Efter värmepumpen

av Claus Laurén Forum 1985-15, sida 26-27, 09.10.1985

Taggar: Teman: energi

Efter värmepumpen:

VÄRMETRANSFORMATORN

Forskning pågår för att förbättra värmepumpens prestanda (inom ekonomiskt vettiga ramar), och det finns hopp om betydande höjningar av verkningsgraden i framtiden. I själva verket ligger värmepumpens teoretiskt högsta värmefaktor i trakterna av 15,0. Samtidigt pågår emellertid forskning inom närbesläktade områden, som i framtiden kan ge helt andra prestanda än vad den mekaniskt baserade pumpen förmår utveckla. Det gäller bland annat ett helt nytt, svenskt koncept för värmetransformation, som baserar sig på kemiska processer.

ärmetransformation genom kemiska W processor är ett helt nytt grepp på problemet. Själva principen offentliggjordes så sent som i månadsskiftet aprill maj detta år, och ännu råder stort nemlighetsmakeri kring många av detaljerna. Hjärnan bakom värmetransformatorn är förskningsingenjören Orvar Elmqvist, som under decennier har sysslat med avancerad energiforskning. Vid ett ytligt skärskådande uppvisar hans konstruktion många likheter med en traditionell värmepump, men när man börjar se närmare på det hela framträder avgörande olikheter.

Ur praktisk konsumentsynpunkt är det framför allt två aspekter som tilldrar sig intresse. Dels gäller det den mycket höga verkningsgraden relativt tillförd energi, och dels handlar det om möjligheten att genom vissa av de elmqvistska processerna uppnå höga temperaturer. Öch höga temperaturer innebär i det här sammanhanget 500” eller mer, d v s superkritiska nivåer som väl lämpar sig för elgeneration.

På det tekniska planet uppvisar Orvar Elmqvists värmemaskiner många fascinerande drag. Egentligen rör det sig om ganska enkla idéer, som har den egenheten att

Funktionsprincipen hos Elmotherm 101 värmetranstormatorn.

sodakristalle ingen annan har råkat intressera sig för dem från energisynpunkt sett. Det handiar om ett slags Columbi ägg, och det är ganska naturligt att uppfinnaren till dags dato har vakat över sina hemligheter som en lejonmamma. Industrispionage är en iskall realitet

Kemisk omvandling

Själva grundkonceptet för värmetransformation är välkänt från värmepumpstekniken. Det handlar om att få aggregationstillstånden att löpa i eft slags “bakvänd” ordning, d v s låg temperatur — lågtrycksånga och hög temperatur — flytande form. I en värmepump sker dessa fasomvandliingar med hjälp av mekanisk pumpverkan (kompression respektive förångning) medan värmetransformatorn utnyttjar dels fysikaliska och dels kemiska processer för att få omvandlingarna att äga rum.

Den enklaste och mest överskådliga av Elmavists processer är den s k ammoniaksoda-processen, som fått produktnamnet Elmotherm 101.

I princip kan samma typ av värmekällor användas i Elmotherm-systemet som i traditionella värmepumpar, d v s sjö- eller havsvatten, luft, ytjord eller spillvärme. Att konstruktören har valt havsvatten som värmekälta i sin principbeskrivning har i viss mån ett samband med saltvattnets låga fryspunkt.

Värmekällan är 10-gradigt havsvatten, som värmer upp en slinga med flytande ammoniak genom värmeväxling. | värmeväxlarens processorsteg förångas ammoniaken och leds vidare till ett andra processorsteg vid den, ur mänsklig synpunkt sett, låga temperaturen av —5 grader. Kallvattnet återgår till resipienten vid en temperatur av —3 grader.

Någon kanske frågar sig: kan man utvinna värme ur -—5-gradig ammoniakånga? Svaret är, att ammoniak har en mycket hög entalpi, förmåga att binda energi. Och denna bundna energi utvinns i form av värme vid ca 65 graders temperatur i det andra värmeväxlarsteget

Men innan dess har ammoniaken tvingats att anta vätskeform i ett andra processorsteg, där ammoniakångan blandats och reagerat med natriumkarbonat (soda) i flytande form. När ammoniaken löses i den flytande sodan, avger den spontant sitt värmeinnehåll, och detta värme kan upptas genom värmeväxling.

15/1985 FORUN,

Värmeväxlingen sker mot fem-gradigt kylvatten, vilket sänker temperaturen hos värmebäraren (ammoniak-soda-blandningen) till en nivå strax under 31 grader. Därvid upptar sodan det fria kristallvattnet och övergår i fast, kristallinsk form, s k kristallsoda. Förändringen frigör ytterligare värme. Utfällningen av soda innebär att ammoniaken förlorar sitt lösningsmedel (kristallvattnet) och separeras från natriumkarbonatet.

Nu är loppet kört, och ammoniaken kan returneras till den första värmeväxlaren för att där uppta ny värmeenergi. Det kristalliserade natriumkarbonatet transporteras till en värmare, där temperaturen höjs till strax över det magiska talet 31 grader. Därvid smälter sodan och kan i vätsketorm transporteras till processteg nummer två, där reaktionen med ammoniakångan sker. Uppvärmningen i värmaren kan skötas antingen med hjälp av värme från värmeväxlare nummer två eller tillföras utifrån som elström.

Miljövänligt system

Som synes rör det sig om ett helt slutet system, där inga kemikalier tillförs utifrån eller släpps ut i atmosfären eller vattendragen. Frånvaron av rörliga delar (bortsett möjligen från transportanordningen för den kristallinska sodan) borgar dessutom för ett system med ett minimum av risker för läckage.

De kemikaliemängder, som det rör sig om, är ganska betydande. Ett värmetransformationssystem anpassat för en normalstor villa (30 000 kwh/år) innehåller ca 25 kg ammoniak och 400 kg kristallsoda. Det här betyder i praktiken, att ett tillförfitligt säkerhetssystem måste utvecklas, om Elmothermsystemet skall användas som uppvärmningssystem för småhus. Gastormig ammoniak är ingenting att leka med.

Ett annat Elmotherm-system för generering av temperaturer på lägre nivå är koldioxid-ammoniak-processen, även kallad Elmotherm 201. I det här fallet handlar det om något lägre temperaturer än i 101-processen. Å andra sidan erbjuder 201:an mycket snabba reaktionsförlopp, och därför är den speciellt lämpad för t ex uppvärmning av drivhus och industrier, där kraven på hög temperatur inte är så stränga som i bostadssammanhang. Ett annat intressant applikationsområde är samkörning med högtemperaturprocessen Elmotherm 301, som kräver en högre ingångstemperatur än de tidigare nämnda processerna.

Ett lågvärmesystem

Elmotherm 201 börjar på samma sätt som 101:an. 10-graditg havsvatten växlas med flytande ammoniak och förgasas i ett första processorsteg. Den —5-gradiga ammoniakångan transporteras vidare till ett andra processorsteg (inbyggt i värmeväxlare nummer 2) där den möter gasformig kol FÖRUN 15/198 dioxid, som håller en relativt hög temperatur. Reaktionen mellan ammoniak och koldioxid sker nu mycket snabbt, och ammoniumkarbamat (NHCOONH,) i fast form bildas.

Den här reaktionen ger 50-gradigt varmvatten på värmeväxlarens högtemperatursida. Karbamatet antar, på grund av den mycket snabba reaktionen, formen av små partiklar. För att kunna transportera dessa partiklar tillförs nu en inert, tunn olja (t ex paraffin).

Med hjälp av oljan transporteras karbamatet till en desintegrator, där temperaturen hos saltet höjs ytterligare till något över 60 grader varvid ämnet sönderdelas i ammoniak och koldioxid. Den tunga oljan lägger sig underst i desintegratoranläggningen, ovanpå denna flyter ammoniaken och ovanför ammoniaken samlas den gasformiga koldioxiden.

Ytterligare ett processteg kan införas mellan reaktionskärlet och desintegrationsenheten, nämligen en centrifug. | denna avskiljs en del av oljan, som förs tillbaka till processor nr 2. Den trögflytande, koncentrerade olje/karbamat-blandningen pumpas till desintegratorn. Vad man vinner på centrifugeringen är ett minskat uppvärmningsbehov i desintegratorn

Koldioxiden transporteras nu tillbaka till reaktorn (processteg 2), och den flytande ammaniaken (flytande p g a det höga trycket) går till ett tredje värmeväxlingssteg i form av en kylare. Kallvattnet tili kylaren är 10-gradigt havsvatten, som i detta processteg upphettas till sådan temperatur att även detta värme kan utnyttjas för mottagarnätets behov.

Från den tredje värmeväxlaren/kylaren transporteras den kalla ammoniaken tillbaka till processteg nr 1. Cirkeln är därmed sluten.

Liksom i den tidigare beskrivna 101-processen bygger det här förfarandet på en kemiskt reglerad fasomvandling. I det här fallet går dessutom fasomvandlingen så långt at hela den värmebärande massan övergår i fast form, varvid smältvärmet (ansenliga värmemängder) frigörs. Någon mekanisk, energikrävande kompressionsapparatur behövs inte heller i det här fallet.

Nytt elkraftverk?

Ytterligare en tredje, spännande Elmothermprocess har offentliggjorts. Den bär produktnamnet 301, och är en högtemperaturprocess avsedd för nivåer på 500? eller mer. Dess tekniska beteckning är svaveltrioxidprocessen.

Med hjälp av denna process öppnar sig perspektiv, som ligger långt bortom de traditionella, mekaniska värmepumparnas prestandaområde. Processvärme till industrin och el till industri och hushåll är två möjligheter som hägrar i framtiden. Och det förefaller dessutom, som om priset för denna elström skulle bli mycket lågt — till och med utifrån dagens prisläge betraktat

Elmotherm 301 skiljer sig i ett betydelsefullt avseende kvalitativt från de två tidigare redovisade processerna. Svaveltrioxidprocessen kräver en betydligt högre ingångstemperatur än de ammoniakbaserade flödena, eftersom svaveltrioxiden — som är värmebärare — — kokar vid ca 45? vid normalt lufttryck. Värmekällan bör alltså hålla en temperatur, som ligger över detta värde,

I en första värmeväxlare uppvärms flytande svaveltrioxid och förångas i växlarens processorsteg. SO,-ångan leds till ett andra steg, där den möter en ström av vattenånga, En snabb och starkt exotermisk reaktion inträffar, där svaveltrioxiden övergår i monohydrat (H,SO, konc) och dihydrat (H,SOX, varvid stora värmemängoder frigörs vid hög temperatur. Värmeutvecklingen i detta steg är beroende av tillförd värmeenergi i det första växlarsteget.

Som synes gäller här samma regel som i de andra processerna. Genom en kemisk reaktion övergår ånga i vätskeform och avger sitt upplagrade ångbildningsvärme.

När cen bildade svavelsyran avgivit sitt värmeinnehåll till värmeväxlaren, leds produkterna (koncentrerad resp utspädd svavelsyra) till en kemisk reaktor, där de möter en ström av järnoxid med vilken de reagerar kemiskt. Ferrisalter bildas, och dessa leds vidare till en desintegrator, där återbildning av järnoxid och flytande svaveltrioxid sker. Vattenångan avskiljs också, och leds tillbaka till processorsteg nummer 2.

Järnoxiden återbördas nu till den kemiska reaktorn, för att återuppta sitt arbete med svavelsyrorna, och den flytande svaveltrioxiden returneras till det första processteget för en ny uppvärmningsomgång.

Högtrycksångan återgår från turbinen — under förutsättning att den använts till elgenerering — i form av lågtrycksånga till en kondensor, där den kyls till vätskeform med hjälp av kylvatten från det första växlarsteget. Som synes rör det sig öven i detta fall om ett helt slutet system.

Som värmekälla föreslår uppfinnaren antingen naturligt värme som upptransformerats med hjälp av en ammoniak-koldioxidprocess, eller industriellt spillvärme, som håller den önskade temperaturnivån. Starkt exotermiska industriproceser av den typ, som planeras till exempel i Nynäshamn (det s k Nynäshamnskombinatet), skulle utgöra en idealisk energikälla för detta energiförädlingskoncept.

Ännu återstår många problem

Naturligtvis kommer uppfinnaren att få kämpa emot allehanda försök att sätta käppar i hjulet för honom — förutom de rent tekniska problem på materialsidan, som ännu återstår att lösa. Men det råder knappast några tvivel om, att det finns starka skäl att hålla ögonen på detta energisystem. Det kommer med största sannolikhet att låta tala om sig i framtiden

Claus Laurén 27