SE529029C2 - Värmeväxlaranordning - Google Patents

Description

529 029 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 värme- pumpar 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 varm- vattnet, vilket leder till en dålig nyttjandegrad av värme- pumpen.

Uppfinningens ändamål och viktigaste kännetecken Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en värmeväxlaranordning för att uppvärma vatten som löser ovan- stående problem.

Syftet uppnås med en värmeväxlaranordning såsom definierad i patentkrav 1.

Värmeväxlaranordníngen inkluderar en vattentank med ett inlopp för tillförsel av vatten som skall uppvärmas och ett utlopp för utsläpp av uppvärmt vatten. Värmeväxlaranordningen inne- fattar 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 passage genom slingan. Rör- slingans utlopp kan vara anordnat i rörslingans nedre ände. 73l50AV2.doC; 5/9/06 5 2 9 6.2 9 Detta har fördelen att genom att leda hetvattnet genom rör- slingan 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 före- liggande 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 stopp- villkor. T.ex. kan cirkulationspumpen styras på så sätt att cirkulationspumpen slås på vid ett första köldmedium~ kondenseringstryck och slås av vid ett andra köldmedium- kondenseringstryck som är lägre än det första köldmedium- kondenseringstrycket. Alternativt kan cirkulationspumpen styras på så sätt att köldmediumkondenseringstrycket hålls vid ett förutbestämt värde. Detta har fördelen att värmeväxlar- anordningens förmåga att värma vatten kan varieras utifrån olika behov, Exempelvis 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 73l5OAV2.d0C; 5/9/06 529 029 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 varm- vatten 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 luftvärme- växlare vid behov eller vid regelbundna intervaller.

Värmeväxlaranordning kan vidare vara försedd med slingstöd för att hålla rörslingan på plats. Detta har fördelen att rör- slingan 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 för~ del 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.

I figur 3a och 3b visas en lösning för att hålla rörslingan på plats.

Detaljerad beskrivning av föredragna utföringsformer 73l5OAV2.d0C; 5/9/06 -Iilnf 529 029 I fig. 1 visas en värmepump 10 som är installerad i en fastig- het såsom en villa. Värmepumpen 10 är försedd med en regler- dator l2, 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 semesterfrånvaro etc. En användare kan kommunicera med reglerdatorn 12 via på värmepumpen 10 anordnad display 29 och knappsats 29. Värmepumpen 10 innefattar vidare en värmepumpskrets 20 och en vattentank ll 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 för- ångas i en forångare. 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 komprime- rade, 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 köld- mediumets tryck kraftigt, varvid köldmediumets temperatur sjunker hastigt, varefter köldmediumet på nytt upptar värme från bergvärmeslingan 22. Värmeslingan kan även uppta sin värme från jord, luft och/eller vatten.

Primärvattnet används sedan omväxlande för att värma tappvarm- vatten eller fastighetens radiator- och/eller golvvärmesystem.

Värmepumpens verkningsgrad styrs av köldmediumets temperatur 73l50AV2.d0C; 5/9/'06 när det när kondenseraren, ju lägre temperatur, dvs. ju lägre tryck, desto högre verkningsgrad. Vid uppvärmning av primär- vattnet till t.ex. 35° med en lOkW värmepump kan värmepumpens s.k. effektivltetsfaktor (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 sekundär- vattnet, tappvarmvattnet, kan uppvärmas av primärvattnet.

I fig. l visas den idag vanligen använda metoden att uppvärma sekundärvattnet. Vattentanken ll är dubbelmantlad med en yttre mantel 15 som omger tanken ll. Primärvattnet cirkuleras omväxlande via en växelventil genom husets uppvärmningssystem (ej visat) och genom utrymmet 16 mellan tanken ll och manteln 15. När det varma primärvattnet passerar genom utrymmet 16 uppvärms vattnet i tanken ll 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 värme- avgivning 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 att vattnet i tanken i vissa fall inte värms upp tillräckligt fort, vilket i sin tur kan resultera i att varmvattnet, särskilt för storför- brukare såsom en flerbarnsfamilj, tar slut trots att det egentligen finns kapacitet för ytterligare uppvärmning. Att värmepumpen slår av ofta medför dessutom att den effektiva 73l5OAV2. dOC; 5/9/06 529 029 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 dubbel- mantling är istället i vattentanken 30 anordnad en rörslinga 31 som sträcker sig genom väsentligen hela den del av vatten- tanken 30 som är fylld med vatten. Det av värmepumpsdelen upp- värmda primärvattnet släpps in i rörslingan ovanifràn och cirkulerar genom slingan som avslutas med en genomföring genom tankens botten, varefter primärvattnet àtercirkuleras 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. 1, 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 varmvatten- uttag 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 polygon- form. Såsom kan ses i 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 dubbelmantel- lösningen, dvs. även om det totala energiinnehållet i vatten~ tanken är detsamma kommer temperaturskillnaden mellan topp och 73l50AV2.d0C; 5/9/06 529 029 botten att vara större med rörslingan, vilket resulterar i att temperaturen i övre delen kommer att vara högre med rörslingan jämfiört med användning av dubbelmanteln. Vid Värmepumps- tillämpningar är varje extra temperaturgrad för tappvarm~ vattnet 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 dubbeimantellösning. 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 iuftvärmeväxlare med ett flänspaket för att tina upp is 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 avfrostnings- tank. 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 73l50AV2.d0C: 5/9/06 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 cirkula- tionspump. Normalt sker ingen styrning av církulationspumpen, utan denna cirkulerar vattnet kontinuerligt. För att ytterli- gare förbättra värmepumpens förmåga att avge större mängder tappvarmvatten kan en styrning av cirkulationspumpen ske. Till exempel kan en enkel styrningsprincip tillämpas, där cirkula- tionspumpen 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 konden- seringstrycket efter igàngsättning av cirkulationspumpen sedan sjunkit till t.ex. 20 bar p.g.a. värmeavgivning till primär- vattnet stängs oirkulationspumpen av till dess att kondense- ringstrycket äter 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 varm- vatten kan tas ut ur beredaren, framförallt vid uttag av varm- vatten vid högre temperaturer såsom 50° varmt tappvarmvatten.

Denna styrningsmetod resulterar även i en än större tempera- turdifferens i tanken och därmed högre topptemperatur. Nack- delen med styrningen är att värmepumpens COP är lägre än vid ostyrd cirkulationspump p.g.a. den högre kondenseringstempera- turen.

För att ytterligare öka möjligheten att ta ut stora mängder tappvarmvatten kan en kontinuerlig styrning av cirkulations- pumpen tillämpas. Vid kontinuerlig styrning kan arbetspunkten för värmepumpcns 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 731SOAV2.d0C; 5/9/06 529 029 l0 fördelaktigt för stora familjer eller vid tillfällen med över- nattande gäster. Den lägre COP-faktorn gör dock att uppvärmningskostnaden blir högre.

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

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 hus- hållet inte är en storförbrukare av varmvatten kanske 45° eller 50° I tankens topp är tillräckligt för att en för hus- hållet tillräcklig mängd färdigblandat vatten skall kunna erhållas från varmvattnet l 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 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 slíngstödsanordningar 41, 42 som används för att stödja en slinga 40 i en tank 43.

Slingstödsanordningarna 41, 42 består vardera av två separata delar där den ena 44 utgör själva slingstödet och den andra 45 utgör ett slingstödslås. 73150AV2.d0C; 5/9106 529 029 ll 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 sling- stödet i ca 90 grader med hjälp av ett verktyg och träs över hörnet på sllngan. I det utrymme som bildas mellan slingan och slingstödet träs ett slingstödslås i form av en styv tråd in från ena änden. I fig.3a visas slingstödet både i bockat till- stànd respektive i plant tillstånd.

Slingstödslàset 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 pà varje slinga i två motstående hörn av slingan. För att minska antalet delar kan de båda slingstöden vara identiska men vara utformade så att kompenserjng 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 upprätt- hålls under varmeväxlarens livslängd. I en alternativ utföringsform kan slingstödet vara helt plant men utformat så att det fortfarande kan träs över ett hörn av slingan, t.ex. kan slingans hörn i detta fall vara relativt skarpa. 73l50AV2.dOC: 5/9/06

Claims (12)

529 029 12 PATENTKRAV

1. Värmeväxlaranordning avsedd för användning tillsammans med en värmepump, en oljepanna, en vedpanna eller liknande, varvid värmeväxlaranordningen inkluderar - en vattentank (30; 43) 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: 40) anordnad inuti nämnda vattentank (30; 43), varvid nämnda rörslinga (31: 40) sträcker sig genom väsentligen hela vattentankens (30; 43) vatttenbärande höjd, varvid nämnda rörslinga (3l; 40) vidare i sin övre ände innefattar ett inlopp för mottagning av hetvatten, och ett utlopp för utsläpp av nämnda hetvatten efter passage genom slingan (31: 40), varvid slingan (31: 40) är framställd av ett material som medger att värme från hetvattnet avges till vatten i tanken (30; 43) vid hetvattnets passage genom slingan (31: 40), varvid anordningen vidare innefattar en slingstödsanordning (4l; 42) för fasthållning av rörslingan (31: 40), varvid slingstödsanordningen (4l; 42) består av ett slingstöd (44) och ett slingstödlås (45), där slingstödet (44) består av en làngsträckt struktur med fördelade i längdriktningen ett flertal väsentligen tvärgàende urtag respektive anpassade för mottagning av en del av respektive varv av nämnda rörslinga (31: 40), varvid nämnda slingstöd (44) är anordnat att pâföras nämnda slinga (31: 40) på så sätt att ett utrymme bildas mellan slingan och slingstödet (44), kännetecknad av att nämnda slingstödlås (45) är inrättat att från slingstödets (44) ena ände kunna införas i det mellan slingan (31: 40) och slingstödet (44) bildade utrymmet för att i användning låsa nämnda slingstöd (44) till slingan (31: 40). 7315OAV2b.doC; 12/21/06 529 029 13

2. Värmeväxlaranordning enligt krav 1, kännetecknad av att rörslingans (3l; 40) utlopp är anordnat i rörslingans (31: 40) nedre ände.

3. Värmeväxlaranordning enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av att rörslingans (3l; 40) stigning är jämt fördelad över dess längd.

4. Värmeväxlaranordning enligt krav l eller 2, kännetecknad av att rörslingans (3l; 40) stigning är varierad över dess längd.

5. Värmeväxlaranordning enligt något av kraven 1-4, känneteck- nad av att slingan (3l; 40) i sin genomskärning i axiell led är rund, trekantig, fyrkantig, femkantig eller av annan polygonform.

6. Värmeväxlaranordning enligt något av kraven l-5, känneteck- nad av att rörslingan (3l; 40) och vattentanken (30: 43) är koaxiellt anordnade.

7. Värmeväxlaranordning enligt krav 1, kännetecknad av att slingstödet (44) vid anbringning till rörslingan (3l; 40) kan låsas med slingstödslåset (45).

8. Värmeväxlaranordning enligt krav 1 eller 7, kännetecknad av att slingstödet (44) är en làngsträckt, i tvärriktningen väsentligen L-, U- eller V-vinklad skiva.

9. Värmeväxlaranordning enligt något av kraven 1 eller 7-8, kännetecknad av att slingstödet (44) innefattar urtag för väsentligen alla varv i slingan (3l; 40).

10. Värmeväxlaranordning enligt något av kraven 1 eller 7-9, kännetecknad av att slingstödet (44) kan vändas upp och ned för användning på diametralt motsatta sidan för kompensation av slingans (31: 40) stigning. 73150AV2b.doc.' 12/21/06 529 029 14

11. ll. Värmeväxlaranordning enligt något av kraven 1 eller 7-10, kännetecknad av att urtagen är snedställda för anpassning till slingans (3l; 40) stigning.

12. Värmeväxlaranordning enligt något av kraven 1 eller 7-ll, kännetecknad av att slingstödet (44) är tillverkad av termoplast såsom polyeten eller polyoximetylen. 73150AV2b.doC; 12/21/06