DD153726A1 - Verfahren und anordnung zur ruecklaufauskuehlung in fernwaermeversorgungssystemen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ruecklaufauskuehlung und damit zur Erweiterung der Netzkapazitaet bestehender oder neu anzulegender Fernwaermesysteme durch Nutzung der Ruecklaufwaerme dezentraler Uebergabestellen (Abnehmeranlagen) mit Hilfe von Absorptions-Waermepumpen und eine Anordnung zur Durchfuehrung des Verfahrens. Sie hat das Ziel, den Anschluss einer groesseren Anzahl von Waermeverbrauchern mit konventionellen Raumheizsystemen und Brauchwarmwasserversorgung an bestehende oder neu anzulegende Fernwaermesysteme mit geringstmoeglichem Aufwand an Elektroenergie und regelungstechnischer Ausruestung zu ermoeglichen. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die in einer Absorptionswaermepumpe ablaufenden Prozesse durch den Primaervorlauf eines konventionellen Fernwaermeversorgungssystems und Auskuehlung seines Ruecklaufs, bei gleichzeitiger Erzeugung von Nutzwaerme entsprechend den konventionellen Sekundaervorlauf-Parametern, zu realisieren. Sie wird im wesentlichen geloest, indem sowohl Desorption als auch Absorption in mehreren Stufen auf jeweils unterschiedlichem Druck- und Temperaturniveau in einem einheitlichen Kreislauf erfolgen.

Description

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a) Titel der Erfindung

Verfahren und Anordnung zur Rücklaufauskühlung in Fernwärme-Versorgungssystemen

b) Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rücklaufauskühlung und damit zur Erweiterung der Netzkapazität bestehender oder neu anzulegender Fernwärmesysterne durch Nutzung der Rücklaufwärme dezentraler Übergabestellen (Abnehmeranlagen) mit Hilfe von Absorptions-Wärmepumpen, und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens,

C-) Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Da sich die Kapazität eines Fernwärmeversorgungssystems - d.h. die insgesamt für Raumheizung und Brauchwarmwasserbereitung der Abnehmer zur Verfügung stehende Wärmeleistung - aus der Differenz von Vor- und Rücklauftemperatur und dem Massenstr-om ergibt, ist die Realisierung möglichst niedriger Rücklauftemperaturen von großer Bedeutung für den rationellen Betrieb und die Effektivität großer Fernwärmesysterne. Für die Y/eitere Verwertung des Wärmeinhalts von Heizwasser aus dem Fernwärme-Rücklauf zur Heizung und Brauchwarmwasserbereitung sind bisher Lösungen bekannt geworden, die sich zwei grundsätzlich verschiedenen physikalischen Prinzipien zuordnen lassen:

- Dem Rücklaufwasser konventioneller Heizsysteme wird durch spezifische Leitungsführungen und/oder direkt in den Rücklauf geschaltete Niedertemperaturheizungen mit entsprechend

größeren Heizkörperflächen weitere Wärme entzogen· Das erfordert jedoch z.B. für den Übergang von den Heiznetz-Parametern 90/7O⁰C auf 60/40⁰G eine Vergrößerung der Heizflächen um 200 %, ist, also mit hohen Investitionskosten verbunden.

Das Temperaturniveau des Rücklaufwassers des Sekundärkreislaufes wird durch geeignete .Wärmetransformationsanlagen auf das konventioneller Heizsysteme angehoben , v/obei der Primär— rücklauf weiter abgekühlt wird.

Pur Lösungen entsprechend Prinzip 2 bietet sich der Einsatz von Wärmepumpen, deren Wirkungsweise auf der Transformation von Wärme-eines niederen Temperaturniveaus auf ein höheres . beruht, an und hat bereits in der Praxis Anwendung gefunden· Auf Grund ihrer günstigeren Leistungskennziffer (abgegebene Energie : Antriebsenergie = 3) kommen dabei fast ausschließlich Kompressionswärmepumpen zum Einsatz, deren Betrieb jedoch einen hohen Aufwand an Elektroenergie erfordert* Alle Anlagenteile einer Kompressionswärmepumpe müssen zudem aus außerordentlich hochwertigem Material bestehen, um den hohen Drücken der verwendeten Arbeitsmedien standzuhalten· Absorption swärmepumpen haben demgegenüber nur einen geringen Leistungsbedarf an Elektroenergie, die hier nur zum Betrieb der Lösungsmittelpumpen erforderlich ist. Der Wärmepumpenprozeß selbst beruht auf der Wirkung eines Zweistoffgemischs, bei Wärmezufuhr eine Komponente auszutreiben (Desorption) und diese auf einem höheren Temperaturniveau wieder zu absorbieren, d,ho er kann also durch eine geeignete, zur Verfügung stehende Wärmequelle in Gang gesetzt werden. Im Vergleich zur Kompressionswärmepumpe hat jedoch eine konventionelle Absorptionswärmepumpe nur eine Leistungskennziffer von ca. 1,5; sie erfordert deshalb für die Transformierung der Bücklauftemperatur eines Fernwärmesystems (70 C) auf die Sekundärvorlaufparameter eines konventionellen Heizsystems (90 - 110⁰C) Austreibertemperaturen, die weit über der Temperatur des Primärvorlaufs (150 C).- als zur Verfügung stehender Wärmequelle liegen würden»

Zwar wurden bereits verschiedene Lösungen bekannt, um durch geschickte Schaltungsvarianten die thermische Antriebsenergie besser als bisher möglich,, für die Abgabe der Uutzwärme zu verwenden und damit die Einsatzmöglichkeiten der Absorption swärmepumpen zu erhöhen. Diese Lösungen beziehen sich jedoch nur auf einen günstigeren Ablauf des inneren Wärmepumpenprozesses durch Einschaltung von Verdichtern bzw. Wärmeübertragern, ohne am grundsätzlichen Aufbau (Austreiber Kondensator - Verdampfer - Absorber) der Absorptionswärmepumpe etwas zu verändern und vor allem, ohne eine deutliche Verbesserung der Kennziffern zu erreichen. So kann nach den bekannten Schaltungsanordnungen die -von einer durch den Vorlauf einer Fernheizleitung beheizten Absorber-Wärmepumpe abgegebene Wärme nur für die Brauehwarmwasserbereitung bzw, Niedertemperaturheizsysteme der Abnehmer genutzt werden*

Dem Ziel, den Temperaturbereich zwischen einzusetzender Heizwärme und zu entnehmender Hutzwärme größer, und in beiden ^Richtungen variabler gestalten zu können, diente die Entwicklung der bekannten Resorptionswärmepumpe* Diese wirkt grundsätzlich ebenfalls nach dem Absorptionsprinzip, besitzt jedoch zwei getrennte, parallel arbeitende Lösungsmittelkreisläufe, wobei der Kondensator durch einen Absorber und der Verdampfer durch einen zweiten Austreiber ersetzt sind» Auch der Resorptionsprozeß erfordert bei feststehender, zum Betrieb eines konventionellen Raumheizsystems geeigneter Nutzwärmetemperatur noch Austreibertemperaturen, die höher als die allgemein üblichen Temperaturen eines Fernwärme-Primärvorlaufs (ca. 150 C) sind und ist darüber hinaus regelungstechnisch sehr schwer zu beherrschen, da in beiden Kreisläufen stets gleiche Dampfmengen von gleicher Konzentration strömen müssen, bzw, ein definierter Lösungsmittelausgleich realisiert werden muß, um den Wärmepumpenprozeß nicht zum Stillstand kommen zu lassen.

d) Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat das Ziel, die Kapazität bestehender oder neu anzulegender Fernwärmeversorgungssysteme durch bessere Hutzung der von den HW/HKW zur Verfugung gestellten Wärmeleistung mit geringstmöglichem Aufwand an Elektroenergie und regelungstechnischer Ausrüstung zu erweitern und damit den Anschluß einer größeren Anzahl "von Wärmeverbrauchern mit . konventionellen Raumheizsystemen und Brauchwarmwasserversorgung zu ermöglichen* Gleichzeitig soll der Bau- und Investitionsaufwand für die Errichtung neuer HKW/HW-Standorte sowie die damit verbundene Umweltbelastung herabgesetzt werden«

e) Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und eine dem entsprechende Anordnung zu entwickeln, um die in · einer Absorptionswärmepumpe ablaufenden Prozesse "Desorption" (Aufnahme von wenig Wärme hoher Temperatur) und"Absorption" (Abgabe von viel Heizwärme mittlerer Temperatur) durch den Primärvorlauf eines konventionellen Fernwärmeversorgungssystems und Auskühlung seines Rücklaufs, bei gleichzeitiger Erzeugung von Uutzwärme entsprechend den konventionellen Sekundärvorlauf-Parametern, zu realisieren«

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sowohl Desorption als auch Absorption in mehreren Stufen auf jeweils unterschiedlichem Druck- und Temperaturniveau in einem einheitlichen Kreislauf erfolgen, in dem die reiche Lösung stufenweise oder - durch Aufteilung der Massenströme - parallel, deh· gleichzeitig verarmt wird, wobei ein Teil des aus den Abnehmeranlagen kommenden Rücklaufs (ca. 70 C) für die Austreibung der leichter flüchtigen Komponente des Zweistoffgemischs und anschließend bzw* gleichzeitig Energie des Primärvorlaufs (ca* 150 C) für die vollständige Entgasung, d.h. "Verarmung¹¹ der Lösung eingesetzt werden. Die Wiederanreicherung der verarmten Lösung (Absorption) erfolgt anschließend ebenfalle

stufenweise auf jeweils wählbarem Druck— und Temperaturniveau unter Wärme abgabe an den Sekundär-Rück lauf· Damit wird der Sekundär-Rücklauf (ca. 7O⁰C) wieder bis auf die notwendige Sekundär-Vorlauftemperatur (ca, 90 — 110⁰C) aufgeheizt und in die Abnehme ranlagen zurückgespeist, während der Primär-Rücklauf eine Auskühlung bis auf Umgebungstemperatur (ca. 20⁰C) erfährto

Zur Durchführung des 'Verfahrens sind anstelle des Kondensators erfindungsgemäß in Reihe ein/oder mehrere Absorber und anstelle des Verdampfers in Reihe und/oder parallel zueinander ein/oder mehrere weitere Austreiber (Entgaser) sowie zur Optimierung des inneren Prozesses dienende Temperatur- und Druckregulierungseinrichtungen - wie Temperaturwechsler, Reduzier- bzw₀ Drosselventile, Verdichter - in einem einheitlichen, stufenweise regelbaren Absorptionswärmepumpen-Kreislauf angeordnet, der sich zwischen dem Primär- und Sekundärkreislauf eines konventionellen Pernwarmeversorgungssystems (Übergabestation) befindet»

Die Vorteile der Erfindung liegen in einer- erheblichen Einsparung an Elektroenergie gegenüber vergleichbaren Lösungen mit Kompressionswärmepumpen, in der Überwindung der regelungstechnischen Probleme bei Schaltungen mit Resorptionswärmepumpen sowie in der Möglichkeit zu erheblichen Investitionseinsparungen durch die Erweiterung der Kapazität vorhandener Pernwärmenetze·

f) Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an drei Ausführungsbeispielen für eine Abnehmeranlage mit konventionellen Parametern und die Stoffpaarung Ammoniak/Wasser dargestellt v/erden» In der zugehörigen Zeichnung zeigt:

Pig« 1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit

stufenweiser Absorption und Desorption, entspr. Beispiel 1

4 ft «ft

Figo 2 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit stufenweiser Absorption und parallel verlaufen der Desorption, entspr. Beispiel 2

eine Schaltungsanordnung nach Beispiel 3

einem weiteren Hilfsaustreiber und dreistufiger Absorption

1« In Fig* 1 ist eine Abnehmeranlage mit direkter Einspeisung für einen Abnehmer mit Raumheiungs- und Gebrauchswarmwasserbedarf auf der Basis einer stufenweisen Ab- und Desorption dargestellt. Das Heizv/asser tritt mit etwa 150 C aus dem Primärnetz 1 in den Austreiber 3·^/1 ein und gelangt nach einer Wärmeabgabe mit der gewünschten Sekundärvorlauftemperatur von 90 C in die Raumheizungsanlagen 10 der Wärmeabnehmer» Danach wird das Rücklaufwasser aus den Raumheizungsanlagen zum Gebrauchswarmwasser bereiter 9 geführt. Vor diesem wird bereits ein Teil des Rücklaufwassers zur Wiederaufheizung auf 90⁰C in die Absorber 4.1 und 4.2 abgeneigt, während das den Gebrauchswarmwasserbereiter 9 verlassende Rücklaufwasser den Entgaser 3*2 beheizt und mit ca. 20 C in den Rücklauf 2 des Primärnetzea 1 eintritt. Der eigentliche Wärmepumpenprozeß geht v/ie folgt von statten: Die "reiche Lösung" des Zweistoffsystems tritt aus dem Absorber 4.1 in den Entgaser 3·2 ein« Zur Erreichung einer hohen Entgaserleistung erfolgt im Wärmeübertrager 5·1 ein Wärmeaustausch mit der "ärmeren Lösung". U ach Drosselung im Ventil 7·1 und durch Wärmezufuhr aus dem Rücklauf 8 erfolgt im Entgaser 3·2 eine Austreibung der flüchtigeren Komponente als Dampf, der in den Absorber 4.1 geführt wird. Die ärmere Lösung wird anschließend mit Hilfe der Pumpe 6*1 in den Austreiber 3·1 gefördert, wobei ein Wärmeaustausch mit der weiter verarmten Lösung im Wärmeübertrager 5*2 vorgenommen wird. Im Austreiber 3·1 erfolgt nunmehr durch das Heizwasser des Primärvorlaufs 1 die v/eitere Desorption· Der dabei freiwerdende Dampf strömt in den

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Absorber.4.2 und die arme Lösung nach Drosselung im Ventil 7·2 in den Absorber 4.1, wo sie unter Wärmeabgabe an das Sekundärrücklaufwasser den Dampf niedrigen Druckes absorbiert. Die dabei entstehende reichere Lösung wird durch die Pumpe 6_e2 in den Absorber 4_O2 gefördert, v/o sie den Dampf hohen Druckes absorbiert, ebenfalls unter Wärmeabgabe an den Sekundärrücklauf 8, Der Wärmeübertrager 5.2 dient der Erhöhung der Äbsorptionstemperaturen, der Verdichter 11 der Erhöhung des Druckes zwischen Entgaser 3.2 und Absorber 4_e1.

In Fig· 2 ist das Prinzip der stufenweisen Absorption beibehalten, die Desorption erfolgt jedoch parallel· Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden der Heizkreislauf und die Zwischenwärmeübertrager weggelassen. Ihre Einordnung erfolgt entsprechend Fig. 1. Nach dem Absorber 4.2 wird die reiche Lösung nach Kompression durch die Pumpe 6 bzw. Drosselung im Ventil 7 entsprechend den Leistungen auf Austreiber 3«1 Ufld Entgaser 3«>2 aufgeteilt. Dort erfolgt aus dem Vor- bzw. Rücklauf durch Wärmezufuhr die Desorption. Während die arme Lösung aus dem Austreiber 3<>1 nach Drosselung im Ventil 7 den Dampf aus dem Entgaser 3«2 im Absorber 4,1 absorbiert und dadurch einen Teil des Rücklaufwassers auf die gewünschte Vorlauftemperatur aufheizt, wird der Dampf höheren Druckes durch die arme Lösung des Entgasers 3·2 und die angereicherte Lösung aus dem Absorber 4.2 nach Kompression in der Pumpe 6 im Absorber 4.1 absorbierte

3* Ist bereits eine relativ geringe Rücklauftemperatur, z.B. durch Gebrauchswarmwasserbereitung, vorhanden, so ist eine weitere Absenkung durch einen Hilfsaustreiber 3»3 möglich, der im allgemeinen nur im Bereich hoher Sekundärvorlauftemperaturen notwendig ist* Die Anzahl der Apparate erhöht sich aber nur scheinbar, da bei der Erzielung der gewünschten Leistungen im allgemeinen immer mehrere Apparate notwendig sind, nur daß sie hier auf drei unter-

schiedlichen Druckniveaus arbeiten· Der Prozeßverlauf geht wie folgt "von statten: Die reiche Lösung wird nach dem Absorber 4,3 im Entgaser 3·2 "verarmt, anschließend in Pumpe _v6 verdichtet und im Hauptaustreiber 3·1 "bei maximalem Druck so weit desorbiert, wie es die maximale Vorlauftemperatur zuläßt. Im Anschluß daran wird die "verarmte " Lösung in Ventil 7 auf einen Zwischendruck . gedrosselt und im Hilfsaustreiber 3·3 weiter desorbiert» Der weitere Prozeßverlauf entspricht Beispiel 1«

Claims (1)

1. Erfindungsanspruch

   1, ^erfahren zur Bücklaufauskühlung in Fernwärmenersorgungssysteinen durch Nutzung der Riicklaufwärme dezentraler Üb er gäbe stellen niit Hilfe von Absorptionswämepumpen, gekennzeichnet dadurch, daß sowohl Desorption als auch Absorption auf jeweils unterschiedlichem Druck- und Temperaturniveau in einem einheitlichen Wärmepumpenkreislauf erfolgen, wobei Energie des aus den Abnehmeranlagen (10) kommenden Rücklaufs (2) für die Austreibung der leichter flüchtigen Komponente des Zweistoffgemischs und anschließend bzw, gleichzeitig Energie des Primärvorlaufs (1) für die vollständige Entgasung, d.h. "Verarmung" der Lösung eingesetzt werden und danach die Wiederanreicherung der verarmten Lösung (Absorption) stufenweise unter Aufheizung des Sekundär-Rücklaufs (8) auf die Parameter des Sekundärvorlaufs erfolgt·

   Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die reiche Lösung stufenweise oder - durch differenzierte Aufteilung der Massenströme und auf verschiedenen Druckniveaus - parallel, d«h» gleichzeitig verarmt wird, während die Anreicherung der armen Lösung in mehreren, aufeinander folgenden Stufen auf jeweils unterschiedlichem Druck- und Temperaturniveau erfolgt,»

   3» Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt und 2, gekennzeichnet dadurch, daß anstelle des Kondensators in Reihe ein/oder mehrere Absorber (4) und anstelle des Verdampfers in Reihe und/oder parallel zueinander ein/oder mehrere weitere Austreiber/Entgaser (3) sowie zur Optimierung des inneren Prozesses dienende Temperatur- und Druckregulierungseinrichtungen (5»7;11) in einem einheitlichen, stufenweise regelbaren Absorptionswärmepumpen-Kreislauf angeordnet sind, der sich

   zwischen dem Primär- und Sekundärkreislauf eines konventionellen Fernwärme-Versorgungssystems befindet·

   4«, .Anordnung* nach Punkt 3s gekennzeichnet dadurch, daß die Entgaser (Austreiber) (3) zur Leistungsregelung und Prozeßverbesserung jeweils mit Temperaturwechslern (5) gekoppelt sind»

   5* Anordnung nach Punkt 3 ^un(l 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Aufteilung der Massenströme der die Absorber (4) verlassenden reichen Lösung auf die.Entgaser (Austreiber) (3) über Drosselventile (7) erfolgt«

   6« Anordnung nach Punkt 3 bis 5» gekennzeichnet dadurch, daß vor den stufenweise angeordneten Absorbern (4) jeweils Verdichter (11) eingefügt sind_o

   7© Anordnung nach Punkt 3 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß der Entgaser (3·1) mit Energie aus dem Rücklauf und der oder die Austreiber (3·2 und.3.3) mit Energie aus dem Primärvorlauf (1) beheizt werden.

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