DE3112289A1 - Verfahren zur erzeugung von isothermer nutzwaerme - Google Patents

Description

(H 1104) H 81/19

Hm/f ζ 27.03.1981

Verfahren zur Erzeugung von isothermer Nutzwärme

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von annähernd isothermer Nutzwärme mittels überwiegend sensibler Niedertemperatur-Abwärme eines Fluids, wobei das Fluid in Wärmetausch mit einem aus einem Gemisch von zwei oder mehreren Komponenten mit unterschiedlichen Siedepunkten bestehenden Kreislaufmedium gebracht wird, das hierbei verdampft und anschließend komprimiert, im Wärmetausch mit einer Flüssigkeit gekühlt, kondensiert, entspannt und erneut in Wärmetausch mit dem Fluid gebracht wird.

Die in Verfahrensanlagen oberhalb etwa 160⁰C anfallende Abwärme wird heute schon weitgehend wieder genutzt und zwar zur Erzeugung von Niederdruckdampf durchWärmeübertragung. Die Nutzung der restlichen Abwärme gestaltet sich wirtschaftlich deshalb schwierig, weil einerseits in den Abwärme produzierenden Anlagen keine Wärmeverbraucher mit niedrigem Temperaturniveau vorhanden sind und weil andererseits die Wärmenutzung in anderen Anlagen oder in Anlagen fremden Anwendungen aus verschiedenen Gründen problematisch ist. Einmal ist der Transport kostspielig, sofern man nicht wie bei Rekuperation über vorhandene Dampfschienen transForm. 5729 7.71

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portieren kann, zum anderen ist es nicht erwünscht, an sich unabhängige Anlagen durch Wärmeverbuni unnötig zu koppeln,und drittens haben oftmals die Abwärmequellen und der Abwärmenutzer einen unterschiedlichen Zeitgang.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem auf wirtschaftliche Weise, d.h. mit erträglichem Investitionsaufwand, sensible Abwärme in annäh-

hernd isotherme Nutzwärme umgewandelt werden kann. 10

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das verdampfte Kreislaufmedium in wenigstens zwei Stufen komprimiert, der beim Wärmetausch nach der jeweiligen Kompression kondensierte Teil des Kreislaufmediums abgeschieden und ^ der dampfförmige Teil der nächsten Kompressionsstufe zugeführt wird, wobei die Flüssigkeit im Wärmetausch mit dem komprimierten Kreislaufmedium verdampft.

Erfindungsgemäß findet als Kreislaufmedium eine Mischung aus

^O zwei oder mehreren Komponenten Anwendung. Dieses Gemisch besitzt keine konstante Siedetemperatur, sondern zeigt einen Siedeverlauf innerhalb bestimmter Siedegrenzen (Siedeintervall) . Im Unterschied zu einem einkomponentigen, bei konv, stanter Temperatur siedenden Kreislaufmedium wird die fühlbare, bei gleitendem Temperaturniveau angebotene Wärme nicht isotherm unter Exergieverlust aufgenommen. Vielmehr wird die fühlbare Wärme vom Kreislaufmedium ebenfalls gleitend aufgenommen. Durch geeignete Wahl der Anteile einzelner Arbeitsmittel am Kreislaufgemisch, der Zahl der Komponenten so wie der Druckniveaus im erfindungsgemäßen Kreislaufsystem kann der Temperaturverlauf des Wärme aufnehmenden Kreislaufmediums dem des Wärme abgebenden Fluids optimal angepaßt und Exergieverluste bei der Wärmeaufnahme auf ein Minimum reduziert werden.

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Erfindungsgemäß wird das verdampfte Kreislaufmedium in wenigstens zwei Stufen komprimiert, wobei der beim Wärmetausch nach der jeweiligen Kompression kondensierte Teil des Kreislaufmediums abgeschieden und der dampfförmige Teil der nächsten Kompressionsstufe zugeführt wird. Dabei besteht das Kreislaufmediura vorteilhafter aus wenigstens drei Komponenten.

Mit Vorteil werden die Temperaturdifferenzen zwischen dem ab· zukühlenden, teilweise kondensierenden Kreislaufmedium und der bei konstanter Temperatur siedenden Flüssigkeit und damit auch die Exergieverluste bei der Wärmeabgabe klein gehalten.

Die vom Kreislaufsystem aufgenommene Wärme und die Kompressionsarbeit werden als Nutzwärme abgegeben. Hierbei kondensiert das Kreislaufmedium größtenteils» Die Nutzwärme kann z.B. zur Erzeugung von Wasserdampf dienen. Der gebildete Dampf kann in eine Dampfnetz eingeschleust und zu irgendwelchen Verbrauchern geleitet, d.h. nutzungsneutral angeboten werden. Die Nutzwärme muß natürlich nicht unbedingt in Form von Wasserdampf weitertransportiert werden. Sie kann im einfachsten Fall auch in der gleichen Anlage wieder verwendet werden. Damit besitzt das erfindungsgemäße Verfahren Eigenschäften, die eine wirtschaftliche Nutzung von Niedertemperatur-Abwärme ermöglichen.

Eine besonders effektive Nutzung der Niedertemperatur-Abwärme ermöglicht folgende Ausgestaltung des Erfindungsgedankens:

Die in den einzelnen Druckstufen abgeschiedenen Teilströme ' des Kreislaufmediums werden beim Wärmetausch mit dem Fluid in der Weise rückgemischt, daß jeder Teilstrom zunächst gekühlt, entspannt und jeweils den in den nachfolgenden Druckstufen abgeschiedenen Teilströmen erst nach deren weitgehen-

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der Verdampfung im Wärmetausch mit dem Fluid zugemischt wird.

In diese Variante kann der Temperaturverlauf des Wärme aufnehmenden Kreislaufmediums dem desWärme abgebenden Fluids angepaßt und Exergieverluste bei diesem Wärmetausch auf ein Minimum reduziert werden.

Nach einer weiteren vorteihaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Flüssigkeit Wasser, das dem Wärmetausch mit dem kom- f- primierten Kreislaufmedium unter einem Druck zugeführt wird, der ausreicht, um den gebildeten Dampf direkt in ein Niederdruckdampf net ζ einspeisen zu können.

Im folgenden soll anhand einer schematischen Skizze ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben werden, bei dem die Wärme zur Erzeugung von Niederdruck-Wasserdampf genutzt wird:

Durch eine Leitung 4 wird ein Fluid mit einer Temperatur von ca. 160⁰C zunächst einem Wärmetauscher 1 und anschließend einem Wärmetauscher 2 zugeführt. In diesen beiden Wärmetauschern wird die zwischen 16O⁰C und 100⁰C zur Verfügung ste-( hende Abwärme auf das Kreislaufmedium eines geschlossenen

Kreislaufsystems übertragen. Dabei wird das Fluid im ersten Wärmetauscher 1 auf ca. 13O⁰C und im nachfolgenden Wärmetauscher 2 auf ca. 100⁰C abgekühlt. Die restliche Abwärme kann dem Fluid ineinem luftgekühlten Wärmetauscher 3 entzogen werden.

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Die Abwärme wird in den Wärmetauschern 1 und 2 an ein aus einem Gemisch bestehendes Kreislaufmedium übertragen. Dieses besteht im Ausführungsbeispiel aus drei Kohlenwasserstoffen, nämlich dem tiefer.siedenden Benzol, dem mittelsiedenden O-Xylol und dem hochsiedenden Naphthalin. Das Kreislaufmedium wird im

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Gegenstrom zum Fluid geführt und tritt dampfförmig mit einer Temperatur von 154⁰C, d.h. mit einer einige Grad unter der Eintrittstemperatur des Abwärmestroms liegenden Temperatur aus Wärmetauscher 1 aus. Das dampfförmige Gemisch wird nachfolgend in einem Verdichter 5 von 1,07 auf 2,6 bar ver-

k J dichtet, wozu eine Arbeit von 4,10 —. aufzubringen ist. Das Kreislaufmedium wird nach der Verdichtung in einem Wärmetauscher 6 gegen unter 5,5 bar verdampfendes, durch Strömungsquerschnitt 10 geführtes Wasser gekühlt und zum Teil konden- siert. Die beiden Phasen werden anschließend in einem Abscheider 7 voneinander getrennt. Im Sumpf des Abscheiders sammelt sich eine im wesentlichen aus der hochsiedenden Komponente bestehende schwersiedende Fraktion an. über den Kopf des Abscheiders wird der gasförmig verbliebende Anteil des Kreislaufmediums, der sich im wesentlichen aus der tiefsiedenden und der mittelsiedenden Komponente und nur geringen Anteilender hochsiedenden Komponente zusammengesetzt, abgezogen und in einem Verdichter 8 von 2,6 auf 4,96 bar ver-

k J dichtet. Für die Verdichtung ist eine Arbeit von 1,46 ^er forderlich. Das verdichtete Kreislaufmedium wird anschließend in einem Wärmetauscher 9 ebenfalls gegen Wasser, das durch einen Strömungsguerschnitt 11 geführt wird und im Wärmetauscher unter einem Druck von 5,5 bar verdampft, gekühlt und vollständig oder teilweise kondensiert. Diese vollständig oder teilweise flüssige, leichtsiedende Fraktion durchströmt nacheinander die Wärmetauscher 1 und 2. Dabei wird der noch nicht kondensierte Teil - so ein derartiger Teil vorhanden ist - der leichtsiedenden Fraktion verflüssigt und auf etwa 100⁰C gekühlt. Diese gekühlte Fraktion wird in einem Ventil 12 entspannt und erneut in Wärmetauscher 2 eingeleitet. Im Wärmetausch mit dem durch Leitung 4 strömenden Fluid verdampft die leichtsiedende Fraktion weitgehend oder vollständig. Nach dem Austritt aus Wärmetauscher 2 wird die leichtsiedende Fraktion mit der flüssigen, schwersiedenden Fraktion gemischt. Diese Fraktion ist zuvor aus dem Sumpf

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des Abscheiders 7 abgezogen worden, im Wärmetauscher 1 gekühlt in einem Ventil 13 entspannt worden. Das Gemisch aus der leicht- und der schwersiedenden Fraktion wird gemeinsam im Wärmetauscher 1 auf ca. 154°C erwärmt und dabei vollständig verdampft. Der in den Leitungen 10 und 11 gebildete Dampf kann nun in ein Niederdruckdampfnetz eingespeist und dort genutzt werden.

Da es wirtschaftlich günstig ist, wenn die nicht rekuperierte Abwärme (Anergie) wegen der sonst im allgemeinen hohen Aufwendungen für die Wasserkühlung an die Luft abgeführt werden kann, ist es möglich, für die restliche, nicht genutzte Abwärme unter 100⁰C den luftgekühlten Wärmetauscher 3 zu verwenden, der nach bisherigen Verfahren die gesamte Abwärme, beginnend von einem Temperaturniveau von 160⁰C, an Luft übertragen hat. Diese Abwärme kann natürlich ganz oder teilweise auch zu anderen Zwecken, z.B. im Winter für die Raumheizung o.a. genutzt werden.

Die Leistungsziffer beträgt in diesem Beispiel ca.6,8.Sie ist hier definiert als Verhältnis der Summe aus den in den Wärmetauschern 1 und 2 vom Kreislaufmedium aufgenommenen Wärmemengen Q₁ und Q- sowie der Energiebeträge für die Verdichter 5 und 8 zur Summe der Energiebeträge für diese beiden Verdichter. Für die Verdichter wurde ein innerer Wirkungsgrad von 75% angenommen.

Zusammenfassendkann folgendes festgestellt werden:

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird im Prinzip gleitend zur Verfügung stehende Abwärme mit gutem exergetischem Wirkungsgrad auf ein im Mittel etwas höheres und annähernd isothermes Temperaturniveau gehoben. Von der sensiblen Abwärme, die gleichmäßig über den Temperaturbereich unter 160⁰C zur Verfügung steht, wird im wesentlichen der exergetisch höherwertige Anteil zwischen 160⁰C und etwa 100⁰C rekuperiert und

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im Ausführungsbeispiel auf 155⁰C - entsprechend einem Wasserdampfdruck von 5,5 bar gehoben. Das Verfahren läßt sich grundsätzlich auch auf andere Temperaturniveaus übertragen,

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Claims (3)

1. (H 1104) H 81/19

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   Patentansprüche

   15M .'Verfahren zur Erzeugung von annähernd isothermer Nutz- ^- wärme mittels überwiegend sensibler Niedertemperatur-Abwärme eines Fluids,wobei das Fluid in Wärmetausch mit einem aus einem Gemisch von zwei oder mehreren Komponenten mit unterschiedlichen Siedepunkten bestehenden Kreislaufmedium gebracht wird, das hierbei verdampft und anschließend komprimiert, im Wärmetausch mit einer Flüssigkeit gekühl, kondensiert, entspannt und erneut in Wärmetausch mit dem Fluid gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das verdampfte Kreislaufmedium in wenigstens zwei Stufen komprimiert, der beim Wärmetausch nach der jeweiligen Kompression kondensierte Teil des Kreislaufmediums abgeschieden und der dampfförmige Teil der nächsten Kompressionsstufe zugeführt wird, wobei die Flüssigkeit im Wärmetausch mit dem komprimierten Kreislaufmedium verdampft.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in den einzelnen Stufen abgeschiedenen Teilströme des Kreislaufmediums beim erneuten Wärmetausch mit dem Fluid rückgemischt werden, wobei jeder Teilstrom gekühlt, entspannt und jeweils den in nachfolgenden Druckstufen abge-

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   1 schiedenen Teilströmen erst nach deren weitgehender Verdampfung im Wärmetausch mit dem Fluid zugemischt wird.
3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge-5 kennzeichnet, daß die Flüssigkeit Wasser ist, das beim Wärmetausch mit komprimiertem Kreislaufmedium unter Druck steht, und der beim Wärmeautausch gebildete Wasserdampf in ein Niederdruckdampfnetz eingespeist wird.

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