DE19619793C2 - Einrichtung und Verfahren zur Rückgewinnung von als Abwärme in einem Medium enthaltener Wärmeenergie - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Rückgewinnung von als Abwärme in einem Medium enthaltener Wärmeenergie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. gemäß dem Anspruch 12.

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.

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.

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.

Aus dem Fachbuch: Wärmepumpentechnologie Band IV, Vorträger der Internationalen Fachtagung Timmendorfer Strand (Ostsee) vom 11. bis 13. September 1979 ist eine Heizanlage bekannt, mittels welcher die verschiedenen, in einer Schwimmbadanlage vorhandenen Nutzwärmeverbraucher gespeist werden. Diese be­ kannte Anlage umfaßt einerseits Gasmotoren, deren Abwärme über Abgaswärmetauscher und Kühlwasserwärmetauscher direkt zu Hoch­ temperaturverbrauchern gespeist wird. Ferner ist bei dieser bekannten Wärmeerzeugungseinrichtung ein jedem Gasmotor zu­ geordnet er Ladeluftkühler vorhanden zum Vorkomprimieren des in dem Gasmotor zu verbrennenden Verbrennungsgemisches. Mittels Wärmepumpen wird der Schwimmhallenabluft, welche eine Tempera­ tur im Bereich von 30°C aufweist, und dem Dusch- und Badewas­ ser, das eine Temperatur von ca. 28°C aufweist, Wärmeenergie entzogen und auf ein für Niedertemperaturverbraucher geeigne­ tes Temperaturniveau angehoben und in einen Niedertemperatur­ kreislauf eingespeist. Einen geringen Teil der in den Nieder­ temperaturkreislauf eingespeisten Wärmeenergie liefert auch die am Motor/Kompressor-Aggregat anfallende Abwärme. Die Be­ triebstemperatur der Niedrigtemperaturverbraucher liegt bei höchstens 45°C. Die für die Hochtemperaturverbraucher in den Hochtemperaturkreislauf eingespeiste Temperatur liegt bei ca. 65°C und wird ausschließlich direkt von den Motorabgasen durch Wärmetauscher entnommen.

Aus der Zeitschrift HLH 35 (1984) Nr. 11, November, ist es bekannt, durch eine Wärmepumpe die einen Raum verlassende Luft zu kühlen und die dabei frei werdende Wärmeenergie auf die in den Raum eintretende Luft zur Erwärmung zu übertragen. Die Raumtemperatur liegt im allgemeinen im Bereich von ca. 20°C, so daß auch das die Abwärme enthaltende Medium im allgemeinen eine Temperatur in diesem Bereich aufweist. Die in den Raum eintretende Luft hat im allgemeinen eine Temperatur im Bereich von -15 bis +15° und wird durch Wärmeübertragung auf eine Temperatur im Bereich von 12,1 bis 20°C erwärmt. Dazu wird eine Wärmepumpe mit R12 oder R22 als Kältemittel verwendet.

Aus der Fachzeitschrift Klima-Kälte-Heizung 3/1986 ist ein Blockheizkraftwerk bekannt, bei welchem Gasturbinen in Kom­ bination mit Gaswärmepumpen eingesetzt werden. Die Aufgabe der Wärmepumpen ist es dabei, die für die Raumheizung nutzbaren Temperaturniveaus bereitzustellen. Als Wärmequelle dient dabei Außenluft, die eine Temperatur im Bereich von ca. 5°C hat. Die Temperatur wird dann auf das Niveau der Raumtemperatur angeho­ ben.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die als Abwärme in einem Medium enthaltene Wärmeenergie für eine Vielzahl weiterer Verwendungszwecke verfügbar zu machen. Erfindungs­ gemäß wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebene Einrichtung, die im Anspruch 10 angegebene Brennkraftmaschine bzw. das im Anspruch 12 angegebene Verfahren gelöst.

Mit der Einrichtung gemäß Anspruch 1 läßt sich die dem Medium entzogene Wärmeenergie durch die Wärmepumpe auf ein höheres Niveau anheben, so daß sie für eine Vielzahl weiterer nachfol­ gender Prozesse zur Verfügung steht. Dies betrifft insbeson­ dere Prozesse, die eine Temperatur erfordern, die höher als die oder gleich der Temperatur des Mediums ist, bevor ihm Wärmeenergie entzogen worden ist. Für derartige Prozesse konn­ te bisher die im Medium enthaltene Wärmeenergie nicht genutzt werden, da mittels der bekannte Wärmetauscher maximal Tempera­ turen erreicht werden konnten, die der Temperatur des Mediums vor der Wärmeabgabe entsprechen. Da die in dem Medium enthal­ tene Wärmeenergie somit für eine Vielzahl weiterer Anwendungen nutzbar gemacht werden kann, wird der Primärenergie-Ausnut­ zungsgrad durch die erfindungsgemäße Einrichtung deutlich erhöht.

Der Arbeitsstoff der Wärmepumpe umfaßt dabei 1-Chlor-1,2,2-2-Tetra­ fluorethan. Dieses als R124 bekannte Kältemittel zeichnet sich dadurch aus, daß es den Betrieb einer Wärmepumpe mit Nutztemperaturwärmen im Bereich von 50°C bis zu 110°C gestat­ tet. Dies bedeutet, daß mit der erfindungsgemäßen Einrichtun­ gen Nutzwärmetemperaturbereiche zugänglich werden, die mit bekannten Wärmepumpen, welche Nutzwärme lediglich bis zu ca. 55°C abgeben konnten, nicht erreichbar waren.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Die Temperatur des Mediums vor dem Wärmeübertragungskontakt mit dem Kühlmittel liegt vorzugsweise im Bereich von -20°C bis 110°C.

Ferner betrifft gemäß Anspruch 10 die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Gasmotor, insbe­ sondere für ein Blockheizkraftwerk, umfassend eine Aufladeein­ richtung mit einem Verdichter und einem Gaskühler zum Kühlen des durch den Verdichter aufgeladenen Gases. Dem Gaskühler ist eine Wärmepumpe zum Kühlen des aufgeladenen Gases als Medium zugeordnet.

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.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich gemäß Anspruch 12 fer­ ner auf ein Verfahren zur Rückgewinnung von als Abwärme in einem Medium enthaltener Wärmeenergie, wobei das Verfahren das Übertragen von in dem Medium enthaltener Wärmeenergie auf einen Arbeitsstoff einer Wärmepumpe, das Erhöhen der Tempera­ tur des Arbeitsstoffes in der Wärmepumpe auf 50-110°C und das Abgeben von Wärmeenergie von dem Arbeitsstoff der Wärme­ pumpe auf einen Nutzwärmeverbraucher umfaßt.

Die vorliegende Erfindung sieht allgemein die Verwendung von 1-Chlor-1,2,2,2-Tetrafluorethan als Arbeitsstoff für eine Wärmepumpe vor.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen detailliert beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Einrich­ tung, welche eine Wärmepumpe umfaßt;

Fig. 2 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Einrich­ tung, welche in Verbindung mit einem bei einem Blockheizkraftwerk verwendeten Gasmotor dargestellt ist.

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.

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 Wärmeübertra­ gungskontakt, d. h. Wärmetausch, 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 Wärmeübertra­ gungskontakt mit einem Arbeitsstoff einer Wärmepumpe 22 ge­ bracht. Der Arbeitsstoff wird dabei verdampft, wobei die dazu erforderliche Verdampfungswärme dem Kühlmittel entzogen wird und dieses dabei wiederum abgekühlt wird. Nach dem Wärmeüber­ tragungskontakt mit dem Arbeitsstoff strömt das Kühlmittel wieder zurück zum Kühler 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.

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.

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 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Claims (12)

1. Einrichtung zur Rückgewinnung von als Abwärme in einem Medium (M) enthaltener Wärmeenergie, umfassend eine Wär­ mepumpe (22) mit einem Arbeitsstoff, mittels welcher dem Medium (M) Wärmeenergie entzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsstoff der Wärmepumpe 1-Chlor-1,2,2,2-te­ trafluorethan (R 124) umfaßt, und daß die Temperatur des Arbeitsstoffs zur Abgabe von Wärmeenergie an einen Nutzwärmeverbraucher im Bereich von 50°C bis 110°C liegt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Kühlmittelkreislauf (14) mit einem zwischen einem Wärme­ übertragungskontakt mit dem Medium (M) und einem Wärme­ pumpenverdampfer (20) zirkulierenden Kühlmittel zur Über­ tragung von Wärmeenergie von dem Medium (M) auf einen Arbeitsstoff der Wärmepumpe (22).

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelkreislauf (14) eine erste Thermostatisier­ einrichtung (18, 24) umfaßt zum Vorsehen einer vorbe­ stimmten Kühltemperatur (T₁) des Kühlmittels des Kühl­ kreislaufs (14) für das Medium (M).

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Thermostatisiereinrichtung (18, 24) ein durch eine Reguliereinrichtung (24) ansteuerbares Mischventil (18) zum wenigstens teilweisen Überbrücken des Wärmepum­ penverdampfers (20) umfaßt.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekenn­ zeichnet durch einen Nutzwärmeabgabekreislauf (32) mit einem zwischen einem Wärmepumpenverflüssiger (30) und einem Nutzwärmeverbraucher (V; 54, 56) zirkulierenden Heizmittel zum Übertragen von Wärmeenergie von dem Ar­ beitsstoff zu dem Nutzwärmeverbraucher (V; 54, 56).

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Nutzwärmeabgabekreislauf (32) eine zweite Thermosta­ tisiereinrichtung (38, 24) umfaßt zur Abgabe des Heiz­ mittels an den Nutzwärmeverbraucher (V) mit einer vor­ bestimmten Nutztemperatur (T₃).

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Thermostatisiereinrichtung (38, 24) ein durch eine Reguliereinrichtung (24) ansteuerbares Mischventil (38) umfaßt zum wenigstens teilweisen Überbrücken des Wärmepumpenverflüssigers (30).

8. Einrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 5 und gewünsch­ tenfalls einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Kühlmittel und/oder das Heizmittel Wasser, Luft, Glycol oder dergleichen umfaßt.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur (T₄) des Mediums (M) vor dem Wärmeübertragungskontakt mit dem Kühlmittel im Bereich von -20°C bis 110°C liegt.

10. Brennkraftmaschine, insbesondere Gasmotor (T), insbeson­ dere für ein Blockheizkraftwerk (B), umfassend eine Auf­ ladeeinrichtung (K, 12) mit einem Verdichter (K) und einem Gaskühler (12) zum Kühlen des durch den Verdichter (K) aufgeladenen Gases (M), ferner umfassend einen Wär­ metauscher (52), in welchem durch die Verbrennung in der Brennkraftmaschine erzeugte Wärme auf ein diesen durchströmendes Nutzmedium übertragen wird, dadurch gekennzeichnet,
daß dem Gaskühler (12) eine Einrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1-9 zugeordnet ist zum Kühlen des aufge­ ladenen Gases (M) als das Medium (M), und
daß die durch die Einrichtung (10) aus dem durch den Verdichter (K) aufgeladenen Gas zurückgewonnene Wärme­ energie auf das durch den Wärmetauscher (52) erwärmte oder zu erwärmende Nutzmedium übertragen wird.

11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, sofern dieser An­ spruch auf Anspruch 2 und gewünschtenfalls einen der Ansprüche 3 bis 9 rückbezogen ist, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Kühltemperatur (T₁) des Kühlmittels vor dem Wärmeübertragungskontakt mit dem Medium (M) im Bereich von -20°C bis 110°C, vorzugsweise bei 40°C liegt, und daß eine Temperatur (T₂) des Kühlmittels nach dem Wärme­ übertragungskontakt mit dem Medium (M) im Bereich von -20°C bis 110°C, vorzugsweise bei 43,5°C liegt.

12. Verfahren zur Rückgewinnung von als Abwärme in einem Medium (M) enthaltener Wärmeenergie mittels einer Ein­ richtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Verfahren umfaßt:

• 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 auf 50-110°C,
• c) das Abgeben von Wärmeenergie von dem Arbeitsstoff der Wärmepumpe auf einen Nutzwärmeverbraucher.