DK164920B - Varmepumpe af absorptionscyklustypen med arbejdsblanding indeholdende caesiumhydroxid og kaliumhydroxid - Google Patents

Description

i

DK 164920 B

Opfindelsen angår en varmepumpe af absorptionscyklustypen.

Ved varmepumper af absorptionscyklustypen afgiver en energikilde med høj temperatur og en energikilde med lav temperatur var-5 me til en varmepumpe, som dernæst afgiver summen af den fra begge kilderne leverede varme ved en mellemliggende temperatur. Under driften modtager et fordampeligt arbejdsf1uidum varme fra energikilden med lav temperatur, typisk luft eller vand med omgivelsernes temperatur, og fordamper. Den herved opståede 10 damp overføres til en absorber, hvor den absorberes i et absorberingsmiddel og afgiver varme. Den således dannede arbejds-blanding overføres til en generator, som har en energikilde med høj temperatur, typisk varme gasser fra forbrændingen af fossilt brændstof, hvor den opvarmes og der dannes arbejdsflui-15 dumdamp. Den således dannede arbejdsf1uidumdamp strømmer under tryk frem til en kondensator, hvor den kondenserer og afgiver varme. Det herved dannede flydende arbejdsfluidum overføres via en ekspansionsventil til fordamperen, og fuldender herved cyklus1 en.

20

Almindelige arbejdsblandinger til benyttelse i varmepumper af absorptionscyklustypen omfatter fluoridiserede hydrocarboner, såsom monochlordifluormethan, l-chlor-2,2,2-trifluorethan og 1,1,1,2-tetrafluorethan og et passende absorberingsmiddel her-25 for, der typisk har en let basisk karakter, f.eks. tetraglym eller der kan benyttes ammoniak med vand som absorberingsmiddel, hvilken arbejdsblanding kræver høje arbejdstryk.

Der er også blevet foreslået arbejdsblandinger indeholdende 30 methanol og 1 i thiumbromid til trods for, at stabiliteten af disse blandinger ved høj temperatur er tvivlsom over hele varmepumpens levetid.

Det er endvidere blevet foreslået at benytte vand som arbejds-35 fluidum i varmepumper af absorptionscyklustypen, og at benytte svovlsyre som absorberingsmiddel herfor. Imidlertid er koncentreret svovlsyre^ ved de høje temperaturer som absorberingsmid-

DK 164920 B

2 let udsættes for i generatoren, meget korrosivt. Det er også blevet foreslået som absorberingsmiddel at benytte vandige opløsninger af natriumhydroxid eller vandige opløsninger af na-triumhydroxid/kaliumhydroxid eller 1ihtiumbromid eller lithi-5 umchlorid tilsat enten zinkchlorid og/eller zinkbromid. Så danne vandige opløsninger har en tendens til at have uacceptabelt høje frysepunkter, og sådanne tilsætninger har en tendens til at have uacceptable høje damptryk ved arbejdstemperaturen i absorberen, sammenlignet med det nødvendigvis højere damp-10 tryk ved arbejdstemperaturen i fordamperen. Dette sætter en nedre grænse, som typisk ligger i området 4 til 20eC for fordamperens arbejdstemperatur. Hvor det er ønskeligt, at fordamperens varmekilde er den omgivne luft eller vand, gør denne grænse sådanne pumper uanvendelige til vinteropvarmning i tem-15 pererede klimaer, hvor der i praksis er behov for en nedre grænse i området 0 til -5eC.

Vi har nu udtænk en varmepumpe af absorbtionstypen, hvor arbejds-blandingen består af en vandig blanding af kalium og cæsiumhy-20 droxider og efter eget valg også af natriumhydroxid, hvilken blanding afhjælper mange af de ovenfor nævnte ulemper. Især har sådanne arbejdsblandinger overraskende både acceptable lave frysepunkter, hvoraf nogle er mindre end 20°C og acceptable lave damptryk, hvoraf nogle er mindre end 400 Pa (3 mm kvik-25 sølv) ved den temperatur, som opnås i absorberen, typisk i ho vedsagen 65°C. Yderligere har de høje damptryk, større end 33,3 kPa (250 mm kviksølv) ved temperaturen for varmekilden med høj temperatur, hvilken temperatur er i hovedsagen 180°C.

30 Varmepumpen ifølge opfindelsen er ejendommelig ved, at den ar-bejdsblanding, som forlader absorberen på vægtbasis, består af: 15 til 85% cæsiumhydroxid, 5 til 45% kaliumhydroxid, 35 0 til 35% natriumhydroxid, og 10 til 35% vand.

DK 164920 B

3

Arbejdsblandinger der udelukkende består af vandige blandinger af kalium og cæsiumhydroxid indeholder hensigtsmæssigt på vægtbasis 50 til 85% cæsiumhydroxid, 5 til 25% kaliumhydroxid og 10 til 35% vand. Foretrukne blandinger indeholder på vægtba-5 sis 60 til 75% cæsiumhydroxid, 5 til 20% kaliumhydroxid og 15 til 30% vand. En særlig foretrukken blanding består af i hovedsagen 67 vægt% cæsiumhydroxid og i hovedsagen 10 vægt% kaliumhydroxid, og i hovedsagen 23 vægt% vand.

10 Arbejdsblandinger der udover natriumhydroxid indeholder kalium- og cæsiumhydroxid indeholder hensigtsmæssigt på vægtbasis 15 til 50% cæsiumhydroxid, 20 til 45% kaliumhydroxid, 10 til 35% natriumhydroxid og 10 til 35% vand. Foretrukne blandinger indeholder på vægtbasis 25 til 40% cæsiumhydroxid, 25 15 til 40% kaliumhydroxid, 15 til 30% natriumhydroxid og 10 til 30% vand. Særligt foretrukne blandinger indeholder på vægtbasis 29 til 32% cæsiumhydroxid, 26 til 29% kaliumhydroxid, 19 til 22% natriumhydroxid og 17 til 26% vand i hovedsagen svarende til at det fluidum, som oprindeligt indføres i absorberen-20 generatorsløjfen omfatter i hovedsagen 31 vægt% cæsiumhydroxid, i hovedsagen 28 vægt% kaliumhydroxid, i hovedsagen 21 vægt% natriumhydroxid og i hovedsagen 20 vægt% vand. Dette vil dog 1 nogen udstrækning afhænge af de relative masseflow i absorber-generators løjfen og vanddampabsorptionen i absorberen.

25

Arbejdstemperaturen for fordamperen med lav temperatur ligger hensigtsmæssigt i området 0 til -5°C og absorberens arbejds-temperatur ligger typisk i området 55 til 75°C. Under disse forhold er det ønskeligt at afstemme masseflowhastigheden i 30 absorber-generatorsløjfen, og vandabsorptionshastigheden i absorberen, således at forskellen mellem koncentrationen af fuldstændigt opløste faste stoffer i udløbet fra den vandrige absorber og indløbet til den vandfattige absorber er større end 2 vægt%, fortrinsvis større end 3 vægt%. Dette under hensynta-35 gen til den ovennævnte binding på vandtrykket af udløbsflui- dum’et fra absorberen. Dette har den fordel, at behovet for pumpning og varmeudveksling reduceres i sløjfen.

DK 164920 B

4

Evnen til at fungere ved de ovennævnte temperaturer er en vigtig egenskab ved den foreliggende opfindelse. Det er imidlertid klart, at der ved helårsdrift på visse tidspunkter vil opstå andre temperaturer, f.eks. højere temperaturer, og at dis-5 se eksempelvis vil opstå i sommermånederne.

De beskrevne arbejdsblandinger kan benyttes til konventionelt udformede varmepumper af absorptionscyklustypen, og især til roterende varmepumper af absorptionscyklustypen, såsom den i 10 europæisk patentansøgning nr. 119.776 beskrevne.

Det er klart at det, når der er en mulighed for at temperaturen af arbejdsf1uidumet i fordamperen kan falde til under 0eC, enten under driften af varmepumpen eller, når denne ikke er i 15 brug, foretrækkes at tilsætte et antifrostmiddel til arbejdsflui-dumet. Dette antifrostmiddel kan være uorganisk eller organisk, f.eks. en blanding af cæsiumhydroxid og kaliumhydroxid og eventuelt natriumhydroxid.

20 Opfindelsen forklares nærmere nedenfor under henvisning til tegningen, der viser en udførelsesform for opfindelsen, og hvor

Fig. 1 viser skematisk de i varmepumpen ifølge opfindelsen 25 indgåede dele, og

Fig. 2 en sammenstilling af de i en udførelsesform for varmepumpen ifølge opfindelsen indgåede dele, samt fluidumstrømmene i og mellem disse.

30

Idet der først henvises til fig. l, bliver et vandigt arbejds-fluidum ved hjælp af en pumpe P i rækkefølge cirkuleret rundt i et anlæg bestående af en fordamper E, en absorber A, en opløsningsvarmeveksler X, en dampgenerator 6 og en kondensator C. I 35 fordamperen E bliver arbejdsfluidumet fordampet ved varmeveksling med en strøm af omgivende luft (eller med en anden omgivende varmekilde såsom vand eller jorden). Vanddampen strømmer 5

DK 164920 B

via ledningen 1 til absorberen A, i hvilken den bliver absorberet i en vandfattig blanding af vand og kalium- og cæsiumhydroxi-der, idet den herunder afgiver sin opløsningsvarme. Varmen optages ved varmeveksling af en strøm af et medium, som skal op-5 varmes, typisk et centralvarmemedium, dvs. vand eller luft, som strømmer i ledning 2.

Den vandrige blanding af vand og kalium- og cæsiumhydroxider, som opstår i absorberen A, og som indeholder i hovedsagen 67 10 vægt% cæsiumhydroxid, i hovedsagen 10 vægt% kaliumhydroxid og i hovedsagen 23 vægt% vand strømmer via ledningen 3 og pumpen P frem til opløsningsvarmeveksleren X, i hvilken den optager varme fra den tidligere nævnte vandfattige blanding, som fødes ind i absorberen, inden den via ledningen 4 strømmer frem til 15 dampgeneratoren. I generatoren opvarmes den nævnte vandrige blanding f.eks. direkte ved hjælp af en gasflamme eller indirekte ved hjælp af varm gas, og der udvikles arbejdsfluidum-damp. Den resulterende vandfattige blanding føres tilbage til absorberen A via ledningen 5, opløsningsvarmeveksleren X og en 20 trykreduktionsventil V2.

Damp fra generatoren G føres via ledningen 6 frem til kondensatoren C, i hvilken den afgiver varme til det i ledningen 7 strømmende medium, der skal opvarmes, og kondenseres til væske.

25 Væsken bliver herefter ført tilbage til fordamperen E via ledningen 8 og en ekpansionsventi1 VI.

Som det fremgår er den totale til varmepumpen tilførte varmemængde summen af lavtemperatursvarmen, der udtages fra det om-30 givende fluidum ved fordamperen E og højtemperatursvarmen, der tilføres til dampgeneratoren G. Den producerede varme, som har en temperatur mellem fordamperens og generatorens temperatur, udgøres af den varme, der optages af det medium, som skal opvarmes i absorberen A og kondensatoren C.

Den udførelsesform for varmepumpen ifølge opfindelsen, som er vist skematisk i fig. 2 omfatter de samme komponenter, som 35

DK 164920 B

6 vist i fig. 1, og som i den viste rækkefølge er monteret på en aksel ved S med henblik på at rotere med denne. Til hinanden svarende dele har i fig. l og 2 samme henvisningstal og henvisningsbogstav. Som det fremgår er gennemstrømningsforløbet af 5 fluida gennem varmepumpen i hovedsagen den samme som i fig. 1 skønt delene på en roterende aksel er anbragt tættere ved siden af hinanden, hvilket gør det muligt at tilvejebringe en mere kompakt enhed, end det fremgår af fig. 1. Ledningen 9 i fig. 2 er den rute efter hvilken, den omgivende luft indføres 10 i fordamperen. Varm luft fra en passende brænder føres ind i dampgeneratoren ved hjælp af ledningen 10. Det medium, som skal opvarmes, og som strømmer gennem ledningen 2 og dernæst ledningen 7, absorberer varme i absorberen og dernæst i kondensatoren.

15

Opfindelsen skal yderligere illustreres ved hjælp af nogle efterfølgende eksempler.

EKSEMPLER

20

Arbejdsblandinger af den foreliggende type kan benyttes i en varmepumpe af den art, som er beskrevet i europæisk patentansøgning nr. 0.119.776A. Kapaciteten af en sådan varmepumpe ved brug af de nævnte arbejdsblandinger vil for forskellige drift-25 forhold blive beskrevet nedenfor.

Der er blevet benyttet to forskellige stofblandinger: blanding A - cæsiumhydroxid og kaliumhydroxid i vægtforholdet 6,5:1 og forskellige andele vand, 30 blanding B - cæsiumhydroxid, kaliumhydroxid og natriumhydroxid i vægtforholdet 38,6:35,2:26,2 med forskellige andele vand.

Ved en varmepumpe, der afgiver 8.788 w til cirkulerende varmt-vand, som strømmer ind i varmepumpen ved 63,9°C, og forlader 35 varmepumpen ved 72,7°C, kan det beregnes, at de inden i varmepumpen herskende forhold er som det fremgår i fig. 1 og fig.

2, når henholdsvis blanding A og blanding B benyttes som arbejds-blanding.

DK 164920B

7

De ledninger der henvises til i tabellerne er de samme, som er vist i fig. 2.

TABEL 1 - BLANDING A

5

Ledning fysisk mol-andel masse- - tempera- tryk tilstand arbejds- flowha- tur (°C) (Pa) fluidum stighed ____(g/sl_____ 10 1 damp 1,000 1,542 -3,180 481,8 3 væske 0,645 50,000 72,280 481,8 4 væske 0,645 50,000 194,300 38241,4 5 væske 0,608 48,458 203,830 38241,4 6 damp 1,000 1,542 203,830 38241,4 8 væske 1,000 1,542 74,770 38241,4 15 Når blandingen A benyttes kan det yderligere beregnes, at der af fluidaerne i dampgeneratoren absorberes 5.425 w og af ar-bejdsfluidumet i generatoren 3.363 w, at den til vandet overførte varme i absorberen er 4.825 w og i kondensatoren 3.963 20 • w, at den udvekslede varme i varmeveksleren er 14.509 w, og at varmepumpens kapacitetskoefficient (COP), der er defineret som C0P = Pumpens totale udgangsvarme_ den ved generatoren tilførte varme med høj temperatur 25 er lig med 1,62.

30 35

DK 164920 B

TABEL 2 - BLANDING B

8

Ledning fysisk mol-andel masse- tempera- tryk 5 tilstand arbejds- flowha- tur (°c) (Pa) fluidum stighed ----Lfl/sJ____ 1 damp 1,000 1,616 -3,180 481,8 3 væske 0,509 50,000 72,280 481,8 4 væske 0,509 50,000 172,100 38241,4 5 væske 0,470 48,384 182,130 38241,4 in 6 damp 1,000 1,616 182,130 38241,4 8 væske 1,000 1,616 74,770 38241,4 Når blanding B benyttes, kan det yderligere beregnes, at der af fluidaerne i dampgeneratoren absorberes 5.263 w og af ar- bejdsfluidumet i fordamperen 3.525 w, at der til vandet over- 15 føres 4.703 w i absorberen og 4.085 w i kondensatoren, at den udvekslede varme i varmeveksleren er 8.063 w og at kapacitetskoefficienten er 1,67.

Ved en pumpe, der leverer 5.152 w til cirkulerende varmtvand, 20 som strømmer ind i varmepumpen ved 40,6eC og forlader varmepumpen ved 45,8°C, kan det beregnes, at der inden i varmepumpen hersker forhold, som fremgår af tabel 3 og 4, når der benyttes henholdsvis blanding A og blanding B som arbejdsblan- di ng.

25 30 35

TABEL 3 - BLANDING A

DK 164920 B

9

Ledning fysisk mol-andel masse- tempera- tryk 5 tilstand arbejds- flowha- tur (eC) (Pa) fluidum stighed ______(ja/sj___ 1 damp 1,000 0,949 4,550 844,7 3 væske 0,731 48,792 50,650 844,7 4 væske 0,731 48,792 111,800 13732,9 5 væske 0,717 47,843 115,450 13732,9 6 damp 1,000 0,949 115,450 13732,9 a0 8 væske 1,000 1,716 52,110 13732,9

Ved benyttelsen af blanding A kan det yderligere beregnes, at der af fluidaerne i dampgeneratoren absorberes 2.976 w og af arbejdsfluidumet i fordamperen 2.176 w, at den til vandet overførte varme i absorberen er 2.781 w, og i kondensatoren er 2.371 w, at den i varmeveksleren udveksledé varme er 7.518 w og at kapacitetskoefficienten er 1,73.

2o TABEL 4 - BLANDING B

Ledning fysisk mol-andel masse- tempera- tryk tilstand arbejds- flowha- tur (0C) (Pa) fluidum stighed 25____(o/s)___ 1 damp 1,000 1,001 4,550 844,4 3 væske 0,695 50,000 50,650 844,4 4 væske 0,695 50,000 103,500 13688,8 5 væske 0,683 48,999 106,610 13688,8 6 damp 1,000 1,001 106,610 13688,8 8 væske 1,000 1,001 52,110 13688,8 30 ------

Ved benyttelsen af blanding B kan det yderligere beregnes, at der af fluidaerne i varmegeneratoren absorberes 2.856 w, og af arbejdsfluidumet i fordamperen 2.296 w, at den til vandet overførte varme er 2.485 w i absorberen og i kondensatoren 2.667 3 5 w, at den i varmevekelseren udvekslede varme er 5.716 w, og at kapacitetskoefficienten er 1,80.

10

DK 164920 B

Ved en varmepumpe, der leverer 10 kw til cirkulerende varmt-vand, som strømmer ind i varmepumpen ved 60°C og forlader varmepumpen ved 70°C kan det beregnes, at der inden i varmepumpen hersker forhold, som fremgår af tabel 5 og 6, når henholdsvis 5 blanding A og blanding B benyttes som arbejdsblanding.

TABEL 5 - BLANDING A

10 Ledning fysisk mol-andel masse- tempera- tryk tilstand arbejds- flowha- tur (°C) (Pa) fluidum stighed ____(9/s)___ 1 damp 1,000 1,716 -5,760 395,9 3 væske 0,620 52,123 79,490 395,9 4 væske 0,620 52,123 225,300 51918,0 15 5 væske 0,575 50,408 237,380 51918,0 6 damp 1,000 1,716 237,380 51918,0 8 væske 1,000 1,716 82,330 51918,0

Ved benyttelse af blanding A kan det yderligere beregnes, at der af fluidaerne i dampgeneratoren absorberes 6.322 w og af 2 0 arbejdsf1uidumet i fordamperen 3.678 w, at den til vandet overførte varme i absorberen er 5.533 w og i kondensatoren er 4.467 w, at der i varmeveksleren udveksles 17.829 w og at kapacitetskoefficienten er 1,58.

25 30 35

Claims (9)

1. Varmepumpe af absorptionscyklustypen, kendetegnet ved, at arbejdsblandingen, som forlader absorberen, på vægtbasis omfatter 15 til 85% cæsiumhydroxid, 5 til 45% kaliumhydroxid, 0 til 35% natriumhydroxid og 10 til 30% vand.

2. Varmepumpe ifølge krav 1, kendetegnet ved, at arbejdsblandingen er en vandig blanding af cæsium- og kaliumhydroxider, og som på vægtbasis indeholder 50 til 85% cæsiumhydro- 3 0 xid, 5 til 25% kaliumhydroxid og 10 til 35% vand.

3. Varmepumpe ifølge krav 2, kendetegnet ved, at arbejdsblandingen på vægtbasis indeholder 60 til 75% cæsiumhydroxid, 5 til 20% kaliumhydroxid og 15 til 30% vand. 35

4. Varmepumpe ifølge krav 3, kendetegnet ved, at arbejdsblandingen indeholder i hovedsagen 67 vægt% cæsiumhy- 12 DK 164920 B droxid, i hovedsagen 10 vægt% kaliumhydroxid og i hovedsagen 23 vægt% vand.

5. Varmepumpe ifølge krav 1, kendetegnet ved, at 5 arbejdsblandingen på vægtbasis indeholder 15 til 50¾ cæsiumhy droxid, 20 til 45% kaliumhydroxid, 10 til 35% natriumhydroxid og 10 til 35% vand.

6. Varmepumpe ifølge krav 5, kendetegnet ved, at 10 arbejdsblandingen på vægtbasis indeholder 25 til 40% cæsiumhy droxid, 25 til 40% kaliumhydroxid, 15 til 30% natriumhydroxid og 10 til 35% vand.

7. Varmepumpe ifølge krav 6, kendetegnet ved, at 15 arbejdsblandingen på vægtbasis indeholder 29 til 32% cæsiumhy droxid, 26 til 29% kaliumhydroxid, 19 til 22% natriumhydroxid og 17 til 26% vand.

8. Varmepumpe ifølge krav 7, kendetegnet ved, at 20 arbejdsblandingen på vægtbasis indeholder i hovedsagen 31% cæsiumhydroxid, i hovedsagen 28% kaliumhydroxid, i hovedsagen 21% natriumhydroxid og i hovedsagen 20% vand.

9. Varmepumpe ifølge krav 1, kendetegnet ved, at 25 den mindst omfatter en fordamper, en absorber, en dampgenerator og en kondensator, og at mindst en af disse dele udgøres af en eller flere drejelige plader, henover hvilken plades henholdsvis pladers tykkelse, henholdsvis tykkelser, varmeover-førslen finder sted. 30 i 35