NO852859L - Fremgangsmaate og innretning til utnyttelse av kondensvarme fra vanninnhold i roekgasser. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte til utvinning av kondensvarme fra vanninnhold i røkgasser fra et fjernvarmeanleggs kjeler, ved hvilken en dampdrevet varmepumpe benyttes til overføring av røkgassens varmeinnhold til fjernvarmeanleggets returvann før dette føres tilbake i kjelene.

De varmemengder som kan gjenvinnes fra røkgassen i form av kondensvarme er av størrelsesorden 5-6% av brennverdien av oljefyring og 12-13% av brennverdien ved fyring med metangass. Til denne varmemengde kommer varme-energien av den energimengde som tilføres varmepumpen. Denne energimengde avhenger først og fremst av varme-pumpens energifaktor, som ved en mekanisk drevet varmepumpe kan nå opp i verdier på mellom 3 og 4 ved de fore-kommende temperaturer og ved temperatursprang på mellom 20°C og 50°C. Ved større temperatursprang kan man på bekostning av en lavere energifaktor utnytte en større del av kondensvarmen i røkgassens vanninnhold og omvendt. Det er imidlertid alltid nødvendig fra varmepumpen å

råde over en avgangstemperatur som er minst 10°C høyere enn temperaturen på det returvann som skal oppvarmes.

Hvis varmepumpen drives ved hjelp av en utenfra tilført elektrisk energi, stiger varmetilførelsen til returvannet avhengig av returvannets temperatur med 30 til 50% av den gjenvundne varmemengde. Det vil si at det resulterende temperaturstigning i returvannet vil utgjøre opptil 18% av den totale temperaturstigning mellom returvannet og innløpsvannet i fjernvarmeanlegget. Da imidlertid elektrisk energi er vesentlig dyrere enn energi fra det brensel som benyttes i fjernvarmeanleggets kjeler, er detønskelig at drivenergien til varmepumpen kommer fra an-leggets kjeler, idet all spillvarme utnyttes tapsfritt. Dampenergien lar seg imidlertid ikke utnytte med samme energifaktor som elektrisk energi, hvorved varmetil- førselen til returvannet økes i forhold til den gjenvundne varmemengden. Da den økte varmetilførsel til returvannet nødvendiggjør høyere avleveringstemperatur for den konverterte varmen og dermed utløser større energibehov i varmepumpen, kan det ved slike anlegg frem-komme problemer med utnyttelse av kondensvarme.

Hensikten med oppfinnelsen er å minske disse problemene. Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved at fremgangsmåten erkarakterisert veddet i den kjennetegnende delen av krav 1 angitte.

I det temperaturområde hvor varmepumpefunksjonen skal foregå, supplerer kompressorvarmepumpetrinnet og damp-strålekompressortrinnet på overraskende gunstig måte hverandre, idet det største temperatursprang besørges ved hjelp av kompressorvarmen, mens det annet trinn, hvor temperaturspranget er mindre, besørges av den i etabler-ingsomkostninger gunstigere dampstrålekompressor. Da dampekspansjonsmaskinen kan drives som mottrykksmaskin, kan den mekaniske del av varmepumpen utformes kompakt. Ettersom begge trinn i varmepumpearrangementet utnyttes

i områder hvor de fungerer effektivt, oppnås det en god virkningsgrad, hvorved det kan påregnes en moderat energi-tilførsel fra den kondenserte drivdampen og en moderat avlevringstemperatur for den gjenvundne varmemengden.

Ifølge en spesiell utforming i henhold til oppfinnelsen utnyttes avløpsdampen fra første trinn i det minste delvis til drift av det andre trinn, hvorved en særskilt kondensator til første trinn kan elimineres.

I henhold til en foretrukket utførelsesform for oppfinnelsen er de to trinnene plassert parallelt, idet et varmebærende medium som opptar kondensvarmen i røk-gassen først føres gjennom annet varmepumpetrinns for damper, og returvannet først føres gjennom første varmepumpetrinns kondensator. Med dette arrangement unngås det at varmeenergi som er pumpet opp i det ene trinn, pumpes ytterligere opp i det annet trinn.

Ifølge oppfinnelsen er det hensiktsmessig at første trinn bringes til å arbeide i et større temperaturintervall, idet proporsjoneringen mellom de to trinn reguleres via varmevekslertemperaturen til annet trinns fordamper, på en slik måte at dampstrålekompressoren utnytter spilldampen fra første trinn. Det er derved mulig mellom de to trinn å oppnå den balanse, der noe mer enn halvdelen av temperaturintervallet bæres av første trinn, og hvor dampens energi utnyttes fullt ut.

Oppfinnelsen omfatter også en innretning til utøvelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Innretningen ved fjernvarmeanlegg til utvinning av kondensvarme fra vanninnhold i røkgasser fra fjernvarmeanleggets kjeler, hvor en dampdrevet varmepumpe overfører røkgassenes varmeinnhold til fjernvarmeanleggets returvann, før dette føres tilbake til kjelene, er ifølge oppfinnelsenkarakterisert vedat varmepumpen har to trinn, hvor første trinn omfatter et dampekspansjonstrinn som driver en kompressorvarmepumpe, og annet trinn en dampstrålekompressor, idet dampavgangen fra første trinn eventuelt er forbundet med innløpet til det andre trinnet.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere med henvisning til tegningen, som skjematisk viser et fjernvarmekjeleanlegg ved hvilket kondensvarmen i røkgassen blir utnyttet.

Det på tegningen skjematisk viste fjernvarmekjeleanlegg med et fra fjernvarmeanleggets kjeler dampdrevet røk-kjøleanlegg omfatter en vannoppvarmingskjeie 1, som er vist med en innebygget dampgenerator 2. Dampgeneratoren kan imidlertid også være atskilt fra vannoppvarmingskjelen og være forsynt med sitt eget fyrsted. Kjelen 1 avleverer oppvarmet innløpsvann til et forbrukerkrets-løp 3. Fra kjelen 1 leder et røkgassuttak 4 gjennom et ikke vist economiseranlegg, hvorved forbrenningsluften oppvarmes under tilsvarende avkjøling av røkgassene, til to eller flere røkgasscrubbere 5 og 6.

Den første scrubberen 5 mottar røkgass ved en temperatur på ca. 60°C og avleverer røkgassen til scrubberen 6 med en temperatur omkring røkgassens duggpunkt 40-45°C. Hver scrubber har et sirkulasjonskretsløp for scrubberoppløs-ning som kan være en vanndig oppløsning av ammonium-sulfit-bisulfit. Ved hjelp av en varmeveksler 7 avkjøler den utgående scrubberoppløsning fr.a scrubberen 6 den sirkulerende oppløsning i scrubberen 5. Den således ekstra oppvarmede scrubberoppløsningen fra scrubberen 6 føres deretter gjennom den til en annen varmepumpe 9 hørende fordamper 8 og deretter gjennom den til en første varmepumpe 10 hørende fordamper 11, før den ved hjelp av et dysearrangement 12 i avkjølt stand fordeles ut over scrubberens fylling med reaksjonslegemer 13. I scrubberne 5 og 6 møter den oppoverstigende røkgassen i motstrøm den nedovergående, avkjølte scrubbervæsken som ved scrubberens bunn vil være i tilnærmet likevekt om-krings dennes duggpunkt.

Den første varmepumpen 11 drives ved hjelp av en dampekspansjonsmaskin 14, f.eks. en stempeldampmaskin eller en turbin, som avleverer sin spilldamp til videre ekspansjon i en dampstrålekompressor 15 i den andre varmepumpe 9 eller til kondensering i en av returvannet kjølt kondensator 18.

Til kjøling av de to varmepumpenes 9,11 kondensatorer 16 og 17 ledes returvann fra fjernvarmenettet først gjennom kondensatoren 16 og deretter gjennom kondensatoren 17 til dampstrålepumpen 9 før det til sluttoppvarming ledes til vannoppvarmingskjelen. Der er muligheten for å be-nytte sirkulasjonsvannet som det varmeoverførende medium 1 dampstrålevarmepumpen 9, idet det derved samtidig kan skje en utlufting av eventuell luft som måtte være opp-løst i sirkulasjonsvannet. En slik utlufting kan medvirke til å redusere tæring i forbrukskretsløpets rørnett.

Ved hjelp av dampen som er fremstilt enten i en separat dampkjele eller ved hjelp av det i kjelens 1 innløps-kasse innebygde rørarrangement 2, skaffes det drivkraft til drift av varmepumpearrangementet. Drivdampen leveres ved ca. 15 bar og med en moderat overoppehting. Dampekspansjonsmaskinen 11 arbeider i trykkområdet 15 bar til 2 bar, og det anslås et forbruk på. 20 kg damp pr. produsert kw til kompressoren i den mekaniske varmepumpen. Den avleverte spilldamp ved 2 bar føres videre til dampstrålevarmepumpen 9.

Den mekaniske varmepumpen arbeider i temperaturområdet 20°C til 70°C med en energifaktor på 3,25, hvilket krever en damptilførsel på 5,33 kg pr. kg kondensvånn (dampfaktor y = 5,33).

Dampstrålevarmepumpen arbeider i temperaturområdet 35°C til 70°C og krever en dampfaktor på 7,22.

For å oppnå balanse i utnyttelsen av dampen skal 58%

av kondenskjølingen skje i den dampmaskindrevne varmepumpen, mens 42% av kondenskjølingen skal foregå i den dampstråledrevne varmepumpen. Det resulterende dampforbruk blir derved 3,1 kg damp pr. kg vanndamp konden-sert fra røkgassen. Den tilstrebede balansen oppnås ved en kondenstemperaturgrense i røkgassen på 38,5°C under forutsetning av at duggpunktet i den tilførte røkgassen

er 45°C. Ved utnyttelse av kondensvarmen i en røkgass med et duggpunkt på 60°C (ved forbrenning av metangass) skal kondenstemperaturgrensen flyttes vesentlig opp, hvilket gjør det mulig med dampstråleaggregatet å

arbeide i temperaturområdet 40°C - 70°C, hvorved damp-faktoren reduseres fra 7,22 til 4,64. Heretter oppnås det balanse i dampforbrukene når den dampmaskindrevne varmepumpe utfører 46,8% av kondenseringsarbeidet, idet 53% av kondenseringsarbeidet overlates til dampstråleaggregatet. Den kritiske kondenstemperaturgrense er 4 6°C, hvilket innebærer at dampstråleaggregatet med samme differenstemperatur kan arbeide med en bunn-temperatur på f.eks. 45°C og en avleveringstemperatur på 75°C. Systemets resulterende dampforbruk i forhold til kondensmengden kan derved reduseres til en dampfaktor på 2,5.

Beregnet eksempel 1

I et oljefyrt fjernvarmeanlegg er returvanntemperaturen 60°C og innløpstemperaturen 90°C motsvarende en oppvarming i kjeleanlegget på 30°C.

Ved en kondenstemperatur på 20°C kan det kondenseres

76% av den totale vannmengden i røkgassen eller 0,99 kg vann pr. 10.000 kcal (ca. 1 kg olje), og derved innvinnes i forhold til forbrenningsvarmen ytterligere 5,94% varme.

Med en dampfaktor på 3,1 motsvarer varmemengden, som tilføres returvannet 18,41% av brennstofforbrukets varmeekvivalent, og den samlede varmemengde som tilføres returvannet blir 24,35% av brennstofforbrukets varmeavgivelse. Den fra varmepumpeanlegget kommende del av den varmemengde som utgår fra fjernvarmeanlegget er 22,99% eller 6,9°C av den totale oppvarming på 30°C.

Beregnet eksempel 2

I et metangassfyrt fjernvarmeanlegg kan det med en 20°C kondenstemperatur kondenseres 88% av den totale vann-mengde, som med metanrøkgass er ca. dobbelt så stor som ved oljerøkgass, og som er 2,29 kg vann pr. 10.000 kcal. Herved innvinnes i forhold til forbrenningsvarmen ytterligere 13,74% varme.

Med en dampfaktor på 2,5 motsvarer mengden som fra den kondenserte damp tilføres returvannet 34,35% av brenn-stoff orbrukets varmeekvivalent, og den samlede varmemengde som tilføres returvannet blir 48,12% av brenn-stoffets varmeavgivelse. Den fra varmepumpen kommende del av varmemengden som utgår fra fjernvarmeanlegget er 42,28% av den totale varmemengde, motsvarende 12,7°C av den totale oppvarming på 30°C...Den største andelen av oppvarmingen av fjernvarmevannet medfører at temperaturen i varmepumpeanleggets varmekjeler vil stige til maksimalt 72,7°C, hvoretter det vil bli nødvendig at den del av varmepumpen (dampstråledelen), som arbeider ved de høyeste temperaturer, disponeres til en avgangstemperatur på ca. 75°C og en innløpstemperatur på 45°C.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte til utvinning av kondensvarme fra vann-innholdet i røkgasser fra-et fjernvarmeanleggs kjeler (1), ved hvilken en dampdrevet varmepumpe benyttes til overføring av røkgassens varmeinnhold til fjernvarmeanleggets returvann før dette føres tilbake i kjelene, karakterisert ved at varmepumpen (9,11) har to trinn, hvor avløpsdamp fra det første trinnet (11) utnyttes til drift av det andre trinnet (9), idet første trinn, som arbeider ved lavere temperatur enn det andre trinn, omfatter en av en dampekspansjonsmaskin (14) drevet kompressorvarmepumpe (10) og det andre trinnet en dampstrålekompressor (15).

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at avløpsdampen fra det første trinn i det minste delvis benyttes til drift av det andre trinn.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at de to trinnene er plassert parallelt, idet et varmebærende medium som opptar kondensvarmen i røkgassen først føres gjennom andre varmepumpetrinns fordamper, og returvannet først føres gjennom første varmepumpetrinns kondensator.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1,2 eller 3, karakterisert ved at første trinn bringes til å arbeide i et større temperaturintervall enn det andre trinnet, idet proporsjoneringen mellom de to trinn reguleres via varmevekslertemperaturen til andre trinns fordamper, på en slik måte at dampstrålekompressoren utnytter spilldampen fra første trinn.

5. Innretning ved fjernvarmeanlegg til utvinning av kondensvarme frav anninnhold i røkgasser fra fjernvarmean leggets kjeler, hvor en dampdrevet varmepumpe overfører røkgassenes varmeinnhold til fjernvarmeanleggets returvann, før dette føres tilbake i kjelene, karakterisert ved at varmepumpen har to trinn, hvor første trinn omfatter en dampekspansjonsmaskin (14) som driver en kompressorvarmepumpe (11), og et andre trinn en dampstrålekompressor (15), idet damputløpet fra første trinn er forbundet med innløpet til andre trinn.