DE102006056979B4 - Apparatus for heat recovery - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung (1) zur Wärmegewinnung, wobei die Vorrichtung (1) mindestens einen Boiler (2) aufweist, der eine temperaturgeschichtete Flüssigkeit enthält, wobei der Boiler (2) eine unten liegende Kaltseite (8) und eine oben liegende Warmseite (7) aufweist, wobei zur Erwärmung der Flüssigkeit im Boiler (2) ein Wärmetauscher (10) mit einer Primärseite (12) und einer Sekundärseite (11) vorgesehen ist, wobei die Sekundärseite (11) einerseits mit der Kaltseite (8) des Boilers (2) und andererseits mit der Warmseite (7) des Boilers (2) verbunden ist und mit dem Boiler (2) einen in sich geschlossenen, ausschließlich durch vom Wärmeeintrag im Wärmetauscher (10) ausgehender Konvektion angetriebenen Kreislauf bildet, wobei die Primärseite (12) des Wärmetauschers (10) von einem unter Wärmeabgabe kondensierenden Wärmetransport-Medium (14) durchströmt ist, welches Wärme aus einer Wärmequelle (21) mit geringerer Temperatur als die Warmseite (7) des Boilers (2) entnimmt und dabei verdampft, wobei der Wärmequelle (21) mindestens ein Kompressor (23) nachgeordnet ist, der das Wärmetransport-Medium (14) auf eine Temperatur bringt, die über der der Warmseite (7) des Boilers (2) liegt, wobei die Durchflußrate des Kompressors (23) von einer Regelvorrichtung (29) beeinflußt ist, welche von der Temperatur des Wärmetransport-Mediums (14) zwischen dem Ausgang des Kompressors (23) und einer Ausgangsleitung (15) des Wärmetauschers (10) und/oder der Flüssigkeit des Wärmetauschers (10) und/oder Boilers (2) beeinflußt ist, wobei die Regelvorrichtung (29) von der Kondensationstemperatur des Wärmetransport-Mediums (14) beeinflusst ist. Apparatus (1) for heat recovery, the apparatus (1) comprising at least one boiler (2) containing a temperature-layered liquid, the boiler (2) having a cold side (8) at the bottom and a hot side (7) at the top, wherein for heating the liquid in the boiler (2) a heat exchanger (10) having a primary side (12) and a secondary side (11) is provided, wherein the secondary side (11) on the one hand with the cold side (8) of the boiler (2) and on the other is connected to the hot side (7) of the boiler (2) and with the boiler (2) forms a closed, driven exclusively by the heat input in the heat exchanger (10) outgoing convection circuit, wherein the primary side (12) of the heat exchanger (10 ) is flowed through by a heat transfer condensing heat transfer medium (14), which removes heat from a heat source (21) with a lower temperature than the hot side (7) of the boiler (2) and thereby verd in which the heat source (21) is followed by at least one compressor (23) which brings the heat transfer medium (14) to a temperature higher than that of the hot side (7) of the boiler (2), the flow rate of the compressor (23) is influenced by a regulating device (29) which is dependent on the temperature of the heat transfer medium (14) between the outlet of the compressor (23) and an outlet line (15) of the heat exchanger (10) and / or the heat exchanger ( 10) and / or boiler (2) is influenced, wherein the control device (29) is influenced by the condensation temperature of the heat transfer medium (14).
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmegewinnung gemäß Patentanspruch 1.The invention relates to a device for heat recovery according to
Aus der
Aus der
Aus der
Die
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.The invention has for its object to provide a device for heat recovery of the type mentioned, which is characterized by a high efficiency and wide usability of available heat sources.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved with the features of
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 Wärmetauscher 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. Die Regelvorrichtung ist von der Kondensationstemperatur des Wärmetransport-Mediums beeinflußt. 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
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 Boilerflüssigkeit 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 achieve universal applicability of the heat recovery device, it is important to be able to use also heat sources whose temperature is lower than the hot side of the boiler. For this purpose, a heat transfer medium is used, which is evaporated by the heat source. Subsequently, the heat transport medium is compressed by a compressor, which brings the heat transfer medium including the heat contained therein to a higher temperature. The heat transport medium is then passed through the primary side of the heat exchanger where it heats the boiler fluid. At the same time, the heat transfer medium condenses, the heat of vaporization for the heat exchanger being released to the boiler fluid. The liquid heat transfer medium is then fed back to the heat source, where it can absorb heat again. In this way, heat is transported from the low temperature heat source to the higher temperature heat exchanger. However, it has been found that the operation of such a heat pump along with a convection-based heat exchanger is quite problematic.
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 contrast to the use of industrial waste heat, heat pump operation requires high system efficiency because of the associated energy consumption. If the heat input of the heat pump into the heat exchanger is too low, the convection in the boiler circuit does not start. On the other hand, if the heat input is too high, the compressor consumes a lot of energy without the heating of the liquid in the boiler being noticeably increased.
Zur Lösung dieses Problems wird ein Kompressor eingesetzt, dessen Durchflußrate von einer Regelvorrichtung beeinflußt ist. Diese Regelvorrichtung ist dabei von der Temperatur des Wärmetransport-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 influenced by the temperature of the heat transfer 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. 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 the lowest possible heat loss, it is advantageous according to
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 bereits 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.In order to maintain the most effective convection, it is favorable according to
Zur Erzielung einer feinfühligen Regelung ist es gemäß Anspruch 4 günstig, wenn die Regelvorrichtung von der Kondensationstemperatur des Wärmetransport-Mediums 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 achieve a sensitive control, it is advantageous according to
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 achieve optimal efficiency, it is favorable according to
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, a range between 1K and 10K has been proven according to
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.In order to use the device in a wide power range, it is advantageous according to
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.In order to achieve that the device achieves optimum efficiency under all conditions, it is advantageous according to
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.In particular, in heat sources with very low temperature, it is advantageous according to
Der Erfindungsgegenstand wird beispielhaft anhand der Zeichnung erläutert, ohne den Schutzumfang zu beschränken.The subject invention is exemplified with reference to the drawing, without limiting the scope.
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
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Vorrichtungdevice
- 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
- Ausgangsleitungoutput line
- 15a15a
- Behältercontainer
- 1616
- Expansionsventilexpansion valve
- 1717
- Regelvorrichtungcontrol device
- 17a17a
- Sollwert-GeberSetpoint encoders
- 17b17b
- Differenzverstärkerdifferential amplifier
- 1818
- Druckmeßgerätpressure gauge
- 1919
- Leitungmanagement
- 2020
- Wärmetauscherheat exchangers
- 2121
- Wärmequelleheat source
- 2222
- Leitungmanagement
- 2323
- Kompressorcompressor
- 2424
- Leitungmanagement
- 2525
- Temperaturfühlertemperature sensor
- 2626
- Rechenschaltungcomputing circuit
- 2727
- Differenzverstärkerdifferential amplifier
- 27a27a
- Sollwert-GeberSetpoint encoders
- 2828
- Ausgangssignaloutput
- 2929
- Regelvorrichtungcontrol device
- 3030
- Frequenzumrichterfrequency converter
Claims (9)
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