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Die folgende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einspeisung von Wärmeenergie in ein in einer lebensmitteltechnischen Prozessanlage zu verarbeitendes Prozessmittel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Wärmeversorgungssystem für eine lebensmitteltechnische Prozessanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.
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Bei der Lebensmittelproduktion und der Lebensmittelverarbeitung wird für unterschiedliche Prozessschritte Wärme benötigt, um ein zu verarbeitendes Prozessmittel auf eine hohe Temperatur, beispielsweise über 75°C oder sogar über 100°C zu erhitzen. Die Erwärmung des Prozessmittels auf dieses geforderte Temperaturniveau erfolgt herkömmlicherweise entweder unter Einsatz elektrischer Energie oder unter Verwendung fossiler Brennstoffe.
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Unter dem Begriff „Prozessmittel“ wird in diesem Dokument ein Stoff verstanden, der bei der Lebensmittelherstellung oder -verarbeitung zu einem Bestandteil des Lebensmittels mit verarbeitet wird. Bei der Getränkeherstellung in einem Brauprozess sind beispielsweise die Maische, die Würze, das Brauwasser und das Brauchwasser Prozessmittel im Sinne dieser Erfindung. Bei der Milchverarbeitung gehören beispielsweise die Milch und die Molke zu Prozessmitteln im Sinne der Erfindung.
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Bei der Lebensmittelherstellung und der Lebensmittelverarbeitung fällt zudem Abwärme an, deren Temperaturniveau jedoch deutlich unter dem für das Prozessmittel geforderten Temperaturniveau liegt und die daher nicht dafür genutzt werden kann, das Prozessmittel auf die geforderten Temperaturen zu bringen. Diese Abwärme wird daher häufig an die Umgebung abgegeben und nicht für den Prozess der Lebensmittelherstellung oder -verarbeitung genutzt.
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Doch selbst dann wenn diese Abwärme zur Vorwärmung des Prozessmittels oder eines Heizmediums für das Prozessmittel verwendet wird, bedarf es einer zusätzlichen Heizvorrichtung, um das geforderte Temperaturniveau zu erreichen. Auch dann, wenn das Heizmedium in einem Kreislauf geführt wird, ist die Rücklauftemperatur des Heizmediums in diesem Kreislauf höher als die Temperatur des Abwärmewassers, weshalb auch bei einem Heizmedium-Kreislauf eine - elektrische oder fossile - Heizeinrichtung vorgesehen ist.
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Bei der bekannten Brüdenverdichtung werden die Brüden (Dämpfe) bei der Würzekochung von einem Temperaturniveau von ca. 100°C entweder über ein Gebläse, zum Beispiel ein Rootsgebläse, oder über eine thermische Dampfinjektion auf ein höheres thermisches Energieniveau (zum Beispiel 125°C) gebracht um diesen „überhitzen Dampf“ dann direkt als Heizmedium in den Heizzonen zu verwenden.
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Aus der
DE 31 47 620 C2 ist ein Verfahren zum diskontinuierlichen Bierwürzekochen bekannt, bei welchem die Energie der beim Kochen erzeugten Schwaden in einem Wärmetauscher für die Warmwassererzeugung genutzt wird.
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Weiterhin wird die in den Schwaden enthaltene Wärmeenergie über einen zweiten Wärmetauscher an bereits erwärmtes Brauwasser abgegeben, welches dadurch zusätzlich aufgeheizt wird. Mittels dieses Wärmeaustauschprozesses können jedoch nur Temperaturen im Sekundärmedium, also im Brauwasser, erzielt werden, die niedriger oder allenfalls genauso hoch sind wie die des in den Wärmetauscher eingeleiteten Primärmediums.
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Aus der
WO 2011/076410 A1 ist ein Verfahren zum Rückgewinnen von Energie aus heißer Würze oder heißer Maische in einer Bierbrauerei bekannt, bei welchem die beim Abkühlen der Würze oder Maische frei werdende Wärme mittels Wärmetauschern an mindestens einen Wärmeverbraucher der Brauerei abgegeben wird. Auch bei diesem Verfahren kann das aus dem Wärmetauscher ausströmende Sekundärmedium maximal die Temperatur des in den Wärmetauscher einströmenden Primärmediums erreichen.
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Aus der
DE 10 2007 003 976 A1 ist eine Pasteurisierungsvorrichtung mit integrierter Wärmepumpe bekannt. Diese Pasteurisierungsvorrichtung dient zur thermischen Behandlung von in verschlossenen Behältern vorliegenden Flüssigkeiten. Sie ist mit einer Wärmepumpe versehen, die auf ihrer kalten Seite von einem Kühlwasserrücklauf aus der Flaschenkühlung gespeist wird und die auf der warmen Seite von einem Rücklauf aus der wärmeren Pasteurisierungszone der Vorrichtung gespeist wird. Dabei wird dieses aus der Pasteurisierungszone zugeführte warme Wasser durch die Wärmepumpe weiter erwärmt und erneut der Pasteurisierungszone zugeführt, während dem auf der kalten Seite der Wärmepumpe zugeführten rücklaufenden Kühlwasser die Wärme entzogen und das dadurch abgekühlte Kühlwasser wieder dem Kühlbereich der Pasteurisierungsvorrichtung zurückgeführt wird. Sowohl im Pasteurisierungsbereich als auch im Kühlbereich der Pasteurisierungsvorrichtung wird das entsprechende zugeführte Wasser mittels einer Berieselungsvorrichtung über die dort hindurch transportierten Flüssigkeitsbehälter gesprüht. Sowohl der kaltseitige Flüssigkeitsstrom als auch der warmseitige Flüssigkeitsstrom der Wärmepumpe bilden einen offenen Kreislauf, der unter Umgebungsdruck steht.
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Aus der
DD 136 796 A1 ist ein Verfahren zum Kochen und Kühlen von Würze bekannt. Bei diesem Verfahren wird der aus einem Würzekocher austretende heiße Brüdendampf mittels eines allgemein bekannte Brüdenverdichters auf ein höheres Temperaturniveau gebracht und dem Prozess wieder zugeführt, also zurück in den Würzekocher geleitet.
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Die
DE 10 2005 029 048 B4 betrifft eine Luftwärmepumpenheizung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Luftwärmepumpenheizung. Dort wird ein Heizmedium mittels einer Wärmepumpe erwärmt, indem in einem kaltseitigen Wärmetauscher Wärmeenergie aus einem Kaltwasserbereich eines Schichtwärmespeichers entzogen wird.
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Die
DE 41 19 257 A1 zeigt und beschreibt eine Hochtemperaturwärmepumpe, mit der sekundärseitig Temperaturen von über 100 °C erzielbar sind. Primärseitig wird ein Abwärme-Fluid im Temperaturbereich von etwa 25 °C bis 100 °C oder Dampf von etwa 100 °C bis 160 °C genutzt. Als Anwendungsgebiet einer derartigen Wärmepumpe wird die industrielle Wärmerückgewinnung u.a. in der Brauereiindustrie angegeben.
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Aus der Literatur (Eder, W.; Moser F.: „Die Wärmepumpe in der Verfahrenstechnik“, Wien, Springer, 1979. Seite 56) ist ebenfalls eine Hochtemperatur-Wärmepumpe bekannt, die sekundärseitig im Temperaturbereich von 80 °C bis 120 °C einsetzbar ist.
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Die
DE 20 2009 006 988 U1 zeigt und beschreibt eine Warmwasserversorgungsanlage mit einem Warmwasserspeicher, der als Schichtwärmespeicher ausgebildet ist. Ein Heizwärmeerzeuger einer Heizungsanlage ist mittels einer Warmwasser-Austrittsleitung mit dem oberen Bereich des Schichtwärmespeichers verbunden und besitzt einen Kaltwasserzulauf, der über eine Kaltwasserzulaufleitung mit dem unteren Teil des Schichtwärmespeichers verbunden ist. Mittels dieses Wärmeerzeugers ist es daher möglich, den Schichtwärmespeicher mit Heißwasser bzw. Warmwasser zu versorgen. Der Schichtwärmespeicher ist über seine Höhe mit einer Mehrzahl von Sensoren versehen, mittels derer das Temperaturprofil über die Höhe des Schichtwärmespeichers erfassbar ist. Des Weiteren ist eine Warmwasser-Zirkulationsleitung vorgesehen, die eine Mehrzahl von Entnahmestellen aufweist. In die Zirkulationsleitung ist eine Wärmepumpe integriert, die das durch die Zirkulationsleitung geflossene und somit abgekühlte Wasser wieder erhitzt und durch den Warmwasserteil der Zirkulationsleitung wieder zu den Zapfstellen führt. Die Zirkulationsleitung ist über eine Warmwasserleitung mit dem oberen Teil des Schichtwärmespeichers verbunden, so dass Warmwasser aus dem Schichtwärmespeicher ebenfalls in die Zirkulationsleitung eingeleitet werden kann. Über eine weitere Leitung, die im oberen Bereich des Schichtwärmespeichers an diesen angeschlossen ist, kann von der Wärmepumpe erhitztes Warmwasser in den Schichtwärmespeicher geleitet werden.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Einspeisung von Wärmeenergie in ein in einer lebensmitteltechnischen Prozessanlage zu verarbeitendes Prozessmittel anzugeben, bei welchem die Kosten für den Energieeintrag deutlich reduziert sind. Des Weiteren ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein für ein derartiges Verfahren geeignetes Wärmeversorgungssystem anzugeben.
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Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Einspeisung von Wärmeenergie in ein in einer lebensmitteltechnischen Prozessanlage zu verarbeitendes Prozessmittel, wobei einem Niedertemperatur-Fluidstrom mittels einer Wärmepumpe thermische Energie entzogen wird, wobei die Wärmepumpe die entzogene thermische Energie über ein Heizmedium an das Prozessmittel überträgt, wobei zur Übertragung der thermischen Energie auf das Prozessmittel ein Hochtemperatur-Fluidstrom als Heizmedium vorgesehen ist, der in der Wärmepumpe thermische Energie aufnimmt und der thermische Energie in einem Prozesswärmetauscher an das Prozessmittel abgibt, und wobei der Hochtemperatur-Fluidstrom unter Überdruck steht und durch die Wärmepumpe auf eine Temperatur von über 90 °C erhitzt wird, zeichnet sich dadurch aus, dass das Fluid des Hochtemperatur-Fluidstroms in einem Kreislauf geführt wird, dessen Vorlauf zur lebensmitteltechnischen Prozessanlage hin führt und dessen Rücklauf von der lebensmitteltechnischen Prozessanlage zur Wärmepumpe zurück führt, dass das Fluid des Hochtemperatur-Fluidstroms und das Fluid des Niedertemperatur-Fluidstroms vor dem Einleiten in die Wärmepumpe in einen als Schichtwärmespeicher ausgebildeten Speicher eingeleitet und dort zwischengespeichert werden, wobei sowohl das Fluid des Hochtemperatur-Fluidstroms als auch das Fluid des Niedertemperatur-Fluidstroms entsprechend ihrer Zulauftemperatur in den als Schichtspeicher ausgebildeten Speicher eingeleitet werden und wobei das jeweils in die Wärmepumpe eingeleitete Fluid aus einer entsprechenden Schicht des Schichtspeichers entnommen wird.
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Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird dem Niedertemperatur-Fluidstrom mittels einer Wärmepumpe thermische Energie entzogen, die von der Wärmepumpe an das Prozessmittel übertragen wird und dieses so erhitzt. Zur Übertragung der thermischen Energie auf das Prozessmittel ist ein Hochtemperatur-Fluidstrom als Heizmedium vorgesehen, der in der Wärmepumpe thermische Energie aufnimmt und der thermische Energie in einem Prozesswärmetauscher an das Prozessmittel abgibt. Das Prozessmittel wird folglich nicht selbst durch die Wärmepumpe geleitet, sondern das Heizmdium wird in der Wärmepumpe erhitzt und gibt einen Teil seiner thermischen Energie im Prozesswärmetauscher an das Prozessmittel ab.
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Der Hochtemperatur-Fluidstrom ist als Kreislauf, zum Beispiel als Warmwasserkreislauf, ausgebildet, dessen Vorlauf zur lebensmitteltechnischen Prozessanlage hinführt und dessen Rücklauf von der lebensmitteltechnischen Prozessanlage zur Wärmepumpe zurück führt. Auf diese Weise wird auch die von der lebensmitteltechnischen Prozessanlage mit dem Hochtemperatur-Fluidstrom zurückgeführte Wärme wiederverwendet.
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Der Hochtemperatur-Fluidstrom steht unter Überdruck und wird durch die Wärmepumpe auf eine Temperatur von über 90°C erhitzt.
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Beim Verfahren der Erfindung wird die Temperatur des Niedertemperatur-Fluidstroms abgesenkt und dieser kann dann mit niedrigerer Temperatur in einem Kreislauf wieder zu jenen Prozessstufen oder Aggregaten zurückgeführt werden, in denen Wärmeenergie abgegeben wird. Das überschüssige Wärme des Niedertemperatur-Fluidstroms muss somit nicht mehr - wie dies bislang häufig der Fall ist - entsorgt werden, wodurch nicht nur die Energieeffizienz der gesamten Anlage erhöht wird, sondern, wenn der Niedertemperatur-Fluidstrom ein Kühlwasserstrom ist, beispielsweise auch der Kühlwasserverbrauch spürbar herabgesetzt wird.
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Das Fluid des Hochtemperatur-Fluidstroms und das Fluid des Niedertemperatur-Fluidstroms werden vor dem Einleiten in die Wärmepumpe in einen zugeordneten Speicher eingeleitet. Hierdurch werden sowohl eine Fluidpufferung als auch eine Wärmepufferung erzielt. Der Speicher ist als Schichtspeicher ausgebildet, in den sowohl das Fluid des Hochtemperatur-Fluidstroms als auch das Wasser des Niedertemperatur-Fluidstroms entsprechend ihrer Zulauftemperatur eingeleitet werden. Dabei wird das jeweils in die Wärmepumpe eingeleitete Fluid aus einer entsprechenden Schicht des Schichtspeichers entnommen. Diese Ausgestaltung des Speichers als Schichtspeicher mit einer Mehrzahl von Fluideintritts- und Fluidaustrittsanschlüssen, die unterschiedlichen Höhenniveaus des Schichtspeichers zugeordnet sind, ermöglicht es, die Zulauftemperatur für die Wärmepumpe durch Selektion des Fluidaustrittsanschlusses auszuwählen, wodurch ein zusätzlicher Regelungsparameter für den Betrieb der Wärmepumpe zur Verfügung steht.
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Weiterhin ist die Belastung der Umwelt gegenüber einer Einleitung von warmem Wasser in beispielsweise Flüsse und/oder der Wärmeabgabe an die Umgebungsluft ebenfalls deutlich herabgesetzt. Als Fluid im Niedertemperatur-Fluidstrom kann auch ein Gas, beispielsweise Warmluft als Abluft von Anlagen, vorgesehen sein. Die Wärmepumpe kann dann beispielsweise eine Luft/Wasser-Wärmepumpe sein. Die dabei genutzte Abluft kann zum Beispiel die Abluft einer Kälteanlage, die Abgas-Abwärme einer Verbrennungsanlage oder einer Brennkraftmaschine oder die Restwärme einer Sterlingmaschine sein. Auch kann die Abwärme einer Grünmalzkühlung oder die Därrluft in einer Mälzerei genutzt werden.
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Durch das Vorsehen und den Einsatz der Wärmepumpe wird es möglich, die Wärmeenergie des Niedertemperatur-Fluidstroms, dessen Temperatur unterhalb der Eintrittstemperatur des Prozessmittels oder eines als Heizmedium für das Prozessmittel dienenden Hochtemperatur-Fluidstroms liegt, zu nutzen, um das Prozessmittel oder den Hochtemperatur-Fluidstrom weiter zu erhitzen. Mit den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist dies nicht möglich, denn dort kann sekundärseitig in einem Wärmetauscher nur ein Medium erhitzt werden, dessen Temperatur geringer ist als die des primärseitig in den Wärmetauscher eingeleiteten Wärme abgebenden Mediums.
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Die Wärmepumpe gemäß der Erfindung arbeitet nach dem Prinzip des Carnotschen Kälteprozesses. Dabei wird ein Kältemittel verdampft und verflüssigt, wobei bei der Erfindung bevorzugt Kältemittel und Kompressoren eingesetzt werden, die in einem höheren Temperaturbereich arbeiten können und so die Erhitzung des Wärmeübertragungsmittels auf Temperaturen von mehr als 100°C ermöglichen. Ein dafür geeignetes Kältemittel ist beispielsweise Propan.
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Vorteilhafterweise wird der Hochtemperatur-Fluidstrom durch die Wärmepumpe auf eine Temperatur von über 100°C, erhitzt. Der Hochtemperatur-Fluidstrom kann somit direkt oder indirekt zur sterilisierenden Wirkung eingesetzt werden; auch kann damit eine Eindampfung des Prozessfluids in einem atmosphärischen Verdampfungsprozess durchgeführt werden.
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Es ist besonders von Vorteil, wenn sowohl die Temperatur des Rücklaufs als auch die Temperatur des Vorlaufs des im Kreislauf fließenden Hochtemperatur-Fluidstroms über 100°C beträgt. Dadurch wird die in vielen lebensmitteltechnischen Prozessen geforderte keimtötende Wirkung des Prozessmittels gewährleistet. Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren direkt oder indirekt in vielen Branchen wie zum Beispiel bei der Lebenmittelherstellung und -verarbeitung oder in der Pharmaindustrie unter anderem zumindest begleitend zur Reduzierung der Keimzahl in Flüssigkeiten eingesetzt werden.
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In einer vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Niedertemperatur-Fluidstrom ein Kühlfluidstrom, insbesondere ein Kühlfluidkreislauf, der lebensmitteltechnischen Prozessanlage oder von dieser zugeordneten Hilfsaggregaten. Das Kühlfluid kann zum Beispiel Wasser sein oder vorwiegend daraus bestehen. Auf diese Weise kann die Abwärme von in der Lebensmittelindustrie vielfach eingesetzten Kühlanlagen zur Aufheizung des Hochtemperatur-Fluidstroms verwendet werden und wird nicht nutzlos an die Umgebung abgegeben.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn der Niedertemperatur-Fluidstrom ein Heizungsfluidstrom, vorzugsweise ein Solarwärmefluidstrom oder ein Fernwärmefluidstrom, ist. Häufig steht in der Nähe von lebensmitteltechnischen Prozessanlagen Solarwärme oder Fernwärme, beispielsweise Geothermiewärme, zur Verfügung, die aber keine ausreichend hohe Temperatur für die Verwendung als Hochtemperaturfluidwärme liefert. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann diese Solar- oder Fernwärme hingegen zur Aufheizung des Hochtemperatur-Fluidstroms herangezogen werden.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn der Niedertemperatur-Fluidstrom als Kreislauf, vorzugsweise als Warmwasserkreislauf, ausgebildet ist. Dies ist grundsätzlich dann sinnvoll, wenn der Niedertemperatur-Fluidkreislauf beispielsweise einen Kühlfluidkreislauf, wie einen Kühlwasserkreislauf, der lebensmitteltechnischen Prozessanlage oder von dieser zugeordneten Hilfsaggregaten bildet oder einen solchen aufweist. Durch diese Kreislaufführung wird erreicht, dass kein unnötiger Wärmeverlust beispielsweise durch Abfließen von warmem Abwasser verloren geht.
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Es ist von Vorteil, wenn die Temperatur des zur Wärmepumpe strömenden Fluids im Niedertemperatur-Fluidstrom zwischen 50°C und 105°C, vorzugsweise zwischen 65°C und 80°C, liegt und weiter vorzugsweise 80°C beträgt. Eine derartige Temperatur von bis zu etwa 105°C, vorzugsweise bis etwa 80°C, gewährleistet, dass ausreichend Wärmeenergie im Niedertemperatur-Fluidstrom zur Verfügung steht, um bei vertretbarem Leistungsaufwand der Wärmepumpe die gewünschte Aufheizung des dortigen sekundärseitigen Fluidstroms (Prozessmedium oder Hochtemperatur-Fluidstrom) erreichen zu können. Generell gilt: je höher die Temperatur des Niedertemperatur-Fluidstrom ist, desto höher ist der Wirkungsgrad der Wärmepumpe.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Wärmeversorgungssystem einer lebensmitteltechnischen Prozessanlage, das gemäß Anspruch 10 ausgestaltet ist, so dass mit ihm das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Wärmeversorgungssystems sind in den Ansprüchen 11 und 12 angegeben.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt:
- 1 eine erste Variante eines beispielhaften Prozessschemas eines erfindungsgemäßen Wärmeversorgungssystems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
- 2 ein zweites beispielhaftes Prozessschema eines erfindungsgemäßen Wärmeversorgungssystems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt ein Prozessschaubild eines Wärmeversorgungssystems (ausgestaltet als Warmwasserversorgungssystem) für eine lebensmitteltechnische Prozessanlage gemäß der vorliegenden Erfindung in einer ersten Variante. Als lebensmitteltechnische Prozessanlage 2 ist hier beispielhaft als Symbol das Sudhaus einer Brauerei dargestellt. Mittels des erfindungsgemäßen Wärmeversorgungssystems wird ein in der lebensmitteltechnischen Prozessanlage 2 zu verarbeitendes Prozessmittel 22 (beispielsweise, Würze, Maische oder Brauwasser) erhitzt.
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Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf Brauereien beschränkt, sondern beispielsweise auch in Molkereien oder in anderen lebensmitteltechnischen Prozessanlagen, beispielsweise zur Verarbeitung von Tiefkühlkost, einsetzbar.
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Einem Prozesswärmetauscher 20 der lebensmitteltechnischen Prozessanlage 2 wird über eine erste Zulaufleitung 10 eines Hochtemperatur-Fluidstroms 1, der im gezeigten Beispiel als Hochtemperatur-Wasserkreislauf dargestellt ist, Heizfluid, beispielsweise Heißwasser, zugeführt, das eine Temperatur von etwa 120°C aufweist. Das Heizfluid wird aus dem Prozesswärmetauscher 20 durch eine Ablaufleitung 12 aus der lebensmitteltechnischen Prozessanlage 2 abgeführt. Die Temperatur dieses abgeführten Heizfluids ist deutlich geringer als die Temperatur des zugeführten Heizfluids und beträgt beispielsweise nur noch 105°C.
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Das gezeigte und als Warmwasserversorgungssystem ausgebildete Wärmeversorgungssystem mit Warmwasser als Heizfluid weist weiterhin einen als Warmwasserspeicher ausgebildeten Speicher 5 auf, der im gezeigten Beispiel als Schichtwasserspeicher ausgestaltet ist. Der Warmwasserspeicher 5 ist über seine Höhe mit einer Vielzahl von Zulaufventilen 51, 52, 53, 54, 55, 56 und Ablaufventilen 51', 52', 53', 54', 55', 56' versehen. Durch diese Ventile kann jeweils eine Fluidverbindung von außen zu einem bestimmten Füllniveau des Schichtwasserspeichers, also zu einer bestimmten Temperaturschicht hergestellt werden.
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Die Zulaufventile und die Ablaufventile sind jeweils als automatisierte Ventile (Zum Beispiel Magnetventile, motorelektrische Ventile oder pneumatische Ventile) ausgebildet und stehen über (nicht gezeigte) elektrische Verbindungsleitungen mit einer zentralen Steuerungseinrichtung 7 in Verbindung.
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Sowohl die Zulaufventile als auch die Ablaufventile des Warmwasserspeichers 5 sind in zwei Gruppen, einer oberen Gruppe und einer unteren Gruppe, angeordnet. Die obere Gruppe der Zulaufventile 51, 52, 53 steht eingangsseitig mit der vom Prozesswärmetauscher der lebensmitteltechnischen Prozessanlage 2 kommenden Ablaufleitung 12 in Fluidverbindung. Ein in der Ablaufleitung 12 vorgesehener Temperatursensor 120 misst die Temperatur des in der Ablaufleitung 12 fließenden Wassers und überträgt ein entsprechendes Temperatursignal an die zentrale Steuerungseinrichtung.
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Auch im Inneren des Warmwasserspeichers 5 sind eine Vielzahl von Temperatursensoren 51", 52", 53", 54", 55", 56" über dessen Höhe so verteilt angeordnet, dass sie die Temperatur der Wasserschichtung im Bereich der zugeordneten Zuläufe und Abläufe erfassen. Auch die Signale dieser Temperatursensoren 51", 52", 53", 54", 55", 56" im Warmwasserspeicher 5 werden an die zentrale Steuerungseinrichtung 7 übertragen. Die zentrale Steuerungseinrichtung 7 hat folglich Kenntnis über die Temperaturschichtung im Warmwasserspeicher 5.
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In Abhängigkeit von dieser ermittelten Temperaturschichtung im Warmwasserspeicher 5 wird dann das der Ablaufleitung zugeordneten Ventil aus der ersten Zulaufventilgruppe 51, 52, 53 geöffnet, welches jener Temperaturschicht im Warmwasserspeicher 5 zugeordnet ist, deren Temperatur der vom Temperatursensor 120 in der Ablaufleitung 12 gemessenen Temperatur am nächsten kommt. Das aus dem Prozesswärmetauscher 20 der lebensmitteltechnischen Prozessanlage 2 rücklaufende Warmwasser wird somit durch einen derart geeigneten Zulauf in den Warmwasserspeicher 5 eingeleitet, dass die Temperaturschichtung im Warmwasserspeicher 5 durch das aus der Ablaufleitung 12 zugeführte Wasser möglichst wenig durch thermische Konvektion verwirbelt wird.
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Eine weitere Gruppe von Zulaufventilen 54, 55, 56 ist in gleicher Weise am Warmwasserspeicher 5 unterhalb der ersten Gruppe der Zulaufventile angeordnet. Die Ventile dieser zweiten Gruppe von Zulaufventilen sind somit niedrigeren Temperaturniveaus zugeordnet als die Ventile der ersten Gruppe.
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Die zweite Gruppe der Zulaufventile 54, 55, 56 steht eingangsseitig mit einer Niedertemperatur-Zulaufleitung 32 eines Niedertemperatur-Fluidstroms 3 in Verbindung, die mit einem Temperatursensor 320 versehen ist, der ebenfalls in Signalübertragungsverbindung mit der zentralen Steuerungseinrichtung 7 steht. Durch die Niedertemperatur-Zulaufleitung wird Warmwasser durch das entsprechend der Temperatur dieses Wassers zugeordnete Ventil 54, 55, 56 in den Warmwasserspeicher 5 eingeleitet. Die Temperatur des in der Niedertemperatur-Zulaufleitung 32 fließenden Wassers ist niedriger als die Temperatur des in der Ablaufleitung 12 von der lebensmitteltechnischen Prozessanlage 2 zurücklaufenden Wassers. Die Temperatur des durch die Niedertemperatur-Zulaufleitung 32 in den Warmwasserspeicher 5 zugeführten Warmwassers liegt beispielsweise im Bereich zwischen 65°C und 80°C.
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Dieses durch die Niedertemperatur-Zulaufleitung 32 zugeführte Warmwasser entstammt beispielsweise dem Wärmetauscher 6 einer in 1 nur schematisch dargestellten Kälteanlage. Diese Kälteanlage kann beispielsweise eine Kälteanlage sein, die unmittelbar in der lebensmitteltechnischen Prozessanlage 2 vorgesehen ist, sie kann aber auch eine Kälteanlage eines nachgeordneten Kühlhauses zur Aufbewahrung der hergestellten Lebensmittel sein.
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Zudem ist es ebenfalls möglich, Abwärmewasser aus einer Mehrzahl von unterschiedlichen Wärmetauscherquellen in die Niedertemperatur-Zulaufleitung 32 einzuleiten. Auch können eine oder mehrere Niedertemperatur-Zulaufleitungen vorgesehen sein, die in äquivalenter Weise wie die Zulaufleitung 32 an den Warmwasserspeicher 5 angeschlossen werden und die aus unterschiedlichen Abwärmequellen gespeist werden.
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Weitere Warmwasserströme, die über die Niedertemperatur-Zulaufleitung 32 oder weitere Niedertemperatur-Zulaufleitungen in den Warmwasserspeicher 5 eingeleitet werden können, entstammen beispielsweise einer externen Wärmequelle wie einer Solarenergieanlage oder einer Fernwärmequelle.
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Sekundärseitig ist der Warmwasserspeicher 5 ebenfalls mit zwei Gruppen von Auslassventilen, einer oberen, ersten Auslassventilgruppe 51', 52', 53' und einer unteren, zweiten Auslassventilgruppe 54', 55', 56' versehen.
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Die erste Gruppe der Auslassventile 51', 52', 53' ist einer zu einer Wärmepumpe 4 führenden ersten Zuführleitung 14 zugeordnet, wobei die Auslässe der Ventile 51', 52', 53' in die erste Zuführleitung 14 münden. Die erste Zuführleitung 14 ihrerseits mündet in den Hochtemperaturabschnitt 40 der Wärmepumpe 4.
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Die Wärmepumpe 4 arbeitet in der dem Fachmann bekannten Weise nach dem Carnotschen Kälteprozess, bei dem ein Medium (zum Beispiel ein Kältegas) verdampft und verflüssigt wird.
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Eine erste Abflussleitung 16 der Wärmepumpe 4 ist ebenfalls dem Hochtemperaturabschnitt 40 der Wärmepumpe 4 zugeordnet und leitet in der Wärmepumpe 4 erhitztes Wasser zu einem oberen Einlass 50' des Warmwasserspeichers 5, der oberhalb der Ventile gelegen ist und damit der Wasserschicht mit der höchsten Temperatur im Warmwasserspeicher 5 zugeordnet ist. Ebenfalls dieser Schicht mit der höchsten Temperatur ist der oberste Wasserauslauf 50 des Warmwasserspeicher 5 zugeordnet, an den die zum Prozesswärmetauscher 20 der lebensmitteltechnischen Prozessanlage 2 führende Zulaufleitung 10 angeschlossen ist.
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Der Hochtemperatur-Nutzwasserstrom 1 fließt somit in einem Kreislauf aus dem Hochtemperaturabschnitt 40 der Wärmepumpe 4 durch die Zulaufleitung 10 in die lebensmitteltechnische Prozessanlage 2, aus dieser durch die Ablaufleitung 12 wieder in den Warmwasserspeicher 5 zurück, jedoch in eine Schicht von niedrigerer Temperatur, von dort durch die erste Zuführleitung 14 in die Wärmepumpe 4 und aus dieser wieder durch die erste Abflussleitung 16 zurück in den Warmwasserspeicher 5.
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Die untere Gruppe der Auslassventile 54', 55', 56' des Warmwasserspeichers 5 ist mit einer zweiten Zuführleitung 34 verbunden, die zu einem Niedertemperaturabschnitt 42 der Wärmepumpe 4 führt. Aus diesem Niedertemperaturabschnitt 42 der Wärmepumpe 4 wird das durch die zweite Zuführleitung 34 zugeführte und in der Wärmepumpe 4 abgekühlte Wasser durch eine zweite Abflussleitung 36 zurück zum Warmwasserspeicher 5 geführt und dort durch einen unteren Einlass 57' eingeleitet und bildet dort die unterste Temperaturschicht mit der niedrigsten Temperatur. Aus dieser untersten Temperaturschicht wird über einen unteren Ablaufanschluss 57 Wasser der niedrigsten Temperatur durch eine Rücklaufleitung 38 zum Wärmetauscher 6 zurückgeführt.
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Der als Niedertemperatur-Wasserstrom ausgebildete Niedertemperatur-Fluidstrom 3, der durch die Niedertemperatur-Zulaufleitung 32 dem Warmwasserspeicher 5 zugeführt wird, fließt somit durch die zweite Zuführleitung 34 in den Niedertemperaturabschnitt 42 der Wärmepumpe 4, von dort durch die Abflussleitung 36 zurück zur untersten Temperaturschicht des Speichers 5 und aus diesem durch die Niedertemperatur-Rücklaufleitung 38 zurück zum Wärmetauscher 6.
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In der Wärmepumpe 4 wird dem durch die Leitung 34 in den Niedertemperatur-Abschnitt 42 zugeführten Wasser des Niedertemperatur-Wasserstroms 3 Wärme entzogen und dem durch die Leitung 14 in den Hochtemperaturabschnitt 40 der Wärmepumpe 4 einströmenden Wasser des Hochtemperatur-Nutzwasserstroms 1 zugeführt, der dadurch auf die Zieltemperatur (beispielsweise 120°C) aufgeheizt wird, die höher ist als die Temperatur des Niedertemperatur-Wasserstroms 3.
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Das dabei in der Wärmepumpe 4 abgekühlte Wasser des Niedertemperatur-Wasserstroms 3 wird zu den Wärmequellen (beispielsweise Wärmetauscher 6) zurückgeführt und dort wieder erwärmt.
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Auf diese Weise wird die in einer lebensmitteltechnischen Prozessanlage 2 oder in anderen Hilfsaggregaten einer lebensmitteltechnischen Fertigungs- oder Lagerstätte anfallende Abwärme benutzt, um das für den eigentlichen lebensmitteltechnischen Prozess erforderliche Nutzwasser auf die dort geforderten hohen Temperaturen aufzuheizen. Im Idealfall bedarf es somit in dem das erfindungsgemäße Verfahren realisierenden Warmwasserversorgungssystem keiner zusätzlichen elektrischen oder fossilen Heizeinrichtung für das Nutzwasser.
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In 2 ist eine geringfügig abgewandelte Variante des erfindungsgemäßen Warmwasserversorgungssystems dargestellt, bei der anstelle eines einzelnen Warmwasserspeichers zwei separate Warmwasserspeicher 5', 5" vorgesehen sind, von denen einer (5') dem Hochtemperatur-Nutzwasserstrom 1 zugeordnet ist und wobei der andere (5") dem Niedertemperatur-Wasserstrom 3 zugeordnet ist. Die beiden Warmwasserspeicher 5', 5" können entweder als einfache Warmwasserspeicher ausgebildet sein oder auch als Schichtwärmespeicher, wie dies in Zusammenhang mit der 1 in Bezug auf den dort gezeigten Warmwasserspeicher 5 beschrieben worden ist.
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Die in 2 gezeigte Variante besitzt den Vorteil, dass der Hochtemperatur-Nutzwasserstrom 1 vollständig vom Niedertemperatur-Wasserstrom 3 entkoppelt ist, so dass das in der lebensmitteltechnischen Prozessanlage 2 verwendete Wasser des Hochtemperatur-Nutzwasserstroms 1 sich nicht mit dem Wasser des Niedertemperatur-Wasserstroms 3 vermischen kann.
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Grundsätzlich ist es selbstverständlich möglich, auch einen der beiden Warmwasserspeicher 5', 5" oder gar beide Warmwasserspeicher entfallen zu lassen und den Hochtemperatur-Nutzwasserstrom 1 und/oder den Niedertemperatur-Wasserstrom 3 unmittelbar und ohne Pufferung in einem Warmwasserspeicher durch die Wärmepumpe 4 fließen zu lassen. In diesem Fall ist die Wärmepumpe zwar größer auszulegen, aber es kann auf einen oder beiden Warmwasserspeicher, die als Energiespeicher dienen und die bevorzugt überdruckfest sind, verzichtet werden, wodurch die Kosten einer erfindungsgemäßen Anlage gegenüber den in den 1 und 2 gezeigten Varianten sinken.
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Durch das erfindungsgemäße Konzept des Verfahrens zur Einspeisung von Wärmeenergie in einen Hochtemperatur-Nutzwasserstrom und das nach diesem Verfahren arbeitende Warmwasserversorgungssystem, wie es in Verbindung mit den Figuren beispielhaft beschrieben worden ist, können die in einem lebensmitteltechnischen Produktions- und Lagerbetrieb anfallenden Abwärmen dem lebensmitteltechnischen Prozess wieder zugeführt werden. Im Beispiel einer Brauerei entsteht beispielsweise ein Energieüberschuss, der zu Abwärme führt, durch:
- - Dampfenergie aus Kondensat (Brüdenkondensat) beim Würzekochen,
- - Abwärme von Kälte- und Klimaanlagen,
- - Abwärme von Luftkompressoren,
- - Abwasserabwärme,
- - allgemeine Maschinenabwärme und
- - Abwärme aus Spülwässern, beispielsweise aus der Abfüllerei,
- - Rückkühlung von Produkten.
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Kleinere Abwärmemengen können durch die Erfindung rentabel eingebracht werden (zum Beispiel Ausdampfungen in einem Kondensatgefäß wie die Restwrasennutzung bei der Kondensatrückführung und/oder auch bei der Speisewasserentgasung).
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Wärmeenergiebedarf besteht bei einer Brauerei beispielsweise:
- - bei der Brau-/Brauchwassererwärmung,
- - bei der Maischeaufheizung,
- - bei der Würzeaufheizung,
- - beim Würzekochen,
- - beim Aufheizen von Reinigungsmedien,
- - beim Aufheizen von Wasser für die Flaschenreinigung und
- - beim Aufheizen von Anlagen für die Pasteurisierung der erzeugten Lebensmittel.
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Bei vielen der vorgenannten Energiequellen kann die von ihnen an das jeweilige Kühlwasser abgegebene Wärmemenge das Kühlwasser nur auf eine Temperatur aufheizen, die deutlich niedriger ist als die ebenfalls vorstehend aufgeführten Wärmeenergie-Bedarfsträger benötigen.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung zeigt sich bei der Restwärmenutzung der Restenthalpie bei der Kondensatrückführung in einen Kondensatsammeltank. Der Restdampf weist eine Temperatur von über 100°C auf und dampft aus. Diese Ausdampfung lässt sich über einen kleinen Wrasenwärmetauscher rückgewinnen und es entsteht etwas Heißwasser mit ca. 80 bis 90°C. Jedoch sind diese Energiemengen relativ so gering, dass es sich in herkömmlichen Anlagen nicht lohnt, diese gesondert für einen Prozess direkt zu boosten oder zu nutzen. Aber beim erfindungsgemäßen Wärmeversorgungssystem können diese Energiemengen dem Speicher 5 zugeführt werden. So können mit der Erfindung zum Beispiel auch Energien aus Abgas-Economizern von Dampfkesseln, Blockheizkraftwerken oder Sterlingmotoren auf einfache Art kostengünstig zugeführt werden - und anschliessend wieder für den lebensmitteltechnischen Prozess genutzt werden.
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Mit klassischen aus dem Stand der Technik bekannten Wärmeaustausch-Verfahren ist diese Abwärme der genannten Wärmequellen somit nicht zur Erwärmung eines Hochtemperatur-Nutzwasserkreislaufs verwendbar und muss entsorgt werden, wodurch Energie verloren geht. Erst durch den erfindungsgemäßen Einsatz einer Wärmepumpe zwischen dem Niedertemperatur-Wasserkreislauf und dem Hochtemperatur-Nutzwasserkreislauf kann diese Energie wieder in den gesamten Prozess der Lebensmittelverarbeitung zurückgeführt werden.
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Beim Warmwasserversorgungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann im Übrigen sogar die in der Wärmepumpe durch deren Aggregate entstehende Abwärme an den Niedertemperatur-Wasserstrom 3 abgegeben werden, so dass diese Wärme-Verlustleistung der Wärmepumpe 4 ebenfalls wiederverwendet werden kann.
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Es gibt zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens mehrere Möglichkeiten, die auch miteinander kombinierbar sind:
- A) beide Energieströme (Fluidkreisläufe) werden in einem Kombi-Schichtspeicher gepuffert, wie dies in dem in 1 gezeigten Beispiel der Fall ist;
- B) die Abwärme wird in einem drucklosen Pufferspeicher auf der Primärseite der Wärmepumpe zu speichern, wie dies in dem in 2 gezeigten Beispiel der Fall ist;
- C) die in der Wärmepumpe „geboostete“ Energie wird in einem Pufferspeicher auf der Sekundärseite der Wärmepumpe gespeichert, je nach Temperatur in einem drucklosen Speicher oder in einem Speicher unter Überdruck;
- D) ein Abwärmestrom oder eine ursprüngliche Energiequelle (z.B. auch Biomasse, Solarwärme oder Fernwärme) wird direkt genutzt und auf ein höheres energetisches Niveau gebracht ohne den Einsatz eines oder mehrerer Pufferspeicher.
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Die Erfindung ist nicht auf das obige Ausführungsbeispiel beschränkt, das lediglich der allgemeinen Erläuterung des Kerngedankens der Erfindung dient. Im Rahmen des Schutzumfangs kann die erfindungsgemäße Vorrichtung vielmehr auch andere als die oben beschriebenen Ausgestaltungsformen annehmen. Die Vorrichtung kann hierbei insbesondere Merkmale aufweisen, die eine Kombination aus den jeweiligen Einzelmerkmalen der Ansprüche darstellen.
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Bezugszeichen in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hochtemperatur-Fluidstrom
- 2
- Prozessanlage
- 3
- Niedertemperatur-Fluidstrom
- 4
- Wärmepumpe
- 5
- Warmwasserspeicher
- 5'
- Warmwasserspeicher
- 5"
- Warmwasserspeicher
- 6
- Wärmetauscher
- 7
- Steuerungseinrichtung
- 10
- erste Zulaufleitung
- 12
- Ablaufleitung
- 14
- erste Zuführleitung
- 16
- erste Abflussleitung
- 20
- Prozesswärmetauscher
- 22
- Prozessmittel
- 32
- Niedertemperatur-Zulaufleitung
- 34
- zweite Zuführleitung
- 36
- zweite Abflussleitung
- 38
- Rücklaufleitung
- 40
- Hochtemperaturabschnitt
- 42
- Niedertemperaturabschnitt
- 50'
- oberer Einlass
- 51
- Zulaufventil
- 51'
- Ablaufventil / Auslassventil
- 51"
- Temperatursensor
- 52
- Zulaufventil
- 52'
- Ablaufventil
- 52"
- Temperatursensor
- 53
- Zulaufventil
- 53'
- Ablaufventil
- 53"
- Temperatursensor
- 54
- Zulaufventil
- 54'
- Ablaufventil
- 54"
- Temperatursensor
- 55
- Zulaufventil
- 55'
- Ablaufventil
- 55"
- Temperatursensor
- 56
- Zulaufventil
- 56'
- Ablaufventil
- 56"
- Temperatursensor
- 57
- unterer Ablaufanschluss
- 57'
- unterer Einlass
- 120
- Temperatursensor
- 320
- Temperatursensor