåll i det andra delflöde av arbetsfluiden som genomlöper turbinen (T) till rotationsrörelse, varefter expanderad arbetsfluid från turbinens utlopp förs tillbaka till kompressorn (C) enligt något av: a) efter passage av förångaren (EVAP) för ytterligare expansion, b) direkt tillbaka till kompressorn (C) efter expansion i turbinen (T) från det andra tillståndet (2) till det första tillståndet (1), c) enligt både a) och b), - till turbinen (T) är en generator (G) kopplad för att omvandla nämnda rotationsrörelse till elektrisk energi. Anordning enligt patentkrav 3, där anordningen drivs för olika driftfall medelst en styrenhet (CONTR), som styr en första shuntventil (S 1) för fördelning av första och andra delflöde av arbetsfluiden, och som vidare styr en andra shuntventil (S2) och en tredje shuntventil (S3) för val av driftfall genom återföring av arbetsfluid från det andra delflödet till kompressorn (C) enligt något av a), b) och c). Anordning enligt patentkrav 4, där en motor (M) som driver kompressorn (C) är varvtalsreglerad, varvid styrenheten (CONTR) styr energitillförsel till kompressorn (C) genom en styrning av motorn (M) för anpassning av anordningen till olika driftfall. Anordning enligt patentkrav 5, där regleringen av mängden arbetsfluid i gas/vätskefas som tillåts släppas in i förångaren EVAP styrs av styrenheten (CONTR) via en mellan kondensor (C) och förångare (EVAP) befintlig styrbar expansionsventil (Exp). 10 15 20 10. 16 Anordning enligt patentkrav 1, där turbinen (T) som genomflyts av det andra delflödet av arbetsfluiden och generatorn (G) som drivs av turbinen (T) är integrerade och inkapslade i ett gemensamt trycktätt hölje. Anordning enligt något av patentkraven 1 till 6, där turbinen (T) som genomflyts av det andra delflödet av arbetsfluiden och generatorn (G) som drivs av turbinen (T) är integrerade och inkapslade i ett gemensamt trycktätt hölje och där förångaren (EVAP) är anordnad att omsluta det för generator (G) och turbin (T) gemensamma trycktäta höljet, varigenom förångaren (EVAP) är anordnad att tillgodogöra sig överskottsvärme som läcker ut från nämnda trycktäta hölje. Anordning enligt patentkrav 7 eller 8, där turbinen (T) har åtminstone ett turbinsteg med åtminstone en turbinrotor, där nämnda åtminstone en turbinrotor roteras av det andra delflödet i form av en hetgas, och där vidare generatorns (G) rotor är monterad på samma axel som turbinens (T) åtminstone en turbinrotor, medan generatorns stator företrädesvis är integrerad med det trycktäta höljet. Anordning enligt något av föregående patentkrav, där den elektriska spänning som genereras av generatorn (G) förs till en spänningsregulator (REG), vilken styrs av styrenheten (CONTR) att reglera en från spänningsregulatorn (REG) utlevererad spänning i förhållande till aktuella driftvillkor för anordningen.