DE2539164A1

DE2539164A1 - Verfahren fuer den thermischen betrieb einer waermepumpenanlage und anlage zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2539164A1
Application number: DE19752539164
Authority: DE
Inventors: Berth Ulrik Gustafsson
Original assignee: PROJECTUS IND PRODUKTER AB; Projectus Industriprodukter AB
Current assignee: PROJECTUS IND PRODUKTER AB; Projectus Industriprodukter AB
Priority date: 1974-09-05
Filing date: 1975-09-03
Publication date: 1976-05-06
Also published as: SE7411260L; US4033141A; JPS5146457A; SE419128B

Description

Priorität vom 5. September 197^ in Schweden Patentanmeldung Nr. 74-11260-8

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für den thermischen Betrieb einer Wärmepumpenanlage sowie eine Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die Verarbeitungsindustrie, wie z.B. Papiermühlen, haben einen hohen Verbrauch an Energie, aber nur ein Teil der zugeführten Energie wird von dem Prozeß verwendet, während erhebliche Mengen von Niedrigtemperaturenergie, die oft von verunreinigtem Medium bzw. Schmutzstoffen getragen werde: , zusammen mit Kühlwasser, Dampf und Luft abgeführt werden.

Dieser Energieverlust ist nicht nur ein wirtschaftlicher Faktor, welcher den Prozeß beeinträchtigt, sondern stellt auch eine Be-

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ORIGINAL INSPECTED

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drohung für die Umgebung dar, von welcher die Abfallwärme aufgenommen werden muß.

Es mag auf der Hand liegend erscheinen, Wärmepumpen für die Übertragung der Niedrigtemperaturenergie auf Hochtemperaturenergie vorzuschlagen, welche in dem Verfahren benutzt werden kann. Bestehende Wärmepumpen, die von Elektromotoren angetrieben werden, erfordern jedoch unannehmbar viel mehr elektrische Energie» für den Betrieb, und man hat deshalb bislang die Anwendung einer solchen Wärmepumpe nidbt in Erwägung gezogen.

Ähnliche Probleme bestehen in Kraftstationen, wie z.B. Kernkraftstationen, bei welchen das Kühlwasser und/oder Luft für Gebietsbeheizung verwendet werden soll. Die Schwierigkeit besteht hier darin, daß das Kühlwasse^normalerweise eine zu niedrige Temperatur hat, als daß es zum Erwärmen oder in Heißwasseranlagen der Art benutzt werden könnte, die in Wohnbereichen heutzutage vorhanden sind. Wiederum wird der Gedanke, Wärmepumpen zu verwenden, um das Temperaturniveau zu erhöhen, deshalb verworfen, weil diese Pumpen zu viel Energie erfordern, um zu irbeiten, und diese Energie muß aus irgendeiner Energio-i'orm genommen werden, die an anderer Stelle besser benutzt werden kann.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren für dein thermischen Betrieb einer Wärmepumpenanlage vorzusehen,

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durch welche die Anlage durch einen Teil der zur Verfügung stehenden Niedrigtemperaturenergie betrieben wird und dadurch ein anderer Teil der Niedrigtemperaturenergie auf Hochtemperaturenergie übertragen wird.

Ein weiteres Merkmal besteht bei einer solchen Anlage darin, die Verwendung der Niedrigtemperaturenergie zu gestatten, welche durch unterschiedliche Fließmittel getragen wird, die verschiedene Temperaturen haben könnten.

Vorteilhaft ist ferner die Verminderung des Energieabfalles, z.B. in Verarbeitungsindustrien und Värmekraftanlagen. Zweck· mäßit ist erfindungsgemäß ferner die Verminderung des Wasserverbrauchs bei Verarbeitungsindustrien, wie z.B. Papiermühlen.

Eine der Erfindung nahekommende Technologie ist in der schwedischen Patentschrift 196 299 dargestellt sowie in den U.S.Patentschriften 3 214 938 und 3 696 637. Diese betreffen jedoch nur Kühlsysteme, welche mit einem einzigen Fließmittel arbeiten, welches der Kompression bzw. Expansion unterzogen wird, und welches zum Funktionieren entweder Elektromotoren oder entsprechende Energiequellen erfordert. In jedem Falle können die in diesen Patentschriften beschriebenen Verfahren nicht angewendet werden, um die Aufgabe gemäß der Erfindung oder die damit verbundenen Probleme zu erreichen oder zu lösen.

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Erfindungsgemäß werden die Nachteile beseitigt und die Aufgabe dadurch gelöst, daß Wärme durch Wärmeaustausch von einem ersten Medium und möglicherweise einem zweiten Medium auf ein Kältemittel in einem ersten Kreis übertragen wird, um das Kältemittel zu verdampfen, ein Expansxonsmotor mittels des verdampften Kältemittels angetrieben wird, das Kältemittel nach Durchlauf durch den Motor in einem Kondensator mittels Wärmeaustausch mit einem Kühlmittel kondensiert und dann zum Wärmeaustausch mi L dem ersten Medium rezirkuliert bzw. umgewälzt wird, df)ß Wärme mittels Wärmeaustausch vom zweiten Medium und möglicherweise dem ersten Medium auf ein Kältemittel in einem zweiten Kreis zur Verdampfung des Kältemittels übertragen wird, das verdampfte Kältemittel durch einen Kompressor komprimiert wird, der Kompressor mittels eines Expansionsmotors angetrieben wird und ein drittes Medium in einem Kondensator in dem zweiten Kreis mittels Wärmeaustausch mit dem komprimierten Dampf des Kältemittels des zweiten Kreises erwärmt wird, welches nach Kondensation in dem Kondensator zum Wärmeaustausch mit dem zweiten Medium zurückgeführt bzw. rezirkuliert wird.

Das erste Medium und das zweite Medium können in diesem Falle Teile desselben Fließmittels sein· Ferner können das erste Medium und das zweite Medium unterschiedliche Temperaturen haben. Das erste Medium kann aus heißem Wasser bestehen, während das zweite Medium aus Heißluft bestehen kann, oder

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umgekehrt. Das dritte Medium kann aus zugeführtem Wasser bestehen, welches in Dampf überführt wird, der beispielsweise benutzt werden kann, um die Pulpe in der Papierindustrie zu trocknen. Andererseits kann das Speisewasser auf etwa 90⁰C z.B. dann erwärmt werden, wenn die Erfindung dazu benutzt wird, Wasser von einer Kernkraftstation, welches für die Gebietsbeheizung verwendet wird, zu temperieren.

Eine Wärmepumpenanlage gemäß der Erfindung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens ist gekennzeichnet durch eine erste Schaltung mit einer Reihe von Verdampfern, die zur Verdampfung des Kältemittels der Schaltung mittels Wärmeaustausch mit einem ersten Medium und möglicherweise einem zweiten Medium angeordnet ist, einen Expansionsmotor, der vom Kältemitteldarapf antreibbar ist, einen Kondensator, der das Kältemittel mittels Wärmeaustausch mit einem Kühlmittel kondensiert, und eine Pumpe zur Umwälzung des Kältemittels, eine zweite Schaltung mit einer Reihe von Verdampfern zur Verdampfung des Kältemittels der zweiten Schaltung mittels Wärmeaustausch mit dem zweiten Medium und möglicherweise dem ersten Medium, einen Kompressor zum Komprimieren des Kältemitteldampfes, einen Kondensator zur Erwärmung eines dritten Mediums mittels Wärmeaustausch mit dem Kältemittel während dessen Kondensation und eine Übertragungseinrichtung zum Antrieb des Kompressors vom Moton

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Die Übertragungs- bzw. Transmissionseinrichtung kann aus einer Welle bestehen, die gemeinsam sowohl dem Motor als auch dem Kompressor gehört, und sowohl Motor als auch Kompressor können eine Art Turbine sein.

Die Erfindung wird genauer in den beiliegenden Ansprüchen definiert. Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung.

Eine allgemein mit 1 bezeichnete Schaltung ist auf der linken Seite der Zeichnung dargestellt. Die Schaltung 1 ist für den Antrieb eines Expansionsmotars angeordnet und weist eine Schaltung 2 mit geschlossenem Rohr für ein Kältemittel auf, welches in zweckmäßiger Weise ein fluorierter Kohlenwasserstoff, wie z.B. R22, ist. Die geschlossene Schaltung 2 weist in Serie einen Expansionsmotor 3» einen Kondensator h, einen Tropfenfänger 5» eine Umwälzpumpe 31» ein Expansionsventil 6 und einen Verdampfer 7 auf.

Das Kühlmittel der Schaltung 1 wird im Verdampfer 7 mittels Wärmeaustausch mit heißem Wasser 8 verdampft, das Kühlwasser aus irgendeinem Prozeß sein kann. Das verdampfte Kältemittel fließt durch den Motor 3i treibt diesen an und wird danach in dem Kondensator k durch Wärmeaustausch mit dem Kühlmittel 9 kondensiert, welches aus Se,ewasser oder Meerwasser

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bestehen kann. Das Kälte iii L tel fließt über den Tropfenfänger 5 fort und wird von der Pumpe 31 zum Expansionsventil 6 gedrückt, welches die Expansion des Kältemittels dadurch steuert, daß über Leitung 10 der Druck des Kältemittels zwischen Verdampfer 7 und Motor 3 abgetastet oder abgeführt wird« Das in dem Expansionsventil 6 expandierte Kältemittel wird dann zur Verdampfung in den Verdampfer 7 gesprüht. Der Motor 3 ist vorzugsweise eine Expansionsturbine. 8' ist das gekühlte heiße Wasser, welches den Wärmetauscher 7 verläßt. Die Bezugszahl 9' gehört zu dem den Wärmetauscher k verlassenden, etwas erwärmten Kühlmittel.

Auf der rechten Seite der Zeichnung ist eine zweite Wärmepumpenschaltung 21 gezeigt, die so angeordnet ist, daß sie von einem Kompressor angetrieben wird. Die Schaltung 21 weist eine geschlossene Schaltung 22 für ein Kältemittel auf, welches in zweckmäßiger Weise ein fluorierter Kohlenwasserstoff ist, wie z.B. R11. Die Schaltung 22 weist in Serie einen Kompressor 23t einen Kondensator 24, einen Tropfenfänger 25, ein Expansionsventil 26 und einen Verdampfer 27 auf.

Das Kältemittel wird im Verdampfer 27 durch Wärmeaustausch mit heißem Wasser 28 verdampft, welches beispielsweise das Kühlwasser aus einem Prozeß sein kann. Das in dem Ver-

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dämpfer verdampfte kältemittel strömt zum Kompressor 23, der über eine Welle 15 vom Motor 3 angetrieben ist. Das heiße komprimierte Kältemittel fließt vom Kompressor 23 zum Kondensator 2k, wo es durch Wärmeaustausch seinen Wärmeinhalt an das Speisewasser 29 abgibt, dessen Temperatur folglich angehoben wird und welches sogar zu Dampf umgewandelt werden kann. Das in dem Kondensator 2k gekühlte Kältemittel fließt dann über den Tropfenfänger 25 zum Expansionsventil 26, welches die Expansion des Kältemittels durch Abfühlen - über Leitung 30 - des Druckes des Kältemittels zwischen dem Verdampfer 27 und dem Kompressor 23 steuert· Das Kältemittel fließt dann vom Expansionsventil 26 in den Verdampfer 27 zur Verdampfung. Der Kompressor 23 ist vorzugsweise eine Turbine. Die Bezugszahl 28' bezieht sich auf das gekühlte heiße Wasser (Abfallwasser), welches den Wärmetauscher 27 verläßt. Mit 29' ist das den Wärmetauscher 2k verlassende erwärmte Speisewasser bezeichnet.

Die Kreise 1 und 21 sind voneinander getrennt.

Wenn das heiße Wasser 8, 28 eine Temperatur von z.B. 25 C hat, ist das Kältemittel der ersten Schaltung bzw. des ersten Kreises 1 R 22. Das Kältemittel der Wärmepumpe ist

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R 11, und das Kühlwasser 9 eine Temperatur von 20 C. Der Druck des R 22 variiert zwischen etwa 15»5 ata (ko c) und 9,2 ata (20 C), während der Druck des R 11 zwischen etwa

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1,8 ata (40°C) und einem Druck variiert, der von der Temperatur abhängt, auf welche des Speisewasser gebracht werden soll. Wenn dem Speisewasser eine Temperatur von IO5 C zum Beispiel gegeben werden, d.h. es verdampft werden soll, muß R 11 auf einen Druck von 9,5 ata komprimiert werden. Dies bedeutet, daß der Kompressor in der Lage sein muß, ein Kompressionsverhältnis von 5,2 : 1 zu erreichen, was mit relativ einfachen Turbokompressoren möglich ist.

Im allgemeinen hat das Kältemittel einen wirksamen Arbeitsbereich von rund 60 C. Weil die Schaltung oder der Kreis 1 normalerweise in einem ersten Temperaturbereich, z.B. zwischen 50 und 20 C, arbeiten soll und die Schaltung oder der Kreis normalerweise in einem zweiten Temperaturbereich arbeiten soll (z.B. zwischen 50 - 100 C), ist es notwendig, unterschiedliche Kältemittel für die getrennten Kreise 1,21 zu verwenden, um einen wirksamen Betrieb vorzusehen.

Die oben beschriebene Verdampfung erfolgt durch Verdampfen

der Kältemittel durch Heißwasser bzw. 28, aber es sollte erwünscht sein, daß andere Fließmittel ebenfalls möglich sind. In der 1Papierindustrie wird die Abfallwärme oft von feuchter Luit; und auch von Wasser getragen, wobei diese Fließinittel unterschiedliche Temperaturen haben. So kann z.B. der Verdampfer 7 in der Schaltung 1 durch diese heiße, feuchte Luft gespeist werden, während der Verdampfer 27 des Kreises 21 durch das Heißwasser 28 gespeist wird, oder umgekehrt.

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Selbstverständlich kann jeder der Verdampfer 7 oder 27 durch eine zweistufige Verdampfungseinheit ersetzt werden, in welcher die Verdampfung des Kältemittels durch zwei Fließmittel mit unterschiedlichen Temperaturen und/ oder unterschiedlicher Art erfolgen.

Ferner kann das Kühlwasser 9 im Kondensator k im Kreis 1 beispielsweise durch Luft aus der Atmosphäre ersetzt werden. Weiterhin kann selbstverständlich das Speisewasser 29, welches im Kondensator Zh des Kreises 21 erwärmt wird, durch irgendein anderes Fließmittel ersetzt werden, welches man auf eine höhere Temperatur bringen möchte.

Die Expansionsturbine 3 und die Kompressorturbine 23 können auf einer gemeinsamen Welle aufgepaßt sein, und dann wird die Einheit 3» 23 sehr kompakt sein. Es ist selbstverständlich gut möglich, eine Getriebetransmission oder ein Geschwindigkeitsgetriebe anstelle der Welle 15 zu setzen.

Die vorstehenden Ausführungen sind die Beschreibung einer schematischen beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage. Diese Beschreibung ist jedoch in keiner Weise im Sinne der Beschränkung zu verstehen, sondern lediglich zwecks Darstellung und Illustration gedacht.

Das Wesen der Erfindung besteht in dem Prinzip, daß Abfallwärme niedriger Temperaturen, die von unterschiedlichen Fließ-

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mitteln getragen wird und möglicherweise unterschiedliche Temperaturen hat, für den Antrieb einer Wärmemaschine oder eines Värmemotors verwendet wird, der für den Antrieb eines Kompressors in einer Wärmepumpe benutzt wird, wobei das Kältemittel dieses Kreises mindestens einen Teil der Abfallwärme aufnimmt, die vom Kompressor auf ein relativ hohes Temperaturniveau gebracht wird, so daß ihr Wärmeinhalt leicht ausgenutzt werden kann, normalerweise nach der Überführung zum Speisewasser oder dergleichen, und zwar in einer einfachen und wirtschaftlichen Weise. Beispielsweise kann Abfallwärme aus einer Papiermühle auf eine Hochtemperaturwärme übertragen werden, die nützlich in dem Prozeß ist, welchen die Abfallwänne verläßt.

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Claims

Patentansprüche

lly Verfahren für den thermischen Betrieb einer Wärmepumpenanlage, gekennzeichnet durch die Übertragung der Wärme mittels Wärmeaustausch von einem ersten Medium, und möglicherweise einem zweiten Medium, auf ein Kältemittel in einem ersten Kreis zur Verdampfung des Kältemittels, Antreiben eines Expansionsmotors mittels des verdampften Kältemittels, Kondensieren des Kältemittels nach dem Durchlauf durch den Motor in einem Kondensator mittels Wärmeaustausch mit einem Kühlmittel und dann Umwälzen des Kältemittels zum Wärmeaustausch mit dem ersten Medium, Übertragen der Wärme mittels Wärmeaustausch von dem zweiten Medium und möglicherweise dem ersten Medium auf ein Kältemittel in einen zweiten Kreis zur Verdampfung des Kältemittels, Komprimieren des verdampften Kältemittels des zweiten Kreises mittels eines Kompressors, Antreiben des Kompressors mittels des Expansionsmotors und Erwärmen eines dritten Mediums in einem Kondensator im zweiten Kreis durch Wärmeaustausch mit dem komprimierten Dampf des Kältemittels des zweiten Kreises, welches nach Kondensation in dem Kondensator umgewälzt wird zum Wärmeaustausch mit dem zweiten Medium.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Medium und das zweite Medium Teile desselben Fließmittels sind.

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3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Medium unterschiedliche Temperaturen haben.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Medium aus heißem Wasser und das zweite Medium aus heißer Luft bestehen, oder umgekehrt.
5· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Medium Speisewasser ist.
6. Thermisch betriebene Wärmepumpenanlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

Α) einen ersten Kreis (1), der in Reihe folgende Teil Aufweist:

a) einen Verdampfer (7)» der zum Verdampfen des Kältemittels des Kreises mittels Wärmeaustausch mit einem ersten Medium (8) und möglicherweise einem zweiten Medium (28) angeordnet ist,

b) einen Expansionsraotor (3), welcher durch den Kältemitteldampf antreibbar ist,

c) einen Kondensator (4) zur Kondensation des Kältemittels durch Wärmeaustausch mit einem Kühlmittel (9) und

d) eine Pumpe zur Umwälzung des Kältemittels,

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Β) einen zweiten Kreis (21), welcher in Reihe folgende Teile aufweist:

a) einen Verdampfer (27) zur Verdampfung des Kältemittels des zweiten Kreises mittels Wärmeaustausch mit dem zweiten Medium (28) und möglicherweise dem ersten Medium (8),

b) einem Kompressor (23) .zur Kompression von Kältemitteldampf und

c) einen Kondensator (2k) zur Erwärmung eines dritten Mediums (29) durch Wärmeaustausch mit dem Kältemittel während dessen Kondensation und

C) eine Übertragungseinrichtung (15) für den Antrieb des Kompressors (23) vom Motor (3)·
7· Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Medium und das zweite Medium Teile desselben Fließmittels sind.
8_C Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Medium unterschiedliche Temperaturen haben.
9. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Medium aus heißem Wasser besteht und das zweite Medium aus feuchter Luft besteht, oder umgekehrt.

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10. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungseinrichtung (15) eine Welle ist, welche
dem Motor und dem Kompressor gemeinsam ist.
11. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl Pumpe als auch Motor Turbinen sind,
12. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Medium Speisewasser ist.
13· Anlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kreis zum Erwärmen des Speisewassers zur Verdampfung vorgesehen ist.
14. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel See- oder Meerwasser ist.

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