NO773656L - Fremgangsmaate og anordning for gjenvinning av varme - Google Patents

Description

" ;: • ^Fremgangsmåte for gjenvinning av varme '

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for gjenvinning av varme fra kjølemidlet i et konvensjonelt kjøle- eller luftkondisjoneringssystem som omfatter en kompressor, en kondensator og en fordamper, hvor kjølemidlet ledes gjennom en varmeveksler anordnet mellom kompressoren og kondensatoren for over-føring av i hvert fall en del av varmen i kjølemidlet til et varmevekslingsmedium som strømmer gjennom varmeveksleren, idet kjølemiddel og varmevekslingsmedium strømmer gjennom separate strømningsbaner i motsatte retninger.

Det er kjent å anordne en varmeveksler som overfører varme fra kjølemidlet til et flytende overføringsmedium, som vann. En slik anordning er kjent fra US patentskrift 3.922.876. Ifølge nevnte patentskrift passerer kjølemiddelgassen gjennom

en side av en varmeveksler, som er anordnet oppstrøms av kondensatoren for å avgi varme til vann som strømmer intermitter-ende gjennom den andre side av varmeveksleren. Til styring av kondensasjonen i varmeveksleren omfatter anordningen en tempe-raturfølsom ventil, som stanser vannstrømningen når vannets innløpstemperatur synker til en verdi ved hvilken en utillate-lig andel av kjølemiddelgassen ville kondenseres. Når anordningen er koblet til et varmtvannssystem, vil anordningen således være ute av drift for vanninnløpstemperaturer under ca. 37 - 60°C-området, i hvilket de fleste handelsførte kjølemidler vil bli fullstendig kondensert. Derfor vil den konvensjonelle varmt-vannsbereder måtte gjenoppvarme vannet, inntil vanninnløpstem-peraturen er høy nok. Dette medfører forholdsvis lange gjen-vinningstider og liten besparelse som følge av varmegjenvinning, især i perioder med sterk etterspørsel etter varmt vann. Dertil kommer at hele den varme som er innholdt i kjølemidddelgassen går tapt i ventetiden på at vannets innløpstemperatur skal stige, hvilket reduserer anleggets effektivitet.

Andre kjente systemer omfatter en eller annen form for ekstra varmeveksler for overføring av varme fra kjølemidlet til et varmtvannssystem. US-patentskriftene 2.516.093, 2.751.761,

3.188.829, 3.301.002, 3.308.877, 3.366.166, 3.563.304, 3.916.638, og 3.926.008 viser typiske anordninger, som omfatter organer for oppvarming av vann ved varmeabsorbering fra kjølemidlet ved bruk av en ekstra varmeveksler på et sted oppstrøms for den konven-

sjonelle kondensator. Det fremgår imidlertid nokså klart at den ekstra varmeveksler, eller forhåndskjøler for kjølegassen, som den undertiden kalles, skal anbringes i et stort vannvolum i forhold til kjølemiddelvolumet som strømmer gjennom varmeveksleren på et gitt tidspunkt. På grunn av dette vil kjølemidlet, inntil vannet er oppvarmet betydelig over den vanlige temperatur i ledningsnettet på 1,6-12,7°C, ventelig kondenseres fullstendig til en mettet væske i foravkjøler-varmeveksleren, slik at den konvensjonelle kondensator må underkjøle det flytende kjølemid-del og kompressoren må sirkulere væske gjennom en større del av systemet.

I systemer hvor kompressorens strømningshastigheter, rørlengdene, den relative høyde av kompressor og kondensator, nærværet av lave punkter, elementer som reduserer strømnings-hastigheten, som bend o.l. i kjølemiddelledningen, systemets isolasjon, antallet ventiler og beslektede faktorer kan justeres ved installasjon av systemet, vil nærværet av slike store mengd-er flytende kjølemiddel oppstrøms av den konvensjonelle kondensator være akseptable. Men hvis det er ønsket å modifisere en eksisterende installasjon for at denne skal omfatte en ekstra varmeveksler for oppvarming av vann, kan systemets parametere i de fleste tilfeller Tkke lett eller med rimelighet forandres.

Ettersom det erønskelig å modifisere et eksisterende system så lite som mulig, når man anordner en ekstra varmeveksler for varmt vann, er mengden av flytende kjølemiddel i utløpet fra den ekstra varmeveksler av stor betydning. Overskudd av slik i væske kan gi ansamling av dannede [blaiTdinger^av" flytende kjøle-middel og smøreolje som vanligvis føres med kjølegassen ved lave punkter i kjølesystemets rørledninger som leder til den konvensjonelle kondensator, eller endog i selve den ekstra varmeveksler. Hvis slike ansamlinger blokkerer kjølesystemets ledninger, vil ledningene oppstrøms komme under for sterkt trykk, når kompressoren fortsetter å pumpe inn mer gass. Samtidig blir ledningen nedstrøms utarmet etter hvert som kompressoren pumper bort kjøle-middel. Systemets kjøleevne blir dermed dårligere inntil væske-ansamlingen begynner å bevege seg hurtig gjennom systemet under påvirkning av det høyere trykk oppstrøms. Denne bevegelse fortsetter med "rifleskudd"-hastighet inntil et annet lavt punkt er nådd, hvorpå prosessen gjentar seg. Skulle en slik ansamling nå frem til kompressoren eller en annen viktig komponent, kan det oppstå alvorlige skadevirkninger. Slike klumper har vist seg å kunne føre til ødeleggelse av rørledninger. En større væskean-samling som trer inn i den konvensjonelle kondensator kan først oversvømme dennes inntaksrom og deretter hele kondensatoren,

som således vil få dårlig effekt. Ifølge slike kjente forslag i forbindelse med kjøle- og luftkondisjoneringssystemer vil ekstra varmevekslere for oppvarming av f. eks. vann således ikke gi tilfredsstillende resultater ved modifisering av et allerede eksisterende system.

For unngåelse av slike problemer er fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kjennetegnet ved at varme overføres fra kjø-lemidlet til varmevekslingsmediet i varmeveksleren med en hastighet som er tilstrekkelig stor til at all overoppvarming av og også en del av den latente varme i kjølemidlet vil bli overført til varmevekslingsmediet når temperaturen for varmevekslingsmediet er under kondensasjonstemperaturen til.:kj;ø:lemidlet, ..at hastigheten for varmeoverføring begrenses til en øvre verdi, slik at..fore.den minimale ventede temperatur for varmevekslingsmediet som går inn i sin strømningsbane i varmeveksleren, vil kvaliteten for kjølemidlet som forlater sin strømningsbane i varmeveksleren ikke synke under ca. 0, 25.

En fordelaktig videreutførelse av oppfinnelsen er an-gitt i krav 2.

Oppfinnelsen er nærmere forklart ved hjelp av tegnin-gen, hvor: fig. 1 er et blokkskjema av et konvensjonelt, kjent kjøle- eller luftkondisjoneringssystem,

fig. 2 er et temperatur-entropidiagram som kvalita-tivt sammenligner et kjent system med oppfinnelsen,

fig. 3 er et blokkskjema av et kjøle- eller luftkondisjoneringssystem som utgjør et utførelseseksempel av foreliggende oppfinnelse,

fig. 4 gjengir et varmegjenvinningssystem ifølge oppfinnelsen, hvor frontplaten er fjernet, slik at man ser komponen-tene ifølge oppfinnelsen,

fig. 5 er et snitt etter linjen 5 - 5 på fig. 4,

fig. 6A er en skjematisk gjengivelse av en foretrukket

varmevekslerspiral til bruk i forbindelse med oppfinnelsen, og det er vist piler som illustrerer gass- og væske-bevegelsene gjennom anordningen.

Fig. 6B er et snitt etter linjen 6-6 i fig. 6A.

Fig. 7 er en skjematisk gjengivelse av et system for oppvarming av vann som et utførelseseksempel av to varmegjen-;vinningsmetoder ifølge oppfinnelsen inklusive anordning av lokale varmeanordninger for det dannede varmtvann. Fig. 8 er en tabell som viser typiske virkningsdata

for en utførelse av oppfinnelsen.

Fig.9A viser et diagram som angir den tid som kreves for

å øke temperaturen 55° ved en gitt mengde vann.

Fig. 9B viser et diagram som angir temperaturøkningen:<r>f>or

en gitt vannmengde i løpet av en time ved bruk av oppfinnelsen. Fig. 10 viser et diagram som angir den prosentvise reduksjon av kompressorkraft som funksjon av vanninnløpstemperaturen. Fig. 11 er et diagram som viser gjenvinning av varme som

en funksjon av vanninnløpstemperaturen.

I det følgende skal oppfinnelsen beskrives detaljert under henvisning til tegningene, hvor like henvisningstall er brukt for like elementer i figurene. Fig, 1 er et blokkskjema av et konvensjonelt kjøle-eller luft-kondisjoneringssystem. Mettet kjølemiddel med lavt trykk eller noe overopphetet kjølemiddel trekkes inn i en kompressor ved punkt 1 og forlater kompressoren ved punkt 2 i form av en overopphetet damp med høyt trykk og høy temperatur. Fra punkt 2 strømmer gassen gjennom en konvensjonell kondensator, der den kondeseres til en mettet eller undertiden noe underkjølt væske, som deretter vanligvis går til en mottager, skjønt, slike beholdere ikke inngår i alle systemer. Ved punkt 3 på nedstrøms siden av mottageren, passerer kjølevæsken gjennom en ekspansjonsventil og fra punkt 4 passerer den gjennom en fordamper der varme absorberes fra det sted eller det legeme som skal kjøles. Fig. 2 illustrerer virkningen av det kjente system. Ved punkt 1 er kjølemidlet således en noe overopphetet gass med lavt trykk. Ved punkt 2 eir kjølemidlet en overopphetet gass med høyt trykk og høy temperatur. Når kjølemiddelgassen passerer gjennom kondensatoren, fjernes overopphetningen og kondensasjons- varmen, slik at kjølemidlet"først omdannes til mettet damp og endelig til mettet væske ved punkt "3. Derfra skaper ekspan^sjonsanordningen en ikke-reversibel ekspansjon til punkt 4, hvorpå kjølemidlet fordampes ved i det vesentlige konstant temperatur og trykk i fordamperen og strømmer som mettet gass med lav temperatur til kompressorens inntak.

Fig. 3 viser et blokkskjema av et kjøle- eller luft-kondisjoneringssystem i likhet med det som er vist i fig. 1.

I dette tilfellet omfatter systemet en ekstra varmeveksler _

[som i~samsvar med oppfinnelsen- er ^anordnet me 1 Tom kompresso r^~. uttaket og innløpet til en konvensjonell kondensator. De forskjellige punkter i systemet er identifisert ved henvisnings-tallene som ble brukt i fig. 1. I fig. 2 ses den bedrede virk-ning av et system ifølge oppfinnelsen inntegnet med stiplet strek. Med utgangspunkt i punkt 2, blir kjølemidlet delvis kondensert i den ekstra varmeveksler j inntil det når punkt 3. Deretter overtar den konvensjonelle kondensator og fullfører kondensasjonen av kjølemidlet til en

mettet væske ogyvil i mange tilfelle ytterligere underkjøle væsken frem til punkt 3. Ekspansjonsventilen lar så kjølevæsken ekspandere til punkt 4 ved et trykk og en temperatur som er betydelig lavere enn det som oppnås i et konvensjonelt system.

Når kjølemidlet har passert gjennom fordamperen, vil det således nå inntaket 1 til kompressoren i form av en mettet damp snarere enn en overopphetet damp, som ved systemet i fig. 1. Fordi dampen blir mettet eller bare noe overopphetet i systemer ifølge oppfinnelsen, er dens volum pr. kilomasse betydelig lavere og dens temperatur lavere. Lavere temperatur og volum betyr at kompressoren må arbeide mindre for å bevege en gitt gassmasse. Den lavere temperatur betyr også at kompressoren vil gå ved lavere temperatur, forutsatt at det benyttes en konvensjonell, hermet-isk kompressor, hvor kjølemidlet kjøler kompressoren. Nettoresul-tatet av disse virkninger er at kompressoren driver mer effektivt, som nærmere omtalt i forbindelse med fig. 10.

Fig. 4 og 5 viser front- og sideriss av et varmtvanns-varmevekslersystem ifølge oppfinnelsen. Et metallplatehus 10 omslutter en koaksial, motstrøms varmeveksler 12 anordnet i et rom 14 som begrenses av en sentral vegg 16. Rommet 14 er isolert på alle innerflater med matter 18 av isolerende materiale, som en 12,7 mm tykk matte av glassfibermateriale med en tetthet på 1,3 kg. Varmeveksleren 12 er fortrinnsvis en sylindrisk spiral-anordning med rør anbragt i rør. En spiralholder 20 holder varmeveksleren 12 i rommet 14. Inntaks- og uttaksmuffer 22 og 24 er festet til endene av varmeveksleren 12 og forløper nedenfor midt-veggen 16 til et pumperom 26. Het kjølemiddelgass strømmer inn i huset 10 gjennom et forbindelsesstykke 28 som er forbundet med rørledningen fra utløpssiden av en luft-kondisjonerings- eller kjølekompressor, som nærmere omtalt nedenfor. Fra forbindelses-stykket 28 strømmer gass gjennom rørledningen 30, muffer 22 og inn i varmevekslerens 12 mantelpa-rti. I den andre enden av varmeveksleren 12 strømmer det kjøligere kjølemiddel ut gjennom muffen 24, gjennom ledningen 32 og gjennom et forbindelsesstykke 34 forbundet med ledningen til den konvensjonelle kondensator for et luft-kondisjonerings- eller kjølesystem.

Vann til kjøling av. kjølemiddelgassen strømmer inn i huset 10 gjennom ledningen 36, som er forbundet med et lagringssystem for varmt vann e.l., som nærmere omtalt nedenfor. En plasthylse 38 omslutter røret 36 der den passerer gjennom husets 10 vegg. En temperaturbryter 40 er innstilt for å bryte en strøm-krets ved en temperatur på ca. 82°C eller en annen egnet vann-temperatur, som måtte ønskes for en spesiell anvendelse. Temperaturen velges for å hindre for høye temperaturer i varmtvannsystem-et f.eks. i varmtvannsbeholderen, og for å gi en sikkerhetsmargin. Hvis varmevekslermidlet er vann, foretrekkes en innstilling på

82°C. Ledningen 36 er ved hjelp av en fitting 42 forbundet med sugeinntaket til en pumpe 44 med magnetisk kobling, slik at varmevekslefmediet ikke forurenses av pumpen. Pumpen 44 drives av en elektrisk motor 46, som vist i fig. 5, som bare drives når kompressoren er i drift og bryteren 40 sluttet. Pumpens 44 utløp har en kapasitet som typisk i området ca. 4,5 - 11,3 1/mih... avhengig av forventede trykkfall i systemet, er via en fitting 4 8 og et

kort rør 50 forbundet med muffen 24. Vann strømmer således gjennom muffen 24, det sentrale rørparti av varmeveksleren 12, muffen 2 2 og til ledningen 54, som forløper ut av huset 10 gjennom hylsen 5 4 og er forbundet med et lagringssystem for varmt vann.e.l.

Ved bruk er huset 10 lukket med et metalldeksel, som ikke er vist i fig. 4 og 5. Den del av dekslet som lukket rommet 14, er isolert som tidligere omtalt, for å redusere varmetap fra rommet 14 til et minimum. Som følge av de isolerende matter

18 holdes temperaturen i pumperommet 26 godt under temperaturen i rommet 14. Dette er nødvendig for'at temperatur-bryteren 40

skal hindres i å bryte som følge av høy omgivelsestemperatur i pumperommet 26, hvilket kunne føre til for tidlig stans i vann-strømmen og derav følgende tap av varmen i kjølemiddelgassen. Pumpemotoren 46 beskyttes dessuten fra drift i uønsket varme om-givelser. For at en egnet temperatur i pumperommet 26 skal sikres, er det også anordnet lufteplugger 55, 56 og 58 som tillater kon-veks jonsluftstrømning gjennom rommet og dermed bidrar til å holde temperaturen på et ønsket nivå.

Fig. 6A viser skjematisk et partielt snitt av innløpet

for het kjølemiddelgass/utløpet for varmt vann for en varmeveksler 12 av en foretrukket type. Muffen 22 er tett forbundet med en ytre, sylindrisk stålmantel 60, gjennom hvilken kjølemiddelgass strømmer, og med et indre rør 62 av bløt kopper, gjennom hvilket vann eller et annet varmevekslermedium strømmer, fortrinnsvis i motstrøm. Rørets 62 vegg har spiralform som også vist i fig. 6B, slik at det varme kjølemiddel og det kaldere vannet gis en slags motsatt rettet rotasjonsbevegelse, og det derved oppnås et bed-

ret varmeoverføringsareal og dannes en ønsket turbulent strømning i røret 62. Varmevekslere med andre former for innvendig geometri kan også benyttes innenfor rammen av foreliggende oppfinnelse.

De relative størrelser av varmevekslerens 12 komponenter bestemmes ifølge foreliggende oppfinnelse. Ettersom hele varme-vekslersystemet som er innelukket i huset 10, er spesielt tilpasset for installasjon i forbindelse med allerede eksisterende luft-kondisjonerings- og kjølesystemer, som omfatter en kondensator for kjølemiddelgass og en mottaker konstruert for å ta seg av varmeavgivningen og lagring av det flytende kjølemiddel i systemet, er det avgjørende for optimal driftseffekt at tilkobl-ingen av varmeveksleren for å fjerne varme som ellers går tapt, ikke reduserer systemets luftkondisjonerings- eller kjøleevne.

Den konvensjonelle kondensator i kjente luft-kondisjonerings-

og kjølesystemer er konstruert for forholdsvis stor strømnings-hastighet. Derved reduseres dannelse av kondensatansamlinger som kunne blokkere kjølmiddelgasstrømningen til et minimum, ettersom kondensatdråper hurtig føres over til systemets mottaker, som er anordnet like nedstrøms for kondensatoren, der en beholder er i bruk. Kompressorens strømningskapasitet er i slike

systemer forholdsvis godt tilpasset den til ventede strømnings-motstand i kondensatoren, ekspansjonsanordningen og fordamperen, slik at tilføyelsen av en betydelig strømningsmotstand i systemet er høyst uønsket. Nærvær av ansamlinger av kondensert kjøle-middel i ledningen til kondensatoren ville for eksempel bety en ekstra belastning på kompressoren, idet den tyngre væske ville være vanskeligere å bevege gjennom systemet. Ansamlingene ville også sette systemets pålitelighet i fare. Hvis slike ansamlinger skulle samles på lave steder oppstrøms av kondensatoren, kunne det oppstå en fullstendig strømningsblokkering, mens kompressoren bygger opp trykket oppstrøms av ansamlingen. Nedstrøms av en slik ansamling ville kondensatoren og fordamperen pumpes tomme med medfølgende tap av kjøleevne. Endelig kan den situa-sjon oppstå at ansamlingen skytes hurtig gjennom systemet,

hvilket kan føre alvorlige skader med seg.

Ettersom kjølemiddelgassens temperatur er på høyeste

nivå mellom kompressoren og kondensatoren i et foreliggende system, er det ønskelig å fjerne overskytende varme på dette sted. For et kjølemiddel som strømmer med en strømningsmasse-verdi M, kan den varmemengde Q, som er tilgjengelig for gjenvinning defineres ved følgende forhold:

hvor h^ er varmeinnholdet i kjølemiddelgassen som trer inn i det innelukkede strømningsvolum som er begrenset mellom mantel-e ' ■'

en 60 og røret 62, h er varmeinnholdet i kjølemiddelgassen som forlater nevnte strømningsvolum, X er forholdet dampmasse/ væskemasse pluss dampmasse av kjølemidlet som forlater nevnte strømningsvolum, hf^ er forskjellen i varmeinnhold mellom mettet

væske og mettet damp som forlater strømningsvolumet. Søkeren har funnet at når X ligger i området 0,25 til[~T~, 0 0 ;>ved utløpet av varmevekslerens kjølemiddel-strømningsvolum, vil gassen som er igjen i systemet ha tilstrekkelig hastighet til å bevege det flytende kjølemiddel og små oljedråper gjennom systemet uten synlig dannelse av uønskede ansamlinger som nevnt. Under forbi-gående igangsettingsperioder, når vannets innløpstemperatur er meget lav, kan X bli så lav som 0,04 uten alvorlige bivirkninger, men kontinuerlig drift under slike forhold er ikke ønskelig. En annen måte å se denne aspekt av oppfinnelsen på er å betrakte

strømningsarealet som gjenstår for gass, når væskedråper eller små ansamlinger begynner å dannes i~ kj ølemiddelledningene. Søker-en har funnet at så lenge gasstrømningens areal er ca. 1/4 til 1/3 av det totale areal, vil en passende gasstrømning oppnås for å hindre eller sterkt redusere dannelse av ansamlinger som nevnt.

Den varmemengde som kan gjenvinnes fra kjølemidlet uten at kjølemidlets kvalitet synker under 0,25 ved varmevekslerens ut-løp bestemmes av varmeabsorpsjonsevnen av vannet eller varme-vekslermediet som strømmer i røret 62. Varmen Q2som kan trekkes ut av vannet eller et annet medium kan defineres ved følgende forhold:

hvor he ^ er varmeinnholdet i vannet ved utløpet og h^ i er.varmeinnholdet i vannet ved inntaket til varmeveksleren. Varmemengden C>2 som overføres til vannet er åpenbart maksimal, når vannets innløpstemperatur er minimal. Hvis kjølemidlets kvalitet ikke skal synke under 0,25 (bortsett fra i kortvarige perioder under igangsetting) , må ve(^ maksimal verdi begrenses til en verdi som sikrer at X forblir 0,25 eller høyere under forhold med minimal vanninntakstemperatur.

Varmen som overføres gjennom rørets 6 2 vegg fra kjøle-midlet til vannet kan defineres som:

hvor U er den generelle varmeoverføringskoeffisient for røret 62, A er rørets 6 2 overflateareal og At er en gjennomsnitts temperaturdifferanse gjennom rørvegger som adskiller kjølemidlet fra vannet. Ved å velge varmeveksler-størrelser i overensstemmelse med de ovennevnte forhold ifølge oppfinnelsen, kan anordningen ifølge oppfinnelsen lett føyes til foreliggende kjøle- og luftkondisjoneringssystemer uten at det fremkalles for sterk kondensasjon som nevnt. Oppfinnelsen stipulerer således at varmeover-føringskoeffisienten U av rørveggen som adskiller kjølemidlet fra vannet (selvsagt i avhengighet av det benyttede materialets egen-art, overflatekarakteristikk og hastigheten av strømningen på de motstående sider), varmeoverføringsarealet A av rørveggen, den middels temperaturdifferanse At og strømningsmasseverdien M2 av vannet i varmeveksleren skal samvirke for at kvaliteten av kjøle-midlet som forlater varmeveksleren ikke er under 0,25 for de gitte systemparametere for kjølesystemet. Oppfinnelsen kan selv-

sagt også inngå i nye systemer.

Oppfinnelsen kan gjennomføres med et totalt strømnings-tverrsnitt i mantelen 60 som er likt strømningsarealet av ledningen. 30 fra kjølemiddelkompressoren, men det har vist seg at merkbare fordeler oppnås ved å øke strømningsarealet i mantelen 60 i forhold til ledningen 30. Denne økning av strømningsareal fører til et fall av kjølemiddelhastigheten, mens denne strømmer gjennom varmeveksleren 12. Volumøkningen i mantelen 60 og det led-sagende hastighetsfall fremkaller enkelte motstridende virkninger. Oppholdstiden av hvert kjølemiddelvolum i varmeveksleren 12 økes f.eks., hvilket betyr økt varmeoverføring til røret 62. Den totale masse i mantelen 60 og den totale, tilgjengelige varme for overføring uten total kondensasjon økes. På den annen side avtar varmeoverføringskoeffisienten gjennom røret 62 med avtagende hastighet, hvilket medfører redusert varmeoverføring gjennom røret 62. Ifølge oppfinnelsen reguleres kjølemidlets hastighet gjennom mantelen 60 ved valg av et mantelstrømningsareal som er høyt nok til å bedre varmeoverføringen til vannet eller et annet medium i røret 62 uten reduksjon av kjølemidlets temperatur til nivåer som medfører nærvær av for meget væske. I praksis kan mantelens 60 strømningstverrsnitt være opp til 4 eller 5 ganger større enn strømningstverrsnittet i ledningen 30 eller større, avhengig av kompressorydelsen. Hvis varmeveksleren 12 skal brukes med alle kompressorer innenfor et kapasitetsspektrum på ca. 5-10 tonn, må mantelens strømningstverrsnitt dimensjoneres for optimal drift med en 7,5 tonns enhet. Hvis strømningstverrsnittet var dimensjonert for 10 tonns enheten, ville 5 tonns enheten sannsyn-ligvis kondensere kjølemidlet i mantelen 60 som følge av meget lav hastighet, og lav mengde av kjølemiddelgass i varmeveksler-mantelen,

Ytterligere fordeler oppnås, ifølge oppfinnelsen ved stålsandblåsing eller stålsandhamring av rørets 62 ytterflate, som antydet yed 64 i. fig. 6A og 6B. Denne overflatebehandling øker kopperrørets varmeoverføringsareal med så meget som 20%, og øker derved varmevekslerens varmeoverføringsevne betydelig. Konvensjonell stålsandblåsing kan utføres før mantelen 6 0 og røret 62 monteres. Det har f.eks. vist seg at stålsand med en diameter på o 1,016 mm 1,778 mm blåo st med ca. 12,3 kg/cm 2 ved bruk av konvensjonelt stålsandblåseutstyr virker effektivt. Varmeoverføring-

en bedres også ved at det tas ut spor 66 i rørets 62 innervegg

på de steder med liten diameter som er antydet overfor fordypning-ene som dannes mellom de spiralformede utbuktninger på rørets 62 ytterflate.

Basert på faktisk driftserfaring med varmevekslere ifølge oppfinnelsen, kan varme effektivt fjernes fra systemer med kompressorer med en kapasitet på 1-100 tonn, drevet med konvensjonelle kjølemidler som R-22. Strømningsmasseverdien M, er i slike tilfelle vanligvis i et område på 1,264 kg - 127 kg/min. gjennom et mantelareal på"2,19 cm 2 - 24,974 cm 2. Vannstrømninger på ca. 3,7 1 - 113,5 1 kan opptas ved vannrørstrømningsarealer på 0,9 35 cm 2 5 cm 2hvis man forutsetter et varmeoverføringsareal på

510,95 cm<2>- 2,55 m<2>.

Fig, 7 er et .skjematisk diagram av en anvendelse av den

ekstra varmeveksler [T "samsvar" med pppfTnnelsenT I En foreliggende luftkondisjonerings- eller kjølekompressor 68 sender ut kjøle-middel med høy temperatur og under høyt trykk forbi en varme-trykk-kontrollanordning 70, hvorpå strømmen av kjølemiddelgass deles for strømning gjennom ledningen 30 til et par parallelle varmevekslere ifølge foreliggende oppfinnelse, som er anordnet i hus 10. Etter at varmen er gjenvunnet fra kjølemiddelgassen, forlater denne husene 10 gjennom ledningen 32, føres sammen og strømmer til en foreliggende, luft-kondisjonerings- eller kjølekondensatorspiral 72 hvoretter den strømmer til den ikke viste fordamperspiralen.

På vannsiden av systemet er det anordnet en lagringsbeholder 74 som avgir vann via en kran 76, gjennom en portventil 78 til en hjelpepumpe 80, som pumper vannet (eller et annet medium hvis det er ønsket) gjennom parallelle portventiler 82 og 84 til yanninntaksledningen 36. Etter strømning gjennom varmevekslerne s„om er anordnet i husene, forlater vannet disse gjennom ledningen 52 og passerer lufteventiler 86 og 88, portventiler 90 og 92, luftyentilen 94 og portventilen 96, før det strømmer tilbake til lagringsbeho^deren 74. Oppfinnelsen kan selvsagt benyttes i systemer som ikke omfatter en lagringsbeholder. Et hjelpesystem som omfatter en pumpe 98, portventil 100 et forbrukssted 10 2 og en port-yenti.l tjener til å sirkulere, oppvarmet vann fra lagringsbeholderen 74 til et sted h<y>or vannet, skal brukes. Forbruksstedet i^2 kan vasre en. vapcmeanordning anord.net i et værelse som skal varmes opp, en. spiral anordnet i en luftforsyningskanal, en fotlist-yarmeveks- ler, en varmtvannspumpe, en radiator, et strålevarmeelement e.l.

Tallrike utførelseseksempler av oppfinnelsen er blitt omhyggelig utprøvet for bestemmelse av deres spesifikke adferds-karakteristikker. Fig. 8 viser en tabell over forskjellige test-data, som fremkom ved en test av et kjølesystem som omfattet en ekstra varmeveksler ifølge oppfinnelsen. Den ekstra varmeveksler som ble brukt under utprøvingen, var dimensjonert til bruk i kjøle og luft-kondisjoneringsanlegg med en kapasitet på 5-10 tonn. Prøven ble utført ved en ekvivalent utetemperatur eller omgivelsestemperatur på 35°C tørr-termometer. Ytterligere prøver ved omgivelsestemperaturer på 29-37°C ble utført med lignende resultater. Temperaturen 35°C tørr-termometer svarer til den temperatur som benyttes for vurdering av kjøle- og luft-kondisjon-eringsutstyr i. USA under gjeldende ARI standard. Bl.a. viser de data som er gjengitt i fig. 8, at varmeveksleren ifølge oppfinnelsen er i stand til å varme vann med en innløpstemperatur i nær-heten av 17°C til en. ut løps temperatur på 4 8°C i løpet av meget kort tid, d.y.s. i en gjennomstrømningsomgang. Varmeveksleren gjenvant dessuten et maksimum på 71,2% av den varme som ellers ville ha gått ut i atmosfæren til ingen nytte under første omgangs drift. Under disse prøver ble vannet kontinuerlig resirkulert gjennom en beholder, slik at etterhvert som dets temperatur steg under prøven, avtok, andelen av gjenvunnet varme, som vist i fig. 8, når vannets innløpstemperatur nærmet seg grensen på 82°C.

Fig. 9A viser den tid som trengs for en virkelig produk-sjonsmodell a<y>oppfinnelsen for å heve temperaturen av en gittVannmengde med ca, 37°C. Ved bruk av et 7,5 tonns kompressor-system ble 151,4 1 vann varmet opp ca. 55° i løpet av ca. en time uten, ekstra oppvarming. Ved bruk av en konvensjonell varmtvanns-bereder er det. ofte unødvendig å la varmespiralene eller gassen Være på, når oppfinnelsen er i bruk. Men gjenvinningstiden vil bli enda kortere, hvis både den konvensjonelle varmtvannskilde og oppfinnelsen benyttes, Flg. 9B viser et lignende diagram, som angir temperaturendringen av en gitt vannmengde i løpet av en time for forskjellige kompressorstørrelser.

Andelen av energireduksjon ved kompressoren er vist som funksjon a<y>innløpsvanntemperaturen i fig. 10. Når systemet drives, med en vann i nn løps, temper at ur i lavere områder, vil kjøle- midlet som passerer gjennom varmtvannsvarmeveksleren ifølge oppfinnelsen kjøles mer enn ved^.høyere vanninnløpstemperaturer. Følgelig er innløpstemperaturen til kompressoren lavere, hvilket reduserer kompressorens energibehov og slitasje, som tidligere nevnt. Men selv ved de høyere vanninnløpstemperaturer reduseres kompressorens energibehov.

Fig. 11 viser et diagram av avhengigheten av andelen av gjenvunnet varme av vannets innløpstemperatur til varmeveksleren. Skjønt de data som gjengis på fig. 11 ble oppnådd i luftkondisjonerings- og kjølesystemer med liten kapasitet, er trenden klar i retning av en reduksjon av prosenten av gjenvunnet varme, når vannets innløpstemperatur stiger. Ved en gitt størrelse av varmeveksleren vil systemets effektivitet selvsagt synke, når kapasiteten av luftkondisjonerings- eller kjølesyste-met øker.

Claims (2)

1. Fremgangsmåte for gjenvinning av varme fra kjøle-midlet i et konvensjonelt kjøle- eller luftkondisjoneringssystem som omfatter en kompressor, en kondensator og en fordamper, hvor kjølemidlet ledes gjennom en varmeveksler anordnet mellom kompressoren og kondensatoren for overføring av i hvert fall en del av varmen i kjølemidlet til et varmevekslingsmedium som strømmer gjennom varmeveksleren, idet kjølemiddel og varmevekslingsmedium strømmer gjennom separate strømningsbaner i varmeveksleren i motsatte retninger, karakterisert v..e d at varme overføres fra kjølemidlet til varmevekslingsmediet i varmeveksleren med en hastighet som er tilstrekkelig stor til at all overoppvarming av og også en del av den latente varme i kjølemidlet vil bli overført til varmevekslingsmediet når temperaturen for varmevekslingsmediet er under kondensa-sjons temperaturen til kjølemidlet, at hastigheten for varme-overf øring begrenses til en øvre verdi, slik at for den minimale ventede temperatur for varmevekslingsmediet som går inn i sin strømningsbane i varmeveksleren vil kvaliteten for kjølemidlet som forlater sin strømningsbane i varmeveksleren ikke synke under ca. 0.25.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor den skillevegg som adskiller kjølemidlets og varmevekslingsmediets strømningsbaner har en flate A og en varmeoverføringskoeffisient^ Uxog hvor varmevekslingsmediet sirkuleres i sin strømningsbane med en strømningsmasseverdi M2 og en fastsatt hastighet, og hvor kjøle-midlet når det forlater kompressoren har en varmemengde Q1 tilgjengelig for gjenvinning, definert ved Q = M-, [h <1> - he + (l-X)ht ], hvor M, er strømningsmass.everdien X Cf ig ^ J_ av kjølemidlet i systemet, h er varmeinnholdet i kjølemiddel-gassen som forlater kompressoren, h er varmeinnholdet i kjøle-middelgassen som forlater varmeveksleren, X er kjølemidlets kvalitet når det forlater varmeveksleren og h^ er forskjellen i varmeinnhold mellom mettet, flytende kjølemiddel og mettet kjølemiddeldamp som forlater varmeveksleren, karakterisert ved' at flatearealet A og varmeoverføringskoeffisi-enten U for nevnte skillevegg i varmeveksleren velges slik at strømningsmasseverdien M2 og hastigheten av varmevekslingsmediet gjennom den andre strømningsbane reguleres slik at varme Som overføres til nevnte medium, når innløpstemperaturen av varmevekslingsmediet er på en forventet minimumsverdi, har et slikt proporsjonalitetsforhold til den varmemengde Q, som er tilgjengelig for gjenvinning at kvaliteten X av kjølemidlet som forla'- . ter første strømningsbane for varmeveksleren ikke synker under nevnte ca. 0,25.