SE528862C2 - Värmeväxlaranordning - Google Patents

Description

temperatur som finns tillgänglig är begränsad av den temperatur, till vilken värmepumpen klarar av att värma primärvattnet, finns det en begränsning av den temperatur till vilken sekundärvattnet kan uppvärmas.

Den idag vanligen använda metoden för varmvattenproduktion går ut på att en dubbelmantlad vattentank används, där förbrukningsvattnet finns i den inre behållaren och uppvärms genom behållarväggen av hetvatten i dubbelmantelutrymmet.

Ett problem med denna typ av vattenuppvärmning är att värmepumpar med hög uteffekt, t.ex. över 6 kW, vid uppvärmning av varmvattnet tenderar att, särskilt vid sommardrift, slå av och på ett flertal gånger under uppvärmning, laddning, av varmvattnet, vilket leder till en dålig nyttjandegrad av värmepumpen.

Uppfinningens ändamål och viktigaste kännetecken Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett system som löser ovanstående problem.

Detta syfte uppnås genom ett system såsom definierat i patentkrav 1.

Systemet innefattar en värmeväxlaranordning som inkluderar en vattentank med ett inlopp för tillförsel av vatten som skall uppvärmas och ett utlopp för utsläpp av uppvärmt vatten.

Värmeväxlaranordningen innefattar vidare en rörslinga anordnad inuti nämnda vattentank, varvid nämnda rörslinga sträcker sig genom väsentligen hela vattentankens vattenbärande höjd, varvid nämnda rörslinga vidare i sin övre ände innefattar ett inlopp för mottagning av hetvatten, och ett utlopp för utsläpp av nämnda hetvatten efter passage genom slingan, varvid slingan är framställd av ett material som medger att värme från hetvattnet avges till vatten i tanken vid hetvattnets 73l50d.doc; 11/10/06 passage genom slingan. Rörslingans utlopp kan vara anordnat i rörslingans nedre ände.

Detta har fördelen att genom att leda hetvattnet genom rörslingan istället för en dubbelmantel kan en värmeavgivande yta som är betydligt större än mantelytan erhållas, vilket ökar värmeväxlarens värmeöverföringsförmåga och därmed möjliggör att mer värme kan avges till vattnet i tanken.

Vidare har lösningen med rörslingan fördelen att en betydligt högre hastighet på hetvattnet kan erhållas jämfört med vad som är möjligt vid dubbelmantellösningen, vilket ytterligare ökar värmeöverföringen. Dessutom möjliggör lösningen enligt föreliggande uppfinning att den värmeöverförande ytan kan placeras mera fritt än vid dubbelmantelmetoden, vilket har fördelen att en större temperaturgradient kan erhållas i tanken.

Rörslingans stigning kan vara jämt fördelad över dess längd alternativt variera över dess längd. T.ex. kan stigningen vara lägre i toppen och botten jämfört med i mitten. Detta har fördelen att den värmeavgivande ytan kan anpassas för att erhålla bästa möjliga temperaturskiktning i tanken.

Hetvattnet kan cirkuleras genom rörslingan med hjälp av en cirkulationspump. Cirkulationspumpen kan vidare styras kontinuerligt eller mot fördefinierade start- och stoppvillkor. T.ex. kan cirkulationspumpen styras på så sätt att cirkulationspumpen slås på vid ett första köldmediumkondenseringstryck och slås av vid ett andra köldmediumkondenseringstryck som är lägre än det första köldmediumkondenseringstrycket. Alternativt kan cirkulationspumpen styras på så sätt att köldmediumkondenseringstrycket hålls vid ett förutbestämt värde. Detta har fördelen att värmeväxlaranordningens förmåga att värma vatten kan varieras utifrån olika behov, Exempelvis 73l50d.döc; 11/10/06 LH í J' h _ \.p^\d C 3 <ÃÉW FO kan en ostyrd cirkulationspump medföra att en lite mindre volym färdigblandat varmvatten kan tas ut ur en fullvärmd vattentank, men där varmvattentillverkningen skett till en lägre kostnad då värmepumpens verkningsgrad varit hög, medan styrning av cirkulationspumpen mot en viss arbetspunkt kan möjliggöra en högre temperatur i vattentanken, vilket i sin tur medför att en storförbrukare kan få ut en större mängd färdigblandat varmvatten (färdigblandat varmvatten utgörs av den totala volymen av varmvattnet i tanken och volymen av det kallvatten som varmvattnet blandats med) men till en högre kostnad p.g.a. lägre verkningsgrad.

Värmeväxlaranordningen kan vidare innefatta en dubbelmantling vars utrymme kan användas som ackumulatortank för t.ex. avfrostningsvatten. Detta har fördelen att om värmepumpen använder uteluft som värmekälla utrymmet i dubbelmanteln kan användas som avfrostningstank för avfrostning av en luftvärmeväxlare vid behov eller vid regelbundna intervaller.

Värmeväxlaranordning kan vidare vara försedd med slingstöd för att hålla rörslingan på plats. Detta har fördelen att rörslingan kan monteras i tanken i fabrik och sedan transporteras till en installationsplats utan att riskera att slingan säckar ihop och skadas, vilket annars skulle kunna vara fallet om rörslingan t.ex. är tillverkad av koppar. En ytterligare fördel är att rörslingan enkelt kan positioneras på ett optimalt sätt i tanken både vad avser placering relativt tankväggen och placeringen av de enskilda slingvarven.

Kort beskrivning av ritningarna I figur la och lb visas allmänt en värmepump.

I figur 2 visas en föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning. 73l50d.doC; 11/10/06 LH Få C: CG 3. 3 I figur 3a och 3b visas en lösning för att hålla rörslingan på plats.

Detaljerad beskrivning av föredragna utföringsformer I fig. 1 visas en värmepump 10 som är installerad i en fastighet såsom en villa. Värmepumpen 10 är försedd med en reglerdator 12, vilken styr och övervakar diverse funktioner i värmepumpen. Exempel på sådana funktioner kan vara inställning och/eller övervakning av arbetstemperaturer för värmepumpens kompressor, inomhus- och utomhustemperaturer, inställning av värmekurva, styrning av rumstemperatur beroende på tid på dygnet eller vid semesterfrànvaro etc. En användare kan kommunicera med reglerdatorn 12 via på värmepumpen 10 anordnad display 28 och knappsats 29. Värmepumpen 10 innefattar vidare en värmepumpskrets 20 och en vattentank 11 med ett inlopp 13 i tankens underdel för tillförsel av vatten som skall uppvärmas och ett utlopp 14 i tankens övre del för utsläpp av uppvärmt vatten.

Värmepumpskretsen 20 innefattar cirkulerande köldmedium där flytande köldmedium 20 tar upp värme från värmekälla såsom en bergvärmeslinga 22 med en temperatur av ca. -5° - +5° och förångas i en föràngare. Förångningstemperaturen kan t.ex. vara -3°. Det gasformiga köldmediumet komprimeras sedan med hjälp av en kompressor 23 till ett högre tryck, vilket p.g.a. gasens mindre volym medför att gasens temperatur höjs. Den komprimerade, varma gasen avger sedan sin värme via en kondenserare 24 och en underkylare 25 sin värme till det s.k. primärvattnet, radiatorvattnet 26. Underkylaren medför att ytterligare värme kan utvinnas och ger således en mer ekonomisk värmepump. Via en expansionsventil 27 sänks sedan det nu flytande köldmediumets tryck kraftigt, varvid köldmediumets temperatur sjunker hastigt, varefter köldmediumet på nytt upptar värme från bergvärmeslingan 22. 73l50d.doC; 11/10/06 Värmeslingan kan även uppta sin värme från jord, luft och/eller vatten.

Primärvattnet används sedan omväxlande för att värma tappvarmvatten eller fastighetens radiator- och/eller golvvärmesystem. Värmepumpens verkningsgrad styrs av köldmediumets temperatur när det när kondenseraren, ju lägre temperatur, dvs. ju lägre tryck, desto högre verkningsgrad.

Vid uppvärmning av primärvattnet till t.ex. 35° med en 10kW värmepump kan värmepumpens s.k. effektivitetsfaktor (coefficient of performance, COP), dvs. förhållandet mellan avgiven effekt och tillförd effekt, vara 4,4, vid 50° kan den vara 3,3 och vid 60° kan den vara 2,7.

Värmepumpen kan således inte uppvärma primärvattnet till hur hög temperatur som helst, åtminstone inte på ett ekonomiskt sätt, vilket leder till begränsningar av hur mycket sekundärvattnet, tappvarmvattnet, kan uppvärmas av primärvattnet.

I fig. 1 visas den idag vanligen använda metoden att uppvärma sekundärvattnet. Vattentanken 11 är dubbelmantlad med en yttre mantel 15 som omger tanken 11. Primärvattnet cirkuleras omväxlande via en växelventil genom husets uppvärmningssystem (ej visat) och genom utrymmet 16 mellan tanken 11 och manteln 15. När det varma primärvattnet passerar genom utrymmet 16 uppvärms vattnet i tanken 11 via tankens mantelyta 17. När primärvattnet når botten av dubbelmantlingen leds det via ett utlopp 18 tillbaka till värmepumpsdelen 20 för att uppvärmas på nytt.

Ett problem med denna lösning är dock att primärvattnet när det återförs till värmepumpsdelen 20 p.g.a. dålig värmeavgivning via mantelytan fortfarande kan ha så hög temperatur att värmepumpen i sin tur slår av p.g.a. att köldmediumet inte kan avge sin värme. Detta medför i sin tur 73150d.doc; 11/10/06 LH FS m". \piø CG CJK få att vattnet i tanken i vissa fall inte värms upp tillräckligt fort, vilket i sin tur kan resultera i att varmvattnet, särskilt för storförbrukare såsom en flerbarnsfamilj, tar slut trots att det egentligen finns kapacitet för ytterligare uppvärmning. Att värmepumpen slår av ofta medför dessutom att den effektiva gångtiden blir låg och att dess kapacitet därmed inte utnyttjas i den utsträckning som skulle kunna vara möjlig.

I figur 2 visas en värmeväxlaranordning enligt uppfinningen som möjliggör en större värmeavgivning till vattnet i tanken och även ett större varmvattenuttag. Istället för en dubbelmantling är istället i vattentanken 30 anordnad en rörslinga 31 som sträcker sig genom väsentligen hela den del av vattentanken 30 som är fylld med vatten. Det av värmepumpsdelen uppvärmda primärvattnet släpps in i rörslingan ovanifrån och cirkulerar genom slingan som avslutas med en genomföring genom tankens botten, varefter primärvattnet återcirkuleras till värmepumpsdelen för ny uppvärmning innan det på nytt cirkuleras genom slingan. Rörslingan har fördelen att jämfört med mantelytan en betydligt större värmeavgivningsyta erhålls, vilket medför att en större energimängd kan avges vid passage genom slingan. Detta medför vidare att primärvattnets temperatur efter passage genom slingan kommer att vara lägre jämfört med lösningen i fig. l, vilket i sin tur medför att en större energimängd kan upptas från värmepumpens köldmedium, varvid värmepumpen inte behöver slå av lika ofta. Därmed kan vattnet i vattentanken färdigvärmas (fulladdas) snabbare och således på kortare tid än tidigare på nytt medge varmvattenuttag efter en tidigare stor förbrukning av varmvatten. I figuren visas slingan med ett i axiell led väsentligen fyrkantigt tvärsnitt, detta tvärsnitt kan dock naturligtvis även vara cirkulärt, trekantigt eller av någon annan polygonform. Såsom kan ses i 73l50d.doc; ll/10/06 01 IJ f: f' Rv IW á \.r»J GW FJ figuren är i detta fall rörslingan och vattentanken koaxiellt anordnade.

Genom att slingan sträcker sig genom hela eller väsentligen hela den vatteninnehållande delen av tanken erhålls också en större temperaturgradient än vad som erhålls med dubbelmantellösningen, dvs. även om det totala energiinnehållet i vattentanken är detsamma kommer temperaturskillnaden mellan topp och botten att vara större med rörslingan, vilket resulterar i att temperaturen i övre delen kommer att vara högre med rörslingan jämfört med användning av dubbelmanteln. Vid värmepumpstillämpningar är varje extra temperaturgrad för tappvarmvattnet viktig eftersom detta resulterar i att en större mängd färdigblandat vatten med förbrukningsvänlig temperatur kan erhållas. Föreliggande uppfinning gör det således lättare att uppnå de ofta förekommande normer för hur mycket varmvatten en varmvattenberedare ska kunna leverera vid en kontinuerlig tappning och sedan på nytt vid en ny tappning efter en viss tid, t.ex. en timme.

Vid ett exempel på en värmepump enligt uppfinningen erhålls en topptemperatur som är ca 5° högre än vid användning av en dubbelmantellösning. Dessutom går àterladdningen mycket snabbare eftersom värmepumpen inte slår av på samma sätt som vid användning av dubbelmantellösningen.

Jämfört med dubbelmantellösningen har föreliggande uppfinning även fördelen att vikten för den totala anordningen blir lägre och värmepumpen blir således lättare att transportera och att installera.

I en alternativ utföringsform kan dubbelmanteln behållas. Om värmepumpen t.ex. använder uteluft som värmekälla behövs normalt en avfrostningstank med varmvatten vilket cirkuleras mot en luftvärmeväxlare med ett flänspaket för att tina upp is 73l50d.dOC; 11/10/06 ßfi 53 GQ Cïn TJ som fälls ut på flänspaketet. Denna avfrostningstank utgör normalt en vid sidan av värmepumpen placerad separat enhet.

Föreliggande uppfinning möjliggör dock att det frigjorda utrymmet i dubbelmanteln istället används som avfrostningstank. Vatten som kylts ned vid uppvärmning av flänspaketet kan då återuppvärmas av tappvarmvattnet genom vattentankens mantelyta och sedan shuntas ut till flänspaketet vid behov. Mantelytans begränsade förmåga att överföra värme till avfrostningsvattnet resulterar i att tappvarmvattnets temperatur endast i liten utsträckning påverkas. Uppfinningen har således fördelen att den extra tanken ej behöver användas, med både kostnads- och utrymmesbesparingar som följd.

Vattnet cirkuleras genom rörslingan med hjälp av en cirkulationspump. Normalt sker ingen styrning av cirkulationspumpen, utan denna cirkulerar vattnet kontinuerligt. För att ytterligare förbättra värmepumpens förmåga att avge större mängder tappvarmvatten kan en styrning av cirkulationspumpen ske. Till exempel kan en enkel styrningsprincip tillämpas, där cirkulationspumpen startar när kondenseringstrycket i värmepumpen uppnått t.ex. 25,5 bar, vilket betyder att köldmediumet har en hög temperatur och att primärvattnet således kommer att värmas till en hög temperatur när cirkuleringen startar. När kondenseringstrycket efter igångsättning av cirkulationspumpen sedan sjunkit till t.ex. 20 bar p.g.a. värmeavgivning till primärvattnet stängs cirkulationspumpen av till dess att kondenseringstrycket åter stigit till 25,5 bar. Denna styrningsmetod är således mycket enkel och kan implementeras på ett enkelt sätt. Fördelen med denna styrningsmetod är att ännu mer varmvatten kan tas ut ur beredaren, framförallt vid uttag av varmvatten vid högre temperaturer såsom 50° varmt tappvarmvatten. Denna styrningsmetod resulterar även i en än större temperaturdifferens i tanken och därmed högre topptemperatur.

Nackdelen med styrningen är att värmepumpens COP är lägre än 73l50d.doc; 11/10/06 LT! WS CE nn. hia-f F., vw; s n ~ I 10 vid ostyrd cirkulationspump p.g.a. den högre kondenseringstemperaturen.

För att ytterligare öka möjligheten att ta ut stora mängder tappvarmvatten kan en kontinuerlig styrning av cirkulationspumpen tillämpas. Vid kontinuerlig styrning kan arbetspunkten för värmepumpens kompressor hållas omkring en förutbestämd punkt, t.ex. 26 bar, vilket möjliggör att en än större volym av varmvatten med hög temperatur kan uttas, vilket kan vara fördelaktigt för stora familjer eller vid tillfällen med övernattande gäster. Den lägre COP-faktorn gör dock att uppvärmningskostnaden blir högre.

De ovan angivna trycken för start och stopp av cirkulationspumpen utgör endast ett exempel och bör väljas till att vara lägre än det kondenseringstryck vid vilket värmepumpen slår av.

Varmvattenberedaren kan även vara försedd med en givare i toppen av varmvattenberedaren för att möjliggöra visning av verklig varmvattentemperatur. Denna givare kan även användas för styrning av varmvattentillverkningen_ Till exempel kan värmepumpen slås av när topptemperaturen nått en viss temperatur. Detta har fördelen att en kund t.ex. själv kan välja vid vilken temperatur värmepumpen skall slå av. Om hushållet inte är en storförbrukare av varmvatten kanske 45° eller 50° i tankens topp är tillräckligt för att en för hushållet tillräcklig mängd färdigblandat vatten skall kunna erhållas från varmvattnet i vattentanken. Givaren kan även användas för att starta värmepumpen när topptemperaturen understiger ett visst värde, t.ex. när temperaturen sjunkit p.g.a. varmvattenuttag eller värmeavgivning via strålning, t.ex. när tanken stått oanvänd en period.

I fig. 3a visas en lösning för att hålla rörslingan på plats.

För att bl.a. undvika att slingan sjunker ihop under transport 73l50d.do<:7 ll/lO/OG 523 852 ll p.g.a. skakningar, slag etc., vilket kan ske om slingan t.ex. är tillverkad av koppar, kan en slingstödsanordning användas för att hålla slingan på plats. I Figuren visas två diametralt motstående slingstödsanordningar 41, 42 som används för att stödja en slinga 40 i en tank 43.

Slingstödsanordningarna 4l, 42 består vardera av två separata delar där den ena 44 utgör själva slingstödet och den andra 45 utgör ett slingstödslås.

I fig. 3b visas delarna 44 och 45 mer i detalj. Slingstöden är företrädesvis framställda av en termoplast såsom polyeten eller polyoximetylen och består som exempel av en 2 mm tjock platta med spår 46 för rörslingan. Vid montering bockas slingstödet i ca 90 grader med hjälp av ett verktyg och träs över hörnet på slingan. I det utrymme som bildas mellan slingan och slingstödet träs ett slingstödslàs i form av en styv tråd in från ena änden. I fig.3a visas slingstödet både i bockat tillstånd respektive i plant tillstånd.

Slingstödslåset består t.ex. av en rundstång av polyeten eller polyoximetylen. För en värmeväxlare till en villavärmepump av normal storlek kan låset ha en diameter på ca 8 mm och vara ca 900 mm lång.

Två stycken slingstöd monteras på detta sätt på varje slinga i två motstående hörn av slingan. För att minska antalet delar kan de båda slingstöden vara identiska men vara utformade så att kompensering för slingans stigning sker genom att vända det ena stödet upp och ned. Vid transport av värmeväxlaren stöder slingstödens nedre ändar mot tankens nederdel och håller på så sätt slingan på plats och förhindrar att den sjunker ihop under transporten. Slingstödet tillförsäkrar även att korrekt positionering av slingan i vattentanken upprätthålls under värmeväxlarens livslängd. I en alternativ utföringsform kan slingstödet vara helt plant men utformat så 73l50d.doc; 11/10/06 12 att det fortfarande kan träs över ett hörn av slingan, t.ex. kan slingans hörn i detta fall vara relativt skarpa. 73l50d.dOC: 11/10/06

Claims (4)

Un NJ ha *v CS (f. a. *s I KJ 13 PATENTKRAV

1. l. System innefattande en värmeväxlaranordning avsedd för användning tillsammans med en värmepump, en oljepanna, en vedpanna eller liknande, varvid värmeväxlaranordningen inkluderar - en vattentank (30) med ett inlopp för tillförsel av Vatten som skall uppvärmas och ett utlopp för utsläpp av uppvärmt vatten, där värmeväxlaranordningen vidare innefattar: - en rörslinga (31) anordnad inuti nämnda vattentank (30), varvid nämnda rörslinga (31) vidare innefattar ett inlopp för mottagning av hetvatten, och ett utlopp för utsläpp av nämnda hetvatten efter passage genom slingan, varvid slingan är framställd av ett material som medger att värme från hetvattnet avges till vatten i tanken (30) Vid h@tVattneïS passage genom slingan, varvid systemet vidare innefattar medel för att uppvärma hetvattnet med hjälp av en värmepump, varvid hetvattnet cirkuleras genom rörslingan (31) med hjälp av en cirkulationspump, varvid systemet innefattar medel för att styra cirkulationspumpen kontinuerligt eller mot fördefinierade start- och stoppvillkor, kännetecknat av att systemet innefattar medel för att - styra cirkulationspumpen på så sätt att cirkulationspumpen slås på vid ett första köldmediumkondenseringstryck och slås av vid ett andra köldmediumkondenseringstryck som är lägre än det första köldmediumkondenseringstrycket.

2. System enligt krav l, kännetecknat av att det istället för att innefatta medel för att slå på cirkulationspumpen vid ett första köldmediumkondenseringstryck och slå av den vid ett andra köldmediumkondenseringstryck, innefattar medel för att styra cirkulationspumpen på så sätt att köldmediumkondenseringstrycket hålls vid ett förutbestämt köldmediumkondenseringstryck. 73l50d.doC; ll/lO/06 14

3. System enligt krav l, kännetecknat av att det istället för att innefatta medel för att slå på cirkulationspumpen vid ett första köldmediumkondenseringstryck och slå av den vid ett andra köldmediumkondenseringstryck, innefattar medel för att styra cirkulationspumpen baserat på tankens (30) topptemperatur.

4. System enligt något av kraven 1-3, kännetecknat av att nämnda rörslinga (31) sträcker sig genom väsentligen hela vattentankens (30) vatttenbärande höjd, varvid nämnda inlopp för mottagning av hetvatten är anordnat i slingans övre ände. 73150d.doc: 11/10/06