SVERIGE (11) UTLÄGGNINGSSKRIFT (51) Internationell klass 7203513-2 F24d 3/10 (44) Anifikan utlagd och 74-12-23 Publicerings- 372 620 utlfiggningsskriften nummer publicarad (411 Ansäkan 7 3 " 0 9-1 8 allmänt tillgänglig (22) Patentansökan inkom 72-03-17 PATENT-OCH REGISTRERINGSVERKET (30) Prioritetsuppgifter <321 (33 (31) Datum Land No Siffrorna inom parentes anger internationell identifisrjngsfcad, INID-kod. (71)Sökande: AB ATOMENERGI, STOCKHOLM (72)Uppfinnare: P H Margen, Täby (74)0mbud: 8 Molin (54)Benämning: Förfarande och anordning för att i ett fjärrvärmesystem uppvärma byggnader med spillvärme från ett kraftvärmeverk Uppfinningen avser ett förfarande och en anordning för att i ett fjärrvärmesystem uppvärma byggnader med spillvärme från ett kraftvärmeverk. Kraftvärmeverk måste i regel byggas nära de städer som skall för- 5 sörjas med värme från dessa verk, vilket ofta innebäratt man ej kan välja lägen där det finns goda naturliga kylvattenkällor som kan ta hand om spillvärmet när värmebehovet för husuppvärmningen är otillräckligt. Uppfinningen syftar till att på ett artificiellt sätt vid behov 10 kunna öka den värmemängd som fjärrvärmesystemet kan ta hand om och därigenom öka elproduktionen. Därigenom utnyttjas fjärrvärmesystemet som en värmesänka av variabel effekt (inom vissa effektgränser) för kraftvärmeverket. Ett ytterligare syfte är att åstadkomma ett sådant reglersystem att rnan fritt kan styra denna värmemängd från kraftvärmeverket genom en 15 enkel signal, utan behov av individuella instruktioner, elektriska styrimpulser eller liknande till de individuella husen. Uppfinningen har särskilt stort ekonomiskt intresse i samband med fjärrvärmesystem för relativt låg vattentemperatur och sålunda hög procentuell elproduktion. Vid uppfinningens tillämpning på sådana system tillkommer vissa problem 20 som uppfinningen också löser.
.2 7203513-2 Ett ytterligare ändamål med uppfinningen är att nedbringa totalkostnaderna för kraftvärmeverket-och fjärrvärmesystemet, genom att göra det möjligt att kyla bort restvärmet från kraftvärmeverket uteslutande med värmeväxlare belägna i byggnaderna i fjärrvärmesystemet, vilka värmeväxlare samtidigt används för byggnadernas uppvärmning. Förfarandet och anordningen enligt uppfinningen har de kännetecken som framgår av bifogade patentkrav. Uppfinningen kommer nu att närmare beskrivas under hänvisning till bifogade ritning, som visar ett utförande av fjärrvärmeanläggningen enligt uppfinningen. Anläggningen enligt ritningen innehåller en ångalstrande maskin 1, exempelvis en kärnreaktor. Ångan driver en turbin 2, vilken driver en elgenerator 3. Ånga från turbinen 2 ledes till en kondensor 10. En värmeväxlare 4 i kondensorn 10 står i förbindelse med en huvuddistributionsledning 20 för varmvatten till ett flertal byggnader 29, och med en huvudreturledning 21. För utjämnande av dygnsvariationer är en varmvattenaekumulator 150 inkopplad med sin överdel i distributionsledningen 20 och med sin underdel i returledningen 21. I ledningen 20 är anordnad en pump 22 och en ventil 23, och i returledningen 21 är anordnad en pump 24 och en vattenbehållare 25. Byggnaden 29 innehåller en varmvattenbehållare 31 till vilken varmvatten leds via en lokal distributionsledning 27. Medelst en ventil 32 som påverkas av en flottör 33 hålles vattennivån i behållaren 31 konstant. Genom en ledning 34 leds varmvatten 1 från behållaren 31 till en luftkyld värmeväxlare 30, och det sålunda kylda vattnet leds genom en returledning 28 till huvudreturledningai21. Returledningen 28 innehåller en mätfläns 110, en pump 111, och en ventil 112. Värmeväxlaren 31 står i förbindelse med en tillförselledning 102 för atmosfärsluft» Ledningen 102 innehåller en luftförvärmare 100 och en ventil 101 genom vilken atmosfärsluft kan shuntas förbi luftförvärmaren 100. I utloppsledningen för den värmda luften från värmeväxlaren 30 är anordnad en fläkt 40, som blåser varmluften antingen via en ledning 70 till atmosfären, eller via ledningar 42, 43 till rum 50 i byggnaden 29. I ledningen 43 är anordnat ett spjäll 60 som manövreras av en termostat 51 i rummet 50. Rummet 50 är vidare försett med ett friskluftsintag 62 som kan öppnas oeh stängas medel/it ett apjäll 6l. Via ledningar 44, 45, ledes luft från rummen 50 genom luftförvärrnaren 100 där den avger värme till inkommande luft, och utblåses i atmosfären medelst en fläkt 41, som håller trycket i byggnaden vid ungefär atmosfärstryck. 0m man mer exakt vill nålla trycket i rummen 50 vid atmosfärstryck ansluter man lämpligen inloppsöppningarna 62 till trycksidan på en friskluftfläkt.
.3 7203513-2 Anläggningen enligt ritningen fungerar på följande sätt. Temperaturerna i rummen 50 regleras med de individuella termostaterna 51, som ställs in på önskade temperaturer och som, om temperaturen blir högre än det inställda värdet, stryper inflödet av varmluft genom ventilerna 60, varigenom temperaturen i rummet minskas. Fläkten 40 strävar samtidigt efter att hålla luftcirkulationen genom värmeväxlaren 3 konstant. Leder strypningen av de termostatstyrda ventilerna 60 till att varmluftintaget till rummen 50 blir mindre än luftcirkulationen genom värmeväxlaren 30, så släpps överskottet av varmluft ut till atmosfären genom ledningen 70. Eftersom utsugningsfläkten 41 suger ut en konstant mängd luft från huset, kompenseras minskningen i den varmluftsmängd som levereras till rummen 50 av en ökad insugning av atmosfärsluft genom intagen 62. Spjällen 60 och 6l kan alternativt sammanbyggas till en enhet som reglerar proportionen mellan varmluft och kall luft. 0m man nu önskar öka den värmeeffekt som kyls bort i fjärrvärmesystemet så kan man öka den effekt som tillföres huvuddistributionsledningen 20 genom att antingen 1) öka temperaturen hos det vatten som lämnar värmeväxlaren 4 i kondensorn 10, vilket sker automatiskt om man ökar ångflödet genom turbinen 2 och håller vattencirkulationen genom kondensorn 10 konstant, eller 2) öka vattencirkulationsmängden genom ledningen 20, t.ex. genom att variera varvtalet hos pumpen 22 eller strypningen hos ventilen 23 utan att påverka temperaturen i det från kraftvärmeverket till ledningen 20 utgående vattnet, eller * 3) en kombination av båda ovan anförda åtgärder. Konsekvensen av var och en av dessa tre alternativa åtgärder är, att medeltemperaturskillnaden mellan vattnet och luften i värmeväxlaren 30 ökar, varigenom även den i värmeväxlaren överförda effekten ökar. Därigenom ökas även temperaturen hos den luft som lämmar värmeväxlaren. För att i detta läge hålla rumstemperaturerna konstanta så minskar de termostatreglerade spjällen 60 varmluftintagét till rummen 50 vilket i sin tur leder till att mängden överskottsvarmluft som släpps ut till atmosfären ökar. Det framgår av denna beskrivning att det enda som kraftvärmeverkets driftledning behöver göra när den önskar artificiellt Öka den effekt som bortkyles i fjärrvärmesystemet är att träffa endera av åtgärderna 1), 2) eller 3) vid själva kraftvärmeverket. Resten tar reglersystemen i husen hand om.
.4 7203513-2 Det bör dock påpekas att systemet leder till, att en viss mängd överskottsvärme normalt kyls bort till atmosfären. Storleken på detta "värmeöverskott" kan varieras på ovan beskrivet sätt av kraftvärmeverkets driftledning. Blir dock överskottet alltför litet, riskeras, att 5 i vissa hus ett värmeunderskott uppstår, så att man ej kan uppnå önskade rumstemperaturer även när ingen luft släpps ut till atmosfären. För att undvika denna risk kan man bestämma sig för minimivärmeeffekter som överförs till ledningen 20 som funktion av exempelvis atmosfärtemperaturen. Exempelvis kan man med reglermetod 2) låta 10 en av atmosfärtemperaturen styrd impuls sätta en spärr på den minimala vattencirkulationsmängden i ledningen 20. Alternativt kan denna risk undvikas genom följande reglerprincip. Man låter ventilen 112 i ledningen 28 normalt reglera vattencirkulationsmängden genom värmeväxlaren 30 till ett värde där bara en mycket liten 15 varmluftmängd når atmosfären genom skorstenen 70, t.ex. några procent av det maximala flödet. Reglerimpulsen fås via en signalledning 113 genom tryckfallet över en motståndsfläns 71 i skorstensledningen 70. Med denna normala reglermetod har huset alltid tillräcklig värme för sina behov, men normalt inte heller mera än för sina behov. När 20 man nu önskar öka värmeöverföringen till atmosfären, så ökar man medelst pumpe- 22 eller ventilen 23 trycket i ledningen 27. Trycket mäts av en mätare 115 i ledningen 27 och en mätslgnal går via en signalledning 114 för att "spärra" den signal som försöker åstadkomma en stängning av ventilen 112. Genom denna spärrning stannar i stället denna ventil 112 25 i öppet läge, och byggnadens värmeväxlare 30 kyler bort maximal värmeeffekt. Den resulterande ökningen i lufttemperaturen leder då på det tidigare beskrivna sättet till att den mängd varm luft, som släpps ut till atmosfären, ökas. 0m man för olika hus väljer olika värden på det tryck som utlöser 30 spärrsignalen, får man för gradvis ökande tryck i ledningen 20 även ett gradvis ökande antal hus som kyler bort maximal effekt till atmosfären och därigenom en gradvis ökning i den av fjärrvärmesystemet bortkylda effekten. Med det beskrivna systemet bestäms övre gränsen för den i fjärr- 35 värmesystemet bortkylbara effekten av vattentransportmängden i rörledningarna. Det är önskvärt att den uttnyttjas till fullo för effektiv husuppvärmning på årets kallaste vinterdag. Då är det exempelvis lämpligt at t inkoppla luftförvärmaren 100 för att återvinna en del av värmet från evakueringsluften och utnyttja den för förvärmning av frisk- 40 luften. Resten av året däremot är värmebehovet för husuppvärmning lägre och man önskar sålunda ha möjlighet att överföra mellanskillnaden till atmosfären. Den mängd som kan överföras till atmosfären kan ökas ytter-
.5 7203513-2 ligare dagar då atmosfärstemperaturen inte är alltför låg, om man öppnar spjället 101 så att man ej för bostadsuppvärmningen återvinner någon del av värmet i den evakueringsluft som lämnar husen. Spjället kan öppnas genom en automatisk signal, t.ex, om atmosfärstemperaturen stiger ovanför ett visst värde. Om man dock vid vissa tillfällen ej önskar utnyttja denna möjlighet att ytterligare öka den effekt som tillförts fjärrvärmesystemet, så kan man ordna en spärr som tillåter att spjället öppnas endast när vissa villkor är uppfyllda, som klart visar att kraftvärmeverkets driftledning önskar ytterligare öka den bortkylda värmeeffekten. För reglersystem 2) kan t.ex. spärren utformas så att den tillåter öppning av spjället 101 endast när vattencirkulationsmängden genom huset överstiger ett visst i förväg bestämt minimumvärde. När vattencirkulationsmängden är lägre än detta värde, är detta nämligen ett tecken på att driftledningen ej önskar utnyttja fjärrvärmesystemets maximala förmåga att kyla bort värmeeffekt. Också denna extra flexibilitet ordnas sålunda utan någon extra åtgärd från driftledningens sida och utan behov av särskild signal från respektive hus till driftledningen eller vice versa. Tryckfallet över mätflänsen 110 kan lämpligen användas som signal för den minimala vattencirkulationsmängd som medger öppnande av spjället 101. Reglersystem 2) är särskilt lämpligt för tillämpningar där man önskar begränsa den maximala temperaturen i distributionsledningarna 20, 27 och värmeväxlaren 30 till vissa värden. Så är fallet t.ex. om man önskar använda plast, eller annat material som ej kan motstå höga temperaturer, i ledningarna eller värmeväxlaren. Det är därvid viktigt att värmeväxlaren 30, skyddas mot för högt internt övertryck av vattnet. Detta sker med hjälp av tanken 31> som har en mot atmosfären öppen vattenyta. Vatteninflödet till denna tank regleras av flottören 33 som påverkar ventilen 32, d.v.s. stänger den när vattennivån i tanken överstiger ett visst värde. Om fjärrvärmesystemet innehåller byggnader 29 på olika höjder kan pumparna 111 i sugledningen från vissa hus vara nödvändiga för att vattnet från de öppna tankarna 31 i olika hus belägna på olika marknivåer skall kunna levereras till samma huvudreturledning 21. Varmvattenackumulatorn 150 ger ökad flexibilitet i disponeringen av den under dygnet i bostadsområdet bortkylda värmemängden för elalst- ring. Exempelvis medger en dylik varmvattenackumulator att den värmemängd, som bortkyls under dygnets 24 timmar, används för kraftproduktion under endast de 4 timmar då elefterfrågan är störst, varigenom den alstrade topplasteleffekten kan ökas med faktorn 24/4 = 6.
.6 7203513-2 PATENTKRAV 1., Förfarande för att i ett fjärrvärmesystem uppvärma byggnader med spillvärme från ett kraftvärmeverk, genom att man via distributionsledningar tillför byggnaderna ett överskott av spillvärme i form av varmvatten, utnyttjar en del därav, för byggnadernas uppvärmning, samt släpper ut återstoden av spillvärmet till atmosfären i form av varmluft, k ä n n e t e c k n a t därav, att man i kraftvärmeverket varierar den effekt som tillförs fjärrvärmenätet genom variation av den i distributionsledningarna cirkulerande vattenmängden, eller den utgående eller inkommande vattentemperaturen, att man i varje byggnad medelst en för byggnaden gemensam värmeväxlare (30) alstrar varmluft genom det från kraftvärmeverket kommande varmvattnet, och blåser en del av varmluften till byggnadens rum (50) för uppvärmning av dessa, varvid man medelst ett automatiskt reglersystem (51, 60, 6l, 62) i de till fjärrvärmesystemet kopplade byggnaderna upprätthåller den önskade lufttemperaturen i byggnaderna, samt att man släpper ut återstoden av varmluften till atmosfären. 2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att variationen i värmeeffekten som tillförs individuella byggnader, kopplade till fjärrvärmesystemet, åstadkoms genom en styrimpuls från vattnets tillstånd i byggnadernas ans lutningsledningar till distributionsledningarna (t.ex. tryck eller temperatur), vilket tillstånd påverkas genom en enstaka apparat vid kraftverket eller i transportsystemet (t.ex. en varvtalsreglerad pump eller strypventil), alltså ej en individuell apparat vid varje byggnad. 3. Förfarande enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t därav, att styrimpulsen sker genom vattentrycket i framledningarna till de individuella byggnaderna eller mindre grupper av byggnader. Förfarande enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t därav, att så mycket värme överförs till byggnaderna, att det normalt tillgodoser dessas uppvärmningsbehov med mycket liten överskottsmarginal, samt att styrimpulsen används för att övervaka detta regleringssätt, när tillståndet av vatten i anslutningsledningen till transportsystemet (t.ex. trycket) överstigit ett visst värde, så att man då ökar värmeöverföringen eller varmvattencirkulationen till ett maximalt värme, varvid man för olika byggnader väljer olika storlekar på det tillstånd (t.ex. tryck) i vattnet, som utlöser styrsignalen för att vid succe.jsiv ökning i vattnets tillstånd (t.ex. tryck) i distributionsledningarna ge en successiv ökning av värmeeffekten tillförd fj ärrvärmesystemet.
.7 7203513-2 5. Förfarande enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a t därav, att regleringen i den till byggnaden överförda värmeeffekten åstadkoms genom en strypventil eller reglerbar pump i vattenanslutningsledningen för denna byggnad, och där samma ventil spärras i öppenläget när styrimpulsen utlöses.. 6. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att mängden flöde av friskluft genom byggnaden hålls i stort sett konstant genom en sugfläkt (4l), som drivs med konstant varvtal, varvid lufttemperaturen i byggnaden eller de enskilda rummen kontrolleras genom termostatstyrda blandventiler (60, 61), som påverkar proportionerna av luftinsuget genom individuella kalluftintag (62), att man medelst en fläkt (40) levererar i stort sett konstant luftflöde genom värmeväxlaren (30), och att man genom en skorsten (70) släpper ut skillnaden mellan luftmängden genom värmeväxlaren och luftflödet till byggnaden. 7. Fjärrvärmeverk för tillämpning av förfarandet enligt krav 1, omfattande ett kraftvärmeverk (1-4) innehållande en värmeväxlare (4) för tillvaratagande av spillvärme, distributionsledningar (20, 27) för varmvatten från värmeväxlaren (4) till ett flertal byggnader (29), samt returledningar (21, 28) för returvatten från byggnaderna (29) till värmeväxlaren (4), k ä n n e t e c k n a t därav, att kraftvärmeverket är försett med pumpar (22) eller ventiler (23) för reglering av mängden eller temperaturen av vattnet i distributionsledningarna, att varje byggnad (29) är försedd med en värmeväxlare (30), i vilken varmvattnet från kraftvärmeverket kyles med luft, att kanaler (42, 43) är anordnade för att leda en del av den sålunda värmda luften till byggnadens rum (50), att kanaler (70) är anordnade för att leda återstoden av den värmda luften till atmosfären, samt att ett automatiskt reglersystem (51, 60, 61, 62) är anordnat att upprätthålla önskad lufttemperatur i byggnaderna. 8. Fjärrvärmeverk enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a t därav, att rummen (50) innehåller termostatstyrda spjäll (60) för reglering av mängden inkommande vanaluft. 9. Fjärrvärmeverk enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a t därav, att rummen (50) innehåller kanaler (62) för direkt tillförsel av atmosfärsluft, samt termostatstyrda spjäll (6l) för reglering av mängden inkommande atmosfärsluft. ANFÖRDA Sverige 334 222 (36 d:1/56) Andra publikationer: VVS. 41(1970): 2, p. 75-79 PUBLIKATIONER:
7203513-2