SE446356B - Forfarande och anordning vid en vermepumps forangarsida der koldmedium i vetskeform och en vetska blandas vid hogre tryck en forangningstrycket - Google Patents

Description

8500215-2 2 Förångaren är med fördel utförd som en långsträckt behållare vars längd är minst åtta gånger så stor som dess ekvivalenta diameter, d = sqrt (4A/3,14) där A är tvärsnittsytan och d den ekvivalenta diametern. Behållarens volym väljs därvid så att minst 98% av lkylmediet förångats innan blandningen av vätska och kylmedium passerat 50% av avståndet mellan inloppsänden och utloppsänden för vätskan.

Genom att det ej finns någon fast yta mellan de två medierna är det fördelaktigt att styra mängden kylmedium så att en väsentlig mängd vätska fasomvandlas. Vid användning av vatten innebär detta att isbildning sker. Detta är vid föreliggande uppfinning ej någon nackdel så länge mängden fasomvandlat medium hålls inom sådana gränser att en pumpbar slurry erhålles. Med väsentlig mängd avses att minst 10% av vätskan, företrädesvis 20-25% av vätskan, skall fasomvandlas. Genom att fasomvandlingsvärmet utnyttjas erhålles en kompakt anläggning.

Enligt uppfinningen skall värmekällan, vanligtvis vatten, bringas i kontakt med kylmediet på sådant sätt att en tillfredsställande stor värmeöverföringsyta från början garanteras i gränsen mellan de två medierna. Storleken på denna yta måste upprätthâllas eftersom värmeöverföringen mellan medierna och därmed kylmedieångmängden till kompressorn bestäms av storleken hos värmeöverföringsytan. För att utnyttja kylkompressorn på ett effektivt sätt är det väsentligt att kylmedieångmängden hålls så konstant som möjligt. Detta uppnås genom att en statisk blandare används som delar de två tillförda flödena, vätska och kylmedium, i allt mindre delar. En sådan blandare kan bestå av ett cylindriskt rör i vilket ett antal diametralt anordnade plåtar är anordnade efter varandra. Varje plåts vinkelläge i röret varierar längs plåtens längd så att vinkelläget vid utloppsänden är 90°vridet i förhållande till vinkelläget vid inloppsänden. Eitersom alla plâtarna är likadant monterade kommer inloppsänden hos en plåt att vara anordnad vinkelrätt mot utloppsänden hos föregående plåt.

På detta sätt kan man enkelt dela upp flödena så att man får en partikelmängd av kylmedium som uppgår till mellan 215 och 250 partiklar per ton kylmedium. Vid kylmediets förångning uppstår 3 ssoozis-2 sådana ångvolymer att tillfredsställande omblandning av medierna erhålles för att garantera en i huvudsak fullständig förångning.

Genom lämplig dimensionering av förångaren uppnås kylmediehalter som understiger 500 ppm vid förångarens utloppsände. Vanligtvis understiger halten 100 ppm. Med förångaren är det möjligt att arbeta med mycket små temperaturdifferenser mellan de tvâ medierna. Om t.ex. 1,006 temperaturdifferens motsvarar 0,5 m vattenpelare i ångtryck innebär detta att butanets förångning kan förhindras i ett vätskeskikt som ligger mer än 0,5 m under vätskeytan. I syfte att förhindra oönskade kortslutningsströmmar av vätska utan avkokning av butan utefter förângningskärlets botten kan kärlet lutas från inmatningsänden samtidigt som det utrustas med minst fyra tvärväggar till en höjd överstigande halva diametern, vilka tjänar som överfall för isslurryn respektive vätskeblandningen. allt i syfte att tvinga all vätska till ytan för förängning ett antal gånger.

Med det nu enligt uppfinningen enklare sättet att producera is, dvs att utnyttja vattnets fasomvandlingsvärme, kan man finna fler applikationer för tekniken enligt uppfinningen än vad som tidigare hade kunnat vara möjligt. Ett exempel på uppfinningen och dess tillämpning är det fall då man med värmepumpsapplikationen kan arbeta med ett slutet vattensystem. Vatten ur en lämpligt dimensionerad damm utgör värmekällan. Denna värmekälla utnyttjas på ett här beskrivet sätt med hjälp av uppfinningen, dvs man fryser is av en lämplig andel av vattnet. Det på så sätt utvunna fasomvandlingsvärmet används på sätt som tidigare beskrivits enligt uppfinningen. Den producerade isen återföres till dammen där den lagras i väntan på att den skall smälta. Mängden vatten i dammen anpassas efter klimatologiska förhållanden så att möjligheter till dygnslager, veckolager eller månadslager kan erhållas med den disponibla vattenmängden. För att hålla denna vattenmängd nere kan man enligt uppfinningen med lämpliga färgämnen öka isens värmeabsorpticnsförmåga så att ishögen i dammen fungerar som solfångare. Man har därvid uppnått flera syften. För det första har man åstadkommit en billig solfångare. Detta är möjligt därigenom att solfångaren arbetar vid en temperatur som ej kräver termisk isolering gentemot omgivningen. Man har vidare arbetat med ett wßflfisg-yhfl; i. « fin" " '*s:='.v~=s».=-awe.a~_»~ _ a-e w e wwtmtt pefrwumr.. .- _. p. _. .i 8500215-2 4 fasomvandlingssystem som gör det möjligt att även vid utomhustemperaturer under 0°C vid tillräcklig solinstrâlning erhålla en smältning av den lagrade isen. Det så erhållna smältvattnet kommer att penetrera islagret och samlas under detta i den omtalade dammen. Genom den här redovisade tillämpningen av uppfinningen har man löst ett av de många problem som alltid förknippats med solfångarinstallationer, nämligen möjligheten att lagra.utvunnen solenergi på ett billigt sätt så att det är möjligt att använda anordningen kontinuerligt dygnet runt. Lagringen sker dessutom med hjälp av ett av de billigaste medel som man kan tänka sig.

Uppfinningen i den senast beskrivna utföringsformen kan visas i ett beräkningsexempel.

Vid ett effektbehov av 50-kw kontinuerligt, vilket bör svara mot en större lantgård eller motsvarande, skall värmekällan tillföra storleksordningen 33 kw medan värmepumpens elförbrukning ligger i storleksordningen 17-20 kw. Om nu värmekällan utgöres av nollgradigt vatten krävs per timme att man fryser 350 kg is drygt räknat. Detta motsvarar en kvantitet is under en månad vid kontinuerlig drift av idrygt 250 m3. Om denna ismängd skulle lagras i en damm till 2 m djup motsvarar det en damm med en yta av ca 12 x 12 m. Tre månaders lagringsbehov skulle följaktligen kräva en damm på storleksordningen x 50 m, vilket i jordbrukssammanhang får vara en blygsam dimension. Genom att från dammens botten ta vatten till värmepumpen och endast frysa 20-25% av vattenmmängden till is så att slurryn fortfarande är pumpbar finns det goda möjligheter att distribuera isen på den iskulle som redan är förhanden ovanpå vattenytan. Pâ solsidan av denna ismassa kommer isen att smälta till vatten även .-'1-v"-'.'«.- . _ vid minusgrader vid intensiv solbelysning.

En annan tillämpning av uppfinningen är vid framställningen av renkristaller till is. Glädjen med att framställa renkristaller av is torde stå klart om man betraktar möjligheten att genom kristallisation av is åstadkomma ett alternativ till indunstning av processlösninger. Kristallisationsförfaranden i processindustrin av - r-.-~ a» om., ».=~\-.<=-v¿-e-\m.ew;x-_~A.f_» 144.» 8500215-2 wfl andra ämnen än is brukar ha en anrikningsfaktor på 1~100 eller däromkring.

Med anrikningsfaktor förstås i detta sammanhang att kristallerna ur en lösning är hundra gånger renare än lösningen i genomsnitt. Nu beror inte resultatet av en kristallisation enbart på den enskilda kristallens renhet, resultatet är minst lika beröënde av att det inte finns moderlut inneslutet i kristallen på grund av ofullkomligheter i kristallens form. Genom en väl utprövad kristallisationsteknik, och där gäller det att samma teknik inte kan användas för alla processlösningar, är det möjligt att höja anrikningsfaktorn från storleksordningen 100 till över 10 000 om man med teknik enligt uppfinningen ser till att endast önskvärda kristaller bildas i förångaren/fryskärlet. Det är alltså enligt uppfinningen möjligt att före inträdet i förångaren/fryskärlet blanda, inte blott kylmedium och vatten, utan jämväl mellan 106 till 108 stycken kristallisationsgroddar per kilogram förångat kylmedium.

Kristallisationsgroddar tillverkas genom malning av is i kolloidkvarn eller motsvarande. Genom denna tillförsel av kristallisationsgroddar är det möjligt, enligt uppfinningen, att styra kristallisationstillväxten så att endast ett reglerat antal kristaller utbildas och erhåller en tillväxthastighet som står i proportion till den avångade kylmediemängden. Den avångade kylmediemängden å andra sidan går att styra därigenom att värmeöverföringsytan mellan kylmedium och vatten redan från början före inträdet i förångaren bestämts ligga inom vissa bestämda_ gränser. Detta parat med ett noggrant styrt undertryck i processkärlet i fråga gör det möjligt att styra förångningshastigheten av kylmediet på ett sådant sätt att kristallisationen kan drivas till sin fulländning så att kristallformerna medger en efterföljande avskiljning och tvättning med en mycket begränsad mängd tvättvätska i centrifugen.

Vid kompression av kylmedieânga från renkristalliseringsförfarandet och fullständigt utnyttjande av den komprimerade ångans värmeinnehåll kan man åstadkomma en koncentrering av utspädda processlösningar utan egentlig energikostnad. 8500215-2 6 I speciella fall där man måste vara extra försiktig med utsläpp av substanser från den utspädda processlösningen tillsammans med den isolerade isen kan detta förfarande upprepas ytterligare en gäng eftersom energiförbrukningen är mycket obetydlig. Förfarandet enligt uppfinningen omfattar i så fall ett kristallisationssteg varifrån isen isoleras och smälts i direktkontakt med kylmedieånga komprimerad motsvarande en temperaturhöjning på 3 till 1006. Den så erhållna 2-fasblandningen av kylmedium och smältvatten erhåller en tre- till femfaldig utspädning genom tillfört renvatten före omkristallisationen på enligt uppfinningen angivet sätt med värmeöverföring till fjärrvärmenät eller motsvarande. Genom det här beskrivna förfarandet kan en sådan renhet erhållas hos de isolerade iskristallerna att även ur miljösynpunkt mycket känsliga lösningar kan koncentreras enligt den beskrivna uppfinningen.

Uppfinningen och dess tillämpning är givetvis inte begränsad enbart till de i texten ovan angivna exemplen utan uppfinningen äger tillämpning i en mångfald olika applikationer. Sålunda kan man med uppfinningen i stället för gängse teknik vid värmepumpstillämpning, där man som värmekälla ofta använder renat kommunalt avloppsvatten och där stora problem uppstår på grund av beväxning av förângarytan med alger och dylikt, använda den teknik uppfinningen omfattar. Nu bör det nämnas att vid stora värmepumpsanläggningar arbetande pâ kommunalt avloppsvatten är det icke ovanligt att man delar upp temperatursänkningen hos vattnet i två eller tre steg för att på så sätt tillgodogöra sig de möjligheter som en förbättring av värmefaktorn medför. Som alternativ till detta kan man enligt uppfinningen mycket väl av sjövatten frysa den ismängd som svarar mot det nödvändiga värmeuttaget och om så anses lämpligt ur utsläppssynpunkt dumpa isen i det uppvärmda avloppsvattnet så att isen ånyo smälter. På detta sätt uppnås samma nedkylning av avloppsvattnet som i den traditionella tekniken.

Om man däremot ur lokaliseringssynpunkt inte har något renat kommunalt avloppsvatten eller någon annan värmekälla lätt till hands möter det givetvis inget hinder att arbeta direkt med utsläpp med is i den recipient varifrån vattnet hämtats eller för deponering på 9,! 7 ' 8500215-2 därför avsett landområde. Vid jämförelse av ekonomin är det uppenbart att en värmepumpskompressor för hela den eftersträvade kapaciteten alltid blir billigare än tvâ eller tre med en sammanlagd motsvarande effekt. Beträffande värmefaktorn och dess beroende av de temperaturgränser mellan vilka kompressionen sker visar det sig vid en genomräkning att en mycket måttlig förbättring av den större ensamma kompressorns verkningsgrad väl kompenserar den förlust i värmefaktorn som man uppnår genom att arbeta från temperaturer motsvarande isens fryspunkt.

Enligt uppfinningen kan man även ersätta värmepumpens kondensoryta, där man kondenserar den komprimerade kylmedieångan, mot exempelvis fjärrvärmevatten med en strålkondensor, där vattnet står i direktkontakt med den komprimerade kylmedieångan. Efter direktkontakten mellan kylmedium och fjärrvärmevatten separeras de två faserna från varandra gravimetriskt varefter fjärrvärmedistributionsvattnet fortsätter i sin cirkulationskrets medan det flytande kylmediet återgår till förnyad användning i värmepumpsprocessen. Ett annat exempel där föreliggande uppfinning är lämplig är industriella torkprocesser där det är fördelaktigt att använda små temperaturskillnader och arbeta utan konventionella värmeväxlarytor. Härvid drivs luft i ett slutet kretslopp. Fukt som tas upp vid torkningen utkondenseras i förångaren. Luften återvärms därefter av kondensorn och leds in till torkprocessen.

Som kylmedium kan givetvis ett otal substanser tänkas komma till användning. Kriterierna för deras lämplighet är kemisk stabilitet gentemot vatten, obenägenhet att i aktuella temperatur- och tryckområden bilda hydrater, lämplig ångtryckskurva med hänsyn till de aktuella temperaturområdena inom vilka värmepumpen skall arbeta, låga kostnader och, inte minst, ofarligt ur utsläppssynpunkt. Det har visat sig att normalbutan erbjuder de fördelar som behövs i nästan alla av ovanstående villkor, det är inert i sitt förhållande till vatten, det har icke visat någon benägenhet att bilda hydrat, det är icke~korrosivt, det har en lämplig ângtryckskurva med hänvisning till aktuella temperaturområden och det anses vara ovanligt ofarligt ur utsläppssynpunkt. Genom att använda ett 8500215-2 3 kylmedium som kokar vid en temperatur omkring 0°C undviks att förångningskärlet blir av en onödigt kostsam konstruktion på grund av rådande inre eller yttre övertryck.

Ett utföringsexempel av uppfinningen beskrivs nedan med hänvisning till bifogade ritning som schematiskt visar en värmepumpanordning U med förângare enligt uppfinningen.

Den på ritningen visade värmepumpanordningen innefattar en kompressor 12, en kondensor 13 och en förångare 11. Den i utföringsexemplet visade kondensorn utgöres av en konventionell lvärmeväxlare som medelst ledningar 49, 50 är ansluten till ett fjärrvärmenät. Den komprimerade kylmedieängan, i utföringsexemplet normalbutan, leds från kompressorn 12 till kondensorn 13 där huvuddelen av kylmediet kondenseras. Kylmediet leds därefter till en slutkondensor 22 och därifrån till en behållare 23. Ett icke visat butanförråd är via en ledning 51 och en ventil 33 ansluten till behållaren 23. Vätskenivân i behållaren hålls på ett lämpligt värde genom att styrenheten 44 avkänner vätskenivån och styr ventilen 33 så att vätskan hålls pâ en önskad nivå. I kylmediet eventuellt lösta gaser som avgår i behållaren 23 avluftas genom ventilen 34 och ledningen 52. ventilen 34 styrs av en styrenhet 45 som avkänner trycket i behållaren 23. Flytande kylmedium tillförs från behållaren 23 av pumpen 28 via ventilen 41 vid kompressorns 12 utlopp för styrning av temperaturen hos den komprimerade kylmedieångan. En styrenhet 42 avkänner temperaturen vid kompressorns 12 utlopp samt styr ventilen 41. Flytande kylmedium leds även från behållaren 23 via en ventil 31 till en kolonn 24 ansluten till förångaren 11.

Vätskenivån i kolonnen 24 avkänns av styrenheten 39 som styr ventilen 31. Kylmediet drivs från kolonnen 24 av pumpen 27 via ventilen 16 till en blahdningskammare_14 i torm av_en statisk blandare. Flödet genom ventilen 16 styrs av styrenheten 43 som avkänner temperaturen på vätskan som kommer via ledningen 49 från fjärrvärmanatet. ' Vätska, i utföringsexemplet vatten, matas från en behållare 19 av pumpen 26 via en ventil 17 till blandningskammaren 14. Pumpen 26 _ 'r 9 i 8500215-2 matar även vätska genom slutkondensorn 22 till behållaren 19. Flödet genom ventilen 17 styrs av styrenheterna 37 och 38 så att flödena. genom ventilerna 16 och 17 kommer i ett förutbestämt förhållande relativt varandra. Ventilerna 16 och 17 utgör medel för styrning av tillförsel av vätska och kylmedium till blandningskammaren 14 så att gränsytor mellan vätska och kylmedium med en sammanlagd väl definierad storlek bildas, så att konstant värmeöverföring från vätska till kylmedium erhålles i förångaren. Trycket i blandningskammaren 14 hålls vid en sådan nivå att kylmediet ej förångas i blandningskammaren. Blandningen leds genom en trycksänkningsventil 30 till en förângningskammare 11. 1 förångningskammaren kokar kylmediet och avgår genom kolonnen 24, där kylmedieângan tvättas av det flytande kylmediet. Kylmedieångan leds därefter via ventilen 32 till kompressorns 12 inlopp. Trycket i kolonnen avkänns av styrenheten 40 som styr ventilen 32.

Flödena genom ventilerna 16 och 17 är så styrda i förhållande till varandra att en väsentlig mängd av vätskan fasomvandlas, dvs fryses till is i förångaren 11. Det har visat sig lämpligt att frysa is av -25% av vätskan eftersom slurryn då fortfarande är pumpbar.

Förångaren är försedd med en inloppsände 15 och en utloppsände 18 i form av en ventil. Ventilen 18 styrs av en styrenhet 46 som avkänner slurryns nivå i förångaren 11. Vid en viss avkänd nivå öppnas ventilen 18 helt under en förutbestämd tid så att blandningen av is och vatten matas ut till ett vakuumkärl 21 via röret 25. Små mängder kvarvarande butan leds via ventilen 35 och pumpen 29 åter till kompressorns inlopp. Flödet genom ventilen 35 styrs av styrenheten 47 som avkänner trycket i vakuumkärlet 21. I behållaren 19 finns en matningsskruv 20 anordnad för att mata ut is ur behållaren.

Vätskenivân i behållaren 19 avkänns av en styrenhet 48 som styr ventilen 36 genom vilken vätska tillförs från ledningen 53.

Claims (7)

8500215-2 Patentkrav:

1. Förfarande vid en värmepumpprocess innefattande förångning, kompression och kondensering av kylmedium, k ä n n.e t e c k n a t d ä r a v att styrda mängder av en hydrofil vätska och ett hydrofobt kylmedium, som är kemiskt och fysikaliskt inert i närvaro av den hydrofila vätskan, tillförs till och blandas i en blandningskammare (14), där trycket hålls vid en sådan nivå att förångning av kylmedium undviks, varigenom gränsytor mellan vätskan och kylmediet med en sammanlagd väl definierad storlek bildas så att en konstant värmeöverföring erhålles, att blandningen leds in i en förångningskammre (11) samt att kylmediet bringas att koka i förängningskammaren, varvid värme tas upp från den hydrofila vätskan medelst direkt värmeöverföring därifrån.

2. Förfarande enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v att mängden kylmedium styrs i -förhållande till mängden vätska så att förångningen av kylmediet orsakar fasomvandling till fast form av minst 10 %, företrädesvis 20-25 %, av vätskan.

3. Förfarande enligt patentkravet 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v att kristallisationsgroddar i form av finfördelad is inblandas i en mängd av minst 106 st/kg kylmedium före förângningen.

4. Värmepumpanordning innefattande förângare (11), kompressor (12) och kondensor (13), k ä n n e t e c k n a d a v en blandningskammare (14) för blandning av en hydrofil vätska och ett hydrofobt kylmedium, som är kemiskt och fysikaliskt inert i närvaro av den hydrofila vätskan, ansluten till förångarens uppströmsände (15) samt av medel (16,17) för styrning av tillförsel av vätska och kylmedium till blandningskammaren (14) så att gränsyter mellan vätska och kylmedium med en sammanlagd väl definierad storlek bildas, varigenom en konstant värmeöverföring från vätska till kylmedium erhålles i förângaren (11). u 8500215-2

5. Värmepumpanordning eniigt patentkravet 4, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att förängaren är utformad som en iångsträckt behåiiarae (11) med ett förhåïiande meiian iängd och ekvivaient diameter som överstiger åtta samt en voiym sådan att minst 98 % av kyimediet förângas innan blandningen av vätska och kyimedium passerat 50 % av avståndet meiian inïoppsänden (15) och utioppsänden (18) för vätskan.

6. Värmepumpanordning enligt patentkravet 4 eiier 5, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att sagda medeï (16,17) för styrning av tiiiförsei av vätska och kylmedium är så anordnade att minst 10 %, företrädesvis 20-25 %, av vätskan fasomvandias tili fast form när f kyimediet förångas.

7. Värmepumpanordning eniigt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d a v medei för inbiandning av kristaiiisaticnsgroddar i form av finfördelad is i en mängd av minst 10 st/kg kyimedium före förångaren (11). 6