DE102006056979A1 - Heat production device, has compressor lying over upper lying heat side of boiler, where flow rate of compressor is influenced by control device, which is influenced by temperature of heat transport medium - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmegewinnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The invention relates to a device for heat recovery according to the preamble of claim 1
Aus der Praxis ist eine Vorrichtung zur Wärmegewinnung aus industrieller Abwärme bekannt, die einen Boiler und einen diesem zugeordneten Wärmetauscher umfaßt. Die Sekundärseite des Wärmetauschers ist dabei einerseits mit einer Kaltseite und andererseits mit einer Warmseite des Boilers verbunden, so daß ein geschlossener Kreislauf zwischen dem Boiler und dem Wärmetauscher gebildet ist. Die Primärseite des Wärmetauschers wird dabei von einem Wärmetransport-Medium durchströmt, welches von industrieller Abwärme gespeist wird. Bei Anlagen, in denen industrielle Abwärme in großem Umfang zur Verfügung steht, reicht diese Abwärme problemlos aus, um nicht nur das Wasser des Boilers zu erwärmen, sondern zugleich eine Konvektionsströmung zwischen dem Boiler und dem Wärmetauscher aufrechtzuerhalten. Damit ist keine Umwälzpumpe in diesem Kreislauf erforderlich, die bei zu starkem Fluß die gewünschte Temperaturschichtung innerhalb des Boilers zerstören würde. Diese bekannte Vorrichtung hat sich in der Praxis gut bewährt und bildet den Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung.Out In practice, a device for heat recovery from industrial waste heat known, a boiler and a heat exchanger associated therewith includes. The secondary side of the heat exchanger is on the one hand with a cold side and on the other hand with a Warm side of the boiler connected, so that a closed circuit between the boiler and the heat exchanger is formed. The primary side of the heat exchanger is doing of a heat transfer medium flows through which of industrial waste heat is fed. In plants where industrial waste heat on a large scale to disposal stands, this waste heat reaches easily not only to warm the water of the boiler, but also one convection between the boiler and the heat exchanger maintain. This is not a circulating pump in this cycle necessary, which in too strong flow the desired temperature stratification within destroy the boiler would. This known device has been well proven in practice and forms the starting point of the present invention.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Wärmegewinnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich durch eine hohe Effizienz und breite Nutzbarkeit von zur Verfügung stehenden Wärmequellen auszeichnet.Of the Invention is based on the object, a device for heat recovery of the type mentioned above, characterized by high efficiency and wide usability of available heat sources distinguished.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.These Task is according to the invention with the Characteristics of claim 1 solved.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 dient zur Wärmegewinnung. Sie weist mindestens einen Boiler auf, der eine temperaturgeschichtete Flüssigkeit enthält. In der Regel ist der Boiler mit Wasser gefüllt, wobei auch jedes andere wärmetragende Medium geeignet ist. Die Flüssigkeit im Boiler ist temperaturgeschichtet, so daß sich im Boiler stets mindestens eine Schicht mit kalter Flüssigkeit und darüberliegend mindestens eine Schicht mit warmer Flüssigkeit befindet. In der Regel ist an der Kaltseite des Boilers noch ein Zufluß für die Flüssigkeit, insbesondere Kaltwasser vorgesehen, während an der Warmseite ein Abfluß für erwärmte Flüssigkeit, insbesondere Warmwasser vorgesehen ist. Die erwärmte Flüssigkeit wird insbesondere zu Heizzwecken genutzt, wobei alternativ oder zusätzlich auch Warmwasser zu Haushaltszwecken entnehmbar ist. Zur Erwärmung der Flüssigkeit im Boiler ist ein Wärmetau scher vorgesehen, dessen Sekundärseite einerseits mit der Kaltseite und andererseits mit der Warmseite des Boilers verbunden ist. Die Sekundärseite des Wärmetauschers bildet daher mit dem Boiler einen in sich geschlossenen Kreislauf. Dieser Kreislauf wird ausschließlich durch Konvektion der Flüssigkeit im Boiler angetrieben, so daß keinerlei aktive Umwälzpumpe vorgesehen ist. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Strömungsmenge der Flüssigkeit in diesem Kreislauf unmittelbar an den Wärmeeintrag gekoppelt ist. Es ist daher ausgeschlossen, daß die Flüssigkeit in diesem Kreislauf umgewälzt wird, ohne daß ein ausreichend hoher Wärmeeintrag erfolgt. Eine derartige Umwälzung hätte die totale Zerstörung der Temperaturschichtung der Flüssigkeit im Boiler zur Folge, so daß die Entnahmetemperatur des Boilers entsprechend absinken würde. Andererseits setzt die rein konvektionsgebundene Strömung dieses Kreislaufs eine relativ intensive Erwärmung der Flüssigkeit voraus, da bei zu geringer Erwärmung die Konvektion nicht in Gang kommt.The Device according to claim 1 is used for heat recovery. It has at least one boiler, which has a temperature-layered liquid contains. As a rule, the boiler is filled with water, but also every other one heat carrying Medium is suitable. The liquid in the boiler is temperature-layered, so that in the boiler always at least a layer of cold liquid and overlying at least a layer of warm liquid located. As a rule, there is still one on the cold side of the boiler Inflow for the liquid, In particular, cold water is provided while on the warm side Drain for heated liquid, especially hot water is provided. The heated liquid in particular used for heating purposes, with alternatively or additionally also Hot water is removable for household purposes. To warm the liquid There is a heat exchanger in the boiler provided, its secondary side on the one hand with the cold side and on the other hand with the warm side connected to the boiler. The secondary side of the heat exchanger therefore forms with the boiler a self-contained cycle. This cycle becomes exclusive by convection of the liquid driven in the boiler, so that no active circulation pump provided is. This arrangement has the advantage that the flow rate of the liquid in this cycle is directly coupled to the heat input. It is therefore excluded that the liquid circulated in this cycle will, without one sufficiently high heat input he follows. Such a revolution would have the total destruction the temperature stratification of the liquid in the boiler, so that the Discharge temperature of the boiler would decrease accordingly. on the other hand sets the purely convection-bound flow of this cycle relatively intense warming the liquid ahead, because too low heating the convection does not get going.
Zur Erzielung einer universellen Anwendbarkeit der Vorrichtung zur Wärmegewinnung ist es wichtig, auch Wärmequellen verwenden zu können, deren Temperatur geringer ist als die Warmseite des Boilers. Zu diesem Zweck wird ein Wärmetransport-Medium eingesetzt, welches durch die Wärmequelle verdampft wird. Anschließend wird das Wärmetransport-Medium durch einen Kompressor komprimiert, der das Wärmetransport-Medium einschließlich der darin enthaltenen Wärme auf eine höhere Temperatur bringt. Das Wärmetransport-Medium wird anschließend durch die Primärseite des Wärmetauschers geleitet, wo sie die Boilerflüs sigkeit erwärmt. Gleichzeitig kondensiert das Wärmetransport-Medium, wobei die Verdampfungswärme für den Wärmetauscher an die Boilerflüssigkeit abgegeben wird. Das flüssige Wärmetransport-Medium wird dann wieder zurück zur Wärmequelle geführt, wo sie erneut Wärme aufnehmen kann. Auf diese Weise wird Wärme von der Wärmequelle mit geringer Temperatur in den Wärmetauscher bei höherer Temperatur transportiert. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß der Betrieb einer derartigen Wärmepumpe zusammen mit einem konvektionsgebundenen Wärmetauscher recht problematisch ist.to Achieving a universal applicability of the device for heat recovery It is important, even heat sources to be able to use their Temperature is lower than the warm side of the boiler. To this The purpose is a heat transport medium used by the heat source is evaporated. Subsequently becomes the heat transport medium compressed by a compressor which contains the heat transport medium including contained therein heat to a higher one Temperature brings. The heat transport medium will follow through the primary side of the heat exchanger where it heats the boiler fluid. simultaneously condenses the heat transport medium, where the heat of vaporization for the heat exchanger to the boiler fluid is delivered. The liquid Heat transport medium will be back again to the heat source guided, where they heat again can record. In this way, heat from the heat source low temperature in the heat exchanger at higher Temperature transported. However, it has been found that the operation such a heat pump together with a convection-bound heat exchanger quite problematic is.
Im Gegensatz zur Nutzung von industrieller Abwärme kommt es beim Wärmepumpenbetrieb wegen des damit verbundenen Energieverbrauchs auf eine hohe Effizienz des Systems an. Ist der Wärmeeintrag der Wärmepumpe in den Wärmetauscher zu gering, so kommt die Konvektion im Boiler-Kreislauf nicht in Gang. Ist der Wärmeeintrag hingegen zu hoch, so verbraucht der Kompressor viel Energie, ohne daß es zu einer merklichen Erwärmung der Flüssigkeit im Boiler kommt.in the In contrast to the use of industrial waste heat, heat pump operation occurs because of the associated energy consumption on a high efficiency of the system. Is the heat input the heat pump in the heat exchanger too low, then the convection in the boiler cycle does not come in Corridor. Is the heat input on the other hand, the compressor consumes a lot of energy without that it to a noticeable warming the liquid comes in the boiler.
Zur Lösung dieses Problems wird ein Kompressor eingesetzt, dessen Durchflußrate von einer Regelvorrichtung beeinflußt ist. Diese Regelvorrichtung ist dabei von der Temperatur des Wäremetransport-Mediums zwischen dem Ausgang des Kompressors und der Ausgangsleitung des Wärmetauschers bzw. von der Temperatur der Flüssigkeit des Wärmetauschers bzw. Boilers beeinflußt. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß der Durchsatz des Wärmetransport-Mediums durch den Kompressor von der Wärmeabgabe des Wärmetransport-Mediums im Wärmetauscher abhängig wird. Beim Hochfahren der Vorrichtung wird demnach der Kompressor bei relativ geringer Leistung genutzt, um der Konvektion auf der Sekundärseite des Wärmetauschers Zeit zu geben, sich entsprechend aufzubauen. Mit zunehmender Konvektionsströmung wird auch der Kompressor in seiner Leistung hochgefahren, da dann die Wärmeabgabe des Wärmetransport-Mediums im Wärmetauscher entsprechend zunimmt. Auf diese Weise ergibt sich eine optimale Wärmeausnutzung der Wärmequelle bei relativ geringem Energiebedarf, so daß die gesamte Vorrichtung einen überraschend hohen Wirkungsgrad aufweist.To solve this problem, a compressor is used whose flow rate is influenced by a control device. This control device is of the temperature of Wäremetrans Port medium between the output of the compressor and the output line of the heat exchanger or by the temperature of the liquid of the heat exchanger or boiler influenced. By this measure it is achieved that the throughput of the heat transport medium is dependent by the compressor of the heat output of the heat transfer medium in the heat exchanger. When starting up the device, therefore, the compressor is used at relatively low power to give the convection on the secondary side of the heat exchanger time to build up accordingly. With increasing Konvektionsströmung the compressor is raised in its performance, since then the heat output of the heat transfer medium increases in the heat exchanger accordingly. In this way, optimum heat utilization of the heat source results in relatively low energy consumption, so that the entire device has a surprisingly high efficiency.
Zur Erzielung eines möglichst geringen Wärmeverlustes ist es gemäß Anspruch 2 vorteilhaft, wenn der Wärmetauscher als Gegenstrom-Wärmetauscher ausgebildet ist. Hierdurch wird die Boilerflüssigkeit fast auf die Temperatur des Wärmetransport-Mediums erwärmt. Damit führt die Wärmeübertragung nur zu einem sehr geringen Temperaturverlust. Ist der Wärmetauscher innerhalb einer Wärmeisolation des Boilers vorgesehen, so ergeben sich besonders geringe Wärmeverluste. Vorzugsweise ist der Wärmetauscher um den Boiler herum angeordnet, so daß auch Wärmestrahlungsverluste des Boilers teilweise im Wärmetauscher regeneriert werden.to Achieve as much as possible low heat loss it is according to claim 2 advantageous when the heat exchanger as a countercurrent heat exchanger is trained. As a result, the boiler fluid is almost at the temperature of the heat transport medium heated. With it leads the heat transfer only to a very small temperature loss. Is the heat exchanger within a heat insulation provided the boiler, so there are very low heat losses. Preferably, the heat exchanger arranged around the boiler, so that heat radiation losses of the boiler partly in the heat exchanger be regenerated.
Um eine möglichst effektive Konvektion aufrecht zu erhalten, ist es gemäß Anspruch 3 günstig, wenn der Wärmetauscher sekundärseitig einen größeren Leitungsquerschnitt aufweist als primärseitig. Dies führt auf der Sekundärseite zu einem geringeren Leitungswiderstand, so daß be reits eine relativ geringe Temperaturdifferenz innerhalb des Wärmetauschers zu einer wirkungsvollen Konvektionsströmung führt. Auf der Primärseite ist ein großer Leitungsquerschnitt nicht erforderlich, da das Wärmetransport-Medium ohnehin durch die Wirkung des Kompressors zwangsweise umgewälzt wird.Around one possible To maintain effective convection, it is according to the claim 3 cheap, though the heat exchanger secondary side a larger cable cross-section has as the primary side. This leads up the secondary side to a lower line resistance, so be already a relatively small Temperature difference within the heat exchanger to an effective Convection flow leads. On the primary side is a big Cable cross section not required, since the heat transfer medium anyway is forcibly circulated by the action of the compressor.
Zur Erzielung einer feinfühligen Regelung ist es gemäß Anspruch 4 günstig, wenn die Regelvorrichtung von der Kondensationstemperatur des Wärmetransport-Mediums, vorzugsweise nach dem Wärmetauscher beeinflußt ist. Die Kondensationstemperatur ist eine materialabhängige Funktion des Drucks, so daß zur Bestimmung der Kondensationstemperatur bei bekanntem Wärmetransport-Medium lediglich der Druck des Wärmetransport-Mediums nach dem Wärmetauscher gemessen werden muß. Dieser gemessene Druck kann dann unter Verwendung der Dampfdruckkurve des Wärmetransport-Mediums in eine Kondensationstemperatur umgerechnet werden. Die Kenntnis der Kondensationstemperatur ist wichtig, da eine unvollständige Kondensation des Wärmetransport-Mediums eine unvollständige Wärmeabgabe in den Wärmetauscher und ggf. eine instabile Regelung zur Folge hätte, so daß der Energieverbrauch des Kompressors zu hoch gewählt ist. Die Einflußnahme der Kondensationstemperatur auf die Regelung verbessert daher den Wirkungsgrad der Vorrichtung.to Achieving a sensitive Regulation is it according to claim 4 low, if the control device is dependent on the condensation temperature of the heat transport medium, preferably after the heat exchanger affected is. The condensation temperature is a material-dependent function of the pressure, so that the Determination of the condensation temperature with known heat transport medium only the pressure of the heat transfer medium after the heat exchanger must be measured. This measured pressure can then be determined using the vapor pressure curve of the Heat transfer medium in a condensation temperature be converted. The knowledge of the condensation temperature is important as an incomplete Condensation of the heat transfer medium an incomplete heat release in the heat exchanger and possibly an unstable scheme would result, so that the energy consumption of Compressor too high is. The influence the condensation temperature on the control therefore improves the Efficiency of the device.
Zur Erzielung eines optimalen Wirkungsgrades ist es gemäß Anspruch 5 günstig, wenn die Regelvorrichtung die Temperatur des Wärmetransport-Mediums nach Durchströmen des Wärmetauschers auf eine Temperatur einregelt, die eine vorgegebene Temperaturspanne unter der Kondensationstemperatur des Wärmetransport-Mediums liegt. Das Wärmetransport-Medium ist in diesem Fall unterkühlt, so daß die Verdampfungswärme vollständig über den Wärmetauscher an die Boilerflüssigkeit abgegeben wurde. Steigt die Wärmeabgabe im Wärmetauscher an, so hat dies ein Absinken der Temperatur des Wärmetransport-Mediums am Ausgang des Wärmetauschers relativ zur Kondensationstemperatur zur Folge. In diesem Fall sorgt die Regelung für eine Erhöhung des Flusses durch den Kompressor. Damit kann die gesteigerte Wärmeaufnahmefähigkeit des Wärmetauschers direkt zur Erhöhung der Leistung der Vorrichtung genutzt werden. Außerdem bleibt die Regelung über den gesamten Betriebsbereich stabil.to Achieving optimum efficiency is according to claim 5 cheap, when the control device, the temperature of the heat transfer medium after flowing through the heat exchanger adjusted to a temperature that a predetermined temperature range is below the condensation temperature of the heat transfer medium. The heat transport medium is undercooled in this case, So that the Heat of vaporization completely over the heat exchangers to the boiler fluid was delivered. Increases the heat output in the heat exchanger on, this has a decrease in the temperature of the heat transfer medium at the exit of the heat exchanger relative to the condensation temperature result. In this case, take care the scheme for a increase the flow through the compressor. Thus, the increased heat absorption capacity of the heat exchanger directly to the increase the performance of the device are used. In addition, the rule remains on the entire operating range stable.
Für die Temperaturspanne hat sich gemäß Anspruch 6 ein Bereich zwischen 1K und 10K bewährt. Bei einer Temperaturspanne von unter 1K besteht die Gefahr, daß beim Auftreten von Störungen die Kondensation des Wärmetransport-Mediums nicht mehr vollständig ist, so daß Wärme ungenutzt im Kreis gepumpt wird. Außerdem können hierdurch schwer beherrschbare Regelschwingungen entstehen. Eine Wahl der Temperaturspanne von über 10K ist unzweckmäßig, da dies eine Einschränkung von zur Verfügung stehenden Wärmequellen zur Folge hätte. Je nach einsetzbarer Wärmequelle ist jedoch eine größere Temperaturspanne möglich. Vorzugsweise wird die Temperaturspanne zwischen 3K und 7K gewählt, um eine möglichst feinfühlige und effiziente Regelung zu erzielen.For the temperature range has according to claim 6 a range between 1K and 10K proven. At a temperature range of less than 1K there is a risk that the occurrence of interference Condensation of the heat transfer medium no longer Completely is so that heat is wasted in the Circle is pumped. Furthermore can As a result, difficult to control control oscillations arise. A Choice of temperature range from above 10K is inappropriate, there this is a limitation from available standing heat sources would result. Depending on the heat source that can be used but is a larger temperature range possible. Preferably, the temperature range is chosen between 3K and 7K one possible sensitive and to achieve efficient regulation.
Um die Vorrichtung in einem weiten Leistungsbereich einsetzen zu können, ist es gemäß Anspruch 7 günstig, wenn zwischen dem Wärmetauscher und der Wärmequelle mindestens ein Expansionsventil vorgesehen ist. Dieses Expansionsventil sorgt für ein Entspannen des Wärmetransport-Medium und hält damit die Druckverhältnisse des Wärmetransport-Mediums im Bereich des Wärmetauschers in etwa konstant.Around to be able to use the device in a wide power range, is it according to claim 7 cheap, if between the heat exchanger and the heat source at least one expansion valve is provided. This expansion valve ensures for a Relax the heat transport medium and stops thus the pressure conditions of the heat transfer medium in the area of the heat exchanger in about constant.
Um zu erreichen, daß die Vorrichtung unter allen Bedingungen einen optimalen Wirkungsgrad erzielt, ist es gemäß Anspruch 8 vorteilhaft, wenn das Expansionsventil mit einer vom Druck des Wärmetransport-Mediums beeinflußten Regelvorrichtung in Wirkverbindung steht. Auf diese Weise werden über einen weiten Arbeitsbereich konstante Eigenschaften des Wärmetransport-Mediums realisiert.Around to achieve that Device under all conditions optimal efficiency achieved, it is according to claim 8 advantageous when the expansion valve with a pressure from the Heat transport medium affected Regulating device is in operative connection. This way you will have one wide working range constant properties of the heat transport medium realized.
Insbesondere bei Wärmequellen mit sehr niedriger Temperatur ist es gemäß Anspruch 9 günstig, dem Wärmetauscher und mindestens einen Behälter nachzuordnen, der mit dem verdampften Wärmetransport-Medium in thermischem Kontakt steht. Damit wird das Wärmetransport-Medium zur Verbesserung der Wärmeaufnahme zusätzlich gekühlt. Außerdem erhöht sich die vom Kompressor erzielbare Endtemperatur.Especially at heat sources With very low temperature, it is favorable according to claim 9, the heat exchangers and at least one container nachordnen, with the evaporated heat transfer medium in thermal Contact stands. This is the heat transport medium to improve the heat absorption additionally cooled. Furthermore elevated itself the recoverable from the compressor end temperature.
Der Erfindungsgegenstand wird beispielhaft anhand der Zeichnung erläutert, ohne den Schutzumfang zu beschränken.Of the Subject of the invention is exemplified with reference to the drawing, without to limit the scope of protection.
Die
einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung
Der
Boiler
Der
Boiler
Zusätzlich könnten im
Boiler
Außerdem könnte je
nach Anwendungsfall der Wärmetauscher
Die
Primärseite
Nach
Verlassen des Behälters
Das
Expansionsventil
Zu
diesem Zweck wird das Wärmetransport-Medium
Nach
Verlassen des Behälters
Durch
die Ausbildung des Wärmetauschers
Zum
Betrieb der Vorrichtung
Ein
Ausgangssignal
- 11
- Vorrichtungcontraption
- 22
- Boilerboiler
- 33
- Wasserwater
- 44
- ZulaufIntake
- 55
- Ablaufprocedure
- 66
- Schichtgrenzelayer boundary
- 77
- Warmseitewarm side
- 88th
- Kaltseitecold side
- 99
- Leitungmanagement
- 1010
- Wärmetauscherheat exchangers
- 1111
- Sekundärseitesecondary side
- 1212
- Primärseiteprimary
- 1313
- Wärmeisolierungthermal insulation
- 1414
- Wärmetransport-MediumHeat transport medium
- 1515
- Leitungmanagement
- 15a15a
- Behältercontainer
- 1616
- Expansionsventilexpansion valve
- 1717
- Regelvorrichtungcontrol device
- 17a17a
- Sollwert-GeberSetpoint encoders
- 17b17b
- Differenzverstärkerdifferential amplifier
- 1818
- Druckmeßgerätpressure gauge
- 1919
- Leitungmanagement
- 2020
- Wärmetauscherheat exchangers
- 2121
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- Leitungmanagement
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- Leitungmanagement
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