SE515688C2 - Kemisk värmepump samt förfarande för kylning och/eller uppvärmning - Google Patents

Description

515 688 2 system kan således inte ombesörja luftkonditionering nattetid.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Det är ett ändamål med uppfinningen att anvisa en kemisk värmepump, som kan an- vändas för drift med hjälp av solenergi.

Det är ett ytterligare ändamål med uppfinningen att anvisa en kemisk värmepump, i vilken fördelar hos ett fast substanssystem kombineras med fördelar hos ett flytande system.

I ett system med fast substans erhålls en konstant kyltemperatur, genom att reaktionen sker mellan två fastillstånd hos substansen. Båda dessa fastillstånd är fasta och upprätthåller vid omvandling från ett tillstånd till ett annat ett konstant reaktionstryck för absorbenten.

Reaktionstrycket förblir konstant, tills all substans övergått från det första tillståndet till det andra. Om i stället vid urladdning, då absorbenten upptas av substansen, den första fasen är fast men den andra fasen är flytande, upprätthålls likaledes konstant reaktionstryck för absorbenten. Substansen kommer då successivt att övergå från fast till flytande form samti- digt som konstant kyltemperatur erhålls. Processen fortgår med konstant reaktionstryck, tills all substans övergått från fast till flytande form. På motsvarande sätt är reaktionstrycket vid laddning konstant, medan substansen övergår från flytande till fast form. Med en sådan värmepump utnyttjande en fasövergång mellan fast och flytande tillstånd kan sålunda för- delarna hos ett fast substanssystem kombineras med fördelarna hos ett flytande system.

Allmänt blir villkoren på den aktiva substansen, att denna vid en första lägre tempe- ratur skall ha ett fast tillstånd, från vilket den vid upptagande av den flyktiga vätskan och mest dennas ångfas omedelbart övergår partiellt i flytande tillstånd eller lösningsfas och vid en andra högre temperatur skall ha ett flytande tillstånd eller föreligga i lösningsfas, från vilket den vid avgivande av den flyktiga vätskan, som då övergår till ånga, omedelbart övergår partiellt i fast tillstånd. Föredragna aktiva substanser innefattar typiskt olika metall- salt, som i sitt fasta tillstånd innehåller kristallvatten. Bland dessa kan framförallt nämnas magnesiumklorid, men även magnesiumbromid och litiumklorid och vissa andra salter kan fungera väl.

FIGURBESKRIVNING Uppfinningen skall nu beskrivas i form av ej begränsande utföringsexempel med hän- visning till de bifogade ritningarna, i vilka Fig. 1 är en schematisk bild av en kemisk värmepump och Fig. 2 år en schematisk bild av absorptionssidan i en kemisk värmepump.

FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFQRMER I fig. 1 visas i schematisk form en kemisk värmepump för produktion av kyla eller värme. Den visade kemiska värmepumpen består av en första behållare l eller ackumulator innehållande en substans 2, vilken kan exotermiskt absorbera och endotermiskt desorbera ett sorbat, vanligen vatten. Den första behållaren l är hopkopplad med en andra behållare 3, även benämnd kondensor/evaporator, via en fast gasförbindelse 4 i form av ett rör anslutet med sina ändar vid översidan av behållarna. Den andra behållaren 3 fungerar som konden- 40 sor för kondensering av gasformigt sorbat 6 till vätskeformigt sorbat 5 under endotermisk 40 515 688 3 desorbering av substansen 2 i den första behållaren 1 samt som evaporator av vätskeformigt sorbat 5 till gasformigt sorbat 6 under exotermisk absorption av sorbat i substansen 2 i den första behållaren l.

Systemet, dvs de med varandra i fluidförbindelse stående inre utrymmena i de första och andra behållarna 1, 3 och gasledningen 4, är helt gastätt och evakuerat från alla andra gaser än den i den kemiska processen verksamma gasen 6, som vanligen är vattenånga.

Substansen 2 i ackumulatorn l står i direkt kontakt med en första värmeväxlare 7 i denna, vilken i sin tur via ett vätskeflöde 8 kan tillföras värme från eller avge värme till omgiv- ningen. Vätskan 5 i evaporator-/kondensordelen 3 står likaså i direkt kontakt med en andra värmeväxlare 9 i denna, till eller från vilken värme kan tillföras eller bortföras från resp. till omgivningen via ett vätskeflöde 10.

Systemets olika delar kan med fördel vara förlagda inom ett enda yttre kärl, såsom visas i det ovan nämnda U.S. patentet 5,440,899 för De Beijer et al., så att kärlen 1 och 3 bildas genom avdelning av kärlet medelst mellanväggar.

Substansen 2 i värmepumpen är här vald, så att den vid de temperaturer, för vilka vär- mepumpen är avsedd, kan arbeta med en övergång mellan fast och flytande tillstånd. Reak- tionen i ackumulatorn 1 sker sålunda mellan ett fast och ett flytande fastillstånd hos sub- stansen 2. Vid urladdning, då absorbenten upptas av substansen, är den första fasen fast medan den andra fasen är flytande och då upprätthålls konstant reaktionstryck för absorben- ten. Substansen kommer därvid successivt att övergå från fast till flytande form samtidigt som konstant kyltemperatur erhålls. Processen fortgår med konstant reaktionstryck, tills all substans övergått från fast till flytande form. På motsvarande sätt är reaktionstrycket vid laddning konstant, medan substansen övergår från flytande till fast form.

I fig. 2 visas en ackumulator 1 lämplig för en sådan substans 2, som har en övergång mellan fast och flytande form. Substansen är i fast form 21 placerad vid den ena ytan av en värmeväxlare 22, som motsvarar värmeväxlaren 7 i fig. 1. Värmeväxlaren 22 har formen av en platta med exempelvis ytförstorande vertikala flänsar på sin framsida, där den fasta sub- stansen 21 finns. Baksidan av Värmeväxlaren 22 står i kontakt med ett yttre medium, som tillför eller bortför värme. Värmeväxlaren 22 tillsammans med den fasta formen 22 av sub- stansen är vidare från alla riktningar helt innesluten i ett finmaskigt nät 23, vilket endast mycket små partiklar kan tränga igenom och gas och genom vilket vätska kan fritt passera.

Lösning 24, som utgör den flytande formen av substansen, finns nedtill i ackumulatorkärlet 1 och uppsamlas i ett fritt utrymme 24' strax under värmeväxlaren 22. Detta utrymme har ett utlopp 24", som står i förbindelse med en pump 26. Ett spraysystem 25 är placerat innanför nätet 23 ovanför Värmeväxlaren 22 och står via en rörledning 25” i förbindelse med en pump 26, så att pumpen 26 kan spruta ut lösning över Värmeväxlaren 22.

Förloppet i ackumulatordelen 1 med saltet MgCl2-6H2O som substans skall nu be- skrivas, varvid vid "laddning" exempelvis solenergi kan användas. Substansen 2 förutsätts från början vara "laddad" och skall alltså "urladdas". Den föreligger då i sin fasta fas, placerad vid 21 i Värmeväxlaren 22. Den fasta formen 21 av substansen kan föreligga i form 40 515 688 4 av fina kristaller eller mer eller mindre sintrad till en fast kaka och kan i vart fall inte tränga genom nätet 23. Värmeväxlaren 22 har härvid exempelvis rumstemperatur såsom omkring 30°C och också kondensatet 5 i kondensorn 3 kan ha samma temperatur. När vat- tenånga upptas av den fasta formen 21 av substansen, utvecklas energi i ackumulatorn 1 och dess temperatur kan därvid höjas, men den kyls normalt. Energi åtgår för förångning i eva- poratorn/kondensorn 3, vilkens temperatur sänks och vilken sålunda kan användas för ex- empelvis rumskylning. Den fasta formen 21 av substansen övergår därvid partiellt till lös- ning 24, som avrinner ur den nätinneslutna värmeväxlaren 22. Lösningen 24 uppsamlas i det fria utrymmet 24” under värmeväxlaren 2, från vilket utrymme den via utloppet 24" och med hjälp av pumpen 26 transporteras till spraysystemet 5 vid värmeväxlarens 2 ovansida, där den sprayas över värmeväxlaren. Lösningen 24 kommer därigenom att sippra genom den fasta formen 21 av substansen och ständigt vara mättad, när den med hjälp av spraysys- temet 5 fördelas ut över värmeväxlarens 22 övre del. Värmeväxlarens 22 övre del kommer att snabbt bli frilagd från fast substans 21, varefter god vårmeöverföring och därmed hög effekt hos absorberingen kan erhållas. Detta fortgår tills i princip väsentligen allt av den fasta formen 21 har övergått till lösning 24.

Vid "laddning" av substansen 2 kan denna förutsättas att vid utgångsläget helt före- ligga i form av lösning 24. Värmeväxlaren 22 i ackumulatorn l uppvärms till lämplig tem- peratur, exempelvis till minst 50°C såsom med hjälp av solenergi, se diskussionen nedan, medan evaporatorn/kondensorn 3 hålls vid rumstemperatur, dvs högst vid omkring 30°C.

Lösningen 24 pumpas fortsättningsvis runt och sprayas över den nu fria värmeväxlaren 22.

När lösningen 24 värms i kontakt med värmeväxlaren, avgår absorbenten till kondensorn 3 och lösningen 24 koncentreras. Lösligheten för substansen 1 är dock vid högre temperatur betydligt större än vid låg temperatur, varför laddningen kan drivas i lösningsfas till hög koncentration.

Kristallisation, dvs övergång av substansen till dess fasta form, sker sedan spontant i lösningen 24 i form av fina kristaller, som tillväxer, tills de inte längre kan passera genom nätet 23, varefter de kommer att ansamlas längst ned i värmeväxlaren 22. Vid en högsta önskad koncentration, när alltså systemet är färdigt för att åter urladdas och användas för kylning, stoppas pumpen 26 och reverseras, så att resterande lösning 24 i utrymmet 24” pressas in i värmeväxlaren 22. Samtidigt avkyls värmeväxlaren 22 till exempelvis rumstem- peratur av omkring 30°C och all kvarvarande substans 2 i vätskeform 24 kristalliserar.

Systemet kan nu användas för rumskylning, då värmeväxlaren 9 i evaporatorn/kondensorn 3 är placerad i ett bostadsrum.

Värmeväxlarens 22 väggar kan med fördel vara behandlade med exempelvis teflon för att motverka, att kristaller i alltför hög grad byggs upp på dessa, så att bildade kristaller i första hand kan röra sig fritt inom nätet 23. Lösningens 24 nivå i värmeväxlaren 22, när all substans l övergått till lösningsfas, förutsätts uppgå till högst ca 2/3 av värmeväxlarens höjd.

Den beskrivna kemiska reaktorn för en kemisk värmepump förutsätts vara kombinerad 40 515 688 med en i samma behållare placerad kondensor/evaporatordel, ej visad i fig. 2. Denna är utförd med plattvärmeväxlare av cylindrisk eller plan form och utrustad med antingen ka- pillärsugande material på åtminstone en del av värmeväxlarytan, eller spraymunstycken och pump för att väta värmeväxlarytorna vid evaporering.

Ett hybridaggregat av ovan beskriven typ konstrueras företrädesvis så, att reaktorn placeras nederst och kondensorn/evaporatorn överst för att spill och stänk av substansen i vätskefas inte skall enkelt kunna överföras till kondensor-/evaporatorsidan. Detta kan dock genom inverkan av det starka gasflödet ändå ske, varför risk föreligger, att vattnet i evapo- rator-/kondensordelen så småningom får en alltför hög koncentration av substans. För att förhindra detta kan efter varje urladdning, när endast en mindre mängd vatten kvarstår i evaporatorn, en ventil öppnas i evaporatorns botten, genom vilken dessa sista rester av vatten fritt tillåts att rinna ned i reaktorn. På detta sätt elimineras en ackumulation av sub- stans i kondensor-/evaporatordelen. Detta mekaniskt utsläppta vatten kan med fördel tillåtas passera reaktorpumpen för att rensa denna. På motsvarande sätt är det efter laddning möjligt att tillåta rent vatten att reverseras bakåt genom pumpen via samma ventil för att avlägsna koncentrerad lösning före reaktorns slutliga nedkylning.

Den substans, som praktiskt utnyttjas och som ovan har nämnts kan vara MgCl2-6H2O, magnesiumkloridhexahydrat, skall i sitt fasta tillstånd omedelbart vid upp- tagande av absorbenten (vatten) partiellt övergå i flytande tillstånd. Magnesiumkloridhexa- hydratet har en smältpunkt över 100°C men övergår omedelbart, när mer vatten upptas, till lösning, dvs till flytande form. Jämviktsångtrycket för reaktionen hexahydrat till mättad lösning är vid 20°C ca 4,6 mm Hg, vilket svarar mot ett AT av 20°C. AT är här den temperaturskillnad, som vid tryckjämvikt råder mellan substansen i fast form och den flykti- ga vätskan i kondensorn/evaporatorn. Ett lämpligt AT för ett soldrivet system med vatten/ vattenånga som absorbent ligger för övrigt i området 20 - 40°C. Reaktionen förmår således att kyla absorbenten i evaporatorn vid urladdning till ca 20°C under substansens aktuella temperatur. Om exempelvis substansen hålls kyld vid urladdning till en utomhustemperatur av 30°C, kan kylvatten för rumskylning produceras vid en temperatur av 10°C, vilket är mycket lämpligt för luftkonditioneringssystem. På motsvarande sätt behöver vid laddning, om kondensorn hålls vid utomhustemperaturen 30°C, substansen endast värmas till en tem- peratur överstigande (30 + 20)°C = 50°C.

Lagringskapaciteten i kWh kylenergi per liter substans beror primärt av substansens löslighet i absorbenten. En mol magnesiumkloridhexahydrat upptar 3,5 mol vatten vid 30°C för att gå i lösning, vilket motsvarar ca 0,25 kWh kylenergi per liter slutlig lösning. Energi- innehållet samt temperaturskillnaden AT varierar betydligt mellan olika substanser. Motsva- rande beräkning för LiCl, litiumklorid, ger mer än 0,5 kWh/l vid en temperaturskillnad AT av 28°C. Antalet användbara substanser är begränsat. Lämpliga substanser innefattar LiCl, LiBr, Lil, MgClz, MgBr2, Mglz, CaBrZ, CaIZ, SrIZ, KOH, NaOH, ZnClz, ZnBrz, Znlz, AlCl3, AlBr3 samt A113 och bland dessa kan MgClz, MgBrZ och LiCl anses som särskilt lämpliga. 515 688 6 Den kompletta kemiska värmepumpen eriligt ovan kan såsom nämnts användas för konvertering av solenergi till kyla för luftkonditionering. Om kylbehovet endast skall till- fredsställas dagtid, kombineras två relativt små aggregat, som körs intermittent. Genom den höga effekt, som varje sådant aggregat presterar, kan cyklingstiderna göras mycket korta.

En lämplig cyklingstid kan vara ca en timme. Tidigt på morgonen laddas det ena aggregatet under en timme, varefter det kopplas om till urladdningsfas och luftkonditioneringen kan börja. Under den tid, som detta aggregat urladdas, uppladdas det andra aggregatet. Detta förfarande upprepas sedan intermittent under hela dagen. För ett tänkt komplett dubbelagg- regat med kyleffekten 2 kW krävs endast mellan 10 och 20 liter substans i reaktorn och ett utrymme för ca 10 liter vatten i kondensor/evaporatordelen.

För erhållande av luftkonditionering även nattetid kan flera tekniska lösningar tänkas. I en första tänkbar lösning kombineras ett mindre aggregat av här beskriven typ med ett större aggregat baserat på enbart fast substans. Kombinationen av dessa två system kan då ge såväl luftkonditionering som tappvarmvatten dygnet runt. En andra möjlighet att erhålla luftkonditionering såväl dagtid som nattetid är att kombinera ett mindre värmepumpsaggre- gat av ovan beskrivet slag med ett större aggregat av samma slag, vilket klarar lagringsbe- hovet för kylning nattetid. En tredje möjlighet är att endast nyttja ett större aggregat av ovan beskrivet slag, vilket lagrar energi för nattkylning men samtidigt med laddningen avleda ett flöde av mättad lösning, avkyla den avledda lösningen separat och låta denna lösning absorbera vattenånga från en likaledes separat evaporator. I samtliga dessa tre fall måste solpanelen dimensioneras för att klara en högre effekt, emedan energi för kylning tas ut även dagtid. Energin skall även räcka för uppladdning av det större aggregatet för kom- mande nattkylning.

Allmänt kan fastslås, att det finns en mångfald kombinationsmöjligheter, dels innefat- tande större aggregat arbetande enbart med fast substans eller med substanser i en fast- flytande-fasövergång enligt ovan, dels mindre aggregat baserade på substanser, för vilka samma typ av fasövergång utnyttjas. Det ligger i användarens hand att välja den typ av sys- tem, som bäst löser hans aktuella luftkonditioneringsbehov med hänsyn till systemets stor- lek, funktion och kostnad. Det här beskrivna förfarandet, vid vilket substanser nyttjas, som i det intressanta temperaturområdet har en fasövergång mellan fast och flytande form, utgör ett betydande tillskott till möjligheten att kommersiellt använda solenergi för luftkonditione- ringsändamål.

Claims (6)

10 15 20 25 30 35 40 515 688 7 PATENTKRAV

1. Kemisk värmepump innefattande en aktiv substans belägen i ett första utrymme (1) och en flyktig vätska, som absorberas av substansen vid en första temperatur och desorberas av substansen vid en andra högre temperatur, varvid den aktiva substansen är vald, så att den vid den första temperaturen har ett fast tillstånd, från vilket den aktiva substansen vid upptagande av den flyktiga vätskan, särskilt dennas ångfas, omedelbart övergår partiellt i flytande tillstånd eller lösningsfas och vid den andra temperaturen har ett flytande tillstånd eller föreligger i lösningsfas, från vilket den aktiva substansen vid avgivande av den flyktiga vätskan, särskilt dennas ångfas, omedelbart övergår partiellt i fast tillstånd, k ä n n e - te c k n a d av ett nät (23) i det första utrymmet, genom vilket nät endast mycket små partiklar av den aktiva substansen kan tränga igenom, så att det fasta tillståndet av den aktiva substansen föreligger på en första sida av nätet, medan det flytande tillståndet av den aktiva substansen finns på båda sidor om nätet, och en värmeväxlare (21) för att vid urladd- ning av den kemiska värmepumpen, när den aktiva substansen successivt övergår från fast till flytande tillstånd under upptagande av den flyktiga vätskan, hålla den aktiva substansen i fast och flytande tillstånd vid den första temperaturen och vidare av fördelningsorgan för att bringa den aktiva substansen i flytande tillstånd, belägen på den andra, motsatta sidan av nätet, att passera i kontakt med värmeväxlaren och den aktiva substansen i fast tillstånd på den första sidan.

2. Kemisk värmepump enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att värmeväxlaren (21) är anordnad att vid laddning av den kemiska värmepumpen, när den aktiva substansen suc- cessivt övergår från flytande till fast tillstånd under avgivande av den flyktiga vätskan, hålla den aktiva substansen i fast och flytande tillstånd vid den andra temperaturen.

3. Kemisk värmepump enligt något av krav 1 - 2, k ä n n e t e c k n a d av att för- delningsorganen innefattar en pump (26) kopplad till sprayorgan (25) för att spruta ut den aktiva substansen i flytande tillstånd över en övre del av värmeväxlaren.

4. Kemisk värmepump enligt något av krav 1 - 3, k ä n n e t e c k n a d av att den aktiva substansen innefattar ett metallsalt, som i sitt fasta tillstånd innehåller kristallvatten.

5. Kemisk värmepump enligt något av krav 1 - 4, k ä n n e t e c k n a d av att den aktiva substansen innefattar ett salt valt bland magnesiumklorid, magnesiumbromid och litiumklorid, däribland särskilt magnesiumklorid.

6. Förfarande för kylning och/eller uppvärmning innefattande att en aktiv substans bringas att absorbera en mättad ångfas av en flyktig vätska vid en första temperatur och att desorbera den flyktiga vätskan vid en andra högre temperatur, varvid den aktiva substansen väljs, så att den vid den första temperaturen har ett fast tillstånd, från vilket den aktiva substansen vid upptagande av den flyktiga vätskan, särskilt dennas ångfas, omedelbart över- går partiellt i flytande tillstånd eller lösningsfas och vid den andra temperaturen har ett flytande tillstånd eller föreligger i lösningsfas, från vilket den aktiva substansen vid avgivan- de av den flyktiga vätskan, särskilt dennas ångfas, omedelbart övergår partiellt i fast till- stånd, k ä n n e t e c k n a t av att den del av den aktiva substansen, som föreligger i fast 515 688 8 form, hela 'Liden hålls på en första sida av ett nät (23), genom vilket endast mycket små partiklar kan passera, och att den del av den aktiva substansen, som föreligger i flytande form, finns på både den första sidan av nätet och på den andra motsatta sidan av nätet, och att vid den aktiva substansens absorberande och desorberande av den flyktiga vätskan bring- s as den del av den aktiva substansen, som föreligger i flytande tillstånd eller lösningsfas och är belägen på den andra sidan av nätet, aktivt att komma i beröring med den del av den aktiva substansen, som föreligger i fast tillstånd och är belägen på den första sidan.