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WO2004008046A1 - Kombinierung einer arbeitsmaschine mit einer sorptionswärmepumpe - Google Patents

Kombinierung einer arbeitsmaschine mit einer sorptionswärmepumpe Download PDF

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WO2004008046A1
WO2004008046A1 PCT/EP2003/006723 EP0306723W WO2004008046A1 WO 2004008046 A1 WO2004008046 A1 WO 2004008046A1 EP 0306723 W EP0306723 W EP 0306723W WO 2004008046 A1 WO2004008046 A1 WO 2004008046A1
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machine
heat
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PCT/EP2003/006723
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English (en)
French (fr)
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Detlef Wüsthoff
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Enginion AG
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Enginion AG
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    • Y02A30/27—Relating to heating, ventilation or air conditioning [HVAC] technologies
    • Y02A30/274—Relating to heating, ventilation or air conditioning [HVAC] technologies using waste energy, e.g. from internal combustion engine

Definitions

  • the invention relates to a work machine comprising a circuit with a pump for conveying a fluid working medium, a heat exchanger for transferring heat to the working medium, an expansion machine for expanding the working medium under work and a condenser.
  • Such machines are essentially based on a Clausius-Rankine cycle.
  • the working fluid for example water
  • the heat exchanger is exposed to the hot flue gas flow from a burner. This transfers heat from the flue gas stream to the water in the heat exchanger.
  • the resulting water vapor leaves the heat exchanger under high pressure and is expanded in an expansion machine under work. This can be done in an expansion machine, for example a rotary piston expansion machine.
  • the expansion machine drives a shaft to which a generator for generating electricity can be connected.
  • the vapor, expanded to atmospheric pressure, for example, is cooled and condensed in a condenser.
  • Waste heat generated in the condenser of such a cycle to a heating circuit and to use it for heating purposes.
  • the Waste heat is used on the one hand for water heating and on the other hand for heating rooms and the like.
  • the known arrangements are able to generate electricity and heating and can therefore be used in building technology.
  • the object is achieved in that the capacitor is cooled by the driver of a sorption process.
  • Such an arrangement can essentially derive the energy to be used for the subsequent cooling and heating from the waste heat of the condenser and does not require a much more expensive primary energy.
  • the temperature and energy of the expanded steam of a closed steam cycle is still so high that it is sufficient to heat an expeller of a sorption process.
  • the sorption process can be an absorption process, for example a water-lithium bromide absorption refrigerator.
  • absorption processes such as water / water lithium bromide or ammonia / water
  • adsorption processes which are based, for example, on the use of zeolites.
  • the absorber can give off heat to a heating circuit to operate a heating or hot water system. Then the waste heat from the sorption process is also used, which further improves the energy balance of the entire supply unit.
  • the sorption process can be part of a refrigeration machine which is connected to an air conditioning or other cooling system. This means that an air conditioning system or a cold store can be operated without burdening the energy supply with electrical energy.
  • a generator is operated with the shaft of the expansion machine, which converts the work performed by the expansion machine into electrical energy. Then electrical energy, heating and cooling are provided. This is the so-called low-power coupling.
  • means for preheating the solvent of the sorption process entering the expeller by means of the heated solvent of the sorption process emerging from the expeller can be provided.
  • Fig.l shows schematically a closed steam cycle, in which the
  • Condenser is cooled by the expeller of a water / water-lithium bromide cycle.
  • Fig. 1 10 generally denotes a closed steam cycle.
  • the cold water is pumped by means of a high-pressure feed water pump 14 driven by a pump drive 12 from a lower pressure P c 'to a higher pressure level P v '.
  • the water enters a burner steam generator system 16.
  • the water is pumped through a once-through steam generator which is exposed to the hot flue gas stream of a burner.
  • the heat Q B is transferred to the water for evaporation.
  • the superheated steam which is under very high pressure, is expanded in a rotary piston expansion machine 18 to the lower pressure level P c '. This frees up work that drives a shaft.
  • the shaft actuates a generator 20, which generates electrical current.
  • the current is used to supply power 22 to a building 54 and can optionally be fed into a network 16.
  • the condensed water is then the Circuit is available again and can be pumped again from the feed water pump 14 to the heat exchanger 16.
  • Fig. 1 denotes the solvent circuit of a water lithium bromide absorption cycle.
  • an aqueous lithium bromide solution absorbs water.
  • the rich solution is pumped by means of a solvent pump 32 from a lower pressure level p v ⁇ to a higher pressure level p c L ⁇ . Both pressure levels are below atmospheric pressure. Only a comparatively small amount of energy is required for pumping, since virtually no volume work has to be carried out on the work equipment.
  • the rich solution is preheated in a heat exchanger 34 designed as a temperature changer.
  • the preheated rich solution is then passed through an expeller 36.
  • the waste heat from the expansion cycle process 10 described above is fed to the expeller. This waste heat is sufficient to drive off the water present in the rich solution, ie to generate water vapor at the higher pressure level.
  • the poor, ie concentrated lithium bromide solution leaves the expeller 36 and is used for preheating in the temperature changer 34.
  • the poor solution cooled there is brought to the lower pressure level p v L ⁇ by means of a throttle 38 and is then available again in the absorber 30.
  • the working medium water which is at a low pressure level p v 18, is compressed to a higher pressure level p c '° on the way between the absorber 30 and the expeller 36.
  • the working medium circuit belonging to the solvent circuit 28 is designated 40 in FIG.
  • the water vapor compressed in the circuit 28 releases the heat Q 0 2 to the heating circuit 58 in the condenser 42.
  • the water vapor condenses to water and is further supercooled.
  • the throttle 44 the water is then expanded from the drain level p c 2 to the pressure level p v 2 .
  • the working medium water then gets into the evaporator 46.
  • the water of the working medium circuit 40 evaporates at a very low temperature of, for. B. 5 to 15 ° C.
  • the water of a climate cycle 48 is cooled. This is then again available to the absorber 30 and can be compressed again in the solvent circuit.
  • the air conditioning circuit essentially comprises a pump 50 with which the circulating coolant is pumped around.
  • An air conditioning system or a cooling space 52 within a building 54 is operated.
  • the heating circuit 58 is heated by both the waste heat from the solvent circuit 28 and the working medium circuit 40. This takes place in the absorber 30 or in the condenser 42. Together with the Schuverteilsy stone 56 in the building 54 and a pump 60, these components form the heating circuit 58.
  • the arrangement described is of course not only limited to air conditioning applications in building technology, but can also be used for cooling vehicles or the like.

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Abstract

Eine Arbeitsmaschine enthaltend einen Kreislauf (10) mit einer Pumpe (14) zum Fördern eines fluiden Arbeitsmittels, einem Durchlaufdampferzeuger (16) zur Übertragung von Wärme auf das Arbeitsmittel, einer Expansionsmaschine (18) zum Expandieren des Arbeitsmittels, insbesondere Wasser, unter Arbeitsleistung und einem Kondensator (36), ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator den Austreiber eines Sorptionsprozesses, insbesondere Absorptionsprozesses (28) beheizt. Der Absorptionsprozess kann Basis einer Wasser/Wasser-Lithiumbromid-Absorptionskältemaschine sein. Die Wärme aus dem verwendeten Absorbers (30) und aus demKondensator (42) kann in einem Heizkreislauf (58) zum Betrieb einer Heizungs- oder Warmwasseranlage (56) nutzbar sein. Die Verdampfungswärme aus dem Verdampfer (46) kann über einen Kreislauf (48) mit einem Kälteträgermedium z. B. zur Raumklimatisierung (52) genutzt werden. Weiterhin kann ein Generator (20) vorgesehen sein, der die von der Expansionsmaschine geleistete Arbeit in elektrische Energie umwandelt.

Description

KOMBINIERUNG EINER ARBEITSMASCHINE MIT EINER SORPTIONS ARMEPUMPE
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Arbeitsmaschine enthaltend einen Kreislauf mit einer Pumpe zum Fördern eines fluiden Arbeitsmittels, einem Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärme auf das Arbeitsmittel, einer Expansionsmaschine zum Expandieren des Arbeitsmittels unter Arbeitsleistung und einem Kondensator.
Solche Arbeitsmaschinen basieren im wesentlichen auf einem Clausius-Rankine- Kreisprozess. Dabei wird das Arbeitsmittel, zum Beispiel Wasser, aus einem Reservoir mittels einer Speisewasserpumpe in einen Wärmeübertrager gepumpt. Der Wärmeübertrager wird dem heißen Rauchgasstrom eines Brenners ausgesetzt. Dadurch wird Wärme aus dem Rauchgasstrom auf das in dem Wärmeübertrager befindliche Wasser übertragen. Der entstehende Wasserdampf verlässt den Wärmeübertrager unter hohem Druck und wird in einer Expansionsmaschine unter Arbeitsleistung expandiert. Dies kann in einer Expansionsmaschine, zum Beispiel einer Rotationskolben-Expansionsmaschine geschehen. Mittels der Expansionsmaschine wird eine Welle angetrieben, an welche ein Generator zur Stromerzeugung angeschlossen sein kann. Der zum Beispiel auf Atmosphärendruck expandierte Dampf wird in einem Kondensator gekühlt und kondensiert.
Stand der Technik
Es ist bekannt, die im Kondensator eines solchen Kreisprozesses anfallende Abwärme auf einen Heizungskreislauf zu übertragen und zu Heizzwecken zu nutzen. Dabei wird die Abwärme zum einen zur Warmwasserbereitung verwendet und zum anderen zur Heizung von Räumen und dergleichen. Die bekannten Anordnungen sind in der Lage, Strom und Heizwärme zu erzeugen und können daher in der Gebäudetechnik eingesetzt werden.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zu schaffen, welche zur Kühlung eingesetzt werden kann und einen gegenüber den bekannten Anordnungen verbesserten Wirkungsgrad hat.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Kondensator von dem Austreiber eines Sorptionsprozesses gekühlt ist. Eine solche Anordnung kann die für die anschließende Kühlung und Heizung zu nutzende Energie im wesentlichen der Abwärme des Kondensators entnehmen und braucht keine wesentlich teurere Primärenergie. Die Temperatur und Energie des expandierten Dampfes eines geschlossenen Dampfkreisprozesses ist immer noch so hoch, dass sie zur Heizung eines Austreibers eines Sorptionsprozesses ausreicht.
Der Sorptionsprozess kann ein Absorptionsprozess, zum Beispiel einer Wasser- Lithiumbromid-Absorptionskältemaschine sein. Es sind aber auch andere Prozesse denkbar. Insbesondere sind neben Absorptionsprozessen wie Wasser/Wasser-Lithiumbromid oder Ammoniak/Wasser auch Adsorptionsprozesse verwendbar, die zum Beispiel auf der Verwendung von Zeolithen basieren.
Der Absorber kann Wärme an einen Heizkreislauf zum Betrieb einer Heizungs- oder Warmwasseranlage abgeben. Dann wird die Abwärme des Sorptionsprozesses ebenfalls genutzt, wodurch sich die Energiebilanz der gesamten Versorgungseinheit weiter verbessert. Der Sorptionsprozess kann Teil einer Kältemaschine sein, welche an eine Klima- oder sonstige Kühlanlage angeschlossen ist. Damit kann eine Klimaanlage oder ein Kühlraum betrieben werden, ohne die Energieversorgung mit elektrischer Energie zu belasten. In einer Ausgestaltung der Erfindung wird mit der Welle der Expansionsmaschine ein Generator betrieben, der die von der Expansionsmaschine geleistete Arbeit in elektrische Energie umwandelt. Dann werden elektrische Energie, Heizungswärme und Kühlung bereitgestellt. Dies ist die so genannte Kraft- ärme-Kälte-Kopplung. Zur weiteren Verbesserung der Energiebilanz können Mittel zum Vorwärmen des in den Austreiber eintretenden Lösungsmittels des Sorptionsprozesses mittels des aus dem Austreiber austretenden, aufgewärmten Lösungsmittels des Sorptionsprozesses vorgesehen sein.
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig.l zeigt schematisch einen geschlossenen Dampfkreislauf, bei welchem der
Kondensator vom Austreiber eines Wasser/Wasser-Lithiumbromid-Kreisprozesses gekühlt ist.
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
In Fig. 1 ist mit 10 allgemein ein geschlossener Dampfkreislauf bezeichnet. Das kalte Wasser wird mittels einer von einem Pumpenantrieb 12 angetriebenen Hochdruck- Speisewasserpumpe 14 von einem niedrigeren Druck Pc' auf ein höheres Druckniveau Pv' gepumpt. Das Wasser tritt in ein Brenner-Dampferzeugersystem 16 ein. Das Wasser wird durch einen Durchlaufdampferzeuger gepumpt, welcher dem heißen Rauchgasstrom eines Brenners ausgesetzt ist. Dabei wird die Wärme Q B auf das Wasser zur Verdampfung übertragen. Der unter sehr hohem Druck stehende überhitzte Wasserdampf wird in einer Rotationskolben-Expansionsmaschine 18 auf das niedrigere Druckniveau Pc' expandiert. Dabei wird Arbeit frei, mit welcher eine Welle angetrieben wird. Die Welle betätigt einen Generator 20, welcher elektrischen Strom erzeugt. Der Strom dient zur Stromversorgung 22 eines Gebäudes 54 und kann ggf. in ein Netz 16 eingespeist werden.
Der die Expansionsmaschine 18 verlassende Dampf tritt in den Austreiber 36 eines noch zu beschreibenden Wasser/Wasser-Lithiumbromid-Absorptionskälteprozesses ein und wird dort unter Abgabe der Wärme Qc ' = QH kondensiert. Das kondensierte Wasser steht dann dem Kreislauf wieder zur Verfügung und kann erneut von der Speisewasserpumpe 14 zum Wärmeübertrager 16 gepumpt werden.
In Fig. 1 ist mit 28 der Lösungsmittelkreislauf eines Wasser Lithiumbromid- Absorptionskreisprozesses bezeichnet. In einem Absorber 30 absorbiert eine wässrige Lithiumbromid-Lösung Wasser. Dadurch wird aus der an Arbeitsmittel armen, d. h. konzentrierten Lösung eine an Arbeitsmittel reiche, d. h. verdünnte Lithiumbromid-Lösung. Die reiche Lösung wird mittels einer Lösungsmittel-Pumpe 32 von einem niedrigeren Druckniveau pv Ö auf ein höheres Druckniveau pc LÖ gepumpt. Beide Druckniveaus liegen unterhalb des Atmosphärendrucks. Beim Pumpen ist nur eine vergleichsweise geringe Energie erforderlich, da quasi keine Volumenarbeit an dem Arbeitsmittel geleistet werden muss. In einem als Temperaturwechsler ausgebildeten Wärmeübertrager 34 wird die reiche Lösung vorgewärmt. Die vorgewärmte reiche Lösung wird dann durch einen Austreiber 36 geleitet. Dem Austreiber wird die Abwärme des oben beschriebenen Expansionskreisprozesses 10 zugeführt. Diese Abwärme reicht aus, um das in der reichen Lösung vorhandene Wasser auszutreiben, d. h. Wasserdampf auf dem höheren Druckniveau zu erzeugen. Die arme, d. h. konzentrierte Lithiumbromid-Lösung verlässt den Austreiber 36 und wird zur Vorwärmung im Temperaturwechsler 34 verwendet. Die dort gekühlte arme Lösung wird mittels einer Drossel 38 auf das niedrigere Druckniveau pv LÖ gebracht und steht dann wieder im Absorber 30 zur Verfügung.
In dem beschriebenen Lösungsmittel-Kreislauf 28 wird also das auf einem niedrigen Druckniveau pv 18 befindliche Arbeitsmittel Wasser auf dem Weg zwischen Absorber 30 und Austreiber 36 auf ein höheres Druckniveau pc'° komprimiert.
Der zu dem Lösungsmittel-Kreislauf 28 gehörige Arbeitsmittel-Kreislauf ist in Fig.l mit 40 bezeichnet. Der im Kreislauf 28 komprimierte Wasserdampf gibt im Kondensator 42 die Wärme Q0 2 an den Heizungskreislauf 58 ab. Der Wasserdampf kondensiert zu Wasser und wird weiter unterkühlt. In der Drossel 44 wird das Wasser dann vom Drackniveau pc 2 auf das Druckniveau pv 2 entspannt. Das Arbeitsmittel Wasser gelangt anschließend in den Verdampfer 46. Hier verdampft das Wasser des Arbeitsmittelkreislaufs 40 bei sehr niederiger Temperatur von z. B. 5 bis 15°C. Dabei wird zugleich das Wasser eines Klimakreislaufs 48 gekühlt.. Dieses steht dann dem Absorber 30 wieder zur Verfügung und kann im Lösungsmittelkreislauf erneut komprimiert werden.
Im Arbeitsmittelkreislauf 40 wird also bei der Verdampfung im Verdampfer 46 Kälte erzeugt, die auf den Klimakreislauf 48 übertragen wird. Der Klimakreislauf umfasst neben dem Verdampfer 46 im wesentlichen eine Pumpe 50, mit welcher der umlaufende Kälteträger umgepumpt wird. Dabei wird einer Klimaanlage oder ein Kühlraum 52 innerhalb eines Gebäudes 54 bedient.
Der Heizungskreislauf 58 wird sowohl von der Abwärme des Lösungsmittelkreislaufs 28 als auch des Arbeitsmittelkreislaufs 40 beheizt. Dies geschieht im Absorber 30 bzw. im Kondensator 42. Zusammen mit dem Heizwärmeverteilsy stein 56 im Gebäude 54 und einer Pumpe 60 bilden diese Komponenten den Heizungslαreislauf 58.
Bei der beschriebenen Anordnung wird demnach aus der mit einem Brenner erzeugten Wärme im Brenner-Dampferzeuger-System 16 über den Dampfkreislauf 10 mechanische bzw. dann elektrische Energie erzeugt. Mit der verbleibenden Abwärme wird in einem anschließenden Absorptionskreisprozess Kälte zur Klimatisierung und auch Wärme für Heizzwecke erzeugt. Die in den Kreisläufen 28 und 40 anfallende Abwärme wird dann zusammen mit der Klimakälte aus 46 und der elektrischen Energie aus dem Kreislauf 10 einem Gebäude zugeführt. Auf diese Weise wird bis auf immer anfallende Verlustleistungen z. B. aufgrund mangelnder Isolierung etc. die gesamte Brennerenergie und zusätzlich noch die aus der Umgebung durch die Klimatisierung aufgenommene Wärme genutzt und es werden hohe Wirkungsgrade erzielt.
Die beschriebene Anordnung ist natürlich nicht nur auf Klimaanwendungen in der Gebäudetechnik beschränkt, sondern kann auch zur Kühlung von Fahrzeugen oder dergleichen verwendet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Arbeitsmaschine enthaltend einen Kreislauf (10) mit einer Pumpe (14) zum Fördern eines fluiden Arbeitsmittels, einem Wärmeübertrager (16) zur Übertragung von Wärme auf das Arbeitsmittel, einer Expansionsmaschine (18) zum Expandieren des Arbeitsmittels unter Arbeitsleistung und einem Kondensator (36),
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kondensator von dem Austreiber eines Sorptionsprozesses (28) gekühlt ist.
2. Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel Wasser ist.
3. Arbeitsmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
Sorptionsprozess ein Absorptionsprozess (28, 40) ist.
4. Arbeitsmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der
Absorptionsprozess Basis einer Wasser/Wasser-Lithiumbromid-
Absorptionskältemaschine bzw. -Wärmepumpe ist.
5. Arbeitsmaschine nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sorptionsprozess einen Absorber (30) umfasst, dessen Abwärme in einem Heizkreislauf (28) zum Betrieb einer Heizungs- oder Warmwasseranlage (56) nutzbar ist.
6. Arbeitsmaschine nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sorptionsprozess (28) Teil eines Kältekreislaufs ( 48) ist, welcher an eine Kälteträgerverteilnetz (52) angeschlossen ist.
7. Arbeitsmaschine nach einem der vorgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Generator (20), der die von der Expansionsmaschine geleistete Arbeit in elektrische Energie umwandelt.
8. Arbeitsmaschine nach einem der vorgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
Mittel (34) zum Vorwärmen des in den Austreiber eintretenden Lösungsmittels des Sorptionsprozesses (28) mittels des aus dem Austreiber (36) austretenden, aufgewärmten Lösungsmittels des Sorptionsprozesses (28).
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