SE461055B

SE461055B - User plant for heat from melting ice

Info

Publication number: SE461055B
Application number: SE8700271A
Authority: SE
Inventors: G Wallen
Original assignee: Imatran Voima Oy
Priority date: 1986-01-29
Filing date: 1987-01-23
Publication date: 1989-12-18
Also published as: FI860429A; CA1300901C; SE8700271L; SE8700271D0; FI860429A0; FI75924B; FI75924C

Abstract

The heat medium contg. the heat energy from the water is fed via a conduit from the upper part (14) of the tank (5) to the compressor (16) where it is compressed to a higher pressure. This is achieved by means of energy received from the turbine (2) via a shaft (3), and from a motor (18) also via an output shaft (17). The expansion of the heat transmission medium in the turbine is to such a low pressure that its temp. drops below the water freezing point. Then, a large part of the water fed to the tank (5) is sprayed in small drops into a chamber in which the heat from the water is transferred to the medium. Also a part of the water is sprayed directly onto the tank (5) walls to prevent freezing. Water with pieces of ice falling to the bottom (9) of the tank is set in rotary movement to prevent agglomeration, and is then aspirated by a pump (10) away from the tank bottom space.

Description

l0 15 20 25 30 35 461 o55 2 de skiljeväggar. Ej heller behövs system för att borttaga is från värmeöverförande ytor. Värmepumpoperationen kan vara kon- tinuerlig därför att funktionsavbrott ej behövs för borttag- ning av is eller smältning. Emedan det värmeöverförande mediet l i värmepumpen är ej giftig luft. undvikes nackdelarna vid an- vändningen av kylmedel (halogenhaltiga kolväten). Användning av luft som värmeöverförande medium underlättar en öppen cirkulation i vilken mediet kan användas som sådant, t.ex. för uppvärmningsförhållanden. l0 15 20 25 30 35 461 o55 2 the partitions. Nor is there a need for systems to remove ice from heat transfer surfaces. The heat pump operation can be continuous because no interruption of operation is required for removal of ice or melting. Because the heat transfer medium l in the heat pump is non-toxic air. the disadvantages of using refrigerants (halogenated hydrocarbons) are avoided. The use of air as a heat transfer medium facilitates an open circulation in which the medium can be used as such, e.g. for heating conditions.

I det följande kommer uppfinningen att beskrivas mer i detalj med hjälp av exemplifierande utföringsformer och i anslutning till bifogad ritningsfigur.In the following, the invention will be described in more detail by means of exemplary embodiments and in connection with the accompanying drawing figure.

Ritningsfiguren visar schematiskt och delvis i tvärsnitt en värmepump som använder smältvärmet från vatten.The drawing figure shows schematically and partly in cross section a heat pump that uses the heat of fusion from water.

Anordningen beskrives i det följande tillsammans med flödesriktningen för det värmeöverförande mediet.The device is described in the following together with the flow direction of the heat transfer medium.

Luften som skall uppvärmas, samtidigt fungerande som värmepumpmedium, strömmar via en ledning 1 till en turbin 2.The air to be heated, at the same time acting as a heat pump medium, flows via a line 1 to a turbine 2.

Luften expanderas till ett lägre tryck i turbinen 2. Expan- sionsarbetet överföres till en turbinaxel 3. Under expansions- processen faller lufttemperaturen under fryspunkten för vatten när temperaturen för inloppsluften och turbintrycksförhâllan- l det är rätt konstruerad (dvs. genom att använda en luftin- 2 loppstemperatur av +5°C och ett tryckförhållande av pl/p4 Den kalla luften drives via en ledning 4 till en behål- lare 5. Vattenströmmen fungerande såsom värmekällan ledes = 2). via en ledning 6 till en värmeväxlare och sprutas via mun- stycken 7 in i en sprutkammare 8. Vattendropparna faller på grund av tyngden nedåt i motström till luftströmmen. De små vattendropparna bildar en extremt stor värmeöverföringsyta som är i direkt kontakt med den kalla luften. På grund av att luftinloppstemperaturen är under OOC kommer nâgra av dropparna att frysa till fast fas och smältvärmet lösgöres i luften. % Vattendropparna, som omvandlas till is eller snö, faller nedåt till ett bottenvattenutrymme 9 tillsammans med andra vattendroppar. Delar av vattnet sprutas mot väggen till be- hållaren medelst ej visade medel och vattnet strömmar utefter ...Neu .fi-s .....«.....,_-,.,..,,r,,... i . 10 20. 25 30 Ü nedåt under tyngdverkan. Droppseparatorn 12 förbättrar funk- ihållandet är plg/pls 461 055 väggen ned till bottenvattenutrymmet 9, vilket således för- hindrar isbildning på väggen. Blandningen av is och vatten 'É pumpas ut medelst en pump 10 via en ledning ll. Ä Bottnen av vattenutrymmet 9 oct anslutningsledningen ll vid botten av vattenutrymmet är utformade för att bilda en § virvel i vattenbehållaren. Ishagel och snöflingor, som annars koncentreras till ytan i vattenbehâllaren, tvingas med virveln att strömma till inloppet av ledningen ll. Virvelhildningen kan också uppnås genom att tillföra inloppsluften excentriskt via röret 4 till behållaren 5.The air is expanded to a lower pressure in the turbine 2. The expansion work is transferred to a turbine shaft 3. During the expansion process, the air temperature falls below the freezing point of water when the temperature of the inlet air and the turbine pressure ratio are properly constructed (ie by using an air inlet). 2 flue temperature of + 5 ° C and a pressure ratio of pl / p4 The cold air is driven via a line 4 to a tank 5. The water flow functioning as the heat source is led = 2). via a line 6 to a heat exchanger and is sprayed via nozzles 7 into a spray chamber 8. The water droplets fall due to the weight downwards in countercurrent to the air flow. The small water droplets form an extremely large heat transfer surface that is in direct contact with the cold air. Because the air inlet temperature is below 0 ° C, some of the droplets will freeze to solid phase and the heat of fusion will be released into the air. % The water droplets, which are converted into ice or snow, fall down to a bottom water space 9 together with other water droplets. Parts of the water are sprayed against the wall of the container by means not shown and the water flows along ... Neu .fi-s ..... «....., _-,., .. ,, r ,, ... i. 10 20. 25 30 Ü downwards under gravity. The drip separator 12 improves the function retention is plg / pls 461 055 the wall down to the bottom water space 9, which thus prevents ice formation on the wall. The mixture of ice and water is pumped out by means of a pump 10 via a line 11. Ä The bottom of the water space 9 oct the connecting line 11 at the bottom of the water space are designed to form a § vortex in the water tank. Ice hail and snowflakes, which are otherwise concentrated to the surface of the water tank, are forced with the vortex to flow to the inlet of the line ll. The vortex inclination can also be achieved by supplying the inlet air eccentrically via the pipe 4 to the container 5.

Behållaren 5 har en droppseparator l2 nära vattenmun- styckena. Luft strömmar i droppseparatorn l2 utefter böjda i banor. Beroende på centrifugalkraften, kommer små vattendroppar 1 uppburna av luftströmmen att drivas mot väggarna, och däri- genom bildas vattenfilmer eller stora droppar som strömmar tionseffekten för värmepumpen för att vattendropparna uppbur- na i luftströmmen annars skulle bli förângade vid ett senare stadium och därigenom konsumera energi.The container 5 has a drip separator 12 near the water nozzles. Air flows in the drip separator l2 along curved paths. Depending on the centrifugal force, small water droplets 1 carried by the air stream will be driven towards the walls, thereby forming water films or large droplets which flow the thinning effect of the heat pump so that the water droplets carried in the air stream would otherwise evaporate at a later stage and thereby consume energy .

Värmeväxlaren 13 förlagd intill droppseparatorn 12 k kommer att beskrivas senare tillsammans med alternativa d utföringsformer.The heat exchanger 13 located next to the drip separator 12k will be described later together with alternative embodiments.

Luft drives från en övre del 14 av behållaren 5 via en ledning 15 till en kompressor 16.Air is driven from an upper part 14 of the container 5 via a line 15 to a compressor 16.

I kompressorn 16 höjes lufttrycket till samma nivå som inloppslufttrycket i ledningen l. Beroende på kompressions- arbetet utfört i kompressorn kommer lufttemperaturen att öka. B Energin som behövs för kompressionen uillföres kompressorn F via en axel 17 från en motor 18 och\ﬁa en axel 3 från turbinen 2. j Den varma eller heta luften alstrad medelst värmepumpen strömmar i en ledning l9 från kompressorn till användnings- punkten. Temperaturen för alstrad luft beror på temperaturen hos värmekällan och kompressortryckförhållandet. Om t.ex. temperaturen hos källan för värmevatten är +5oC och tryckför- = 2 kommer temperaturen i den alstrade luften att vara omkring BOOC. I 461 oss 4 10 l5 20 25 Värmepumputeffekten och kraften från motorn beror på temperaturerna och tryckförhâllandena. I den föregående be- skrivningen överför processen arbetande med de givna värdena, per konsumerad varje motoreffekt, en 1,5-faldig värmeeffekt.In the compressor 16, the air pressure is raised to the same level as the inlet air pressure in line 1. Depending on the compression work performed in the compressor, the air temperature will increase. B The energy required for the compression is supplied to the compressor F via a shaft 17 from an engine 18 and a shaft 3 from the turbine 2. j The hot or hot air generated by the heat pump flows in a line 19 from the compressor to the point of use. The temperature of generated air depends on the temperature of the heat source and the compressor pressure ratio. If e.g. the temperature of the source of hot water is + 5oC and the pressure pre- = 2, the temperature in the generated air will be around BOOC. I 461 us 4 10 l5 20 25 The heat pump power and the power from the motor depend on the temperatures and pressure conditions. In the previous description, the process working with the given values, per consumed each engine power, transmits a 1.5-fold heat power.

Till exempel alstrar en värmeeffekt av 150 kW från värme- källan och en motordriveffekt av 100 kw tillsammans en värme- effekt av 250 kW. Vid denna effektnivå är luftmasströmningen cirka.3,3 kg/s och vattenmasströmmen 1,7 kg/s. Massflödes- förhållandet för vatten-till-luft är konstant oberoende av överförd effekt.For example, a heat output of 150 kW from the heat source and a motor drive output of 100 kw together produce a heat output of 250 kW. At this power level, the air mass flow is approximately 3.3 kg / s and the water mass flow 1.7 kg / s. The mass flow ratio for water-to-air is constant regardless of the transmitted power.

Behållaren kan också vara försedd med munstycken vid olika nivåer. Droppseparatorn 12 kan följas av en värmeväxlarel 13 i vilken värmeenergi överföres från en varm vätska eller gas till en luftström av värmepumpen. Droppseparatorn 12 och värmeväxlaren 13 kan också arrangeras i omvänd ordning så att luft först strömmar genom värmeväxlaren. Vidare kan värme- växlaren vara konstruerad för samtidig operation såsom dropp- separator.The container can also be equipped with nozzles at different levels. The drip separator 12 can be followed by a heat exchanger 13 in which heat energy is transferred from a hot liquid or gas to an air stream by the heat pump. The drip separator 12 and the heat exchanger 13 can also be arranged in reverse order so that air first flows through the heat exchanger. Furthermore, the heat exchanger can be designed for simultaneous operation as a drip separator.

I enlighet med ritningsfiguren, överföres värme från en värmekälla eller källor till värmeöverförande medium av värme- pumpen i enlighet med motströmsprincipen. Beträffande sprut- värmeväxlaren (utrymmet 8) kan mediet också regleras att strömma i samma riktning. Hela värmeöverföringsenheten (behål- laren 5), som också visas i ritningsfiguren i upprätt läge, kan alternativt placeras horisontellt och mediet kan regleras att strömma korsvis.In accordance with the drawing figure, heat is transferred from a heat source or sources to heat transfer medium by the heat pump in accordance with the countercurrent principle. Regarding the spray heat exchanger (space 8), the medium can also be regulated to flow in the same direction. The entire heat transfer unit (container 5), which is also shown in the drawing figure in an upright position, can alternatively be placed horizontally and the medium can be regulated to flow crosswise.

Claims

a gaseous heat transfer medium is led to a

1. 5. 461 055 ß PATENT REQUIREMENT I 1 Method for utilizing the freezing heat of water, wherein turbine (2), - by means of the turbine (2) expands the heating medium to a lower pressure, wherein the expansion work is continued via a turbine shaft (3), the expanded medium of lower pressure water is led to a container (5), water is led to the container (5), the main part of the water being sprayed in small drops to a spray chamber (8), where the freezing heat from the water is transferred to the heating medium, - the heating medium with heat energy stored therein is led from an upper part (14) of the container (5) of a compressor (16), - in the compressor (16) the heat transfer is compressed - the heated heat medium is led out of the compressor medium to a higher pressure by means of the energy emitted from the turbine ( 2) via the turbine shaft (3) and an engine (18) via an engine shaft (17), (16), - the heating medium is expanded in the turbine (2) to such a low pressure that its temperature drops below the freezing point F of the water, and 1 - lower part of the container (5 ) is emptied with a pump (10), characterized in that - a part of the water sprayed into the container (5) is sprayed directly on the walls of the container (5) to prevent freezing, - the water mixed with ice particles falling towards the bottom of the container (9) is made to perform a rotating movement to prevent agglomerations e.g. by eccentric design of the bottom (9) or by feeding the heat transfer medium to the container (5) eccentrically, and the agitated water mixture with ice cubes is sucked up with a pump (10) from the bottom (Q) of the container. 461 055 6

2. A method according to claim 1, characterized in that air is used as heat transfer medium.

Method according to claim 1 or 2, characterized in that the turbine (2) is fed with heat transfer medium having a temperature of between 3 and 7 ° C, preferably SOC, and that the pressure ratio of the turbine (2) is selected as a value between 1.5 and 3.0, preferably about 2.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the pressure ratio of the compressor (16) is chosen as a value between 1.5 and 3.0, preferably about 2.

5. A method according to any one of the preceding claims, characterized in that the ratio between the mass flows of the air and the water, respectively, amounts to between 1.2 and 3.1, preferably to about 1.9.

Apparatus for using the freezing heat of water according to the method of claim 1, comprising - a first conduit (1) via which heat transfer medium can be fed to a turbine - a turbine (2), the expansion work of which can be utilized, - a second line (4) via which the medium can be led from the turbine (2) to a container (5), - a third line (6) via which water can be fed by means of nozzles (7) into a spray chamber (8) in the holder (5) in atomized form, - a droplet separator (12) by means of which droplets can be separated from the heat transfer medium, P - a fourth line (15) via which the heating medium can be led from the container (5) to a compressor (16) by means of which the pressure of the heating medium and at the same time its temperature can be raised, - a motor (18) for driving the compressor, 7 1 461 us - shafts (3, 17) by means of which the power can be transmitted from the turbine and the motor to the compressor (16) and - a pump (10) by means of which water can be sucked out from the bottom (9) via a line (11), g - means by which g - means by means of which parts of the water can be directed towards the walls of the container (5) to prevent freezing, and A V - an eccentrically shaped bottom (9) of the container (5) for forming a turbulent outflow.