DE102023200876A1 - Method and device for heat transfer - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmeübertragung, umfassend die Schritte:
- Trennung (S1) eines Arbeitsmediums in ein flüssiges Treibfluid (TF) und ein gasförmiges Saugfluid (SF),
- Erhöhen (S2) des Drucks in dem Treibfluid (TF),
- Erwärmen (S3) des Treibfluids (TF) ohne Phasenübergang
- Entspannen (S4) des erwärmten Treibfluids (TF),
- Absaugen (S5) des gasförmigen Saugfluids (SF),
- Zuführen (S6) des entspannten Treibfluids (TF) und des abgesaugten Saugfluids und Erzeugen eines Mischfluids aus zumindest dem zugeführten Treibfluid (TF) und dem zugeführten Saugfluid (SF),
- Trennung (S7) des Mischfluids in ein flüssiges Nebenfluid (NB) und ein gasförmiges Nutzfluid (NU),
- Rückführen (S8) des Nebenfluids (NB),
- Bereitstellen (S9) zumindest eines Teils des Nutzfluids (NU) zur Wärmeübertragung, und eine Vorrichtung (100) zur Wärmeübertragung.
The invention relates to a method for heat transfer, comprising the steps:
- Separation (S1) of a working medium into a liquid driving fluid (TF) and a gaseous suction fluid (SF),
- Increasing (S2) the pressure in the driving fluid (TF),
- Heating (S3) of the driving fluid (TF) without phase transition
- Relaxation (S4) of the heated driving fluid (TF),
- Suction (S5) of the gaseous suction fluid (SF),
- supplying (S6) the relaxed driving fluid (TF) and the extracted suction fluid and generating a mixed fluid from at least the supplied driving fluid (TF) and the supplied suction fluid (SF),
- Separation (S7) of the mixed fluid into a liquid secondary fluid (NB) and a gaseous useful fluid (NU),
- Return (S8) of the secondary fluid (NB),
- Providing (S9) at least a portion of the useful fluid (NU) for heat transfer, and a device (100) for heat transfer.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmeübertragung und eine entsprechende Vorrichtung.The invention relates to a method for heat transfer and a corresponding device.
Die thermodynamische Nutzung von Abwärme oder Umgebungswärme, z.B. in Industrieanlagen, bietet großes Potential, Wärmeverbraucher wie z.B. energieintensive Produktionsprozesse oder das Heizen von Gebäuden effizienter zu gestalten. Insbesondere das Wirkprinzip der Wärmepumpe bietet hierbei die Möglichkeit, anfallende Abwärme oder Umgebungswärme von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke zu transportieren, wobei die Wärmesenke ein höheres Temperaturniveau als die Wärmequelle aufweisen kann. Die Wärmeenergie wird hierbei durch ein strömendes Arbeitsmedium, auch Kältemittel genannt, transportiert. Üblicherweise wird das Arbeitsmedium mittels der Wärmequelle erwärmt und für den Transport zur Wärmesenke verdampft und verdichtet, um z.B. energetische Transportverluste gering zu halten. Dies erfolgt bisher typischer Weise über die direkte Verdampfung in einem Wärmeübertrager bzw. durch das Pumpen des flüssigen Mediums auf einen höheren Druck und eine anschließende Entspannung mittels eines Drosselventils, so dass zumindest ein Teil des flüssigen Arbeitsmediums verdampft.The thermodynamic use of waste heat or ambient heat, e.g. in industrial plants, offers great potential for making heat consumers such as energy-intensive production processes or the heating of buildings more efficient. In particular, the operating principle of the heat pump offers the possibility of transporting waste heat or ambient heat from a heat source to a heat sink, whereby the heat sink can have a higher temperature level than the heat source. The thermal energy is transported by a flowing working medium, also known as a coolant. The working medium is usually heated by the heat source and evaporated and compressed for transport to the heat sink, for example in order to keep energy transport losses to a minimum. To date, this has typically been done via direct evaporation in a heat exchanger or by pumping the liquid medium to a higher pressure and then relaxing it using a throttle valve so that at least part of the liquid working medium evaporates.
Auch bekannt ist der Einsatz von Ejektoren zur Erhöhung eines mittleren Drucks zwischen zwei dampfförmigen Medien. So beschreibt die
Aktuell erfordern die bekannten Verfahren und Vorrichtungen zum Wärmetransport allerdings, dass die verwendeten Komponenten, insbesondere der Wärmeübertrager, für ein Verdampfen des Arbeitsmediums ausgelegt sind. Dies wirkt sich nachteilig auf die Dimensionierung der verwendeten Komponenten, insbesondere den Wärmeübertrager, aus. Hinzu kommt, dass die bekannten Verfahren und Vorrichtungen energetisch ineffizient sind bzw. einen niedrigen Wirkungsgrad aufweisen, was wiederum ein Hindernis für die wirtschaftliche Integration dieser Technologie in bestehende oder neue industrielle Prozesse darstellt.Currently, however, the known methods and devices for heat transport require that the components used, in particular the heat exchanger, are designed for evaporation of the working medium. This has a negative impact on the dimensioning of the components used, in particular the heat exchanger. In addition, the known methods and devices are energetically inefficient or have a low efficiency, which in turn represents an obstacle to the economic integration of this technology into existing or new industrial processes.
Es stellt sich das technische Problem, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die eine gesteigerte Effizienz bei der Wärmeübertragung bieten und gleichzeitig die Anforderungen an die Dimensionierung der Komponenten reduzieren.The technical problem is to create a method and a device that offers increased efficiency in heat transfer while reducing the requirements for the dimensioning of the components.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solution to the technical problem results from the subject matter having the features of the independent claims. Further advantageous embodiments of the invention result from the subclaims.
Vorgeschlagen wird daher ein Verfahren zur Wärmeübertragung, umfassend die Schritte:
- - Trennung eines Arbeitsmediums in ein flüssiges Treibfluid und ein gasförmiges Saugfluid mittels mindestens eines ersten Phasenseparators,
- - Erhöhen des Drucks in dem Treibfluid mittels mindestens eines Pumpenelements,
- - Erwärmen des Treibfluids ohne Phasenübergang in mindestens einem Wärmeübertrager,
- - Entspannen des erwärmten Treibfluids über mindestens ein erstes Drosselelement,
- - Absaugen des gasförmigen Saugfluids aus dem mindestens einen ersten Phasenseparator mittels mindestens eines Verdichterelements,
- - Zuführen des entspannten Treibfluids und des abgesaugten Saugfluids zu mindestens einem zweiten Phasenseparator und Erzeugen eines Mischfluids aus zumindest dem zugeführten Treibfluid und dem zugeführten Saugfluid in dem mindestens einen zweiten Phasenseparator,
- - Trennung des Mischfluids in ein flüssiges Nebenfluid und ein gasförmiges Nutzfluid mittels des mindestens einen zweiten Phasenseparators,
- - Rückführen des Nebenfluids von dem mindestens einen zweiten Phasenseparator zu dem mindestens einen ersten Phasenseparator über mindestens ein zweites Drosselelement,
- - Bereitstellen zumindest eines Teils des Nutzfluids zur Wärmeübertragung.
- - Separation of a working medium into a liquid driving fluid and a gaseous suction fluid by means of at least one first phase separator,
- - Increasing the pressure in the driving fluid by means of at least one pump element,
- - Heating the driving fluid without phase transition in at least one heat exchanger,
- - Relaxing the heated driving fluid via at least one first throttle element,
- - Suction of the gaseous suction fluid from the at least one first phase separator by means of at least one compressor element,
- - feeding the relaxed driving fluid and the sucked-off suction fluid to at least one second phase separator and generating a mixed fluid from at least the supplied driving fluid and the supplied suction fluid in the at least one second phase separator,
- - Separation of the mixed fluid into a liquid secondary fluid and a gaseous useful fluid by means of the at least one second phase separator,
- - Returning the secondary fluid from the at least one second phase separator to the at least one first phase separator via at least one second throttle element,
- - Providing at least part of the useful fluid for heat transfer.
Das Arbeitsmedium ist ein Fluid, welches durch Zustandsänderungen zum Transport von Wärmeenergie und somit zur Wärmeübertragung geeignet ist. Das Arbeitsmedium kann somit durch Zustandsgrößen wie z.B. Druck, Temperatur, Enthalpie und Entropie oder einen Aggregatzustand beschrieben werden. Insbesondere kann das Arbeitsmedium verschiedene Aggregatzustände bzw. Phasen annehmen und zumindest in flüssiger, gasförmiger oder zweiphasiger Form vorliegen. Die Änderung einer Zustandsgröße bzw. eines Aggregatzustands kann durch einen oder mehrere der zuvor genannten Verfahrensschritte herbeigeführt werden. Als Arbeitsmedium eignen sich insbesondere Wasser, Ammoniak, Kohlenstoffdioxid, Kohlenwasserstoffe oder halogenierte Kohlenwasserstoffe.The working medium is a fluid which is suitable for transporting thermal energy and thus for heat transfer through changes in state. The working medium can therefore be described by state variables such as pressure, temperature, enthalpy and entropy or a state of aggregation. In particular, the working medium can assume various states of aggregation or phases and can be present at least in liquid, gaseous or two-phase form. The change in a state variable or state of aggregation can be brought about by one or more of the previously mentioned process steps. Water, ammonia, carbon dioxide, hydrocarbons or halogenated hydrocarbons are particularly suitable as working media.
Zur besseren Unterscheidung der Verfahrensschritte kann das Arbeitsmedium im Folgenden unterschiedlich bezeichnet werden. Insbesondere kann das Arbeitsmedium als Treibfluid, Saugfluid, Mischfluid, Nebenfluid und Nutzfluid bezeichnet werden. Die jeweilige Bezeichnung ergibt sich hierbei insbesondere aus einer aktuellen Verwendung des Arbeitsmediums in einem Verfahrensschritt bzw. innerhalb eines Abschnitts und/oder innerhalb einer Komponente der im Folgenden näher erläuterten Vorrichtung und dient insbesondere der besseren Unterscheidung zwischen den Verfahrensschritten.To better distinguish between the process steps, the working medium can be referred to in different ways below. In particular, the working medium can be referred to as driving fluid, suction fluid, mixing fluid, secondary fluid and useful fluid. The respective designation arises from this. in particular from a current use of the working medium in a process step or within a section and/or within a component of the device explained in more detail below and serves in particular to better distinguish between the process steps.
Der erste und/oder zweite Phasenseparator ist/sind vorzugsweise als Absetzbehälter ausgebildet. In dem jeweiligen Phasenseparator kann das Arbeitsmedium zweiphasig, also gasförmig und flüssig vorliegen. Ferner wird das Arbeitsmedium in dem jeweiligen Phasenseparator in ein flüssiges Fluid und ein gasförmiges Fluid getrennt. Hierbei wird ein Anteil des Arbeitsmediums, welcher in flüssiger Form in dem ersten Phasenseparator vorliegt von jenem Anteil des Arbeitsmediums, welcher in gasförmiger Form vorliegt, getrennt. In einem Phasenseparator erfolgt die Trennung z.B. unter Einwirkung der Schwerkraft, wobei sich der flüssige Anteil, z.B. aufgrund der höheren Dichte gegenüber dem gasförmigen Anteil, am Boden des Phasenseparators absetzt, während sich der gasförmige Anteil oberhalb des flüssigen Anteils anordnet.The first and/or second phase separator is/are preferably designed as a settling tank. In the respective phase separator, the working medium can be present in two phases, i.e. gaseous and liquid. Furthermore, the working medium is separated in the respective phase separator into a liquid fluid and a gaseous fluid. In this process, a portion of the working medium which is present in liquid form in the first phase separator is separated from that portion of the working medium which is present in gaseous form. In a phase separator, the separation takes place, for example, under the influence of gravity, with the liquid portion settling at the bottom of the phase separator, e.g. due to its higher density compared to the gaseous portion, while the gaseous portion is arranged above the liquid portion.
Durch die Trennung der Anteile bzw. Fluide nach Aggregatzustand können die unterschiedlichen Aggregatzustände der Fluide im weiteren Verlauf des Verfahrens in vorteilhafter Weise genutzt werden. So wird in dem mindestens einen ersten Phasenseparator durch die Trennung des Arbeitsmediums in ein flüssiges Treibfluid und ein gasförmiges Saugfluid ermöglicht, dass ausschließlich der flüssige Anteil des Arbeitsmediums dem mindestens einen Wärmeübertrager zugeführt wird, wodurch die Wärmeübertragungsfähigkeit des Arbeitsmediums in dem Wärmeübertrager gesteigert ist. Der gasförmige Anteil wird hingegen mittels des mindestens einen Verdichterelements als Saugfluid aus dem ersten Phasenseparator abgesaugt. Dies wird im Folgenden noch näher erläutert.By separating the components or fluids according to their state of aggregation, the different states of aggregation of the fluids can be used advantageously in the further course of the process. In the at least one first phase separator, the separation of the working medium into a liquid driving fluid and a gaseous suction fluid enables only the liquid component of the working medium to be fed to the at least one heat exchanger, thereby increasing the heat transfer capacity of the working medium in the heat exchanger. The gaseous component, on the other hand, is sucked out of the first phase separator as suction fluid by means of the at least one compressor element. This is explained in more detail below.
Das Pumpenelement kann z.B. als Axial- oder Radialpumpe ausgebildet sein. Das Pumpenelement wird vorzugsweise elektrisch angetrieben. Durch das Pumpenelement wird insbesondere der Druck des Treibfluids erhöht. Hierdurch ist der Druck des Treibfluids ausreichend, um einen Phasenübergang, insbesondere ein Verdampfen des Treibfluids, während des Erwärmens in dem mindestens einen Wärmeübertrager zu verhindern.The pump element can be designed, for example, as an axial or radial pump. The pump element is preferably driven electrically. The pump element increases the pressure of the driving fluid in particular. As a result, the pressure of the driving fluid is sufficient to prevent a phase transition, in particular evaporation of the driving fluid, during heating in the at least one heat exchanger.
Das Erwärmen des Treibfluids in dem mindestens einen Wärmeübertrager erfolgt - wie bereits erläutert - ohne einen Phasenübergang. Mit anderen Worten: Das Treibfluid bleibt während des Erwärmens flüssig und wechselt nicht den Aggregatzustand. Das Erwärmen bezeichnet insbesondere das Einbringen von Wärmeenergie in das Treibfluid.As already explained, the heating of the driving fluid in the at least one heat exchanger takes place without a phase transition. In other words: the driving fluid remains liquid during heating and does not change its state of aggregation. Heating refers in particular to the introduction of thermal energy into the driving fluid.
Der Wärmeübertrager kann z.B. als Rekuperator oder Rohrbündel-Wärmetauscher ausgebildet sein. Zum Zwecke der Erwärmung des Treibfluids kann der Wärmeübertrager von einem Umgebungsfluid umströmt werden, welches bei Kontakt mit dem Wärmeübertrager eine höhere Temperatur als das Treibfluid aufweist. Aufgrund einer Temperaturdifferenz zwischen Treibfluid und Umgebung bzw. Umgebungsfluid kann die Wärmeenergie auf das Treibfluid übertragen werden.The heat exchanger can be designed as a recuperator or a tube bundle heat exchanger, for example. In order to heat the driving fluid, an ambient fluid can flow around the heat exchanger, which has a higher temperature than the driving fluid when in contact with the heat exchanger. Due to a temperature difference between the driving fluid and the environment or the ambient fluid, the thermal energy can be transferred to the driving fluid.
Dadurch, dass das Erwärmen des Treibfluids ohne Phasenübergang erfolgt, kann der Wärmeübertrager kleiner dimensioniert werden. Beispielsweise ist es nicht notwendig, einen Dampfraum als Teil des Wärmeübertragers vorzusehen. Dies reduziert in vorteilhafter Weise den Bauraumbedarf des mindestens einen Wärmeübertragers und reduziert somit insbesondere die Kosten zur Durchführung des Verfahrens. Ferner können durch das erfindungsgemäße Verfahren Wärmequellen erschlossen werden, die z.B. bisher aufgrund von Bauraumbeschränkungen nicht nutzbar waren.Because the heating of the driving fluid takes place without a phase transition, the heat exchanger can be made smaller. For example, it is not necessary to provide a steam space as part of the heat exchanger. This advantageously reduces the installation space required by the at least one heat exchanger and thus in particular reduces the costs of carrying out the method. Furthermore, the method according to the invention can be used to tap into heat sources that were previously unusable due to installation space restrictions, for example.
Das mindestens eine erste und/oder zweite Drosselelement kann z.B. als Drosselventil oder Lochscheibe ausgebildet sein. Durch das Entspannen des Treibfluids über das mindestens eine erste Drosselelement wird das erwärmte Treibfluid zumindest teilweise verdampft. Hierdurch kann der gasförmige Anteil des Treibfluids in dem mindestens einen zweiten Phasenseparator zum Bereitstellen zumindest eines Teils des gasförmigen Nutzfluids genutzt werden.The at least one first and/or second throttle element can be designed, for example, as a throttle valve or perforated disk. By relaxing the driving fluid via the at least one first throttle element, the heated driving fluid is at least partially evaporated. As a result, the gaseous portion of the driving fluid in the at least one second phase separator can be used to provide at least part of the gaseous useful fluid.
Durch das Absaugen des gasförmigen Saugfluids aus dem mindestens einen ersten Phasenseparator mittels des mindestens einen Verdichterelements wird erreicht, dass der flüssige Anteil des Arbeitsmediums in dem ersten Phasenseparator eine möglichst geringe Temperatur aufweist, da es zu einem teilweisen Verdampfen des flüssigen Fluids unter Wärmeaufnahme kommt. Die niedrig gehaltene Temperatur des Treibfluids wiederum verbessert die Wärmeaufnahme in dem Wärmeübertrager. Das Absaugen umfasst weiter insbesondere, dass das Saugfluid verdichtet und/oder erwärmt wird. Das Absaugen mittels des Verdichterelements umfasst insbesondere, dass das Saugfluid nach dem Absaugen eine Temperatur aufweist, die größer oder gleich der Temperatur des erwärmten Treibfluids ist. Mit anderen Worten: das verdichtete Saugfluid kann das bereits erwärmte Treibfluid in dem mindestens einen zweiten Phasenseparator teilweise verdampfen. Das Absaugen mittels des Verdichterelements wirkt sich insbesondere vorteilhaft auf das erreichbare Druck- und Temperaturniveau des bereitgestellten Nutzfluids aus. Durch das Absaugen des Saugfluids wird insbesondere der Druck und damit die entsprechende Kondensationstemperatur des Nutzfluids erhöht. Insbesondere erfolgt das Absaugen des Saugfluids ohne Phasenübergang, d.h. das Saugfluid bleibt während des Absaugens in gasförmiger Form.By sucking the gaseous suction fluid out of the at least one first phase separator by means of the at least one compressor element, the liquid portion of the working medium in the first phase separator is at the lowest possible temperature, since the liquid fluid partially evaporates while absorbing heat. The low temperature of the driving fluid in turn improves the heat absorption in the heat exchanger. The suction further includes in particular that the suction fluid is compressed and/or heated. The suction by means of the compressor element in particular includes that the suction fluid after suction has a temperature that is greater than or equal to the temperature of the heated driving fluid. In other words: the compressed suction fluid can partially evaporate the already heated driving fluid in the at least one second phase separator. The suction by means of the compressor element has a particularly advantageous effect on the achievable pressure and temperature level of the useful fluid provided. By sucking out the suction fluid, the pressure and thus the corresponding condensation temperature of the useful fluids. In particular, the suction fluid is sucked off without a phase transition, ie the suction fluid remains in gaseous form during suction.
Das mindestens eine Verdichterelement kann z.B. als Axial- oder Radialverdichter ausgebildet sein. Das Verdichterelement wird z.B. elektrisch angetrieben. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass zumindest ein Teil des gasförmigen Anteils in dem ersten Phasenseparator als Nutzfluid bereitgestellt wird. So kann das Nutzfluid auf unterschiedlichen Temperatur- und/oder Druckniveau zur Wärmeübertragung verwendet werden. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Anwendbarkeit des Verfahrens aus. Der erste Phasenseparator kann hierfür z.B. ein Ausgabeventil zum Bereitstellen zumindest eines Teils des Nutzfluids aufweisen.The at least one compressor element can be designed as an axial or radial compressor, for example. The compressor element is driven electrically, for example. Alternatively or additionally, it is also possible for at least part of the gaseous portion to be provided as a useful fluid in the first phase separator. The useful fluid can thus be used for heat transfer at different temperature and/or pressure levels. This has an advantageous effect on the applicability of the method. The first phase separator can, for example, have a dispensing valve for providing at least part of the useful fluid.
Das Zuführen des abgesaugten Saugfluids umfasst insbesondere, dass das Saugfluid aus dem ersten Phasenseparator dem zweiten Phasenseparator zugeführt wird. Das Zuführen des erwärmten Treibfluids zu dem mindestens einen zweiten Phasenseparator kann z.B. über eine Rohrleitung zwischen dem mindestens einen ersten Drosselelement und dem mindestens einen zweiten Phasenseparator erfolgen. Das Zuführen des abgesaugten Saugfluids zu dem mindestens einen zweiten Phasenseparator kann z.B. über eine weitere Rohrleitung zwischen dem mindestens einen Verdichterelement bzw. dem ersten Phasenseparator und dem mindestens einen zweiten Phasenseparator erfolgen. Hierdurch können das Treibfluid und das Saugfluid in dem mindestens einen zweiten Phasenseparator zumindest zu Teilen zum Bereitstellen des gasförmigen Nutzfluids genutzt werden.The supply of the extracted suction fluid particularly includes that the suction fluid from the first phase separator is supplied to the second phase separator. The heated driving fluid can be supplied to the at least one second phase separator, for example, via a pipeline between the at least one first throttle element and the at least one second phase separator. The supply of the extracted suction fluid to the at least one second phase separator can be supplied, for example, via a further pipeline between the at least one compressor element or the first phase separator and the at least one second phase separator. As a result, the driving fluid and the suction fluid in the at least one second phase separator can be used at least in part to provide the gaseous useful fluid.
Das Erzeugen des Mischfluids umfasst insbesondere, dass das erwärmte Treibfluid und das abgesaugte Saugfluid in dem mindestens einen zweiten Phasenseparator durchmischt werden. Das erzeugte Mischfluid ist insbesondere zweiphasig. Insbesondere weist das erzeugte Mischfluid einen gasförmigen Anteil und einen flüssigen Anteil auf.The generation of the mixed fluid includes in particular that the heated driving fluid and the extracted suction fluid are mixed in the at least one second phase separator. The generated mixed fluid is in particular two-phase. In particular, the generated mixed fluid has a gaseous portion and a liquid portion.
Durch die Trennung des Mischfluids in das flüssige Nebenfluid und das gasförmige Nutzfluid in dem mindestens einen zweiten Phasenseparator wird ermöglicht, dass nur der hochenergetische Anteil des Mischfluids, bzw. der Anteil des Mischfluids, welcher eine hohe Enthalpie aufweist, in Form des gasförmigen Nutzfluids, zur Wärmeübertragung bereitgestellt wird. Das flüssige Nebenfluid wird hingegen von dem zweiten Phasenseparator zu dem mindestens einen ersten Phasenseparator über das mindestens eine zweite Drosselelement zurückgeführt.By separating the mixed fluid into the liquid secondary fluid and the gaseous useful fluid in the at least one second phase separator, it is possible for only the high-energy portion of the mixed fluid, or the portion of the mixed fluid that has a high enthalpy, to be made available in the form of the gaseous useful fluid for heat transfer. The liquid secondary fluid, on the other hand, is returned from the second phase separator to the at least one first phase separator via the at least one second throttle element.
Das mindestens eine zweite Drosselelement kann eine, mehrere oder alle Eigenschaften des mindestens einen ersten Drosselelements aufweisen. Mit anderen Worten: Das mindestens eine erste Drosselelement und das mindestens eine zweite Drosselelement können ähnliche oder gleichartige Komponenten sein. Durch das mindestens eine zweite Drosselelement wird sichergestellt, dass eine Betriebsdruckdifferenz zwischen dem mindestens einen ersten Phasenseparator und dem mindestens einen zweiten Phasenseparator aufrechterhalten bleibt. Gleichzeitig wird durch das Rückführen des Nebenfluids erreicht, dass ein Massenstrom durch den mindestens einen zweiten Phasenseparator erhöht ist. Hierdurch kann mehr Mischfluid in den mindestens einen zweiten Phasenseparator erzeugt werden, was sich vorteilhaft auf die Bereitstellung des Nutzfluids auswirkt. Ferner wird durch das mindestens eine zweite Drosselelement das Nebenfluid entspannt, sodass das Nebenfluid zumindest teilweise verdampfen kann. Insbesondere tritt das Nebenfluid in zweiphasiger Form in den mindestens einen ersten Phasenseparator ein.The at least one second throttle element can have one, several or all properties of the at least one first throttle element. In other words: the at least one first throttle element and the at least one second throttle element can be similar or identical components. The at least one second throttle element ensures that an operating pressure difference is maintained between the at least one first phase separator and the at least one second phase separator. At the same time, the return of the secondary fluid increases a mass flow through the at least one second phase separator. This allows more mixed fluid to be generated in the at least one second phase separator, which has an advantageous effect on the provision of the useful fluid. Furthermore, the at least one second throttle element relaxes the secondary fluid so that the secondary fluid can at least partially evaporate. In particular, the secondary fluid enters the at least one first phase separator in two-phase form.
Das Bereitstellen zumindest eines Teils des Nutzfluids zur Wärmeübertragung kann umfassen, dass zumindest ein Teil des Nutzfluids einer Wärmeanwendung, z.B. einer Dampfheizung, zugeführt wird. Insbesondere kann das Bereitstellen umfassen, dass zumindest ein Teil des Nutzfluids einem offenen (Wärmeübertragungs)-Kreislauf zugeführt wird bzw. dass zumindest ein Teil des Nutzfluids in einen offenen Kreislauf strömt und somit nicht als Teil des Arbeitsmediums wiederverwendet wird. Dies hat den Vorteil, dass keine Leitungen zum Rückführen zumindest eines Teils des Nutzfluids vorgesehen werden müssen. Ein verbleibender Teil des Nutzfluids, der z.B. nicht einer Wärmeanwendung zugeführt wird, kann in einer im Folgenden näher erläuterten Ausführungsform des Verfahrens weiter erwärmt bzw. verdichtet werden. Vorzugsweise umfasst das Bereitstellen, dass das Nutzfluid vollständig bereitgestellt wird, d.h. nicht nur ein Teil des Nutzfluids bereitgestellt wird. Das Bereitstellen des Nutzfluids kann z.B. über eine Rohrleitung erfolgen. Beispielsweise kann das Nutzfluid von dem mindestens einen zweiten Phasenseparator ausgehend in ein Rohrsystem einer Dampfheizung eingespeist werden.Providing at least part of the useful fluid for heat transfer can include supplying at least part of the useful fluid to a heat application, e.g. steam heating. In particular, providing can include supplying at least part of the useful fluid to an open (heat transfer) circuit or at least part of the useful fluid flowing into an open circuit and thus not being reused as part of the working medium. This has the advantage that no lines need to be provided for returning at least part of the useful fluid. A remaining part of the useful fluid, which is not supplied to a heat application, for example, can be further heated or compressed in an embodiment of the method explained in more detail below. Providing preferably includes providing the useful fluid in full, i.e. not just providing part of the useful fluid. The useful fluid can be provided, for example, via a pipeline. For example, the useful fluid can be fed from the at least one second phase separator into a pipe system of a steam heating system.
Durch die beschriebenen Effekte der einzelnen Schritte des Verfahrens wird ermöglicht, ein Nutzfluid auf energieeffiziente Art und Weise zur Wärmeübertragung bereitzustellen. Gleichzeitig wird durch das Verfahren erreicht, dass die Anforderungen an die Dimensionierung der zur Durchführung des Verfahrens notwendigen Komponenten reduziert sind, wodurch insbesondere der Bauraumbedarf zur Durchführung des Verfahrens gesenkt wird.The described effects of the individual steps of the process make it possible to provide a useful fluid for heat transfer in an energy-efficient manner. At the same time, the process reduces the requirements for the dimensioning of the components required to carry out the process, which in particular reduces the installation space required to carry out the process.
Vorzugsweise weist die Temperatur des Arbeitsmediums in dem ersten Phasenseparator einen Wert in einem Bereich von 60 °C bis 200 °C auf. Weiter vorzugsweise weist die Temperatur des Arbeitsmediums in dem zweiten Phasenseparator einen Wert in einem Bereich von 90 °C bis 250 °C auf. Besonders vorzugsweise weist eine Temperaturerhöhung des Arbeitsmediums zwischen dem ersten und dem zweiten Phasenseparator mindestens einen Wert von 30 Kelvin auf. Vorzugsweise erfolgt die Temperaturerhöhung des Arbeitsmediums, insbesondere um mindestens 30 Kelvin, mittels des mindestens einen Wärmeübertragers. Mit anderen Worten: Das Verfahren ist dazu ausgebildet, das flüssige Treibfluid mittels des Wärmeübertragers um mindestens 30 Kelvin zu erwärmen. Diese Temperaturbereiche bzw. diese Temperaturerhöhung haben sich in Versuchen als besonders geeignet für das Verfahren erwiesen. In einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren ferner den Schritt auf:
- - Absaugen zumindest eines Teils des gasförmigen Nutzfluids aus dem mindestens einen zweiten Phasenseparator mittels mindestens eines weiteren Verdichterelements.
- - Suctioning at least a portion of the gaseous useful fluid from the at least one second phase separator by means of at least one further compressor element.
Das mindestens eine weitere Verdichterelement kann eine, mehrere oder alle Eigenschaften des mindestens einen Verdichterelements aufweisen. Mit anderen Worten: Das mindestens eine Verdichterelement und das mindestens eine weitere Verdichterelement können ähnliche oder gleichartige Komponenten sein.The at least one further compressor element can have one, several or all properties of the at least one compressor element. In other words: the at least one compressor element and the at least one further compressor element can be similar or identical components.
Durch das Absaugen zumindest eines Teils des gasförmigen Nutzfluids aus dem mindestens einen zweiten Phasenseparator mittels des mindestens einen weiteren Verdichterelements kann das Nutzfluid mittels des weiteren Verdichterelements auf eine höheres Druckniveau verdichtet und/oder auf ein höheres Temperaturniveau erwärmt werden. Insbesondere erfolgt das Absaugen zumindest des Teils des Nutzfluids ohne Phasenübergang, d.h. der Teil des Nutzfluids bleibt während des Absaugens in gasförmiger Form. Vorzugsweise erfolgt das Absaugen des Nutzfluids vor dem Schritt des Bereitstellens des Nutzfluids. Weiter vorzugsweise wird das Nutzfluid vollständig abgesaugt.By sucking at least part of the gaseous useful fluid out of the at least one second phase separator by means of the at least one further compressor element, the useful fluid can be compressed to a higher pressure level and/or heated to a higher temperature level by means of the further compressor element. In particular, at least part of the useful fluid is sucked out without a phase transition, i.e. the part of the useful fluid remains in gaseous form during the sucking out. The useful fluid is preferably sucked out before the step of providing the useful fluid. The useful fluid is further preferably sucked out completely.
Das Absaugen zumindest eines Teils des Nutzfluids mittels des weiteren Verdichterelements wirkt sich insbesondere vorteilhaft auf das erreichbare Druck- und Temperaturniveau des abgesaugten Teils des Nutzfluids aus. Durch das Absaugen wird insbesondere die Enthalpie des Teils des Nutzfluids weiter erhöht. In einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren ferner den Schritt auf:
- - Zuführen zumindest eines Teils des Nutzfluids zu mindestens einem weiteren Phasenseparator und Bereitstellen zumindest eines Teils des Nutzfluids als Arbeitsmedium in dem mindestens einen weiteren Phasenseparator.
- - Supplying at least a portion of the useful fluid to at least one further phase separator and providing at least a portion of the useful fluid as a working medium in the at least one further phase separator.
Der mindestens eine weitere Phasenseparator kann eine, mehrere oder alle Eigenschaften des mindestens einen ersten und/oder zweiten Phasenseparators aufweisen. Mit anderen Worten: Der mindestens eine erste und/oder zweite Phasenseparator und der mindestens eine weitere Phasenseparator können ähnliche oder gleichartige Komponenten sein.The at least one further phase separator can have one, several or all properties of the at least one first and/or second phase separator. In other words: the at least one first and/or second phase separator and the at least one further phase separator can be similar or identical components.
Durch das Zuführen zumindest eines Teils des Nutzfluids zu dem mindestens einen weiteren Phasenseparator wird ermöglicht, dass dieser Teil des Nutzfluids z.B. als Arbeitsmedium einer weiteren Stufe des Verfahrens verwendet werden kann. Mit anderen Worten: Durch das Zuführen zumindest eines Teils des Nutzfluids kann dieser Teil des Nutzfluids durch Wiederholung eines, mehrerer oder aller der zuvor erläuterten Verfahrensschritte auf einem weiter erhöhten Temperatur- und/oder Druckniveau bereitgestellt werden. Dies wird im Folgenden noch näher erläutert.By supplying at least a portion of the useful fluid to the at least one further phase separator, it is possible for this portion of the useful fluid to be used, for example, as a working medium in a further stage of the process. In other words: by supplying at least a portion of the useful fluid, this portion of the useful fluid can be provided at a further increased temperature and/or pressure level by repeating one, several or all of the previously explained process steps. This will be explained in more detail below.
Vorzugsweise erfolgt das Absaugen zumindest des Teils des Nutzfluids vor dem Schritt des Bereitstellens des Nutzfluids. Es ist aber auch möglich, dass nur ein Teil des bereitgestellten Nutzfluids dem weiteren Phasenseparator zugeführt, wobei ein verbleibender Teil zur Verwendung in einer Wärmeanwendung bereitgestellt wird. So können die Teile des Nutzfluids auf unterschiedlichen Temperatur- und Druckniveaus bereitgestellt werden, z.B. zur Verwendung in unterschiedlichen Wärmeanwendungen.Preferably, at least part of the useful fluid is sucked off before the step of providing the useful fluid. However, it is also possible for only part of the provided useful fluid to be fed to the further phase separator, with a remaining part being provided for use in a heat application. The parts of the useful fluid can thus be provided at different temperature and pressure levels, e.g. for use in different heat applications.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren mindestens eine Kaskadenstufe auf, wobei die mindestens eine Kaskadenstufe mindestens einen der folgenden Schritte aufweist:
- - Abzweigen zumindest eines Teils des Nebenfluids aus dem mindestens einen (n)-ten Phasenseparator,
- - Erhöhen des Drucks in dem aus dem mindestens einen (n)-ten Phasenseparator abgezweigten Nebenfluid mittels mindestens eines (n)-ten Pumpenelements,
- - Erwärmen des abgezweigten Nebenfluids ohne Phasenübergang in mindestens einem (n)-ten Wärmeübertrager,
- - Entspannen des abgezweigten, erwärmten Nebenfluids über mindestens ein (n+2)-tes Drosselelement,
- - Zuführen des abgezweigten, entspannten Nebenfluids zu dem mindestens einen (n+1)-ten Phasenseparator und Erzeugen eines weiteren Mischfluids aus zumindest dem zugeführten Arbeitsmedium und dem abgezweigten Nebenfluid in dem mindestens einen (n+1)-ten Phasenseparator,
- - Trennung des weiteren Mischfluids in ein weiteres flüssige Nebenfluid und ein weiteres gasförmiges Nutzfluid mittels des mindestens einen (n+1)-ten Phasenseparators,
- - Rückführen des weiteren Nebenfluids von dem mindestens einen (n+1)-ten Phasenseparator zu dem mindestens einen (n)-ten Phasenseparator über mindestens ein (n+1)-tes Drosselelement,
- - Bereitstellen zumindest eines Teils des weiteren Nutzfluids zur Wärmeübertragung und/oder Bereitstellen zumindest eines Teils des weiteren Nutzfluids als Arbeitsmedium einer weiteren Kaskadenstufe,
- - branching off at least a portion of the secondary fluid from the at least one (n)-th phase separator,
- - Increasing the pressure in the secondary fluid branched off from the at least one (n)th phase separator by means of at least one (n)th pump element,
- - Heating the branched off secondary fluid without phase transition in at least one (n)-th heat exchanger,
- - Relaxing the branched, heated secondary fluid via at least one (n+2)-th throttle element,
- - feeding the branched, relaxed secondary fluid to the at least one (n+1)-th phase separator and generating a further mixed fluid from at least the supplied th working medium and the branched off secondary fluid in the at least one (n+1)-th phase separator,
- - Separation of the further mixed fluid into a further liquid secondary fluid and a further gaseous useful fluid by means of the at least one (n+1)-th phase separator,
- - returning the further secondary fluid from the at least one (n+1)th phase separator to the at least one (n)th phase separator via at least one (n+1)th throttle element,
- - providing at least part of the further useful fluid for heat transfer and/or providing at least part of the further useful fluid as a working medium of a further cascade stage,
Der zuvor erläuterte mindestens eine weitere Phasenseparator kann auch als (n+1)-ter Phasenseparator bezeichnet werden und/oder das mindestens eine weitere Verdichterelement kann auch als (n)-tes Verdichterelement bezeichnet werden. Insbesondere wird in jeder weiteren Kaskadenstufe die Variable n im Vergleich zur vorherigen Kaskadenstufe um 1 erhöht. Vorzugsweise weist die mindestens eine erste und/oder weitere Kaskadenstufe mehrere, insbesondere alle, der oben angeführten Schritte auf.The at least one further phase separator explained above can also be referred to as the (n+1)th phase separator and/or the at least one further compressor element can also be referred to as the (n)th compressor element. In particular, in each further cascade stage, the variable n is increased by 1 compared to the previous cascade stage. Preferably, the at least one first and/or further cascade stage has several, in particular all, of the steps listed above.
Das Abzweigen zumindest eines Teils des Nebenfluids hat zur Folge, dass lediglich der nicht abgezweigte Teil des Nebenfluids von dem (n)-ten Phasenseparator, also z.B. von dem zweiten Phasenseparator, zu dem (n-1)-ten Phasenseparator, also z.B. zu dem ersten Phasenseparator, rückgeführt wird.The branching off of at least a portion of the secondary fluid results in only the non-branched off portion of the secondary fluid being returned from the (n)th phase separator, i.e., for example, from the second phase separator, to the (n-1)th phase separator, i.e., for example, to the first phase separator.
Das weitere Misch-, Neben- und/oder Nutzfluid entspricht/entsprechen im Wesentlichen dem Misch- Neben- und/oder Nutzfluid, beziehen sich hierbei aber insbesondere auf ein höheres Temperatur- und/oder Druckniveau des Arbeitsmediums. Mit anderen Worten: Das für das Misch- Neben- und/oder Nutzfluid Offenbarte kann auch auf das weitere Misch- Neben- und/oder Nutzfluid zutreffen.The additional mixing, secondary and/or useful fluid essentially corresponds to the mixing, secondary and/or useful fluid, but in particular relates to a higher temperature and/or pressure level of the working medium. In other words: What is disclosed for the mixing, secondary and/or useful fluid can also apply to the additional mixing, secondary and/or useful fluid.
Die zur Durchführung einer Kaskadenstufe notwendigen Komponenten können den in dieser Offenbarung beschriebenen Komponenten des Verfahrens entsprechen. Hierdurch lässt sich das Verfahren auf einfache Weise skalieren.The components required to carry out a cascade stage can correspond to the components of the method described in this disclosure. This allows the method to be easily scaled.
Es ergibt sich der Vorteil, dass mit der mindestens einen Kaskadenstufe das Druck- und/oder Temperaturniveau des Arbeitsmediums weiter erhöht werden kann. Insbesondere können zum Erwärmen des Arbeitsmediums Wärmequellen unterschiedlicher Temperaturniveaus genutzt werden. Dies verbessert die Anwendbarkeit des Verfahrens.This results in the advantage that the pressure and/or temperature level of the working medium can be further increased with the at least one cascade stage. In particular, heat sources with different temperature levels can be used to heat the working medium. This improves the applicability of the process.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren ferner den Schritt auf:
- - Rückführen des Nutzfluids zu dem mindestens einen zweiten Phasenseparator.
- - Returning the useful fluid to the at least one second phase separator.
Das Rückführen des Nutzfluids erfolgt vorzugsweise nach dem Bereitstellen des Nutzfluids insbesondere nachdem die mittels des Nutzfluids bereitgestellte Energie an eine Umgebung übertragen worden ist, wie z.B. in einem weiteren Wärmeübertrager. Das Nutzfluid kann nach dem Rückführen insbesondere eine zweiphasige Form in dem mindestens einen zweiten Phasenseparator aufweisen. Das Rückführen des Nutzfluids kann beispielsweise über eine Rohrleitung und/oder ein weiteres Drosselelement erfolgen. Das Rückführen des Nutzfluids in den mindestens einen zweiten Phasenseparator hat den Effekt, dass noch nicht von dem Nutzfluid an die Umgebung übertragene Energie - also Energie, die bei Rückführen des Nutzfluids noch in dem Nutzfluid enthalten ist - weiter verwendet werden kann. So kann z.B. der gasförmige Anteil des rückgeführten Nutzfluids nochmals als gasförmiges Nutzfluid bereitgestellt werden. Dies wirkt sich besonders vorteilhaft auf die energetische Effizienz des Verfahrens aus.The return of the useful fluid preferably takes place after the useful fluid has been provided, in particular after the energy provided by the useful fluid has been transferred to an environment, such as in another heat exchanger. After the return, the useful fluid can in particular have a two-phase form in the at least one second phase separator. The return of the useful fluid can take place, for example, via a pipeline and/or another throttle element. The return of the useful fluid to the at least one second phase separator has the effect that energy that has not yet been transferred from the useful fluid to the environment - i.e. energy that is still contained in the useful fluid when the useful fluid is returned - can continue to be used. For example, the gaseous portion of the returned useful fluid can be made available again as gaseous useful fluid. This has a particularly advantageous effect on the energetic efficiency of the process.
Der flüssige Anteil des rückgeführten Nutzfluids kann hingegen als Nebenfluid von dem mindestens einen zweiten Phasenseparator über das Drosselelement an den mindestens einen ersten Phasenseparator zurückgeführt werden.The liquid portion of the returned useful fluid, however, can be returned as a secondary fluid from the at least one second phase separator via the throttle element to the at least one first phase separator.
In einer weiteren Ausführungsform fließt das Arbeitsmedium in einem geschlossenen Kreislauf. Mit anderen Worten: Die zur Durchführung des Verfahrens notwendigen Komponenten sind fluidtechnisch derart miteinander verbunden, dass eine Menge des Arbeitsmediums nahezu konstant ist und für nahezu beliebig viele Durchläufe des Verfahrens genutzt werden kann. Dies hat den Vorteil, dass kein neues Arbeitsmedium zur Durchführung des Verfahrens benötigt wird bzw. zugeführt werden muss. Ferner kann so sichergestellt werden, dass die Qualität des Arbeitsmediums gleichbleibend ist und das zur Verfügung gestellte Arbeitsmedium ressourcenschonend verwendet werden kann.In a further embodiment, the working medium flows in a closed circuit. In other words: the components required to carry out the process are fluidically connected to one another in such a way that the amount of the working medium is almost constant and can be used for almost any number of runs of the process. This has the advantage that no new working medium is required or has to be added to carry out the process. Furthermore, it can be ensured that the quality of the working medium is consistent and that the working medium provided can be used in a resource-saving manner.
In einer weiteren Ausführungsform wird das Arbeitsmedium als ein Fluid über eine Zuführeinrichtung zugeführt. Die Zuführeinrichtung kann z.B. als Ventil ausgebildet sein. Vorzugsweise ist die Zuführeinrichtung an dem mindestens einen ersten Phasenseparator und/oder dem mindestens einen zweiten Phasenseparator angeordnet. Die Zuführeinrichtung kann aber auch an einer anderen Komponente angeordnet sein. Vorzugsweise entspricht die Menge des zugeführten Arbeitsmediums der Menge des bereitgestellten Nutzfluids - insbesondere dann, wenn das Arbeitsmedium in einem offenen Kreislauf fließt. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass ausreichend Arbeitsmedium nachfließt, um das Verfahren durchzuführen. Ferner ergibt sich durch das Zuführen des Arbeitsmediums der Vorteil, dass Zustandsgrößen des Arbeitsmediums wie z.B. ein Druck, eine Temperatur oder die Qualität des Arbeitsmediums vor dem Zuführen eingestellt werden können, was sich z.B. vorteilhaft auf den Wirkungsgrad des Verfahrens auswirken kann.In a further embodiment, the working medium is supplied as a fluid via a supply device. The supply device can be designed as a valve, for example. The supply device is preferably arranged on the at least one first phase separator and/or the at least one second phase separator. The The feed device can also be arranged on another component. The amount of working medium supplied preferably corresponds to the amount of useful fluid provided - especially when the working medium flows in an open circuit. This ensures that sufficient working medium flows in to carry out the process. Furthermore, the supply of the working medium has the advantage that state variables of the working medium such as pressure, temperature or the quality of the working medium can be adjusted before supply, which can have a beneficial effect on the efficiency of the process, for example.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Arbeitsmedium Wasser. Wasser als Arbeitsmedium hat den Vorteil, dass Wasser gegenüber anderen Kältemitteln umweltfreundlich, nicht brennbar und einfach verfügbar ist. Ferner arbeiten z.B. viele Industrieanlagen, insbesondere Dampfsysteme, mit Wasser, so dass das zur Wärmeübertragung bereitgestellte Nutzfluid direkt weiterverarbeitet bzw. in ein Dampfsystem eingespeist werden kann und daher z.B. kein Primär- und Sekundärkreislauf bzw. kein weiterer Wärmeübertrager notwendig ist. Somit ergibt sich durch die Verwendung von Wasser als Arbeitsmedium für das Verfahren eine erhöhte Umweltfreundlichkeit und Benutzerfreundlichkeit.In another embodiment, the working medium is water. Water as a working medium has the advantage that, compared to other coolants, water is environmentally friendly, non-flammable and easily available. Furthermore, many industrial plants, especially steam systems, work with water, so that the useful fluid provided for heat transfer can be directly processed or fed into a steam system and therefore, for example, no primary and secondary circuit or no additional heat exchanger is necessary. The use of water as a working medium for the process therefore results in increased environmental friendliness and user-friendliness.
In einer weiteren Ausführungsform weist ein Verhältnis eines Betriebsdrucks des mindestens einen zweiten Phasenseparators zu einem Betriebsdrucks des mindestens einen ersten Phasenseparators einen Wert in einem Bereich von 1,3 bis 2,5 auf. In Versuchen hat sich gezeigt, dass ein Betriebsdruckverhältnis aus dem benannten Bereich besonders vorteilhaft für das mittels des Verfahrens erzielbare Druck- und Temperaturniveau ist. Mit anderen Worten: Das Druckniveau des Arbeitsmediums wird durch das Verfahren um mindestens 30 % angehoben. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das mindestens eine Verdichterelement aufgrund des beschriebenen Verhältnisses der Betriebsdrücke ein Verdichtungsverhältnis in einem Bereich von 1,3 bis 2,5 aufweisen kann, wodurch sich die Anforderungen an die Dimensionierung des mindestens einen Verdichterelements insbesondere gegenüber einem Verdichterelement mit höheren Verdichtungsverhältnisses reduzieren.In a further embodiment, a ratio of an operating pressure of the at least one second phase separator to an operating pressure of the at least one first phase separator has a value in a range from 1.3 to 2.5. Tests have shown that an operating pressure ratio from the specified range is particularly advantageous for the pressure and temperature level achievable by means of the method. In other words: the pressure level of the working medium is increased by at least 30% by the method. A further advantage is that the at least one compressor element can have a compression ratio in a range from 1.3 to 2.5 due to the described ratio of the operating pressures, which reduces the requirements for the dimensioning of the at least one compressor element, in particular compared to a compressor element with higher compression ratios.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Verfahren ferner den Schritt auf:
- - Abkühlen des Nutzfluids in mindestens einem Kühler.
- - Cooling the useful fluid in at least one cooler.
Der mindestens eine Kühler kann z.B. als Rohrbündel-Wärmetauscher ausgebildet sein. Vorzugsweise findet das Abkühlen des Nutzfluids nach dem Bereitstellen des Nutzfluids statt. Weiter kann das Abkühlen des Nutzfluids auch dem Bereitstellen des Nutzfluids entsprechen. Zum Zwecke der Abkühlung des Nutzfluids kann der Kühler von einem weiteren Umgebungsfluid umströmt werden, welches bei Kontakt mit dem Kühler eine niedrigere Temperatur als das Nutzfluid aufweist. Aufgrund einer Temperaturdifferenz zwischen Nutzfluid und Umgebung bzw. dem weiteren Umgebungsfluid kann die Wärmeenergie von dem Nutzfluid auf die Umgebung übertragen werden. Hierdurch kann z.B. ein Gebäude beheizt werden. Durch das Abkühlen kann das Nutzfluid zumindest teilweise von der gasförmigen in eine flüssige Form übergehen. Insbesondere kann das Nutzfluid nach dem Abkühlen in zweiphasiger Form vorliegen.The at least one cooler can be designed as a tube bundle heat exchanger, for example. The cooling of the useful fluid preferably takes place after the useful fluid has been provided. Furthermore, the cooling of the useful fluid can also correspond to the provision of the useful fluid. For the purpose of cooling the useful fluid, the cooler can be surrounded by another ambient fluid, which has a lower temperature than the useful fluid when in contact with the cooler. Due to a temperature difference between the useful fluid and the environment or the other ambient fluid, the thermal energy can be transferred from the useful fluid to the environment. This can be used to heat a building, for example. The cooling can cause the useful fluid to at least partially change from gaseous to liquid form. In particular, the useful fluid can be in two-phase form after cooling.
Vorzugsweise wird das Nutzfluid nach dem Abkühlen, z.B. über eine Rohrleitung, zumindest teilweise, besonders vorzugsweise vollständig, an z.B. den mindestens einen zweiten Phasenseparator zurückgeführt.Preferably, after cooling, the useful fluid is returned, e.g. via a pipeline, at least partially, particularly preferably completely, to e.g. the at least one second phase separator.
Weiter vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur Wärmeübertragung, umfassend:
- - mindestens einen ersten Phasenseparator und mindestens einen zweiten Phasenseparator,
- - mindestens ein Pumpenelement,
- - mindestens einen Wärmeübertrager,
- - mindestens ein erstes Drosselelement,
- - mindestens ein Verdichterelement
- - mindestens ein zweites Drosselelement,
wobei die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, folgende Schritte auszuführen:
- - Trennung eines Arbeitsmediums in ein flüssiges Treibfluid und ein gasförmiges Saugfluid mittels des mindestens einen ersten Phasenseparators,
- - Erhöhen des Drucks in dem Treibfluid mittels des mindestens einen Pumpenelements,
- - Erwärmen des Treibfluids ohne Phasenübergang in mindestens einem Wärmeübertrager,
- - Entspannen des erwärmten Treibfluids über das mindestens eine erste Drosselelement,
- - Absaugen des gasförmigen Saugfluids aus dem mindestens einen ersten Phasenseparator mittels des mindestens einen Verdichterelements,
- - Zuführen des entspannten Treibfluids und des abgesaugten Saugfluids zu dem mindestens einen zweiten Phasenseparator und Erzeugen eines Mischfluids aus zumindest dem zugeführten Treibfluid und dem zugeführten Saugfluid in dem mindestens einen zweiten Phasenseparator,
- - Trennung des Mischfluids in ein flüssiges Nebenfluid und ein gasförmiges Nutzfluid mittels des mindestens einen zweiten Phasenseparators,
- - Rückführen des Nebenfluids von dem mindestens einen zweiten Phasenseparator zu dem mindestens einen ersten Phasenseparator über das mindestens eine zweite Drosselelement,
- - Bereitstellen zumindest eines Teils des Nutzfluids zur Wärmeübertragung.
- - at least one first phase separator and at least one second phase separator,
- - at least one pump element,
- - at least one heat exchanger,
- - at least one first throttle element,
- - at least one compressor element
- - at least one second throttle element,
wherein the device is designed to carry out the following steps:
- - Separation of a working medium into a liquid driving fluid and a gaseous suction fluid by means of the at least one first phase separator,
- - Increasing the pressure in the driving fluid by means of the at least one pump element,
- - Heating the driving fluid without phase transition in at least one heat exchanger,
- - releasing the heated driving fluid via the at least one first throttle element,
- - Suction of the gaseous suction fluid from the at least one first phase separator by means of the at least one compressor element,
- - feeding the relaxed driving fluid and the suctioned-off suction fluid to the at least one second phase separator and producing a mixed fluid from at least the supplied driving fluid and the supplied suction fluid in the at least one second phase separator,
- - Separation of the mixed fluid into a liquid secondary fluid and a gaseous useful fluid by means of the at least one second phase separator,
- - returning the secondary fluid from the at least one second phase separator to the at least one first phase separator via the at least one second throttle element,
- - Providing at least part of the useful fluid for heat transfer.
Die Vorrichtung ist insbesondere dazu ausgebildet, ein Verfahren nach einem der in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen auszuführen. Auch kann die Vorrichtung dazu ausgebildet sein, einen, mehrere oder alle Schritte des beschriebenen Verfahrens auszuführen. Für die Vorrichtung ergeben sich somit die zuvor für das Verfahren erläuterten technischen Effekte und Vorteile.The device is designed in particular to carry out a method according to one of the embodiments described in this disclosure. The device can also be designed to carry out one, several or all steps of the method described. The device therefore has the technical effects and advantages previously explained for the method.
Die Vorrichtung bzw. eine oder mehrere Komponenten kann/können in einem Gehäuse angeordnet sein. Ferner kann die Vorrichtung bzw. eine oder mehrere Komponenten jeweils mindestens eine Schnittstelle zur fluidtechnischen Verbindung, z.B. mit einer anderen Komponente und/oder der Umgebung aufweisen. Hierdurch kann die Vorrichtung z.B. besonders einfach in bereits bestehende Industrieanlagen integriert werden.The device or one or more components can be arranged in a housing. Furthermore, the device or one or more components can each have at least one interface for fluid connection, e.g. with another component and/or the environment. This makes it particularly easy to integrate the device into existing industrial plants, for example.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Figuren zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung, -
2 ein schematisches Druck-Enthalpie Diagramm, -
3 ein schematisches Temperatur-Entropie Diagramm, -
4 ein schematisches Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens, und -
5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung.
-
1 a schematic representation of an embodiment of a device, -
2 a schematic pressure-enthalpy diagram, -
3 a schematic temperature-entropy diagram, -
4 a schematic flow diagram of an embodiment of a method, and -
5 a schematic representation of another embodiment of a device.
Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Merkmalen.In the following, the same reference symbols designate elements with the same or similar technical features.
Die Vorrichtung 100 umfasst gemäß
Ferner ist in
In einem Schritt S0 wird das Arbeitsmedium über die Zuführeinrichtung 90 als ein flüssiges Fluid zu dem ersten Phasenseparator 20 zugeführt. So kann sichergestellt werden, dass immer eine ausreichende Menge Arbeitsmedium in der Vorrichtung 100 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verfügbar ist.In a step S0, the working medium is supplied as a liquid fluid to the
In einem Schritt S1 wird das Arbeitsmedium in ein flüssiges Treibfluid TF und ein gasförmiges Saugfluid SF getrennt. Durch die Trennung wird das Arbeitsmedium in einen niederenthalpen und niederentropen flüssigen Anteil (Zustandsänderung 1 zu 2 in den
In einem Schritt S2 wird mittels des Pumpenelements 30 der Druck des Treibfluids TF erhöht. Dies entspricht der Zustandsänderung von 2 zu 3 in den
In einem Schritt S3 wird das Treibfluid TF in dem Wärmeübertrager 40 mittels einer Wärmequelle, wie z.B. einem Abwärmestrom eines Industrieprozesses, erwärmt, wobei die in den
In einem Schritt S4 wird das flüssige Treibfluid TF über das Drosselelement 50 entspannt, wobei das Treibfluid TF zumindest teilweise verdampft. Hierbei wird in der in den
In einem Schritt S5 wird das Saugfluid SF mittels des Verdichterelements 80 aus dem ersten Phasenseparator 20 abgesaugt und verdichtet. Hierbei wird in der in den
In einem Schritt S6 wird sowohl das entspannte Treibfluid TF als auch das abgesaugte Saugfluid SF dem zweiten Phasenseparator 60 zugeführt. Dieses Zuführen kann z.B. über Rohrleitungen erfolgen. Hierbei werden in dem zweiten Phasenseparator 60 das zugeführte Treibfluid TF und das zugeführte Saugfluid SF vermischt, sodass das Mischfluid erzeugt wird. Dadurch, dass das Druck- und Temperaturniveau des zugeführten Saugfluids SF größer als das des zugeführten Treibfluids TF ist, kann das Mischfluid einen höheren Druck und/oder eine höhere Temperatur als das zugeführte Treibfluid TF aufweisen.In a step S6, both the relaxed driving fluid TF and the suction fluid SF that has been sucked out are fed to the
In einem Schritt S7 wird das Mischfluid in dem zweiten Phasenseparator 60 in ein gasförmiges Nutzfluid NU und ein flüssiges Nebenfluid NB getrennt. Durch die Trennung wird das Mischfluid somit in einen vergleichsweise hochenthalpen und hochentropen gasförmigen Anteil (Zustandsänderung von 5 zu 10 zu 11 in den
Durch das Verfahren wird der gasförmige Anteil in dem zweiten Phasenseparator 60, hier also das Nutzfluid NU, auf ein, insbesondere gegenüber dem ersten Phasenseparator 20, hohes Druck- und Temperaturniveau gehoben.By means of the method, the gaseous portion in the
In einem Schritt S8 wird das flüssige Nebenfluid NB von dem zweiten Phasenseparator 60 - im Gegensatz zum Nutzfluid NU - an den ersten Phasenseparator 20 über das zweite Drosselelement 55 zurückgeführt. Dies entspricht der in den
In einem weiteren Schritt S9 wird das verdichtete und erwärmte Nutzfluid NU zur Wärmeübertragung bereitgestellt, z.B. zur Wärmeübertragung an einen Heizkreislauf eines Gebäudes mittels eines Kühlers (nicht dargestellt). Insbesondere kann aufgrund des Verdichtens und Erwärmens mittels des Nutzfluids NU z.B. auch eine Wärmeübertragung an eine Wärmesenke eines gegenüber der Wärmequelle höheren Temperaturniveaus ermöglicht werden.In a further step S9, the compressed and heated useful fluid NU is made available for heat transfer, e.g. for heat transfer to a heating circuit of a building by means of a cooler (not shown). In particular, due to the compression and heating by means of the useful fluid NU, heat transfer to a heat sink with a higher temperature level than the heat source can also be made possible.
Das in dem zweiten Phasenseparator 60 bereitgestellte Nutzfluid NU wird mittels des weiteren Verdichterelements 81 abgesaugt und dem weiteren Phasenseparator 61 als Arbeitsmedium zugeführt.The useful fluid NU provided in the
Ferner wird zumindest ein Teil des in dem zweiten Phasenseparator 60 abgetrennten Nebenfluids NB abgezweigt und dem weiteren Pumpenelement 31 zugeführt. Mittels des weiteren Pumpenelements 31 wird ein Druck des abgezweigten Nebenfluids NB erhöht.Furthermore, at least a portion of the secondary fluid NB separated in the
In dem weiteren Wärmeübertrager 41 wird dem abgezweigten Nebenfluid NB Wärme zugeführt. Der weitere Wärmeübertrager 41 kann hierzu z.B. von einem Umgebungsfluid einer weiteren Wärmequelle umströmt werden. Insbesondere kann der weitere Wärmeübertrager 41 auf einem Temperaturniveau Wärme übertragen, welches höher als ein Temperaturniveau des Wärmeübertrager 40 ist. So kann Wärme unterschiedlicher Wärmequellen mittels der Vorrichtung 100 auf das Arbeitsmedium übertragen werden. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Anwendbarkeit des Verfahrens und der Vorrichtung 100 aus.In the
Das erwärmte, abgezweigte Nebenfluid NB kann über ein weiteres Drosselelement 51 entspannt werden und dem weiteren Phasenseparator 61 zugeführt werden.The heated, branched secondary fluid NB can be expanded via a
In dem weiteren Phasenseparator 61 kann aus dem zugeführten, entspannten Nebenfluid NB und dem als Arbeitsmedium zugeführten Nutzfluid NU ein weiteres Mischfluid erzeugt werden, welches wiederum mittels des weiteren Phasenseparators 61 in ein weiteres Nebenfluid NB1 und ein weiteres Nutzfluid NU1 getrennt wird.In the
Das weitere Nebenfluid NB1 wird über ein weiteres Drosselelement 56 dem zweiten Phasenseparator 60 zugeführt, während das weitere Nutzfluid NU1 zur Wärmübertragung bereitgestellt werden kann und/oder als Arbeitsmedium einem weiteren Phasenseparator (nicht dargestellt) zugeführt werden kann.The additional secondary fluid NB1 is supplied to the
Die in
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1 ... 111 ... 11
- Punkte des thermodynamischen ProzessesPoints of the thermodynamic process
- 2020
- erster Phasenseparatorfirst phase separator
- 3030
- PumpenelementPump element
- 3131
- weiteres Pumpenelementadditional pump element
- 4040
- WärmeübertragerHeat exchanger
- 4141
- weiterer Wärmeübertrageradditional heat exchanger
- 5050
- erstes Drosselelementfirst throttle element
- 5151
- weiteres Drosselelementadditional throttle element
- 5555
- zweites Drosselelementsecond throttle element
- 5656
- weiteres Drosselelementadditional throttle element
- 6060
- zweiter Phasenseparatorsecond phase separator
- 6161
- weiterer Phasenseparatoradditional phase separator
- 8080
- VerdichterelementCompressor element
- 8181
- weiteres Verdichterelementadditional compressor element
- 9090
- ZuführeinrichtungFeeding device
- 100100
- Vorrichtung Contraption
- hH
- EnthalpieEnthalpy
- pp
- DruckPressure
- NBNB
- NebenfluidSecondary fluid
- NB1NB1
- weiteres Nebenfluidadditional secondary fluid
- NUNOW
- NutzfluidUseful fluid
- NU1NU1
- weiteres Nutzfluidadditional useful fluid
- ss
- Entropieentropy
- 5050
- Schritt des VerfahrensStep of the procedure
- S1S1
- Schritt des VerfahrensStep of the procedure
- S2S2
- Schritt des VerfahrensStep of the procedure
- S3S3
- Schritt des VerfahrensStep of the procedure
- S4S4
- Schritt des VerfahrensStep of the procedure
- S5S5
- Schritt des VerfahrensStep of the procedure
- S6S6
- Schritt des VerfahrensStep of the procedure
- S7S7
- Schritt des VerfahrensStep of the procedure
- S8S8
- Schritt des VerfahrensStep of the procedure
- S9S9
- Schritt des VerfahrensStep of the procedure
- SFSF
- SaugfluidSuction fluid
- TT
- Temperaturtemperature
- TFTFS
- TreibfluidPropellant fluid
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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