Oppfinnelsen angår metode for fordampning av væsker ved hjelp av varmepumpe, både for produksjon av fordampede væsker til industrielle eller andre tekniske formål, samt fordamping av væsker for destillering.

Fordampning av væsker er nødvendig i mange prosesser. Både ved produksjon av fordampede væsker som energibærere, hvor et typisk eksempel er produksjon av vanndamp, eller det er i destillasjonsprosesser der den mest kjente er produksjon av etanol fra en gjæret sukkeroppløsning med vann.

Damp av vann blir brukt til mange formål, ofte p.g.a. vannets termiske egenskaper med relativ høy varmekapasitet i alle tre faser, i tillegg til en relativ høy smelte-og fordampnings- varme. Det siste er også et av problemene med produksjon av vanndamp. Mye energi går med til å fordampe vann. Tradisjonelt har dette blitt gjort ved å varme opp vann i kjeler ved bruk av tradisjonelle energikilder som olje og gass, kull eller elektrisitet. Tidligere ble det også benyttet ved, slik som i de første damplokomotiver.

Ved hjelp av varmepumper er det mye energi å hente fra store energireservoarer som for eksempel elver, vann, sjø, luft, sol eller jordvarme. Problemet er at det er vanskelig å oppnå tilstrekkelig høy temperatur til å få vann til å fordampe. Vannet fordamper ved 100°C ved 1 atm. eller 101,3 kPa.

Av kjent teknologi finnes United States patentskrift US 4,345,971 Al (Watson) av 1982.08.24 om Destillasjon ved bruk av varmepumpe samt Tysk patentskrift DE 33 27 958 Al (Sasakura) av 1984.02.09 om Destillasjon av saltvann med hjelp av varmepumpe og United States patentskrift US 4,770,748 Al (Roncell) 1988.09.13 om Vakuum destillerings system.

Fordelen med gjeldende oppfinnelse ligger i utnyttelsen av den lavtemperatur-energi som en varmepumpe benytter.

Oppfinnelsen går ut på å kunne nyttegjøre den lavtemperaturvarme som en varmepumpe gir ved at man benytter kondensatordelen av varmepumpen (høytrykksiden) til å fordampe væsker ved et lavere trykk og derved ved en lavere fordampningstemperatur. Ved for eksempel å redusere trykket vann fordamper ved til 10kPa (ca 0,1 atm) vil fordampningstemperaturen synke til 45,8°C. De fleste kjølemedier på markedet har en maksimal kondenseringstemperatur på under eller rett over 100°C. Dette er en for lav temperatur til å fordampe vann ved atmosfæriske trykk.

Ved å redusere fordampningstrykket vil det være mulig å benytte en varmepumpe til å fordampe for eksempel vann under lavt trykk. For å kunne få damp ved høyere trykk og temperaturer må denne komprimeres videre etter fordampning. Fordelen med oppfinnelsen er at man tilfører energi fra et naturlig energireservoar til den mest energikrevende delen av dampproduksjonen som er faseovergangen fra væske til gass.

De samme problemer som beskrevet ovenfor oppstår også ved fordampning av væsker ved destillering. Typisk er produksjon av sprit i forskjellige varianter, men også når det gjelder andre destillasjonsprosesser, eller prosesser for utskillelse av væsker kan metoden ha anvendelse. Typisk for det siste er for eksempel utskillelse av oljeprodukter fra tjære- eller oljeholdig- sand.

Figur 1) er en skisse på et utførelseseksempel av oppfinnelsen hvor metoden er

eksemplifisert med destillering av en væske for uttak av to destillater.

Dette er varmepumpens lavtrykksside hvor varme- / kjøle- mediet varmes opp av et energireservoar og fordampes.

Her komprimeres varme- / kjøle- mediet til et høyere trykk og temperatur. Det siste for å kunne fordampe vannet eller væsken i neste trinn.

varme- / kjøle- mediet avkjøles og kondenseres av det vann eller de væsker som skal fordampes.

5 a,b,..)Varmepumpens eventuelle ekstra kjøleradiatorer til varme- / kjøle-mediet. (se pkt. 5' a,b,..)

Avhengig av driftsparametere og varme- / kjøle- mediets termiske egenskaper, vil det være mulig å utnytte varme- / kjøle- mediets energi i kondensert tilstand på høytrykkssiden til forvarming av vann eller væsker. For best å utnytte denne energien kan oppvarmingen gjøres i flere trinn. Det kan også være mulig å benytte denne energien til annen oppvarming som for eksempel av fabrikklokaler o.l.

til at varme- / kjøle- mediets fordampningstemperatur synker og varme- / kjøle- mediet begynner å fordampe i varmepumpens fordamper (2).

Dette er inntak for vann eller væske som skal fordampes, eller beholder(e) / kar med væsker som skal fordampes. 8) Eventuell fødepumpe eller mateanordning for vann eller væsker. Denne anordning kan være påkrevet i de tilfeller hvor det av forskjellige årsaker er store trykktap i tilførselsledning(er), eller hvor det av forskjellige årsaker er påkrevet å dosere inntaket av vann eller væsker.

5'a,b,..)Varmevekslere til forvarming av vann eller væsker som skal fordampes,

Avhengig av driftsparametere og varme- / kjøle- mediets termiske egenskaper, vil det være mulig å utnytte varme- / kjøle- mediets energi i kondensert tilstand på høytrykkssiden til forvarming av vann eller væsker. For best å utnytte denne energien kan oppvarmingen gjøres i flere trinn. 9) Eventuell trykkreduksjonsventil eller trykkreduserende anordning til fordampningstrykket for vann eller væsker.

For å fa et lavt nok trykk til at vann eller væsker fordamper kan man ha en trykkreduserende innretning på tilførselen. Alternativt kan oppvarmingen av vann eller væsker skje i en kolonne hvor man benytter vannets eller væskenes egenvekt og gravitasjonen som trykkreduserende innretning. Eller det kan benyttes en kombinasjon av disse metoder.

Dette er varmeveksleren hvor vann eller annen væske fordampes av varme- / kjøle- mediet på dettes høytrykksside. Vannet eller de væsker som skal fordampes er enten allerede varmet opp til fordampningstemperatur eller høyere i (5'a,b,...), eller blir det i første del av denne varmeveksleren. Vannet eller væskene fordampes under et tilstrekkelig lavt trykk.

Denne skaper det nødvendige undertrykk for at vann eller væsker kan fordampe i væskefordamperen (4'), samt at dampen komprimeres slik at den oppnår ønsket trykk til det formål den skal benyttes til videre. Denne fungerer eventuelt som kompressor i første trinn i en destillasjonsprosess.

Denne komprimerer eventuelt de fordampede produktene videre for neste varmeveksler som kjøler ned og skiller ut neste destillat.

Avhengig av hva og hvor mange bestanddeler som skal destilleres vil denne gjentas det nødvendige antall ganger for å få separert alle destillatene.

Dette er den første av eventuelt flere trinn med varmevekslere for enten å varme dampen videre opp, eller avkjøle den trinnvis i en destillasjonsprosess.

Dette er eventuelt annet trinn med varmevekslere. Denne er mest aktuell som et trinn i en destillasjonsprosess.

Dette er eventuelt det neste av flere trinn i en destillasjonsprosess. Dampen ledes inn på en eventuell ny kompressor, eller at etter siste trinn går resten av den fordampede væske til et utløp (18). Avhengig av hva og hvor mange bestanddeler som skal destilleres vil denne sammen med dampkompressor for flere trinn i destillasjonsprosess (10') gjentas det nødvendige antall ganger for å få separert alle destillatene.

Dette er eventuell avtappingsanordning for den eller de væsker eller produkter som ikke skal fordampes i en destillasjonsprosess. Om den væske som skal destilleres er saltvann, må nødvendigvis denne anordning kunne fjerne faste stoffer, så som salt også.

12') Avtappingsanordning for fordampede og rekondenserte restprodukter.

Dette er en eventuell avtapningsanordning for den eller de væsker som delvis fordamper i væskefordamperen (4'), men som det ikke er ønskelig å skille ut som egne destillater. Normalt vil denne ikke benyttes men at mellomtrinns varmeveksleren (11) utformes slik at de rekondenserte restprodukter vil renne tilbake i væskefordamperen (4'), og eventuelt tappes via avtappingsanordning (12).

Her tappes eventuelt det neste destillatet av. Avhengig av hva og hvor mange bestanddeler som skal destilleres, vil denne sammen med dampkompressor for flere trinn i destillasjonsprosess (10') og mellomtrinns varmeveksler (11") gjentas det nødvendige antall ganger for å fa separert alle destillatene.

Det er nødvendig med en pumpe eller annen anordning for å fjerne restprodukter fra prosessen. Dette for å opprettholde det nødvendige undertrykk som er nødvendig for fordampningen i væskefordamper (4').

Om avtappingsanordning (12') er montert som en del av mellomtrinns varmeveksler (11), er det nødvendig med en pumpe eller annen anordning for å fjerne restprodukter fra prosessen. Dette for å opprettholde det nødvendige undertrykk som er nødvendig for fordampningen.

Det er nødvendig med en pumpe for å tappe det første destillat fra prosessen. Dette for å opprettholde det riktige trykk som er nødvendig for destillasj onsprosessen.

Det er nødvendig med en pumpe for å tappe neste destillat. Dette for å opprettholde det riktige trykk som er nødvendig for prosessen. Avhengig av hva og hvor mange bestanddeler som skal destilleres, vil denne sammen med dampkompressor for flere trinn i destillasjonsprosess (10'), mellomtrinns varmeveksler (11") og avtappingsanordning for destillerte produkter (12'") gjentas det nødvendige antall ganger for å fa separert alle destillatene.

Denne benyttes i de tilfeller hvor eventuell pumpe og eller annen tømme-eller tappe- anordning (12 og 13) ikke kan dosere restproduktene nøyaktig nok til å opprettholde riktig fordampningstrykk i væskefordamper (4').

Denne benyttes i de tilfeller hvor eventuell pumpe og eller annen tømme-eller tappe- anordning (12' og 13') ikke kan dosere restproduktene nøyaktig nok til å opprettholde riktig fordampningstrykk i væskefordamper (4').

Denne benyttes i de tilfeller hvor eventuell pumpe og eller annen tømme-eller tappe- anordning (12" og 13") ikke kan dosere destillatet nøyaktig nok til å opprettholde riktig kondenseringstrykk i mellomtrinns varmeveksler (11').

Denne benyttes i de tilfeller hvor eventuell pumpe og eller annen tømme-eller tappe- anordning (12"' og 13"') ikke kan dosere destillatet nøyaktig nok til å opprettholde riktig kondenseirngstrykk i mellomtrinns varmeveksler (11"). Avhengig av hva og hvor mange bestanddeler som skal destilleres, vil denne sammen med dampkompressor for flere trinn i destillasjonsprosess (10'), mellomtrinns varmeveksler (11"), avtappingsanordning for destillerte produkter (12"') og pumpe for destillerte produkter (13"') gjentas det nødvendige antall ganger for å få separert alle destillatene.

Om restprodukter fra en destillasjonsprosess skal samles opp eller må behandles videre, vil det være nødvendig å samle det eller disse i en beholder. Ellers ledes disse direkte til et avløp.

Her samles neste destillat opp. Avhengig av hva og hvor mange bestanddeler som skal destilleres vil denne sammen med dampkompressor for flere trinn i destillasjonsprosess (10'), mellomtrinns varmeveksler (11"), avtappingsanordning for destillerte produkter (12"'), pumpe for destillerte produkter (13'") og eventuelt ventil (14'") gjentas det nødvendige antall ganger for å få separert alle destillatene.

16) Kjøle- eller varme- element til mellomtrinns varmeveksler, (se pkt. 11) Dette er kjøle- eller varme- elementet til eventuell mellomtrinns varmeveksler (11). Avhengig av bruksområde kan denne enten være den første del av varmepumpens kondensatordel (4) for å utnytte varme- / kjøle-mediets temperatur etter kompresjon. Da vil varmeveksler (11) bidra til å øke damptemperaturen for å unngå uønsket fuktighet i den fordampede væske. Alternativt kan dette kjøle- eller varme- element ha en egen krets for oppvarming eller avkjøling av den fordampede væske. Det siste er

aktuelt der mellomtrinns varmeveksler (11) er ett trinn i en destillasjonsprosess. Dette kjøle- eller varme- element kan da enten kobles sammen med varmeveksler (4) og (5a, 5b,...), for å bidra til forvarming og oppvarming av væsken i eventuelle forvarmere (5'a, 5'b,...) og væskefordamper (4'). Eller den kan danne en egen krets med en eller flere av disse. Det er også mulig å koble denne til ekstern(e) varmeveksler(e) for oppvarming eller avkjøling av andre formål.

16') Kjøle- eller varme- element til mellomtrinns varmeveksler, (se pkt. 11')

Dette er kjøle- eller varme- elementet til eventuell mellomtrinns varmeveksler (11'). Avhengig av bruksområde kan dette kjøle- eller varmeelement ha en egen krets for oppvarming eller avkjøling av den fordampede væske, eller være koblet sammen med kjøle- eller varme-elementet (16). Hvis dette kjøle- eller varme- elementet har en egen krets kan også dette kobles som beskrevet for kjøle- eller varme- element (16).

16'') Kjøle- eller varme- element til mellomtrinns varmeveksler, (se pkt. 11")

Dette er kjøle- eller varme- elementet til eventuell mellomtrinns varmeveksler (11"). Avhengig av bruksområde kan dette kjøle- eller varmeelement ha en egen krets for oppvarming eller avkjøling av den fordampede væske, eller være koblet sammen med kjøle- eller varme-elementet (16 og 16'). Kjøleelementene (16,16', 16",...) kan enten kobles i serie eller parallell, eller den kombinasjon som måtte passe til bruks-området. Hvis dette kjøle- eller varme- elementet har en egen krets kan også dette kobles som beskrevet for kjøle- eller varme- element (16). Avhengig av hva og hvor mange bestanddeler som skal destilleres vil dette elementet måtte gjentas det samme antall ganger som mellomtrinns varmeveksler (11") for å få separert alle destillatene.

For å få fordampet alle væskekomponenter som skal skilles ut fra en væskemengde ved destillering vil det være ønskelig med en nivåkontroll av væskemengden som fordampes. Dette kan gjøres ved å ha en anordning for nivåkontroll på utløpet av restproduktene. Nivåkontrollanordningen skal ikke være begrenset til en bestemt utforming, men utformes etter hva som er praktisk. I enklest form kan det være å plassere avtapningsanordning (12) i en bestemt posisjon i væskefordamper (4').

For en dampproduksjon har her dampen nådd nødvendig tilstand for videre bruk. Dampen vil ledes videre til den eller de prosesser den skal benyttes til. Ved en destillasjonsprosess vil dette være utløpet for den eller de komponenter som er for flyktig til å ha blitt kondensert tidligere, og som det ikke er ønskelig å skille ut som et kondensat.

19) Kjøleelement til beholder eller avløpsanordning(er) for restprodukter, (se pkt. 15)

Dette er eventuelt kjøleelement for restprodukter fra en destillasjonsprosess. Dette kjøleelement benyttes for å hente ut den varme som ble tilført restproduktene i væskefordamper (4'). Kjøleelementet kan enten kobles sammen med varmeveksler (4), (5a, 5b,...), for å bidra til forvarming og oppvarming / fordamping av væsken i eventuelle forvarmere (5'a, 5'b,...) og / eller væskefordamper (4'). Alternativt kobles til ekstern(e) varmeveksler(e) for oppvarming andre formål.

19') Kjøleelement til beholder eller tappeanordning for destillat, (se pkt. 15')

Dette er eventuelt kjøleelement for første destillat fra en destillasjonsprosess. Dette kjøleelement benyttes for å hente ut den restvarme som er igjen i destillatet etter kondensering i mellomtrinns varmeveksler (11').

(5a, 5b,...), for å bidra til forvarming og oppvarming / fordamping av væsken i eventuelle forvarmere (5'a, 5'b,...) og / eller væskefordamper (4'). Alternativt kobles som kjøleelement (19).

Dette er eventuelt kjøleelement for neste destillat fra en destillasjonsprosess. Dette kjøleelement benyttes for å hente ut den restvarme som er igjen i destillatet etter kondensering i mellomtrinns varmeveksler (11"). Kjøleelementet kan enten kobles sammen med varmeveksler (4),

(5a, 5b,...), for å bidra til forvarming og oppvarming / fordamping av væsken i eventuelle forvarmere (5'a, 5'b,...) og / eller væskefordamper (4'). Alternativt kobles som kjøleelement (19). Avhengig av hva og hvor mange bestanddeler som skal destilleres bør dette element gjentas det samme antall ganger som beholder for destillerte produkter (15").

Konfigurasjon av oppfinnelsen for ett typisk bruksområde basert på utførelseseksempel i Figur 1:

For ren dampproduksjon av vann vil varmepumpen være som beskrevet i pkt (1), (2), (3), (4), (5a), eventuelt (5b) for å utnytte varmeenergien optimalt, og (6). Vanninntaket (7) vil normalt være fra et reservoar eller drikkevannsnett. Avhengig av tilførselen vil pumpe (8) måtte benyttes eller kan være overflødig. For forvarming av vannet benyttes forvarmer (5'a). Eventuelt også (5'b) for å utnytte varmeenergien optimalt. Avhengig av høyden fra vanninntaket (7), eller eventuell pumpe (8) og til væskefordamperen (4') vil trykkreduksjonsventil (9) kunne være påkrevet for å sikre et lavt fordampningstrykk. Væskefordamperen (4') er der vannet fordampes. Mellomtrinns varmeveksler (11) sammen med kjøle- eller varme- element (16) kan benyttes for å oppnå tørrmettet damp inn på dampkompressor (10). Dampen går til utløp (18) for bruk i andre prosesser.