SE456437B - Forfarande for uppfordring av vatten i och for energialstring samt anordning for energialstring enligt forfarandet - Google Patents

Description

15 20 _25 30 40 .en värmekälla i omgivningar där lufttemperaturen 2 frålsšn unäre till en övre nivå, genom att i tornet skapas en miljö av luft och små vattendroppar, vilken är verksam för upp- rättande av ett över tornet tillräckligt tryckfall för att till- dela luften en uppåtriktad hastighet, vilken överskrider dropparnas nedåtriktade sjunkhastighet. Som en följd härav, kommer på dropparna verkande strömningskrafter att motverka den (på grund av tyngd- kraften) negativa lyftkraften hos dropparna vilka transporteras uppåt av den stigande luften.Genom avlänkning av flödet vid upp- fordringstornets övre ände, förlorar dropparna sina uppåtriktade hastighetskomponenter och uppsamlas i en reservoar. Den erforderliga miljön upprättas särskilt genom att små varmvattendroppar införs i kallare luft vid tornets undre ände, varigenom luften uppvärms, stiger och transporterar dropparna till tornets övre ände.

Det'i uppfordringstornet införda vattnet'kan hämtas från en källa med en relativt konstant temperatur ovanför den omgivande temperaturen; och det avkylda vattnet i reservoaren kan återföras till källan, I en utformning av uppfinningen, befinner sig reservoaren på en högre nivå än källan och vattnet i reservoaren återförs till källan genom en vattenturbin, vilken omvandlar vattnets läges- energi i behållaren till arbete. I detta fall kan den nivå vid vilken vattnet införs i uppfordringstornet_vara lägre än vattnets nivå i källan, så att ett tryckfall kan utnyttjas för insprutning eller sprayning av vatten in i tornet. Detta har fördelen att undan- röja behovet att pumpa vatten in i uppfordringstornet.

-Hos en annan utformning av uppfinningen, är tornet uppfört nedanför källans nivå, på sådant sätt att reservoarens ovansida befinner sig precis ovanför källans nivå, varigenom möjliggörs att vattnet i reservoaren kan strömma in i källan. I detta fall passerar vattnet från källan genom en vattenturbin innan det in- sprutas i uppfordringstornet: Föreliggande uppfinning är särskilt lämpad för energialstring under utnyttjande av djupt vatten i sjöar, fjorder, och hav såsom befinner sig under fryspunkten. Alternativt kan föreliggande uppfinning till- lämpas vid kyltorn hos kärnkraftanläggningar, hos vilka stora mängder lågvärdig värme måste bortföras. Det konventionella för- farandet är att spruta kondenserat kylvatten in i ett stort kyl- torn och återanvända det avkylda vattnet i kondensorn. Under användning av föreliggande uppfinning, kan hetvatten från kondensorn sprutas in i den nedre änden av ett uppfordningstorn under alstrande 10 15 zo 25 30 35 40 IJ; 45647 av.ett uppåtriktat luftflöde som transporterar de finfördelade vattendropparna till tornets övre ände. Det avkylda vattnet kan återvinnas för återanvändning efter passage genom en vatten- turbin. Detta förfarande omvandlar det lågvärdiga värmet hos det kondenserade kylvattnet till användbar energi i stället för att bortföra värmet till omgivningen.

Utföringscxempel av uppfinningen beskrivs närmare nedan med hänvisning till bifogade ritningar.

Fig. 1 visar delvis i snitt en schematisk sidovy hos en ut- formning av uppfinningen. Pig. ZA visar en till följd av luftens uppåtriktade hastighet uppåt transporterad vattendroppa i det i fig. 1 visade uppfordringstornet. Pig. ZB visar en droppe som av- skiljs från luftströmmen när luftens hastighet är horisontellt riktad. Fig. 3 visar en andra utformning av uppfinningen. §ig¿_í visar en tredje utformning av uppfinningen i kombination med ett s.k. luftfall enligt US patentskrift 3 894 393.

Med hänvisning till fig. 1, betecknas med 10 en första ut- föringsform av föreliggande uppfinning vilken konstruktivt inne- fattar ett flertal vertikala, ihåliga rör 12, vilka sträcker sig ned i marken 14 intill en vattensamling 16, under markplanet be- lägna ledningar 18 vilka är förbundna med rören 12 och en med rörens ovansida förenad överby gnad 20. Ledningarna 18 bildar ett in- lopp 32 från markens eller underlagets 14 plan till underändarna hos varje rör 12, där spray- eller sprutanordningar 22 är belägna under vattensamlingens nivå 24. Rörens 12 övre ändar är samman- kopplade genom en förenande konstruktion 26 vilken bildar skor- stenens 28 botten.

Sprayhuvudena ZZ tillförs vatten från vattensamlingen via rörledningar 30, varvid ett tillräckligt vattentryck för genom- förande av vertikal insprutning av vatten från vattensamlíngen in i de vertikala rören, erhålls tack vare nivåskillnaden mellan vattenytan 24 och röret 30. Varje vertikalt rör bildar ett upp- _fordringstorn, i vars botten kalluft inträder från omgivningen, såsom antyds i fig. 1, och utträder in i den förenande konstruk- tionen 26, från vilken luften avges genom skorstenens 28 ovan- sida. Såsom förklaras i följande detaljerade analys, minskas genom uppvärmningen i uppfordringstornet 12 luftens densitet och upprättas ett tryckfall över röret. Detta tryckfall orsakar ett uppätriktat luftflöde från inloppet 32 till skorstenens utlopp 34. Genom lämpligt val av parametrar hos uppfordringstornet och U1 10 15 20 _25 40 456 skorstenen, erhåller luften i uppfordringstornet en vertikal- hastighet w enligt fig. ZA och ZB. Denna vertikalhastighet över- skrider vattendropparnas sjunkhastighet u hos tornets vatten- droppar, av vilka en antyds vid 36 i fig. ZA och ZB, med följd att dropparna erhåller en resulterande uppåtriktad hastighet c. _ Det kan tilläggas att vattendropparnas sjunkhastighet varierar med kvadratroten av deras radier. En droppe med en radie av 1 mm har en sjunkhastighet av omkring 5 m/s.

Insprutning av varmt finfördelat vatten in i den kallare luften i tornet skapar en miljö av luft och små vattendroppar, i vilken dropparna stiger från uppfordringstornets undre nivå till dess övre nivå såsom antyds genom vattendropparnas utritade bana 40.

De armbågsformade partierna av den förenande konstruktionen vid uppfordringstornets ovansida tjänstgör till att avlänka luften från en vertikal bana till en horisontell bana innan den när fram till skorstenens 28 inlopp. Såsom antyds i fíg. ZB, orsakar av- länkning av-luften i en huvudsakligen horisontell riktning att vattendropparnas sjunkhastighet blir verksam, så att dropparna styrs nedåt, under det att luften fortsätter såsom antyds av luftens utritade bana 38. Vattendropparna erhåller således en i fig. 1 med 40 betecknad ballistisk bana och faller in i det tornen centrala området mellan samt uppsamlas i reservoaren 42 vilken uppbärs av uppfordringstornen 12. Eftersom luften i skorstenen är upphettad och har mindre täthet än luften utanför skorstenen, fortsätter luften att stiga och utträder vid skorstenens ovansida. ' I stället för skarp avlänkning av luften enligt fig. 1 genom en förenande konstruktion 26, kan ett böjt eller lutande diffusor- arrangemang anordnas i stället för rören 12 för uppsamlíng av dropparna. I detta fall kommer luftens uppåtriktade hastighet att under vissa omständigheter reduceras till ett värde under det som erfordras_för skapande av strömningskrafter på dropparna med en -vertikal komponent som är mindre än dropparnas sjunkhastighet.

Detta arrangemang kommer att tillåta att vattendropparna upp- ' samlas vid en övre nivå i förhållande till den nivå vid vilken dropparna införs i luftströmmen.

I reservoaren 42 uppsamlat vatten återförs till källan 16 över en ledning 44 och en vattenturbin 46. Härigenom har följ- aktligen en del av värmet i källan l6 omvandlats till mekaniskt arbete med hjälp av uppfordringstornen. 10 15 20 _25 30 35 40 . 1'7 -I stället för att placera sprav- eller spruthuvudšgâ6ä2 pä] en nivå nedanför vattensamlingens 16 yta 24, kan man placera dessa huvuden ovanlör vattenytan och utnyttja en del av det av turbinen avgivna arbetet för drivning av en pump som pumpar vatten från källan och in i spruthuvudena.

Med hänvisning till fig. 3 betecknar 50 den andra utförings- formen av föreliggande uppfinning, hos vilken uppfordringstornet 12' är beläget nedanför underlagets 14 ytnivâ, varigenom reservoarens 42' nivå 52 hos utföringsformen 50 befinner sig på huvudsakligen lika nivå eller något ovanför vattensamlingens 16 nivå 24. På detta sätt kan vattnet i reserroaren 42' strömma in i vattensamlingen 16.

Såsom visas i fig. 3, tillförs ett spruthuvud 22' med vatten som utströmmar från vattenturbinen 46', vilken är belägen på en nivå under vattensamlingens yta 24 samt förbunden med vatten- samlingen genom en ledning 54. Vid drift inträder relativt kallare luft genom ett inloppsparti 56 och strömmar nedåt till uppfordríngs- tornets 12' inlopp, där den uppvärms av genom spruthuvudena 22 insprutade finfördelade vattendroppar. Den vattendropparna uppbärande luften stiger pà samma sätt som i utföringsformen 10, och den vid uppfordringstornets ovansida anslutande förenande sektionen 60 av- länkar vattendroppar-luftblandníngen så att vattnet avskiljs från luften såsom ovan beskrivits.

Med hänvisning till fíg. 4, betecknar 70 en tredje utförings- form av uppfinningen, kombinerad med ett s.k. luftfall enligt US patentskrift 3 S94 393. Utföringsformen 70 innefattar särskilt en stor lutande ledning 72, vilken är fastbyggd vid sidan av ett berg 74 i enlighet med senast nämnda patentskrift. Vid ledningens botten finns ett uppâtriktat uppfordringstorn 74, och vid tornets övre ände_är anordnad en överbyggnad 76 vilken innefattar en reservoar 78 och ett diffusorparti 80. Vatten från källan 82 pumpas via en pump 84 in i spray- eller spruthuvuden S6 i ledningen 72 såsom visas i senast nämnda patentskrift. I denna beskrivs, att ett luftfall skapas när det i ledningen insprutade vattnet av- dunstar, och att den avkylda luften, med en relativt hög hastig- het, riktas in i uppfordringstornets 74 inlopp. Vid detta inlopp är anordnat ett spruthuvud 90, vilket sprayar eller sprutar vatten in i i rörelse varande luftmassan. Den genom luftfallet snabbt sig förflyttande luften transporterar vattendropparna upp- åt mot diffusorpartiet 80, vilket minskar luftens hastighet och medger att vattnet uppsamlas i reservoaren 78, varifrån det strömmar 10 15 20 25 6 tillbaka till källan genom en vattenturbin 88. Hos denna ut- föríngsform omvandlas ej värme från källan 82 såsom i de övriga utföringsformerna.

Genom termodynamikens och fluidmekanikens principer kan det visas att värmeflödet q frân vattendropparna i uppfordringstornets .botten-till den i tornet befintliga luften kan uttryckas enligt följande: (1) q = ms f(r) TS - Tl där ms är inblandningsförhâllandet (kg vatten till kg luft), f(r) är en funktion av radien hos dropparna och i detalj definierad nedan? T1 är vattendropparnas eller det finfördelade vattnets temperatur och TS är lufttemperaturen.

Från dynamiken hos fluiden i uppfordringstornet, kan det visas att tidsderivatan av temperaturskillnaden, DelT, mellan vattnet och luften blir: (Z) DelT = - ms f(r) DelT (1/Ca + 1/C*) där DelT är temperaturskillnaden mellan det finfördelade vattnet och luften, Ca är luftens specifika värme och C* är en funktion över det specifika värmet hos det finfördelade vattnet och de relativa andelarna is och ånga i uppfordringstornet såsom definieras i detalj nedan. Integrering av ekvationen (2) och dennas kombinering med ekvationen (1) ger följande tre ekvationer som definierar tillstånden i uppfordringstornet och skorstenen: (s) 'isf-TC = (TSO-TaJeW -{f(r) [Htrcwawzgrajå (1/c*f)} (4) msnl = ntrc - ranra (s) mscwrsc - frsf) = ça (TC - Ta) (U/u - ud) där Tsf = det fínfördelade vattnets temperatur (sluttillståndj Tso = det finfördelade vattnets temperatur (begynnelsetillstånd) Ta = lufttemperaturen vid skorstenens inlopp T =-lufttemperaturen vid skorstenens inlopp 10 15 lv UI L» G \J _ _ 4_~ höjden av skorstenen inklusive uppfordringstornet ?se lg. 1) v = 6 ä- 7 H1 = uppfordringstornets höjd - DiT= TC - Ta g = gravitationskonstanten Ka = värmeledningstalet för luft _ pw = vattnets densitet vid inloppstemperaturen u = [gtnir/Taynj* Ud = sjunkhastighet pa = luftensd@nSít@t vid inloppstillstândet r = de finfördelade dropparnas radie Cd = dropparnas strömningsmotståndskoefficient Ní,; luftens kinematiska viskositet Ca = luftens specifika värme g f(r)='cs1 C* = Cs + XfLf/(Tso'Tsf) _ XvLv/(Tso_Tsf) C**= 1/(1/Ca + 1/C*) Xf = andel is i förhållande till finfördelat vatten XV = andel finfördelat vatten förångat i uppfordringstornet Lf = latent värme vid omvandling av vatten till is Lv = latent värme vid omvandling av ånga till vätska Det kan även visas att skorstenens avgivna effekt blir: (e) P = Luspa [zgrc-Tana/Taf'Slut/mg där denna utgående effekt anges per areaenhet hos skorstenens tvärsnitt._Skorstenens verkliga utgående effekt kan uppgå till omkring 75% av den ideala om förlusterna i skorstenen hålls under 5%. Detta är fallet om skorstenens längd - diameterförhàllande är-mindre än omkring 10.

Vissa variabler i ekvationérna (3), (4) och (5) bestäms till följd av geografiska hänsynstaganden (T5o,Ta), konstruktiva be- gränsningar (H) och förmodade driftstillstånd (Xv,Xf,Ud). När TC är vald, är variabeln U (uppâtriktad lufthastighet) känd.

Följaktligen finns tre ekvationer med fyra okända (ms,H1,TC och Tsf). Bestämmande av tre av dessa okända medger att den fjärde kan uträknas.

Förväntade prestanda hos ett uppfordringstorn redovisas med -10 15 20 25 456 437 1 _ valda tillstànd i nedanstående tabell: d ms Tse Tsf TC Ta H H1 U (TC) Ud P m - °c °c °c °c m m .m/s m/s kvs/mz 2 0,6 4 0 -0- -10 1000 27 7 17 z 1 1,0 4 0 -0,s -10 1000 sz s 20 10 Xf 1 z 1 0 ~0 -30 1000 01 _ s 47 60 0,05 1 z 1 0 »o -so 500 31 s ' sz 20 0,05 Av ovanstående tabell framgår tydligt betydelsen av dropparnas storlek (d) och deras inblandningsförhàllande (ms) för den avgivna effekten. Dessutom är det uppenbart att lufttemperaturen (Ta) och temperaturen hos det inkommande sprutvattnet (TSG) utgör viktiga faktorer för maximering av den utgående effekten.

Ideala platser för uppförande av ett uppfordringstorn enligt föreliggande uppfinning kan finnas i exempelvis norra delen av Alaska, där vatten vid OOC finns tillgängligt året runt och där från november till mars lufttemperaturen varierar mellan ~l5°C till -SDOC, varigenom tornet kan erhålla en temperaturskillnad om 15 till 300 mellan det_insprutade vattnet och luften. Ett annat idealiskt läge kunde vara invid Övre Sjön där vattnet i perioden december till mars har en temperatur om 2-SOC och lufttemperaturen i_genomsnitt uppgår till -70Ö till Ä12°C, erbjudande en tempera- turskillnad om 10-ISO.

Med hänvisning till ovan uppställda ekvationer, har det antagits 'att temperaturskillnaden över skorstenen (TC-Ta) är konstant och oberoende av höjden över hela skorstenens längd. Detta är faktiskt en relativt god approxímation av den rådande situationen, efter- som lufttemperaturen T sjunker med höjden på ungefärligen samma sätt som lufttemperaturen inuti skorstenen sjunker vid dess för- flyttning längs skorstenen.

Slutligen betraktas en modifierad version av föreliggande upp- finníng. I detta fall kommer tillskott av varmare luft till svalare MI 'm 10 15 m- 9 456 437 luft att alstra en uppåtgàende strömning i skorstenen i vilken luftturbiner är anordnade för utvinning av energi från den upp- åtstigande luften. Naturligtvis kan om så önskas turbinerna placeras i lägen under vatteninsprutníngen.

Den ídeala utgående effekten hos ett uppfordríngstorn med en vattentemperatur om omkring 1OC, en lufttemperatur om omkring -3D°C,en droppdiameter om omkring 1 mm, och en skorstenshöjd om omkring 500 m med en diameter om omkring 50 ml blir ungefär 36 MW. Under det att begynnelsekostnaderna per kW avgíven effekt till- kommer för anordningen enligt föreliggande uppfinning ej nâgra kan jämföras med kostnaderna för en kärnkraftsanläggning, bränslekostnader.

I detta fall kunde vattnet sprutas nedåt i en med skorstenens nedre ände förbunden horisontell ränna. Eftersom vattnet är varmare än luften skulle det kylas när luften uppvärms; och det vid skor- stenens botten uppsamlade kylda vattnet skulle uttömmas. Skorstenens uppvärmda luft, vilken är lättare än luften utanför skorstenen, kommer att stiga i skorstenen. Det resulterande luftflödet kommer att driva en luftturbin placerad endera vid skorstenens inlopp eller utlopp.

Claims (7)

10 15 20 25 30 35 40 456 437 1° Patentkrav

1. Förfarande för uppfordring av vatten i och för ener- gialstring genom bildande av ett uppåtstigande medium av luft och små vattendroppar, från vilket medium vattendropparna av- skiljes och uppsamlas i en reservoar vid en övre nivå, k ä n- n e t e c k n a t av att små droppar (36) av relativt varma- re vatten sprutas in i relativt kallare luft för erhållande av en uppströmmande luftmassa genom enbart värmeöverföring från vattendropparna till luften, varigenom skapas en uppàtström- mande miljö av luft och vattendroppar i vilken på dropparna (36) verkande strömningskrafter (c-u) uppfordrar dropparna (36) från en lägre nivå (16 eller 15') till den övre nivån, där dropparna avskiljes och uppsamlas i reservoaren.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att det i reservoaren (42) uppsamlade vatten àterföres till den undre nivån via en vattenturbin (46).

3. Förfarande enligt krav 1 eller 2, k ä n n e - t e c k n a t av att vattendropparna (36) i mediet separeras fran luften genom att mediet (38, 40) omriktas efter uppnàende av den övre nivån.

4. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n - n e t'e c k n a t av att det vatten som sprutas in i luften tages från en källa (16) vars nivå (24) befinner sig ovanför platsen (22) för sprutningen.

5. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n - n e t e c k n a t av att vattnet som skall sprutas bringas passera en turbin (46') innan det sprutas in i luften.

6. Anordning för energialstring, innefattande ett verti- kalt uppfordringstorn (12 eller l2') med öppna övre och undre ändar och avgränsande en vertikal passage för vertikal för- flyttning av ett medium bestående av vatten och luft, ett styrorgan (26) anordnat vid den övre änden för att avskilja luften från vattnet, vilket uppsamlas i en reservoar (42), k ä n n e t e c k n a d av att anordningen innefattar organ (22) avsedda att spruta varmare vatten i kallare luft vid tornets botten för erhållande av nämnda medium (38, 40), vilket innefattar små vattendroppar svävande i luften, att styrorganet (26) är anordnat att ändra mediets (38, 40) flödesriktning för att från luften avskilja vattendropparna å! H 456 437 (36) till reservoaren (42), och att en vattenturbin (46) är förbunden med reservoaren (42).

7. Anordning enligt krav 8, av att styrorganet (25) är utbildat i farm av en krökt k ä n n e t e c k n a d sektion.