SE515670C2

SE515670C2 - Plant for disposing of excess heat from a power transformer

Info

Publication number: SE515670C2
Application number: SE0001673A
Authority: SE
Inventors: Kjell Andersson
Original assignee: Kjell Andersson
Priority date: 2000-05-08
Filing date: 2000-05-08
Publication date: 2001-09-17
Also published as: NO322815B1; EP1281183A1; RU2234755C2; NO20025065L; NO20025065D0; US20030121651A1; SE0001673D0; SE0001673L; AU6086501A; WO2001086668A1

Abstract

The invention relates to an installation for utilizing surplus heat from a power transformer. A first pipe system (7) is connected to the cooling device of the transformer for circulation of a first, heat carrying fluid between the transformer and a heat pump (5) with the purpose of enabling emission of heat to an evaporator (10) included in the heat pump, which evaporator via a second pipe system (11) containing a second fluid communicates with a compressor (12), a condenser (13) and an expansion valve (14), a third pipe system (15) having a third, heat carrying fluid for transfer of heat to one or more consumption units (16) being connected to the condenser. A fourth pipe system (19) is directly or indirectly connected to the first pipe system (7), which is partly brought down in a combined heat accumulator and emitter (20) in rock, ground and/or water, a multi-port valve (23) acting between the first and fourth pipe systems (7, 19) for enabling leading of surplus heat from the transformer via the first pipe system to either the evaporator (10) of the heat pump or said heat accumulator or emitter (20).

Description

N U huvudsak genom användning av kommersiellt tillgängliga stan- dardkomponenter. N U mainly through the use of commercially available standard components.

Enligt uppfinningen nås åtminstone det grundläggande syftet medelst de särdrag som är angivna i patentkravet 1.According to the invention, at least the basic object is achieved by means of the features stated in claim 1.

Fördelaktiga utföranden av den uppfinningsenliga inrättningen är vidare definierade i de osjälvständiga patentkraven.Advantageous embodiments of the device according to the invention are further defined in the dependent claims.

Kort beskrivning av bifogad ritning På ritningen är: Fig 1 en planvy av ett transformatorhus i vilket ingår två transformatorer samt en inrättning enligt uppfinningen, Fig 2 en förstorad, schematisk illustration av en i den upp- finningsenliga inrättningen ingående värmepump, och Fig 3 en förstorad, schematisk detalj A i fig 1.Brief description of the accompanying drawing In the drawing: Fig. 1 is a plan view of a transformer housing which includes two transformers and a device according to the invention, Fig. 2 an enlarged, schematic illustration of a heat pump included in the device according to the invention, and Fig. 3 an enlarged , schematic detail A in Fig. 1.

Detaljerad beskrivning av ett föredraget utförande av upofin; ningen I fig 1 betecknar 1 generellt ett hus i vilket två transformatorer 2 är inbyggda. Detta hus kan utgöras av en mindre sk nätstation av det slag som installeras i anslutning till villaområden eller andra bebyggelser med begränsad stor- lek. Av mellanväggar år huset 1 delat i ett antal fack 3, som var för sig är åtkomliga via i husets ytterväggar upptagna öppningar som kan stängas medelst luckor eller dörrar 4. De båda transformatorerna 2 är installerade i var sitt fack. I övriga fack installeras olika former av hjälputrustning för transformatorerna, t ex frånskiljare, strömskenor, etc. I ett av dessa fack är monterad en i sin helhet med 5 betecknad vär- mepump ingående i en inrättning enligt uppfinningen.Detailed Description of a Preferred Embodiment of Upofin; In Fig. 1, 1 generally denotes a housing in which two transformers 2 are built-in. This house can consist of a smaller so-called network station of the type that is installed in connection with residential areas or other buildings of limited size. Of partitions, the housing 1 is divided into a number of compartments 3, which are each accessible via openings accommodated in the outer walls of the housing which can be closed by means of doors or doors 4. The two transformers 2 are installed in separate compartments. In other compartments, various forms of auxiliary equipment are installed for the transformers, for example disconnectors, busbars, etc. In one of these compartments is mounted a heat pump designated in its entirety with 5 included in a device according to the invention.

I varje enskild transformator 2 ingår en schematiskt illustrerad kylanordning generellt betecknad 6. Denna kyl- anordning kan utgöras av ett med olja fyllt kärl i vilket transformatorns kärna och lindningar är nedsänkta. Kylanord- ningen kan emellertid även ha annan form. Exempelvis kan den- samma utgöras av ett samlingsutrymme för varmluft, varvid värme ur luften kan avges till annan fluid än just luft via lämpliga värmeväxlare.Each individual transformer 2 includes a schematically illustrated cooling device generally designated 6. This cooling device may consist of an oil-filled vessel in which the core and windings of the transformer are immersed. However, the cooling device can also have another shape. For example, it can consist of a collection space for hot air, whereby heat from the air can be given off to a fluid other than air via suitable heat exchangers.

Mellan de båda transformatorerna 2 och värmepumpen 5 sträcker sig ett första ledningssystem 7 i vilket en första I 7 ﬂ-w... H - s .i ,, H « - . , ., 6 Û 'Iv-.f "*' 'vi å ,, ;-~- -.;.. . i i = fi: 2:. , »i- ' « H .i ' m .n 3 värmebärande fluid kan cirkuleras, närmare bestämt i en matar- ledning 7' och en returledning 7". Såsom framgår av fig 1 är den ena änden av var och en av dessa ledningar förbunden med transformatorernas kylanordningar 6 via grenkanaler 8', 8".Between the two transformers 2 and the heat pump 5 extends a first line system 7 in which a first I 7 ﬂ- w ... H - s .i ,, H «-. ,., 6 Û 'Iv-.f "*' 'vi å ,,; - ~ - -.; ... Ii = fi: 2 :.,» i-' «H .i 'm .n 3 värmebärande fluid can be circulated, more specifically in a supply line 7 'and a return line 7 ". As can be seen from Fig. 1, one end of each of these lines is connected to the cooling devices 6 of the transformers via branch channels 8 ', 8 ".

Den andra änden av varje ledning 7', 7" är ansluten till en värmeväxlare 9, t ex en plattvärmeväxlare, placerad i närheten av värmepumpen 5. I praktiken kan ledningssystemet 7 bestå av enkla rörledningar, vilka ansluts till transformatorkylanord- ningarnas oljekärl via de befintliga nipplar som konventio- nellt utnyttjas för påfyllning av olja i kärlen. Med andra ord utgörs den värmebärande fluiden i ledningssystemet 7 i detta fall av transformatorns egen kylolja.The other end of each line 7 ', 7 "is connected to a heat exchanger 9, for example a plate heat exchanger, located near the heat pump 5. In practice, the line system 7 may consist of simple pipelines, which are connected to the oil vessels of the transformer cooling devices via the existing nipples that are conventionally used for filling oil in the vessels, in other words the heat-carrying fluid in the pipe system 7 in this case consists of the transformer's own cooling oil.

Ovannämnda ledningssystem 7 jämte värmeväxlaren 9 har till uppgift att möjliggöra avgivning av värme till en i värmepumpen 5 ingående förångare 10, vilken pà känt sätt via ett andra ledningssystem 11 kommunicerar med en kompressor 12, en kondensor 13 samt en expansionsventil 14. Ledningssystemet 11 jämte komponenterna 10, 12, 13, 14 bildar tillsammans ett slutet ledningssystem i vilket en andra fluid kan cirkuleras på gängse sätt. Denna andra fluid utgörs av ett konventionellt sk köldmedel, t ex av den typ som innehåller propan, som för- mår omväxlande förångas och kondenseras under upptagning resp. avgivning av värme.The above-mentioned line system 7 together with the heat exchanger 9 has the task of enabling the delivery of heat to an evaporator 10 included in the heat pump 5, which in a known manner communicates via a second line system 11 with a compressor 12, a condenser 13 and an expansion valve 14. The line system 11 together with the components 10, 12, 13, 14 together form a closed conduit system in which a second fluid can be circulated in the usual manner. This second fluid consists of a conventional so-called refrigerant, for example of the type which contains propane, which is able to alternately evaporate and condense during absorption resp. heat dissipation.

Ett tredje ledningssystem 15, som inbegriper en matar- ledning 15' och en returledning 15", är med sin ena ände anslutet till den värmeavgivande kondensorn 13 och med sin motsatta ände anslutet till en eller flera värmeförbruknings- enheter 16. Dessa enheter kan utgöras av exempelvis radiatorer eller andra värmeavgivande anordningar i byggnader av olika slag. Den del av ledningssystemet 15 som är ansluten till kon- densorn 13 illustreras schematiskt i form av en rörslinga 17 som är införd i kondensorns inre. I praktiken utgörs konden- sorn dock lämpligast av en plattvärmeväxlare. I matarledningen ' finns en pump 18 med vars hjälp en värmebärande fluid, t ex vatten eller olja, kan cirkuleras i ledningssystemet 15.A third line system 15, which includes a supply line 15 'and a return line 15 ", is connected at one end to the heat dissipating condenser 13 and at its opposite end to one or more heat consumption units 16. These units may be The part of the pipe system 15 connected to the condenser 13 is schematically illustrated in the form of a pipe loop 17 which is inserted into the interior of the condenser. In practice, however, the condenser is most suitably a In the supply line 'there is a pump 18 by means of which a heat-carrying fluid, for example water or oil, can be circulated in the line system 15.

I den uppfinningsenliga inrättningen ingår vidare ett fjärde ledningssystem 19 innefattande två ledningar 19', 19" vilka omväxlande kan tjäna såsom matarledning resp. returled- ning i beroende av inrättningens funktionstillständ. Detta W U m. H. c . ß-H...The device according to the invention further comprises a fourth line system 19 comprising two lines 19 ', 19 "which can alternately serve as supply line or return line depending on the operating condition of the device. This W U m. H. c. Ss-H ...

U 1.. ledningssystem är åtminstone delvis nedfört i exempelvis berg, mark eller sjö, varvid omgivningen omkring ledningssystemets underjordiska eller submarina del kan - i beroende av inrätt- ningens funktionstillstånd - tjäna antingen såsom värmeav- givare (på samma sätt som vid konventionell sk bergvärme) eller såsom en värmesänka eller -ackumulator. I fig 2 är denna kombinerade värmeackumulator resp. -avgivare schematiskt visad vid 20.U 1 .. piping systems are at least partially lowered in, for example, rock, land or lake, whereby the surroundings around the underground or submarine part of the piping system can - depending on the facility's functional condition - serve either as heat emitters (in the same way as conventional so-called rock heating ) or as a heat sink or accumulator. In Fig. 2, this combined heat accumulator resp. dispenser schematically shown at 20.

I det visade utförandeexemplet, vid vilket det första ledningssystemet 7 är anslutet till en värmeväxlare 9, är det fjärde ledningssystemet 19 anslutet till och integrerat med ett femte ledningssystem 21 innefattande dels första och andra ledningar 21', 21" utanför förångaren 10. Ledningssystemets 21 anslutning till förångaren visas schematiskt i form av en rör- slinga 22, men även i detta fall består förångaren av en plattvärmeväxlare. I en förgreningspunkt mellan homologa led- ningar, i detta fall ledningarna 19' och 21', i de båda led- ningssystemen 19, 21, är anordnad en flervägsventil 23 av den typ som icke blott kan öppna och stänga utan även strypa flö- dena i respektive ledningar. I ledningssystemet 21, närmare bestämt i ledningen 21' mellan flervägsventilen 23 och förång- aren 10, är anordnad en pump 24. De båda ledningssystemen 19 och 21 är integrerade med varandra såtillvida att de inne- håller en och samma fluid, företrädesvis i form av sk Brine- vätska som kan utgöras av exempelvis en blandning av sprit och vatten.In the exemplary embodiment shown, in which the first line system 7 is connected to a heat exchanger 9, the fourth line system 19 is connected to and integrated with a fifth line system 21 comprising first and second lines 21 ', 21 "outside the evaporator 10. The connection of the line system 21 to the evaporator is shown schematically in the form of a pipe loop 22, but even in this case the evaporator consists of a plate heat exchanger.In a branch point between homologous lines, in this case the lines 19 'and 21', in the two line systems 19 , 21, is provided with a multi-way valve 23 of the type which can not only open and close but also restrict the flows in the respective lines.In the line system 21, more specifically in the line 21 'between the multi-way valve 23 and the evaporator 10, a pump 24. The two pipe systems 19 and 21 are integrated with each other in that they contain one and the same fluid, preferably in the form of so-called Brine liquid which can be constituted by a for example, a mixture of alcohol and water.

Reglering av flervägsventilen 23 sker med hjälp av en motor 25 som drivs elektriskt via en med streckprickade linjer schematiskt antydd, elektrisk krets i vilken även ingår en temperaturgivare 26 i det första ledningssystemets 7 matarled- ning 7'. I detta sammanhang må även påpekas att en pump 27 ingår i ledningssystemets 7 returledning 7" för att cirkulera den värmebärande fluiden i ledningssystemet 7.Control of the multi-way valve 23 takes place by means of a motor 25 which is electrically driven via an electrical circuit schematically indicated by dash-dotted lines, which also includes a temperature sensor 26 in the supply line 7 'of the first line system 7. In this context it should also be pointed out that a pump 27 is included in the return line 7 "of the line system 7 for circulating the heat-carrying fluid in the line system 7.

I det på ritningen visade, föredragna utförandet av den uppfinningsenliga inrättningen är till värmeförbrukarlednings- systemet 15 ansluten en särskild värmeangivare 28, t ex en med en fläkt samverkande radiator, som är placerad i exempelvis det fack 3 i vilket värmepumpen 5 är placerad. Under alla omständigheter skall dock värmeangivaren 28 vara placerad U 515 670 -...,,, v 6 f., ,, inuti huset. Värmeangivaren 28 är kopplad till ledningssyste- met 15 via ett sjätte ledningssystem 29. Närmare bestämt är en matarledning i detta ledningssystem ansluten till motsvarande matarledning 15' i systemet 15 via en flervägsventil 30 som regleras av en motor 31. En viss del av den värmeenergi som transporteras till förbrukningsenheten 16 kan vid behov utta- gas via ledningssystemet 29 och värmeangivaren 28 i syfte att värma luften i husets 1 inre, enkannerligen luften i de fack 3 som är åtskilda från facken för transformatorerna 2.In the preferred embodiment of the device according to the invention shown in the drawing, a special heat sensor 28 is connected to the heat consumer line system 15, for example a radiator cooperating with a fan, which is placed in, for example, the compartment 3 in which the heat pump 5 is placed. In any case, however, the heat transmitter 28 must be located inside the housing. The heat sensor 28 is connected to the line system 15 via a sixth line system 29. More specifically, a supply line in this line system is connected to the corresponding supply line 15 'in the system 15 via a multi-way valve 30 which is regulated by a motor 31. A certain part of the heat energy transported to the consumption unit 16 can, if necessary, be taken out via the line system 29 and the heat sensor 28 in order to heat the air in the interior of the housing 1, namely the air in the compartments 3 which are separated from the compartments of the transformers 2.

Den uopfinningsenliga inrättningens funktion och fördelar Antag att inrättningen skall arbeta under årets kalla perioder och värmepumpens 5 konventionella sk bergvärmefunk- tion är inkopplad. I detta tillstånd häller flervägsventilen 23 icke blott matarledningen 19' från den underjordiska värme- avgivaren 20, utan även den del av ledningen 21' som sträcker sig mellan ventilen och värmeväxlaren 9 öppna. Detta innebär att fluid (Brine-vätska) med jämförelsevis måttlig temperatur (t ex omkring O°C) blandas med varmare fluid frän värmeväxlaren 9, vilken i sin tur upptar värme direkt från transformatorer- nas 2 kylanordningar 6 via den i ledningssystemet 7 cirkule- rande fluiden. Den vätska som blandas i flervägsventilen 23 och därefter passerar förångaren 10 kommer därför att ha en betydligt högre temperatur än den vätska som tas upp ur under- jorden via matarledningen 19'. I beroende av varierande tempe- raturer i såväl underjorden som transformatorernas kylanord- ningar 6 varierar givetvis temperaturen i förångaren 10, men i praktiken kan den mycket väl ligga inom området +10 á +15°C.The function and advantages of the installation according to the invention Assume that the installation will work during the cold periods of the year and that the heat pump's 5 conventional so-called geothermal heating function is switched on. In this state, the multipath valve 23 not only pours the supply line 19 'from the underground heat emitter 20, but also the part of the line 21' which extends between the valve and the heat exchanger 9 is open. This means that fluid (Brine liquid) with comparatively moderate temperature (eg about 0 ° C) is mixed with hotter fluid from the heat exchanger 9, which in turn absorbs heat directly from the cooling devices 6 of the transformers 2 via the one circulating in the line system 7. edge fluid. The liquid which is mixed in the multipath valve 23 and then passes the evaporator 10 will therefore have a significantly higher temperature than the liquid which is taken up from the subsoil via the supply line 19 '. Depending on varying temperatures in both the subsoil and the cooling devices 6 of the transformers, the temperature in the evaporator 10 of course varies, but in practice it may well be in the range +10 á + 15 ° C.

Genom att temperaturen hos den genom förångaren cirkulerande fluiden kan ökas betydligt (i medeltal från cirka O°C till +10°C) förbättras värmepumpens verkningsgrad radikalt, närmare bestämt från en faktor 3 (i normalfallet) till en faktor 5-7 eller större.Because the temperature of the fluid circulating through the evaporator can be significantly increased (on average from about 0 ° C to + 10 ° C), the efficiency of the heat pump is radically improved, more specifically from a factor of 3 (normally) to a factor of 5-7 or greater.

Under årets varma perioder, då behovet av uppvärmning i byggnader är lågt eller obefintligt, kan värmepumpen behöva avställas. För att då fortfarande möjliggöra effektiv kylning av transformatorerna kan flervägsventilen 23 omställas så att värme från värmeväxlaren 9 i och för sig icke nyttiggörs i värmeväxlaren, utan leds ned i underjorden (eller till led- 515 670 6 ningssystemets 19 submarina omgivning). Detta sker genom att pumpen 24 matar ned fluiden i ledningssystemet 19 via led- ningen 19', som då verkar såsom matarledning, och därefter förs i retur till ledningssystemet 21 via ledningen 19".During the hot periods of the year, when the need for heating in buildings is low or non-existent, the heat pump may need to be shut down. In order to then still enable efficient cooling of the transformers, the multi-way valve 23 can be adjusted so that heat from the heat exchanger 9 is not in itself utilized in the heat exchanger, but is led down into the subsoil (or to the submarine environment of the line system 19). This is done by the pump 24 feeding the fluid into the line system 19 via the line 19 ', which then acts as a supply line, and then being returned to the line system 21 via the line 19 ".

Uppfinningens fördelar är uppenbara. Då behovet av värme till förbrukningsenheterna under den kalla årstiden är högt kan överskottsvärme från transformatorerna 2 nyttiggöras för uppvärmningsändamål på ett mycket ekonomiskt sätt samtidigt som kylningen av transformatorerna blir effektiv. Under den varma årstiden då behovet av uppvärmning upphör, kan inrätt- ningen, genom reglering av ventilen 23, enkelt omställas så att överskottsvärme från transformatorerna leds ned underjor- diskt eller submarint, varvid värmeenergin i det förstnämnda fallet kan lagras i berggrunden eller jorden. Enheten 20 fun- gerar då såsom en värmeackumulator ur vilken lagrad energi kan återvinnas under den kalla årstiden (då ledningssystemet 19 är nedsänkt i t ex sjövatten tjänar vattnet enbart såsom en värmesänka). Med andra ord säkerställer den uppfinningsenliga inrättningen effektiv kylning av den eller de aktuella trans- formatorerna oavsett årstid, dvs oberoende om värmepumpen be- höver arbeta för uppvärmningsändamål eller ej.The advantages of the invention are obvious. As the need for heat for the consumption units during the cold season is high, excess heat from the transformers 2 can be utilized for heating purposes in a very economical way at the same time as the cooling of the transformers becomes efficient. During the hot season when the need for heating ceases, the installation can, by regulating the valve 23, be easily converted so that excess heat from the transformers is conducted underground or submarine, whereby the heat energy in the former case can be stored in the bedrock or soil. The unit 20 then functions as a heat accumulator from which stored energy can be recovered during the cold season (when the pipe system 19 is immersed in, for example, seawater, the water only serves as a heat sink). In other words, the device according to the invention ensures efficient cooling of the transformer or transformers in question, regardless of the season, ie regardless of whether the heat pump needs to work for heating purposes or not.

Tänkbara modifikationer av uppfinningen Uppfinningen är ej begränsad blott till det ovan be- skrivna och på ritningen visade utförandeexemplet. Sålunda är det tänkbart att avvara den särskilda värmeväxlaren mellan de första och femte ledningssystemen, varvid en och samma värme- bärande fluid kan cirkuleras i de första, fjärde och femte ledningssystemen. Det är även tänkbart att såsom värmebärande fluid i det till transformatorn anslutna ledningssystemet an- vända annan vätska (eller gas) än just olja. Det skall vidare påpekas att den uppfinningsenliga inrättningens värmepump ej nödvändigtvis måste vara monterad i samma hus som den eller de aktuella transformatorerna. Sålunda kan själva vårmepumpen även installeras i eller i närheten av den eller de byggnader till vilka överskottsvärmeenergin från transformatorn skall överföras för uppvärmningsändamål. I dylika fall sträcker sig de första ledningssystemet mer eller mindre långväga mellan transformatorhuset och den eller de aktuella byggnaderna. Ej 515 670 7 heller behöver ovannämnda förbrukningsenheter vara installerade inomhus. Sålunda kan enheterna vara placerade utomhus (t.o.m. underjordiskt) för att helt enkelt avge värmeenergi. Inrätt- ningen tjänar då enbart till att effektivt kyla transformatorn.Possible modifications of the invention The invention is not limited only to the exemplary embodiment described above and shown in the drawing. Thus, it is conceivable to dispense with the special heat exchanger between the first and fifth line systems, whereby one and the same heat-carrying fluid can be circulated in the first, fourth and fifth line systems. It is also conceivable to use a liquid (or gas) other than oil as heat-carrying fluid in the line system connected to the transformer. It should further be pointed out that the heat pump of the device according to the invention does not necessarily have to be mounted in the same housing as the transformer or transformers in question. Thus, the heat pump itself can also be installed in or near the building or buildings to which the excess heat energy from the transformer is to be transferred for heating purposes. In such cases, the first wiring system extends more or less a long way between the transformer housing and the building or buildings in question. Nor do the above-mentioned consumption units need to be installed indoors. Thus, the units can be located outdoors (even underground) to simply emit heat energy. The installation then only serves to efficiently cool the transformer.

Claims

10 15 20 25 35 1 v _ _. . . . .. .. ,, -. . . . ,. _. 13; f - -. n n.

Plant for disposing of excess heat from a power transformer (2) of a kind comprising a cooling device (6) for cooling the windings of the transformer, characterized in that a first line system (6) is connected to the transformer cooling device (6). 7) for circulating a first, heat-carrying fluid between the transformer cooling device and a heat pump (5) in order to enable heat to be delivered to an evaporator (10) included in the heat pump, which in a known manner via a second line system (11) containing a other heat-carrying fluid communicates with a compressor (12); a condenser (13) and an expansion valve (14), that to the condenser (13) of the heat pump is connected a third line system (15) with a third heat-carrying fluid for transferring heat to one or more consumption units (16), that to the the first pipe system (7) is directly or indirectly connected to a fourth pipe system (19), which is partly lowered into a heat accumulator or emitter (20) in rock, land and / or lake, and that between the first and fourth pipe systems the systems (7, 19) act as a multi-way valve (23) for conducting excess heat from the transformer cooling device (6) via the first line system (7) to the heat pump evaporator (10) and / or to said heat accumulator (20).

Device according to claim 1, characterized in that the first pipe system (7) is connected to a heat exchanger (9), which in turn is connected to the evaporator (10) of the heat pump (5) via a fifth pipe system ( 21), which communicates with the fourth conduit system (19) and contains the same heat-carrying fluid as this, the multipath valve (23) being arranged at a branch point between homologous conduits (19 ', 21') in said two conduit systems (19). , 21).

Device according to Claim 1 or 2, characterized in that it is located in one and the same housing (1) as the transformer (2) and in that a supply line (15 ') in the third line system (15) is connected. heat sensor (28) for heating the air inside the house.