CN110621945B - 用于提高热源的热产量的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明建议一种用于提高热源(6)的热产量的装置(1)，所述装置包括‑吸热件(2)以及具有冷凝器(41)和蒸发器(42)的热泵(4)；其中，‑所述吸热件(2)针对与热源(6)借助热交换器(12)的热耦合具有吸热件入流(21)和吸热件回流(22)；其中，‑热泵(4)的冷凝器(41)与吸热件入流(21)热耦合以便向吸热件(2)放热。按照本发明，热泵(4)的蒸发器(42)与吸热件回流(22)热耦合以便吸热。本发明还涉及一种用于通过按照本发明或者按照本发明的一种设计方案的装置(1)提高热源(6)的热产量的方法。

Description

用于提高热源的热产量的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于提高热源的热产量的装置以及用于提高热源的热产量的方法。所述装置包括吸热件以及具有冷凝器和蒸发器的热泵，其中所述吸热件针对与热源借助热交换器的热耦合具有吸热件入流和吸热件回流，并且热泵的冷凝器与吸热件入流热耦合以便向吸热件放热。所述方法包括借助热交换器从热源向吸热件回流进行热传递，从热泵的冷凝器向吸热件入流进行热传递。
背景技术
根据现有技术，利用工业过程中的废热或者地热源的热量为消耗热量的装置提供热量，也就是说向吸热件放出热量。在此通常借助热交换器或者附加的热泵向吸热件传递热量。
如果借助热交换器向吸热件传递由热源提供的热量，则所述吸热件通常相对于所述热交换器具有用于流体的吸热件回流和吸热件入流。所述吸热件回流在此具有比吸热件入流更低的温度。换言之，至少部分热量被吸热件消耗。
热源同样通常相对于热交换器具有热源回流以及热源入流。由于借助热交换器进行的热传递，所述热源入流的温度在此高于热源回流的温度。由于热源与吸热件借助热交换器的热耦合或者说热耦连，热源回流的温度被吸热件回流的温度限制。换言之，当热量应当传递至吸热件时，热源回流的温度无法被进一步冷却。
此外，吸热件入流的温度被热源入流的温度限制。由所述限制产生的缺点是，热源在其热含量方面无法被完全地使用。换言之，由此限制了热源的热产量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，改善热源的热产量。
所述技术问题通过按照本发明的装置以及通过按照本发明的方法解决。
按照本发明的用于提高热源的热产量或者说热产率的装置至少包括
-吸热件以及具有冷凝器和蒸发器的热泵；其中，
-所述吸热件针对与热源借助热交换器的热耦合具有吸热件入流和吸热件回流；其中，
-热泵的冷凝器与吸热件入流热耦合以便向吸热件放热。按照本发明，热泵的蒸发器与吸热件回流热耦合以便吸热。
吸热件入流和吸热件回流通常构成用于流体的吸热件循环，其中，至少借助热交换器加热吸热件回流的流体。在通过热交换器加热所述流体之后，吸热件回流成为吸热件入流。吸热件入流由此具有比吸热件回流的温度更高的温度。
热源入流和热源回流能够为流体构成热源循环，其中，至少借助热交换器冷却热源入流的流体并且将所述流体的热量至少部分地传递至吸热件回流以便构成吸热件入流。在通过热交换器冷却热源入流之后，热源入流成为热源回流。热源回流备选地或者补充地可以部分地或者完全被排出并且由此部分地或者完全地不被导引回热源。
例如将元件直接地布置在装置的其它构件之前或者直接布置在装置的其它构件之后的相对布置结构是参照循环的方向和/或流体的流动方向、例如参照吸热件循环的方向而言的。所述吸热件循环借助吸热件入流和吸热件回流构成。
按照本发明的装置的特征尤其在于，与吸热件回流热耦合的蒸发器实现了吸热件回流的温度的降低。由此进一步地冷却热源，从而有利地提高热产量。蒸发器为此有利地不与热源直接接触。由此能够在不对热源进行设备方面的干预的情况下针对现有的设备改装所述蒸发器。
借助蒸发器从吸热件回流抽走的热量借助热泵的冷凝器传递至吸热件入流中。由此能够有利地在热源的热含量方面改善地利用所述热源并且由此为吸热件提供更多的热量或者升高的热功率或者升高的温度。换言之，通过按照本发明地将热泵连接入吸热件循环中，进一步地冷却吸热件回流以及进一步加热吸热件入流。
对于工业的废热源(热源)，按照现有技术必须借助冷却装置、尤其是冷却塔冷却热源回流，之后才能够将例如形式为废水流的热源回流排出。通过按照本发明规定的对吸热件回流的进一步冷却使得热源回流更大程度地被冷却，从而有利地取消了耗费的并且昂贵的用于冷却热源回流的冷却装置。此外，有利地借助热泵的冷凝器提高了吸热件入流的温度。由此在废热源的热含量方面改善地利用所述废热源。
对于地热源(地热的热源)更大程度地冷却所述地热源的热源回流，从而有利地改善所述地热源的热产量。此外，对于地热源存在蕴藏量风险。这种风险意味着，无法以足够的可靠性预测来自钻孔中的热水的温度和可能的质量流。本发明能够显著地降低上述风险或者防止签订昂贵的保险。
按照本发明的用于通过按照本发明的装置或者所述装置的一种设计方案提高热源的热产量的方法至少包括以下步骤：
-借助热交换器从热源向吸热件回流进行热传递；并且
-从热泵的冷凝器向吸热件入流进行热传递；
所述方法的特征在于从吸热件回流向热泵的蒸发器进行热传递。
按照本发明的方法产生与按照本发明的装置同样的并且等值的优点。
按照本发明的一种有利的设计方案，装置包括热源，其中，吸热件回流在蒸发器之后、尤其是直接在热泵的蒸发器之后借助热交换器与热源热耦合以便吸热。
由此有利地将热源的热量和通过借助热泵冷却吸热件回流获取的热量提供给吸热件、尤其是消耗热量的装置。
在本发明的另一种有利的设计方案中，热泵的冷凝器借助旁路管道与吸热件回流热耦合。
由此能够有利地为吸热件提供升高的热功率。
在本发明的一种有利的设计方案中，吸热件是远程供热网的一部分。
由此能够有利地提高远程供热网的热功率。
此外有利的是，热源是地热源(地热的热源)和/或工业废热源。
由此能够有利地进一步降低地热源的热源回流的温度，从而能够改善地冷却并且由此改善地开发利用地热源。对于工业废热源能够有利地取消耗费的并且昂贵的用于冷却热源回流的冷却装置。
按照本发明的一种有利的扩展设计，热泵设计为高温热泵。
高温热泵是指能够在其冷凝器上提供90摄氏度以上、尤其是100摄氏度以上的热量的热泵。
由此能够有利地进一步提高吸热件入流的温度。尤其能够将吸热件入流的温度升高至90摄氏度以上。换言之，由此有利地使热源在其温度方面进一步地提高了价值。
为了实现所述高温特别优选的是，热泵包括具有R1233zd、R1336mzz、丁烷、环戊烷和/或具有氟化酮和/或上述物质的混合物的工作流体。
在本发明的一种有利的扩展设计中，热泵具有至少1兆瓦的电功率。
由此有利地提供了针对工业用途足够地设计规模的热泵。所述电功率尤其对于远程供暖网或者将所提供的热量导引回工业过程中是有利的。
附图说明
本发明的其它优点、特征和细节由以下对实施例的描述以及根据附图得出。示意性地在附图中：
图1示出了借助按照现有技术的热泵对热源的开发利用；
图2示出了按照本发明的第一种设计方案的装置；并且
图3示出了按照本发明的第二种设计方案的装置。
相同的、等值的或者作用相同的元件可以在附图中配设相同的附图标记。
具体实施方式
在图1中示出了借助按照现有技术的热泵4对设计为地热源6的热源的开采利用。借助已知的装置10实现地热源6的开采利用，所述装置10包括吸热件2。
热泵4包括至少一个冷凝器41以及蒸发器42。地热源6针对蒸发器42具有热源入流61以及热源回流62。热源回流62的温度在此由于与热泵4的蒸发器42的热耦合相对于热源入流61的温度降低。换言之，热量从地热源6传递至热泵4的蒸发器42。热量通过工作流体在蒸发器42内部至少部分地蒸发传递至热泵4。
吸热件2针对与热泵4的冷凝器41的热耦合具有吸热件入流21以及吸热件回流22。吸热件回流22的温度在此相对于吸热件入流21的温度降低或者吸热件入流21的温度相对于吸热件回流22的温度升高。换言之，热源入流61借助热泵4升高温度并且通过工作流体在冷凝器41内的冷凝经由吸热件入流21向吸热件2放热。
已知的装置10的缺点在于，无法进一步降低或者冷却热源回流62的温度。换言之，由于从地热源6向热泵4的热传递限制了对所述地热源6的开发利用。
在图2中示出了按照本发明的第一设计方案的装置1。
装置1包括具有冷凝器41和蒸发器42的热泵4。装置1还包括热源6和吸热件2、尤其是消耗热量的装置以及热交换器12，所述消耗热量的装置特别优选地是远程供暖网的部分。
热泵4可以具有压缩机和膨胀阀。热泵4的工作流体借助冷凝器41至少部分地冷凝，借助压缩机至少部分地压缩，借助蒸发器42至少部分地蒸发并且借助膨胀阀至少部分地膨胀减压。作为工作流体优选可以使用R1233zd、R1336mzz、丁烷、环戊烷和/或氟化酮和/或上述物质的混合物。
热源6针对热交换器12具有热源入流61以及热源回流62。在所示的实施例中，热源入流61的温度例如为95摄氏度。热源回流62的温度例如为35摄氏度。
此外，吸热件2针对热交换器12具有吸热件入流21以及吸热件回流22，所述热交换器12将热源6与吸热件2热耦合。
热泵4的冷凝器41与吸热件入流21热耦合。换言之，热泵4的工作流体通过所述热耦合至少部分地冷凝并且在此释放的热量传递至吸热件入流21中。在此直接在热交换器12之后实现所述热耦合。
热泵4的蒸发器42与吸热件回流22热耦合。换言之，借助蒸发器42从吸热件回流22中提取热量并且借助热泵4和冷凝器41传递至吸热件入流21中。由此有利地进一步冷却了吸热件回流22，从而能够通过借助热交换器12的热耦合改善地利用热源6。
热源入流61的温度例如约为95摄氏度[℃]。热源回流62直接地在热源6与吸热件2借助热交换器12的热耦合之后具有约为35摄氏度的温度。吸热件入流21在热交换器12和热泵4的冷凝器41之间、也就是直接在所述热交换12之后并且直接在所述热泵4的冷凝器41之前具有约为90摄氏度的温度。由于借助热泵4吸热，吸热件入流21直接在与热泵4的冷凝器41的热耦合之后具有高于90摄氏度的温度。
吸热件2可以设计为消耗热量的装置并且至少消耗或者使用能够借助吸热件入流21输入所述吸热件2的热量的一部分。吸热件回流22由此具有更低的、约为50摄氏度的温度。由此在热泵4的蒸发器42处存在约为50摄氏度的温度。借助热泵4的蒸发器42继续从吸热件回流22中吸热，从而在与热泵4的蒸发器42的热耦合之后吸热件回流22的温度约为30摄氏度。吸热件回流22接着以其约为30摄氏度的温度导引向热交换器12。吸热件回流22在那里重新从热源6吸热并且成为具有约为90摄氏度的温度的吸热件入流21。
因此，借助按照本发明的第一设计方案的装置1在热源的热含量方面改善了对热源6的开发利用。在此特别优选的是将热源6设计为地热源。
在图3中示出了按照本发明的第二设计方案的装置1。
图3所示的装置1在此基本上具有与图2所示的装置相同的元件，因此根据图2所述的内容能够直接地转用到图3所示的装置1上。除了在图2中所述的示例性的温度之外，在图3中示例性地示出了示例性的质量流[kg/s]以及输入的和输出的电功率及热功率[MW]。
例如向热泵4输入约为2兆瓦的电功率。在图3中设计为地热源的热源6具有约为15兆瓦的热功率。通过借助按照本发明地设置的热泵4和所述热泵在吸热件回流22以及吸热件入流21中的连接实现的热源6的热量增值，能够为吸热件2提供约为17兆瓦的热功率。
与图2不同地，热泵4的冷凝器41借助旁路管道23附加地与吸热件回路22热耦合。所述旁路管道23为此具有泵8，所述泵至少部分地将吸热件回路22的流体向热泵4的冷凝器41泵送。通过热泵4的冷凝器41与吸热件回流22的所示热耦合能够提高为吸热件2提供的热功率。因此在按照图3的本发明的第二设计方案中主要提高了针对吸热件2的热功率。而在按照图2的本发明的第一设计方案中主要提高了针对吸热件2的温度。
装置1的其它元件与图2的元件类似地或者相同地布置或者连接，因此根据图2所述的内容同样能够转用到图3所示的装置1上。
尽管详细地通过优选的实施例在细节中说明和描述了本发明，但是本发明并不局限于公开的示例，或者本领域技术人员能够由此在不脱离本发明的保护范围的情况下推导出其它变型。

Claims (8)

1.一种用于提高热源(6)的热产量的装置(1)，所述装置包括
-吸热件(2)以及具有冷凝器(41)和蒸发器(42)的热泵(4)；其中，
-所述吸热件(2)针对与热源(6)借助热交换器(12)的热耦合具有吸热件入流(21)和吸热件回流(22)；并且
-热泵(4)的冷凝器(41)与吸热件入流(21)热耦合以便向吸热件(2)放热；
其中，热泵(4)的蒸发器(42)与吸热件回流(22)热耦合以便吸热，其特征在于，热泵(4)的冷凝器(41)借助旁路管道(23)与吸热件回流(22)热耦合。
2.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，所述装置包括热源(6)，其中，吸热件回流(22)在热泵(4)的蒸发器(42)之后借助热交换器(12)与热源(6)热耦合以便吸热。
3.根据权利要求1或2所述的装置(1)，其特征在于，所述吸热件(2)是远程供热网的一部分。
4.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，所述热源(6)是地热源和/或工业废热源。
5.根据权利要求1或2所述的装置(1)，其特征在于，所述热泵(4)设计为高温热泵。
6.根据权利要求5所述的装置(1)，其特征在于，所述热泵(4)包括具有R1233zd、R1336mzz、丁烷、环戊烷和/或具有氟化酮和/或上述物质的混合物的工作流体。
7.根据权利要求1或2所述的装置(1)，其特征在于，所述热泵(4)具有至少1兆瓦的电功率。
8.一种用于通过按照前述权利要求之一所述的装置(1)提高热源(6)的热产量的方法，所述方法包括步骤：
-借助热交换器(12)从热源(6)向吸热件回流(22)进行热传递；
-从热泵(4)的冷凝器(41)向吸热件入流(21)进行热传递，并且
-从吸热件回流(22)向热泵的蒸发器(42)进行热传递，
其特征在于，热泵(4)的冷凝器(41)借助旁路管道(23)与吸热件回流(22)热耦合。
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