DE19619793A1 - Heat recovery unit using a heat pump - Google Patents
Heat recovery unit using a heat pumpInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Rückgewinnung von als Abwärme in einem Medium enthaltener Wärmeenergie, umfassend eine Vorrichtung, mittels welcher dem Medium Wärmeenergie entzogen wird.The present invention relates to a device and a Process for the recovery of waste heat in a medium contained thermal energy, comprising a device, by means of which is extracted from the medium of thermal energy.
In vielen modernen Herstellungs- und Fertigungsprozessen wird durch den Einsatz von Primärenergie ein Arbeitsvorgang betrie ben, bei welchem Energie in Form von Wärmeenergie frei wird. Beispielsweise wird in der Stahlindustrie, an Hochöfen, in der Papierindustrie, in der Nahrungsmittelindustrie, der chemi schen Industrie und der Textilindustrie oftmals in Abwasser- oder Abluft Wärmeenergie freigesetzt. Das erhitzte Medium Luft oder Wasser wird oftmals dazu verwendet, in einem Wärmetau scher seine Wärmeenergie auf ein zweites Medium zu übertragen, durch welches nachfolgend die bei einem Arbeitsprozeß freiwer dende Wärmeenergie wenigstens teilweise wieder zurückgeführt werden kann, beispielsweise zur Erwärmung von Räumen, zur Erzeugung von Trocknungsluft oder zur Erzeugung von Warmwas ser.In many modern manufacturing and manufacturing processes operated through the use of primary energy ben, at which energy is released in the form of thermal energy. For example, in the steel industry, on blast furnaces, in the Paper industry, in the food industry, the chemi industry and the textile industry often in wastewater or Exhaust air released thermal energy. The heated medium air or water is often used in a heat rope to transfer its thermal energy to a second medium, through which subsequently those who are free in a work process Ending thermal energy at least partially returned can be used, for example, for heating rooms Generation of drying air or hot water ser.
Ferner sind sogenannte Blockheizkraftwerke bekannt, bei wel chen ein Gemisch aus Luft- und Verbrennungsgasen in einem Verdichter vorkomprimiert wird und dabei aufgrund des Verdich tens erhitzt wird. Um jedoch einen optimalen Verbrennungsvor gang zu erhalten, muß das Gas wieder in einem Ladeluftkühler gekühlt werden. Bei diesem Kühlvorgang wird Wärmeenergie frei. Bisher ist in derartigen Blockheizkraftwerken der Ladeluftküh ler mittels eines sogenannten Tischkühlers betrieben worden. Im Ladeluftkühler wird ein Kühlmittel in Kontakt mit dem in dem Verdichter erhitzten Medium, d. h. dem Luft/Verbrennungs gas-Gemisch, gebracht und strömt nachfolgend durch einen La mellenkühler, der zum Abführen der Wärme in die Umgebung mit einem Ventilatorgebläse gekühlt wird.Furthermore, so-called combined heat and power plants are known, at wel Chen a mixture of air and combustion gases in one Compressor is pre-compressed due to the compression is heated. However, to ensure optimal combustion To get gear, the gas must be in an intercooler be cooled. This cooling process releases thermal energy. So far, the charge air cooling is in such combined heat and power plants ler operated by a so-called table cooler. In the charge air cooler, a coolant is in contact with the in medium heated to the compressor, d. H. the air / combustion gas mixture, brought and subsequently flows through a La cell cooler that is used to dissipate the heat to the environment is cooled by a fan blower.
Darüber hinaus wird Wärme in Form von Abwärme auch bei thermi schen Quellen oder dergleichen frei, bei welchen aus unter irdischen Quellen warmes Wasser zur Oberfläche strömt und dann in Thermalbädern genutzt werden kann. In der Regel ist die Temperatur dieser thermischen Quellen jedoch nicht ausreichend hoch, um daraus Wärmeenergie, beispielsweise zur Erwärmung von Häusern, zu erzeugen; andererseits ist die Temperatur oftmals zu hoch zur direkten Verwendung in Thermalbädern, so daß das Wasser der thermischen Quellen zunächst unter Abgabe der über schüssigen Wärmeenergie in die Umgebung abgekühlt werden muß.In addition, heat in the form of waste heat is also at thermi rule sources or the like, from which under earthly sources warm water flows to the surface and then can be used in thermal baths. As a rule, that is However, the temperature of these thermal sources is not sufficient high in order to generate thermal energy, for example for heating To generate houses; on the other hand, the temperature is often too high for direct use in thermal baths, so that Water from the thermal springs initially giving off the over shot thermal energy in the environment must be cooled.
In Anbetracht dessen ist es die Aufgabe der vorliegenden Er findung, eine Einrichtung zur Rückgewinnung von als Abwärme in einem Medium enthaltener Wärmeenergie vorzusehen, mittels welcher der Ausnutzungsgrad der in dem Medium enthaltenen Wärmeenergie erhöht werden kann und die Menge der ungenutzt in die Umgebung abgegebenen Wärmeenergie reduziert werden kann.In view of this, it is the task of the present Er a device for the recovery of waste heat in to provide a medium containing heat energy, by means of which is the level of utilization of those contained in the medium Thermal energy can be increased and the amount of unused in the surrounding heat energy can be reduced.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Einrichtung zur Rückgewinnung von als Abwärme in einem Medium enthaltener Wärmeenergie gelöst, welche eine Vorrichtung umfaßt, mittels welcher die Mediumwärmeenergie entzogen wird. Dabei umfaßt die Vorrichtung eine Wärmepumpe.According to the invention, this object is achieved by a device for Recovery of waste heat contained in a medium Solved thermal energy, which comprises a device, by means of from which the medium heat energy is extracted. The includes Device a heat pump.
Auf diese Art und Weise läßt sich die durch die erfindungs gemäße Einrichtung dem Medium entzogene Wärmeenergie durch die Wärmepumpe auf ein höheres Niveau anheben, so daß sie für eine Vielzahl weiterer nachfolgender Prozesse zur Verfügung steht. Dies betrifft insbesondere Prozesse, die eine Temperatur er fordern, die höher als die oder gleich der Temperatur des Me diums ist, bevor ihm Wärmeenergie entzogen worden ist. Für derartige Prozesse konnte bisher die im Medium enthaltene Wärmeenergie nicht genutzt werden, da mittels der bekannte Wärmetauscher maximal Temperaturen erreicht werden konnten, die der Temperatur des Mediums vor der Wärmeabgabe entspre chen. Da die in dem Medium enthaltene Wärmeenergie somit für eine Vielzahl weiterer Anwendungen nutzbar gemacht werden kann, wird der Primärenergie- Ausnutzungsgrad durch die erfin dungsgemäße Einrichtung deutlich erhöht.In this way, the fiction appropriate device heat energy extracted from the medium by the Raise the heat pump to a higher level so that it can be used for a Many other subsequent processes are available. This applies in particular to processes involving a temperature demand that is higher than or equal to the temperature of the me diums is before heat energy has been removed from it. For processes of this kind have so far been possible in the medium Thermal energy can not be used because of the known Heat exchanger maximum temperatures could be reached which corresponds to the temperature of the medium before the heat is given off chen. Since the thermal energy contained in the medium is therefore for a variety of other applications can be used the degree of primary energy utilization is invented by device according to the invention increased significantly.
Vorzugsweise umfaßt die erfindungsgemäße Einrichtung ferner einen Kühlmittelkreislauf mit einem zwischen einem Wärmeüber tragungskontakt mit dem Medium und einem Wärmepumpenverdampfer zirkulierenden Kühlmittel zur Übertragung von Wärmeenergie von dem Medium auf einen Arbeitsstoff der Wärmepumpe. Es kann somit vermieden werden, daß der Arbeitsstoff der Wärmepumpe direkt in Wärmeübertragungskontakt mit dem zu kühlenden Medium tritt. Es ist somit möglich, bei bereits bestehenden Einrich tungen, bei welchen ein Medium durch ein Kühlmittel, bei spielsweise über einen Tischkühler, gekühlt wird, den Tisch kühler durch den Wärmepumpenverdampfer zu ersetzen. Es müssen dann keine zusätzlichen Eingriffe in den Kreislauf, in dem das Medium strömt, vorgenommen werden.Preferably, the device according to the invention further comprises a coolant circuit with one between a heat transfer contact with the medium and a heat pump evaporator circulating coolant for transferring thermal energy from the medium on a working fluid of the heat pump. It can thus be avoided that the working fluid of the heat pump directly in heat transfer contact with the medium to be cooled occurs. It is therefore possible to set up an existing one in which a medium is cooled by a coolant for example, over a table cooler, the table is cooled cooler to be replaced by the heat pump evaporator. To have to then no additional intervention in the circulation in which the Medium flows, can be made.
Um eine vorbestimmte Kühltemperatur des Kühlmittels des Kühl kreislaufs für das Medium vorsehen zu können, wird vorgeschla gen, daß der Kühlmittelkreislauf eine erste Thermostatisier einrichtung umfaßt. Dadurch kann das Kühlmittel zum Wärmeüber tragungskontakt mit dem Medium immer auf eine vorbestimmte Temperatur gebracht ist. Dies ist in vielen Arbeitskreisläu fen, wie beispielsweise in einem Blockheizkraftwerk, eine zwingende Maßnahme, um für die nachherige Ausnutzung des Medi ums in einem Gasmotor oder dergleichen konstante Arbeitsbedin gungen vorsehen zu können.To a predetermined cooling temperature of the coolant of the cooling It is proposed to be able to provide a circulation for the medium conditions that the coolant circuit is a first thermostat device includes. This allows the coolant to transfer heat wearing contact with the medium always to a predetermined Temperature is brought. This is in many working groups fen, such as in a combined heat and power plant, a mandatory measure to ensure the subsequent use of the medi um constant working conditions in a gas engine or the like to be able to provide for.
Dabei kann die erste Thermostatisiereinrichtung ein durch eine Reguliereinrichtung ansteuerbares Mischventil umfassen zum wenigstens teilweisen Überbrücken des Wärmepumpenverdampfers. Somit kann das zum Kühlen des Mediums strömende Kühlmittel einerseits aus durch den Wärmepumpenverdampfer abgekühltem Kühlmittel und andererseits aus durch das Medium erwärmtem Kühlmittel zusammengesetzt werden, wodurch bei geeigneter Mischung eine gewünschte Temperatur vorgesehen werden kann.In this case, the first thermostat can be activated by a Regulating device controllable mixing valve include at least partially bridging the heat pump evaporator. Thus, the coolant flowing to cool the medium can on the one hand from cooling down by the heat pump evaporator Coolant and on the other hand from heated by the medium Coolants are put together, making suitable Mixing a desired temperature can be provided.
Die erfindungsgemäße Einrichtung umfaßt vorzugsweise ferner einen Nutzwärmeabgabekreislauf mit einem zwischen einem Wärme pumpenverflüssiger und einem Nutzwärmeverbraucher zirkulieren den Heizmittel zum Übertragen von Wärmeenergie von dem Ar beitsstoff zu dem Nutzwärmeverbraucher.The device according to the invention preferably further comprises a useful heat release cycle with one between one heat circulate pump condenser and a useful heat consumer the heating means for transferring thermal energy from the ar to the useful heat consumer.
Um für den Nutzwärmeverbraucher ebenfalls gewünschte Tempera turbedingungen vorsehen zu können, wird vorgeschlagen, daß der Nutzwärmeabgabekreislauf eine zweite Thermostatisiereinrich tung umfaßt zur Abgabe des Heizmittels an den Nutzwärmever braucher mit einer vorbestimmten Nutztemperatur.In order to achieve the desired tempera for the consumer of useful heat To be able to provide conditions, it is proposed that the Useful heat release circuit a second thermostat device includes to deliver the heating medium to the Nutzwärmever users with a predetermined usable temperature.
Dabei kann in einfacher Weise die zweite Thermostatisierein richtung wiederum ein durch eine Reguliereinrichtung ansteuer bares Mischventil umfassen zum wenigstens teilweisen Über brücken des Wärmepumpenverflüssigers. Das abgegebene Heizmit tel kann somit wieder aus einem Heizmittelstrom, der durch den Wärmepumpenverflüssiger erwärmt worden ist, sowie aus einem Heizmittelstrom, der nicht durch den Wärmepumpenverflüssiger geflossen ist, zusammengesetzt werden, so daß wieder die ge wünschte Temperatur erzielt werden kann.The second thermostat can be easily operated direction in turn by a regulating device bar mixing valve to at least partially include bridge the heat pump condenser. The heating element emitted tel can thus again from a heating medium flow through the Heat pump condenser has been heated, as well as from a Heating medium flow that is not through the heat pump condenser has flowed, put together, so that again the ge desired temperature can be achieved.
Vorteilhafterweise umfaßt das Kühlmittel und/oder das Heiz mittel Wasser, Luft, Glycol oder dergleichen. Dies führt ei nerseits zu einem kostengünstigen Aufbau der erfindungsgemäßen Einrichtung, andererseits muß kein Kühl- bzw. Heizmittel ver wendet werden, das möglicherweise umweltschädlich ist und nach seiner Benutzungsdauer aufwendig entsorgt werden müßte. Die Auswahl des speziellen Kühl- oder Heizmittels hängt von dem Temperaturbereich ab, in dem die erfindungsgemäße Einrichtung arbeitet. Ferner kann die Auswahl des Aggregatzustands des Kühl- bzw. Heizmittels davon abhängig gemacht werden, welchen Aggregatzustand das Medium hat. The coolant and / or the heating advantageously comprises medium water, air, glycol or the like. This leads to on the other hand to an inexpensive construction of the invention Facility, on the other hand, no coolant or heating agent ver that may be harmful to the environment and after its useful life would have to be disposed of at great expense. The Selection of the special coolant or heating medium depends on that Temperature range in which the device according to the invention is working. Furthermore, the selection of the physical state of the Coolant or heating agent are made dependent on which Physical state the medium has.
Der Arbeitsstoff der Wärmepumpe umfaßt vorzugsweise 1-Chlor-1,2,2-2-Tetrafluorethan. Dieses als R124 bekannte Kältemittel zeichnet sich dadurch aus, daß es den Betrieb einer Wärmepumpe mit Nutztemperaturwärmen bis zu 110°C gestattet. Dies bedeu tet, daß mit der erfindungsgemäßen Einrichtungen Nutzwärmetem peraturbereiche zugänglich werden, die mit bekannten Wärmepum pen, welche Nutzwärme lediglich bis zu ca. 55 °C abgeben konn ten, nicht erreichbar waren.The working fluid of the heat pump preferably comprises 1-chloro-1,2,2-2-tetrafluoroethane. This refrigerant known as R124 is characterized in that it operates a heat pump permitted with useful temperature heat up to 110 ° C. This means tet that with the facilities according to the invention Nutzwärmetem temperature areas are accessible with known heat pump pen, which can only give useful heat up to approx. 55 ° C were unreachable.
Die Temperatur des Mediums vor dem Wärmeübertragungskontakt mit dem Kühlmittel liegt vorzugsweise im Bereich von -20°C bis 110°C. Dabei kann die erfindungsgemäße Einrichtung vor teilhafterweise vorsehen, daß die Temperatur des Heizmittels nach dem Wärmeübertragungskontakt mit dem Arbeitsstoff im Bereich von 50°C bis 110°C liegt.The temperature of the medium before the heat transfer contact with the coolant is preferably in the range of -20 ° C up to 110 ° C. The device according to the invention can partly provide that the temperature of the heating medium after the heat transfer contact with the working fluid in the Range is from 50 ° C to 110 ° C.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftma schine, insbesondere einen Gasmotor, insbesondere für ein Blockheizkraftwerk, umfassend eine Aufladeeinrichtung mit einem Verdichter und einem Gaskörper zum Kühlen des durch den Verdichter aufgeladenen Gases. Dem Gaskühler ist eine Wärme pumpe zum Kühlen des aufgeladenen Gases als Medium zugeordnet.The present invention further relates to an internal combustion engine machine, especially a gas engine, especially for a Combined heat and power plant, comprising a charging device a compressor and a gas body for cooling the by the Supercharged gas. The gas cooler is warm Pump assigned to cool the charged gas as a medium.
Dabei ist es insbesondere für den Betrieb von Blockheizkraft werken vorteilhaft, wenn eine Kühlmitteltemperatur des Kühl mittels vor dem Wärmeübertragungskontakt mit dem Medium im Bereich von -20°C bis 110°C, vorzugsweise bei 40°C liegt, und wenn eine Temperatur des Kühlmittels nach dem Wärmeüber tragungskontakt mit dem Medium im Bereich von -20°C bis 110°C, vorzugsweise 43,5°C liegt.It is particularly useful for the operation of cogeneration works advantageously when a coolant temperature of the cooling by means of before the heat transfer contact with the medium in the Range from -20 ° C to 110 ° C, preferably 40 ° C, and if a temperature of the coolant after heat over wearing contact with the medium in the range from -20 ° C to 110 ° C, preferably 43.5 ° C.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfah ren zur Rückgewinnung von als Abwärme in einem Medium enthal tener Wärmeenergie, wobei das Verfahren das Übertragen von in dem Medium enthaltener Wärmeenergie auf einen Arbeitsstoff einer Wärmepumpe, das Erhöhen der Temperatur des Arbeitsstof fes in der Wärmepumpe und das Abgeben von Wärmeenergie von dem Arbeitsstoff der Wärmepumpe auf einen Nutzwärmeverbraucher um faßt.The present invention further relates to a method contain for the recovery of as waste heat in a medium tener thermal energy, the method being the transfer of in the medium contained heat energy on a working material a heat pump, increasing the temperature of the working fluid fes in the heat pump and emitting heat energy from the Working material of the heat pump to a useful heat consumer sums up.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die Verwendung von 1-Chlor-1,2,2,2-Tetrafluorethan als Arbeitsstoff für eine Wärmepumpe.The present invention further relates to the use of 1-chloro-1,2,2,2-tetrafluoroethane as a working substance for a Heat pump.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen detailliert beschrieben. Es zeigtThe present invention will hereinafter be described with reference to FIG accompanying drawings based on preferred embodiments described in detail. It shows
Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Einrich tung, welche eine Wärmepumpe umfaßt; Fig. 1 is a block diagram of the Einrich device according to the invention, which comprises a heat pump;
Fig. 2 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Einrich tung, welche in Verbindung mit einem bei einem Blockheizkraftwerk verwendeten Gasmotor dargestellt ist. Fig. 2 is a block diagram of the Einrich device according to the invention, which is shown in connection with a gas engine used in a combined heat and power plant.
In Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Einrichtung allgemein mit 10 bezeichnet. Die erfindungsgemäße Einrichtung 10 ist dazu vorgesehen, Wärmeenergie von einem Medium M zu einem Nutzwär meverbraucher V zu übertragen. Das Medium M kann beispiels weise ein bei einer Vielzahl von Herstellungsprozessen freige setztes Verbrennungsgas sein. Ferner kann das Medium M bei spielsweise in einem Hochofen oder in einem Ofen zum Brennen von Keramikteilen freigesetztes erhitztes Gas sein. Darüber hinaus kann das Medium warmes Wasser von Thermalquellen oder dergleichen umfassen. Der Nutzwärmeverbraucher V in Fig. 1 kann beispielsweise wiederum ein zu erwärmendes Gas oder eine zu erwärmende Flüssigkeit sein, die dann in einem nachfolgen den Arbeitsprozeß beispielsweise zur Erzeugung von Trocknungs luft oder zur Heizung oder dergleichen verwendet wird.In Fig. 1, the device according to the invention is generally designated 10 . The device 10 according to the invention is intended to transfer thermal energy from a medium M to a useful heat consumer V. The medium M can, for example, be a released combustion gas released in a large number of manufacturing processes. Furthermore, the medium M can be heated gas released in, for example, a blast furnace or in a furnace for firing ceramic parts. In addition, the medium may include warm water from thermal springs or the like. The useful heat consumer V in FIG. 1 can, for example, in turn be a gas or a liquid to be heated, which is then used in a subsequent work process, for example to produce drying air or for heating or the like.
Das Medium M wird in einem Kühler 12 in Wärmekontakt mit einem in einem Kühlmittelkreislauf 14 zirkulierenden Kühlmittel gebracht. Das Kühlmittel wird durch eine Pumpe 16 zum Strömen durch den Kühler 12, dann durch ein Mischventil 18, durch einen Wärmepumpenverdampfer 20 und wieder zurück in den Kühler 12 in einer Strömungsrichtung a angetrieben. Dabei wird das Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf 14 durch den Wärmekontakt mit dem Medium M im Kühler 12 erwärmt, unter entsprechender Abkühlung des Mediums M. Im Wärmepumpenverdampfer 20, welcher von bekanntem Aufbau sein kann, wird dann das so erwärmte Kühlmittel in Wärmeübertragungskontakt mit einem Arbeitsstoff einer Wärmepumpe 22 gebracht. Der Arbeitsstoff wird dabei verdampft, wobei die dazu erforderliche Verdampfungswärme dem Kühlmittel entzogen wird und dieses dabei wiederum abgekühlt wird. Nach dem Wärmeübertragungskontakt mit dem Arbeitsstoff strömt das Kühlmittel wieder zurück zum Kühler 12.The medium M is brought into thermal contact in a cooler 12 with a coolant circulating in a coolant circuit 14 . The coolant is driven by a pump 16 to flow through the cooler 12 , then through a mixing valve 18 , through a heat pump evaporator 20 and back into the cooler 12 in a flow direction a. The coolant in the coolant circuit 14 is heated by the thermal contact with the medium M in the cooler 12 , with corresponding cooling of the medium M. In the heat pump evaporator 20 , which can be of known construction, the coolant thus heated is then in heat transfer contact with a working fluid of a heat pump 22 brought. The working material is evaporated, the heat of evaporation required for this being removed from the coolant and this is then cooled again. After the heat transfer contact with the working fluid, the coolant flows back to the cooler 12 .
Um eine vorbestimmte Kühltemperatur T₁ des Kühlmittels für den Wärmeübertragungskontakt mit dem Medium M vorsehen zu können, ist das Mischventil 18 im Kühlmittelkreislauf 14 angeordnet. Das Mischventil 18 ist durch eine Reguliereinrichtung 24 an steuerbar, welche beispielsweise mit Temperaturfühlern zum Erfassen der Temperatur des Kühlmittels vor und nach dem Wär meübertragungskontakt mit dem Medium ausgestattet sein kann, sowie zur Erfassung der Umgebungstemperatur oder der Tempera tur T₄ des Mediums M. Das Mischventil 18 ist durch die Regu liereinrichtung 24 derart ansteuerbar, daß es einen Teil des vom Kühler 12 heranströmenden Kühlmittels vor dem Wärmepumpen verdampfer 20 in Richtung eines Pfeils b abzweigt. Dieser Teil des durch das Medium M erwärmten Kühlmittels vermischt sich dann mit dem in Richtung des Pfeils a strömenden, vom Wärme pumpenverdampfer 20 gekühlten Kühlmittel und erzeugt dabei eine entsprechend dem Mischverhältnis gebildete Mischtempera tur T₁ vor dem Wärmeübertragungskontakt mit dem Medium M.In order to be able to provide a predetermined cooling temperature T 1 of the coolant for the heat transfer contact with the medium M, the mixing valve 18 is arranged in the coolant circuit 14 . The mixing valve 18 can be controlled by a regulating device 24 , which can be equipped, for example, with temperature sensors for detecting the temperature of the coolant before and after the heat transfer contact with the medium, and for detecting the ambient temperature or the temperature T₄ of the medium M. The mixing valve 18 can be controlled by the regulating device 24 in such a way that it branches off part of the coolant flowing in from the cooler 12 in front of the heat pump evaporator 20 in the direction of an arrow b. This part of the coolant heated by the medium M then mixes with the coolant flowing in the direction of arrow a, cooled by the heat pump evaporator 20, and thereby generates a mixing temperature T 1 formed according to the mixing ratio before the heat transfer contact with the medium M.
Der vom Kühlmittel verdampfte Arbeitsstoff der Wärmepumpe 22 wird durch einen Verdichter 26, welcher durch einen Motor 28 angetrieben ist, komprimiert und dabei auf eine höhere Tempe ratur erwärmt. Nachfolgend tritt der Arbeitsstoff in einen Wärmepumpenverflüssiger 30 ein. Der Wärmepumpenverflüssiger 30 kann wieder von bekanntem Aufbau sein. Im Wärmepumpenverflüs siger 30 wird der Arbeitsstoff bei der erhöhten Temperatur verflüssigt. Die dabei freiwerdende Wärmeenergie wird an ein Heizmittel abgegeben, welches in einem Nutzwärmeabgabekreis lauf 32 zirkuliert. Das Heizmittel im Nutzwärmeabgabekreislauf 32 ist wiederum durch eine Pumpe 34 zur Zirkulation in Rich tung eines Pfeils c durch einen Wärmetauscher, oder derglei chen, 36 hindurch, durch ein Mischventil 38, den Wärmepumpen verflüssiger 30 und zurück zum Wärmetauscher 36 angetrieben. Im Wärmetauscher 36 wird die Wärmeenergie des Heizmittels im Nutzwärmeabgabekreislauf 32 auf den Nutzwärmeverbraucher V übertragen und dieser entsprechend erwärmt.The working fluid evaporated from the coolant of the heat pump 22 is compressed by a compressor 26 , which is driven by a motor 28 , and heated to a higher temperature. The working substance then enters a heat pump liquefier 30 . The heat pump condenser 30 can again be of known construction. In the heat pump condenser 30 , the working fluid is liquefied at the elevated temperature. The heat energy released in this process is released to a heating medium which circulates 32 in a useful heat emission circuit. The heating medium in the useful heat emission circuit 32 is in turn driven by a pump 34 for circulation in the direction of an arrow c through a heat exchanger, or the like, 36 through, through a mixing valve 38 , the heat pump liquefier 30 and back to the heat exchanger 36 . In the heat exchanger 36 , the thermal energy of the heating medium in the useful heat emission circuit 32 is transferred to the useful heat consumer V and the latter is heated accordingly.
Im Nutzwärmeabgabekreislauf 32 ist wiederum das Mischventil 38 dazu vorgesehen, die Temperatur T₅ des Heizmittels zur Wärme energieübertragung an den Nutzwärmeverbraucher V entsprechend den Anforderungen oder den Wünschen des Betreibers einzustel len. Es wird insbesondere wieder ein aus dem Wärmepumpenver flüssiger 30 heranströmender Heizmittelstrom mit einem durch das Mischventil 38 abgezweigten, im Wärmetauscher 36 gekühlten Heizmittelstrom, welcher in Richtung eines Pfeils d strömt, gemischt und dadurch die gewünschte Mischtemperatur T₃ vor gesehen. Das Mischventil 38 ist wiederum durch die Regulier einrichtung 24 ansteuerbar. Die Reguliereinrichtung 24 umfaßt hierzu wiederum Temperaturfühler (nicht dargestellt), die einerseits die Eingangs- und die Ausgangstemperatur des Heiz mittels vor bzw. nach dem Wärmetausch 36 erfassen, sowie ggf. die Temperatur des Nutzwärmeverbrauchers V oder die Umgebungs temperatur.In the useful heat emission circuit 32 , the mixing valve 38 is in turn provided to adjust the temperature T₅ of the heating medium for heat energy transfer to the useful heat consumer V in accordance with the requirements or wishes of the operator. It is in particular again from the heat pump liquid 30 approaching heating medium flow with a branched through the mixing valve 38 , cooled in the heat exchanger 36 heating medium flow, which flows in the direction of an arrow d, mixed and thereby seen the desired mixing temperature T₃ before. The mixing valve 38 is in turn controlled by the regulating device 24 . The regulating device 24 in turn comprises temperature sensors (not shown) which, on the one hand, detect the inlet and outlet temperatures of the heating by means of before or after the heat exchange 36 , and, if appropriate, the temperature of the useful heat consumer V or the ambient temperature.
In Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Einrichtung derart darge stellt, daß das Heizmittel durch den Wärmetauscher 36 seine Wärme auf den Nutzwärmeverbraucher V überträgt. Diese Art der Erwärmung des Nutzwärmeverbrauchers V wird als Indirektheizung bezeichnet. Gleichwohl ist es jedoch möglich, daß der Heiz mittelkreislauf 32 und der Kreislauf des Nutzwärmeverbrauchers in direkter Verbindung miteinander stehen, so daß der Nutz wärmeverbraucher V unter Auslassung des Wärmetauschers 36 direkt durch den Wärmepumpenverflüssiger 30 strömt und dabei Wärme auf diesen übertragen wird. Diese Art der Heizung ist als Direktheizung bezeichnet.In Fig. 1, the device according to the invention is such Darge that the heating medium through the heat exchanger 36 transfers its heat to the useful heat consumer V. This type of heating of the useful heat consumer V is referred to as indirect heating. Nevertheless, it is possible that the heating medium circuit 32 and the circuit of the useful heat consumer are in direct communication with one another, so that the useful heat consumer V flows through the heat pump condenser 30 , omitting the heat exchanger 36 , and thereby heat is transferred to it. This type of heating is called direct heating.
Der Arbeitsstoff in der Wärmepumpe 22 wird, nachdem er im Wärmepumpenverflüssiger 30 verflüssigt worden ist und dabei seine Wärmeenergie an das Heizmittel abgegeben hat, über ein Expansionsventil 40 expandiert und in den Wärmepumpenverdamp fer 20 zurückgeführt.The working fluid in the heat pump 22 , after it has been liquefied in the heat pump liquefier 30 and has thereby given off its thermal energy to the heating medium, is expanded via an expansion valve 40 and is returned to the heat pump evaporator 20 .
Wie in Fig. 1 ferner zu erkennen ist, kann vorgesehen sein, daß sowohl die Pumpe 16 im Kühlmittelkreislauf 14, als auch die Pumpe 34 im Nutzwärmeabgabekreislauf 32 durch die Regu liereinrichtung 24 in ihrem Betrieb steuerbar ist. Ferner kann der Motor 28 zum Antrieb des Verdichters 26 in der Wärmepumpe 22 ebenfalls durch die Reguliereinrichtung 24 angesteuert werden. Insbesondere kann die Reguliereinrichtung derart aus gebildet sein, daß sie die erfindungsgemäße Einrichtung 10 mit dem Kühlmittelkreislauf 14, der Wärmepumpe 22 und dem Nutzwär meabgabekreislauf 32 nur dann in Betrieb setzt, wenn die Tem peratur T₄ des Mediums M vor dem Eintritt in den Kühler 12 eine vorbestimmte Solltemperatur überschreitet. Ist die Temperatur des Mediums unter dieser vorbestimmten Solltemperatur, die im Bereich von 40°C bis 60°C liegen kann, so wird beispiels weise durch die Reguliereinrichtung 24 der Motor 28 zum An treiben des Wärmepumpenverdichters 26 abgeschaltet.As can also be seen in FIG. 1, it can be provided that both the pump 16 in the coolant circuit 14 and the pump 34 in the useful heat emission circuit 32 can be controlled by the regulating device 24 in their operation. Furthermore, the motor 28 for driving the compressor 26 in the heat pump 22 can also be controlled by the regulating device 24 . In particular, the regulating device can be designed such that it sets the device 10 according to the invention with the coolant circuit 14 , the heat pump 22 and the useful heat release circuit 32 only when the temperature T Betrieb of the medium M before entering the cooler 12 predetermined target temperature exceeds. If the temperature of the medium is below this predetermined target temperature, which can be in the range from 40 ° C. to 60 ° C., the motor 28 for driving the heat pump compressor 26 is switched off, for example, by the regulating device 24 .
Der bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 in der Wärmepumpe 22 verwendete Arbeitsstoff ist 1-Chlor-1,2,2,2-Tetrafluor ethan. Dieser Arbeitsstoff ist als das Kältemittel R124 be kannt und weist zum Betrieb der erfindungsgemäßen Einrichtung 10 signifikante Vorteile auf. Dieses Kältemittel gehört zur Gruppe der hydrierten Fluorchlorkohlenwasserstoffverbindungen (H-FCKWs). Diese Verbindungen enthalten zwar immer noch Chlor, sind jedoch nicht vollständig halogenisiert. Dies bedeutet, daß das Kältemittel R124 zwar die Ozonschicht noch beeinträch tigen kann, dies aber in einem deutlich geringeren Ausmaß tut, als die bekannten Fluorchlorkohlenwasserstoffverbindungen, welche nicht hydriert sind. Aufgrund seiner geringen Umwelt schädlichkeit ist der Einsatz dieses Kältemittels nicht ver boten. Darüber hinaus weist dieses Kältemittel jedoch thermo dynamische Eigenschaften auf, die es für den Einsatz bei der erfindungsgemäßen Einrichtung besonders geeignet machen. So liegt der Siedepunkt dieses Kältemittels bei -11°C, während sein kritischer Punkt bei Temperaturen deutlich über 120°C liegt. Dies bedeutet, daß das Kältemittel R124 in einem Ar beitsbereich mit Nutzwärmetemperaturen bis zu ca. 110°C be trieben werden kann. Darüber hinaus kann es im Wärmepumpenver dampfer 20 mit einem Kühlmittel in Verbindung gebracht werden, das auf relativ hohe Temperaturen, beispielsweise auch im Bereich von 100°C, erhitzt worden ist. Dies ist ein Bereich, der dem Betrieb herkömmlicher Wärmepumpen bisher nicht zugäng lich war. Diese Wärmepumpen haben insbesondere mit Abwärme im Bereich von 0°C bis 30°C gearbeitet und dabei Nutzwärmetem peraturen von ca. 55°C vorgesehen. Der nach oben deutlich erweiterte Anwendungstemperaturbereich der erfindungsgemäßen Einrichtung macht es also möglich, einerseits mit dieser Ein richtung Medien zu kühlen, die bereits eine relativ hohe Tem peratur aufweisen, wie es insbesondere bei Abgasen oder Kühl medien der Fall ist. Andererseits kann durch die erfindungs gemäße Einrichtung 10, insbesondere den Einsatz einer Wärme pumpe mit dem Arbeitsstoff R124, diese Temperatur auf ein noch höheres Niveau von bis zu 110°C angehoben werden, wodurch Nutzwärme in einem Arbeitstemperaturbereich verfügbar wird, der für eine Vielzahl weiterer Arbeitsprozesse erforderlich ist.The working material used in the device 10 according to the invention in the heat pump 22 is 1-chloro-1,2,2,2-tetrafluoroethane. This working substance is known as the refrigerant R124 and has significant advantages for the operation of the device 10 according to the invention. This refrigerant belongs to the group of hydrogenated chlorofluorocarbon compounds (HCFCs). While these compounds still contain chlorine, they are not fully halogenated. This means that the refrigerant R124 can adversely affect the ozone layer, but does so to a much lesser extent than the known chlorofluorocarbon compounds, which are not hydrogenated. Due to its low environmental impact, the use of this refrigerant is not prohibited. In addition, however, this refrigerant has thermodynamic properties which make it particularly suitable for use in the device according to the invention. The boiling point of this refrigerant is -11 ° C, while its critical point at temperatures is well above 120 ° C. This means that the refrigerant R124 can be operated in a working area with useful heat temperatures up to approx. 110 ° C. In addition, it can be connected to a coolant in the heat pump evaporator 20 which has been heated to relatively high temperatures, for example also in the range of 100 ° C. This is an area that was previously not accessible to the operation of conventional heat pumps. These heat pumps have worked in particular with waste heat in the range of 0 ° C to 30 ° C and thereby provided temperatures of approx. 55 ° C. The application temperature range of the device according to the invention, which is significantly expanded upwards, makes it possible, on the one hand, to cool media with this device, which already have a relatively high temperature, as is the case in particular with exhaust gases or cooling media. On the other hand, by means of the device 10 according to the invention, in particular the use of a heat pump with the working substance R124, this temperature can be raised to an even higher level of up to 110 ° C., as a result of which useful heat is available in a working temperature range which is suitable for a large number of further working processes is required.
Eine spezifische Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung 10 ist in Fig. 2 dargestellt. Die in Fig. 2 dargestellte Einrichtung 10 entspricht in ihrem Aufbau im wesentlichen der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung, so daß zur Bezeichnung gleicher Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet werden und eine detailliertere Beschreibung dieser Bauteile mit Bezug auf die Fig. 2 nicht erfolgt.A specific application of the device 10 according to the invention is shown in FIG. 2. The structure of the device 10 shown in FIG. 2 essentially corresponds to the device shown in FIG. 1, so that the same reference numerals are used to designate the same components and a detailed description of these components with reference to FIG. 2 is not given.
In Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Einrichtung 10 in Verbin dung mit einem nur schematisch dargestellten Blockheizkraft werk B abgebildet. Das Blockheizkraftwerk B umfaßt einen Gas motor T, in welchem ein Gemisch aus Verbrennungsluft L und einem Verbrennungsgas G verbrannt wird. Dieses Gemisch wird in einem Mischer 50 gemischt, dann durch einen Verdichter oder Kompressor K vorverdichtet. Bei dieser Vorverdichtung wird das Gemisch aus Verbrennungsluft L und Verbrennungsgas G erhitzt und bildet dann das Medium M. Da zum Erhalten eines effizien ten Betriebs des Gasmotors T eine bestimmte Temperatur des Mediums M erforderlich ist, die jedoch unter der im Kompressor K erzeugten Temperatur liegt, wird in einem sogenannten Lade luftkühler 12′ das Medium M durch die erfindungsgemäße Vor richtung 10 in der vorangehend beschriebenen Art und Weise gekühlt. Nach der Kühlung durch den Ladeluftkühler 12′ wird das Medium in den Gasmotor eingeleitet und dort verbrannt. Dabei wird Energie zur Erzeugung von Elektrizität frei und es entsteht ein erhitztes Abgas A. Das Abgas A durchströmt, bevor es zur Umgebung hin abgelassen wird, einen Wärmetauscher 52, der mit einem Vorlauf 54, beispielsweise eines Fernheizkreis laufs, in Verbindung steht. Ein Rücklauf 56 des Fernheizkreis laufs führt zu dem Gasmotor T zurück. Im Gasmotor T wird ein Heizmedium des Fernheizkreislaufs erhitzt, so daß es aus dem Gasmotor T mit erhöhter Temperatur in den Vorlauf 54 austritt. Nach dem Austreten aus dem Gasmotor T durchströmt das Heizme dium des Fernheizkreislaufs im Vorlauf 54 noch den Wärmetau scher 52, um zusätzlich noch die im Abgas enthaltene Wärme energie, oder zumindest einen Teil davon, aufzunehmen, so daß es nach dem Wärmetauscher 52 eine weiter erhöhte Temperatur aufweist. Nach der Abgabe seiner Wärmeenergie, beispielsweise in Wohnanlagen oder dergleichen, strömt das Heizmedium des Fernheizkreislaufs durch den Rücklauf 56 zurück zum Kühlen des Gasmotors T und zur Wiederholung des Heizzyklus. In Fig. 2, the device 10 according to the invention is shown in connec tion with a block heat and power plant B shown only schematically. The cogeneration unit B comprises a gas engine T, in which a mixture of combustion air L and a combustion gas G is burned. This mixture is mixed in a mixer 50 , then pre-compressed by a compressor or compressor K. In this pre-compression, the mixture of combustion air L and combustion gas G is heated and then forms the medium M. Since a certain temperature of the medium M is required to maintain efficient operation of the gas engine T, but this is below the temperature generated in the compressor K, is in a so-called charge air cooler 12 ', the medium M by the inventive device 10 before cooled in the above-described manner. After cooling by the charge air cooler 12 ', the medium is introduced into the gas engine and burned there. This releases energy to generate electricity and produces a heated exhaust gas A. Before the exhaust gas A is discharged to the environment, it flows through a heat exchanger 52 which is connected to a flow 54 , for example a district heating circuit. A return 56 of the district heating circuit leads back to the gas engine T. In the gas engine T, a heating medium of the district heating circuit is heated so that it exits the gas engine T at an increased temperature into the flow 54 . After exiting the gas engine T, the Heizme medium of the district heating circuit in the flow 54 still flows through the heat exchanger 52 to additionally contain the heat energy contained in the exhaust gas, or at least part of it, so that it increases further after the heat exchanger 52 Temperature. After its heat energy has been given off, for example in residential complexes or the like, the heating medium of the district heating circuit flows back through the return line 56 to cool the gas engine T and to repeat the heating cycle.
Wie in Fig. 2 zu erkennen, ist der Nutzwärmeabgabekreislauf 32 der erfindungsgemäßen Einrichtung 10 direkt mit dem Fern heizkreislauf 54, 56 als Nutzwärmeverbraucher gekoppelt. In einer ersten Ausgestaltung (B-B) wird dabei das Heizmittel durch die Pumpe 34 im Nutzwärmeabgabekreislauf direkt in den Rücklauf 56 des Fernheizkreislaufs eingespeist, so daß es das vom Fernheizkreislauf über den Rücklauf 56 zurückkehrende Heizmedium bereits vor dem Eintritt in den Gasmotor T vorer wärmt. Dabei wird der Nutzwärmeabgabekreislauf 32 durch die Reguliereinrichtung 24 und das Mischventil 28 derart betrie ben, daß die Temperatur des Heizmittels im Nutzwärmeabgabe kreislauf 32 nach dem Austritt aus der Pumpe 34 etwa bei 80°C liegt. Bei einer derart eingestellten Temperatur des Heizmit tels kann die erfindungsgemäße Einrichtung 10 mit einem sehr hohen Wirkungsgrad betrieben werden.As can be seen in Fig. 2, the useful heat emission circuit 32 of the device 10 according to the invention is directly coupled to the district heating circuit 54 , 56 as a useful heat consumer. In a first embodiment (BB), the heating medium is fed directly into the return 56 of the district heating circuit by the pump 34 in the useful heat emission circuit, so that it heats the heating medium returning from the district heating circuit via the return 56 even before entering the gas engine T. The useful heat emission circuit 32 is operated by the regulating device 24 and the mixing valve 28 such that the temperature of the heating medium in the useful heat emission circuit 32 is approximately 80.degree. C. after exiting the pump 34 . With such a set temperature of the heating means, the device 10 according to the invention can be operated with a very high efficiency.
In einer zweiten Ausgestaltung (A-A) wird das durch die Pumpe 34 abgegebene Heizmittel des Nutzwärmeabgabekreislaufs 32 nicht in den Rücklauf 56, sondern in den Vorlauf 54 in Strö mungsrichtung hinter dem Wärmetauscher 52 eingespeist. Bei einem derartigen Betrieb wird durch die Reguliereinrichtung 24 die Temperatur des Heizmittels nach der Pumpe 34 derart einge stellt, daß sie in einem Bereich von 100°C liegt. Die höhere Temperatur ist hier erforderlich, da im Vergleich zur ersten Ausführungsform (B-B) das Heizmittel erst in den Fernheiz zyklus eingespeist wird, nachdem das Heizmedium durch den Gasmotor T und dem Wärmetauscher 52 bereits erhitzt worden ist.In a second embodiment (AA), the heating medium emitted by the pump 34 of the useful heat emission circuit 32 is not fed into the return 56 but into the flow 54 in the flow direction behind the heat exchanger 52 . In such an operation, the temperature of the heating medium after the pump 34 is set by the regulating device 24 such that it is in a range of 100 ° C. The higher temperature is required here, since in comparison to the first embodiment (BB) the heating medium is only fed into the district heating cycle after the heating medium has already been heated by the gas engine T and the heat exchanger 52 .
Durch die Reguliereinrichtung 24 kann im Kühlmittelkreislauf 14, wie vorangehend beschrieben, die Temperatur des Kühlmit tels derart reguliert werden, daß sie für den Kontakt mit dem Medium M im Ladeluftkühler 12′ bei einem vorbestimmten Wert liegt. Insbesondere werden durch die Hersteller von Gasmotoren bestimmte Betriebsvorgaben gemacht, welche auch die Temperatur des Kühlmittels vor bzw. nach dem Wärmeübertragungskontakt mit dem Medium betreffen. So kann beispielsweise gefordert sein, daß die Kühlmitteltemperatur T₁ vor dem Wärmeübertragungskon takt mit dem Medium M bei 40°C liegt und daß die Temperatur T₂ nach dem Wärmeübertragungskontakt bei 43,5°C liegt. Dies läßt sich durch geeignete Einstellung des Mischventils 18 und ge eigneten Pumpendurchsatz der Pumpe 16 vermittels der Regulier einrichtung 24 in einfacher Weise erreichen.By means of the regulating device 24 , as described above, the temperature of the coolant can be regulated in the coolant circuit 14 such that it is at a predetermined value for contact with the medium M in the charge air cooler 12 '. In particular, the manufacturers of gas engines make certain operating specifications, which also relate to the temperature of the coolant before or after the heat transfer contact with the medium. For example, it may be required that the coolant temperature T 1 before the heat transfer contact with the medium M is 40 ° C. and that the temperature T 2 after the heat transfer contact is 43.5 ° C. This can be achieved in a simple manner by suitable adjustment of the mixing valve 18 and suitable pump throughput of the pump 16 by means of the regulating device 24 .
Wie insbesondere aus der in Fig. 2 dargestellten Anwendung der erfindungsgemäßen Anwendung in einem Blockheizkraftwerk hervorgeht, wird es mit der erfindungsgemäßen Einrichtung möglich, Abwärme, deren Niveau, d. h. Temperatur, zur direkten Rückführung in den Arbeitszyklus nicht genügt, auf ein höheres Niveau anzuheben, so daß die Abwärme effektiv wieder genutzt werden kann, insbesondere direkt in den Arbeitskreislauf ein gespeist werden kann. Insbesondere durch die wie vorangehend beschrieben aufgebaute erfindungsgemäße Einrichtung, bei wel cher das Kältemittel R124 als Arbeitsstoff für die Wärmepumpe verwendet wird, läßt sich ein Leistungsverhältnis der erzeug ten Wärmeleistung zur angewendeten elektrischen Leistung von mehr als 4 erreichen. Durch die erfindungsgemäße Einrichtung lassen sich sowohl die Temperaturverhältnisse im Kühlmittel kreislauf als auch im Nutzwärmeabgabekreislauf regulieren, so daß sowohl auf der Seite des Kühlmittelkreislaufs als auch auf der Seite des Nutzwärmeabgabekreislaufs die erfindungsgemäße Einrichtung jeweils an die dort herrschenden bzw. geforderten Bedingungen in optimaler Weise angepaßt werden kann.As can be seen in particular from the application of the application according to the invention in a combined heat and power plant shown in FIG. 2, it becomes possible with the device according to the invention to raise the waste heat, the level, ie temperature, of which is not sufficient for direct return to the working cycle to a higher level that the waste heat can be effectively used again, in particular can be fed directly into the working cycle. In particular by the device according to the invention constructed as described above, in which the refrigerant R124 is used as the working fluid for the heat pump, a performance ratio of the generated heat output to the applied electrical output of more than 4 can be achieved. By means of the device according to the invention, both the temperature conditions in the coolant circuit and in the useful heat emission circuit can be regulated, so that both on the side of the coolant circuit and on the side of the useful heat emission circuit, the device according to the invention can be optimally adapted to the prevailing or required conditions there can.
Der hier verwendete Ausdruck "Abwärme in einem Medium" ist im allgemeinen so zu verstehen, daß er, neben den explizit ange sprochenen Beispielen, jedes Medium, sowohl gasförmig als auch flüssig, umfaßt, dem durch eine erfindungsgemäße Einrichtung Wärme entzogen werden kann.The term "waste heat in a medium" used here is in in general to be understood in such a way that, in addition to the explicitly stated spoken examples, any medium, both gaseous and liquid, comprises, by a device according to the invention Heat can be extracted.
Claims (16)
- a) das Übertragen von in dem Medium (M) enthaltener Wärmeenergie auf einen Arbeitsstoff einer Wärmepum pe,
- b) das Erhöhen der Temperatur des Arbeitsstoffes in der Wärmepumpe,
- c) das Abgeben von Wärmeenergie von dem Arbeitsstoff der Wärmepumpe auf einen Nutzwärmeverbraucher.
- a) the transfer of heat energy contained in the medium (M) to a working fluid of a heat pump,
- b) increasing the temperature of the working fluid in the heat pump,
- c) the transfer of thermal energy from the working fluid of the heat pump to a useful heat consumer.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: SUN, MAOTANG, DR.-ING., 95445 BAYREUTH, DE |
|
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |