DE102008027825A1

DE102008027825A1 - Verfahren und Anordnung zur Erzeugung von Wasserdampf

Info

Publication number: DE102008027825A1
Application number: DE102008027825A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Prof. Wobst; Walter Dr. Nestler; Steffen Oberländer
Original assignee: THERMEA ENERGIESYSTEME GmbH
Current assignee: THERMEA ENERGIESYSTEME GmbH
Priority date: 2008-06-11
Filing date: 2008-06-11
Publication date: 2009-12-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, das es ermöglicht, mittels Wärme auf niedrigem Temperaturniveau, z. B. aus warmen Industrieabwässern, Wasserdampf mit atmosphärischem oder höherem Druck zu erzeugen. Zur Dampferzeugung wird Wasser, an das eine Gasphase angrenzt, mit einer Wärmepumpe auf eine Temperatur von 50 bis 80°C erhitzt und gleichzeitig der Druck in der Gasphase auf Druckwerte von 0,12 bis 0,47 bar abgesenkt. Die Druckwerte werden so niedrig gewählt, dass das Wasser bei der eingestellten Prozesstemperatur siedet. Der so erzeugte Wasserdampf mit niedrigem Druck wird anschließend durch Brüdenverdichtung auf atmosphärischen oder höheren Druck verdichtet. Auf diese Weise kann Abwasser, bei gleichzeitiger Nutzung der abgegebenen Wärme zur Dampferzeugung, gekühlt werden. Mit der Anlage, die aus einer Wärmepumpe (1) und einem Brüdenverdichter (2) besteht, sind Gesamtleistungszahlen epsilon von bis zu 3 möglich.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, das es ermöglicht, mittels Wärme auf niedrigem Temperaturniveau, z. B. aus warmen Industrieabwässern, Wasserdampf mit atmosphärischem oder höherem Druck zu erzeugen. Das Verfahren eignet sich besonders für Industriebetriebe, die einerseits Wasserdampf zur Prozessführung benötigen und bei denen andererseits eine Abwasserkühlung erforderlich ist. Mit der Anlage zum Verfahren können Gesamtleistungszahlen ε von ca. 3 erreicht werden.
Technologische Prozesse in der Industrie, wie sie z. B. für die Herstellung von Nahrungsmitteln, von Papier und von Holzwerkstoffen verwendet werden, benötigen häufig den Einsatz von Wasserdampf. Auch beim Betrieb von Brauereien und Anlagen zur Biomasseverwertung werden große Mengen von Wasserdampf eingesetzt.
Allerdings fällt bei diesen Prozessen meist warmes Abwasser an, das, bevor es abgeleitet wird, auf eine umweltverträgliche Temperatur gekühlt werden muss. Üblicherweise werden hierzu Rückkühlsysteme wie Kühltürme verwendet, die das Abwasser unter Einsatz von Energie kühlen.
Aus dem Stand der Technik sind Lösungsvorschläge bekannt, die das Ziel haben, die Wärmeenergie von Industrieabwasser zu nutzen und dieses gleichzeitig durch den damit verbundenen Wärmeentzug zu kühlen.
So wird in DE 31 10 463 A1 eine Einrichtung zur Gewinnung von Wärmeenergie aus Abwärmequellen beschrieben, bei der warmes Abwasser anstatt mit Kühltürmen durch eine Wärmepumpe gekühlt wird. Das hierdurch auf der anderen Seite der Wärmepumpe erzeugte heiße Wasser (50 bis 70°C) soll zur Dampferzeugung verwendet werden. Es wird jedoch nirgendwo in der Schrift ein Hinweis gegeben, wie die Dampferzeugung realisiert werden soll.
Wärmepumpen liefern zwar heißes Wasser mit Temperaturen von bis zu 80°C, für die direkte Herstellung von Wasserdampf mit atmosphärischem oder höherem Druck, wie er häufig für technologische Prozesse benötigt wird, sind sie jedoch ungeeignet.
Bei der Dampferzeugung erfolgt zunächst eine Erwärmung des Wassers auf Siedetemperatur (Zuführung sensibler Wärme) und anschließend eine Verdampfung auf hohem Temperaturniveau (Zuführung latenter Wärme). Die latente Wärmeenergie, die den überwiegenden Anteil der gesamten Verdampfungsenergie ausmacht, müsste demnach bei Temperaturen von 100°C zugeführt werden. Herkömmliche Wärmepumpen, aber auch mit CO₂ betriebene Hochtemperaturwärmepumpen, arbeiten jedoch in diesem Temperaturbereich sehr unwirtschaftlich.
Andererseits ist eine Umstellung der Industrieanlagen von Dampf- auf Warmwasserbetrieb in vielen Fällen zwar prinzipiell möglich, jedoch mit unverhältnismäßig hohem Aufwand verbunden.
In US 4,565,161 A1 wird deshalb vorgeschlagen, Wasser in einem geschlossenen, teilweise gefüllten Tank mittels einer einstufigen Wärmepumpe, die entweder Wärme aus Abwasser oder Abluft entnimmt, zu beheizen. Der Raum im Tankinnern oberhalb des Wasserspiegels wird mit einer Zentrifugal-Turbine evakuiert, wodurch ein Unterdruck von ca. 0,8 bar entsteht, der das Wasser zum Verdampfen bringt. In der Zentrifugal-Turbine wird anschließend der Wasserdampf auf höheren Druck komprimiert.
Bei einem Prozessdruck von 0,8 bar verdampft das Wasser bei ca. 93°C. Eine auf den thermodynamischen Daten basierende Überschlagsrechnung zeigt allerdings, dass mit dem benannten Prozess nur ungenügende Leistungszahlen, nämlich ε = 1,0 – 1,4, erzielt werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere soll ein Verfahren gefunden werden, das es ermöglicht, mit hohem Wirkungsgrad unter Verwendung von Wärmepumpentechnik Wasserdampf mit atmosphärischem oder höherem Druck zu erzeugen. Gleichzeitig soll mit dem Verfahren im Zuge der Dampferzeugung das Abwasser anforderungsgerecht abgekühlt werden. Die dazu eingesetzte Anordnung soll Gesamtleistungszahlen ε von bis zu 3 erreichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 2 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen der Anordnung ergeben sich aus den Ansprüchen 3 bis 7.
Nach Maßgabe der Erfindung wird Wasser, an das eine Gasphase angrenzt, mittels einer Wärmepumpe auf eine Temperatur von 50 bis 80°C erhitzt und gleichzeitig der Druck in der Gasphase auf 0,12 bis 0,47 bar abgesenkt. Der Druck wird so niedrig gewählt, dass das Wasser bei der eingestellten Prozesstemperatur siedet. Der so erzeugte Wasserdampf mit niedrigem Druck wird anschließend durch Brüdenverdichtung auf atmosphärischen oder höheren Druck verdichtet.
Durch die Absenkung des Drucks ist es mit dem Verfahren möglich, dem Wasser die zur Verdampfung erforderliche latente Wärme bei Temperaturen von 50 bis 80°C zuzuführen. Hierzu können herkömmliche Wärmepumpen, die in diesem Temperaturbereich regelmäßig mit hohen Leistungszahlen arbeiten, eingesetzt werden. Es ist zwar anschließend erforderlich, den Dampf auf einen höheren Druck zu verdichten, die hierzu benötigte Energie beträgt aber nur einen Bruchteil der für die Zuführung der latenten Wärme erforderlichen Energie.
Es ist vorgesehen, dass die Wärmepumpe bei der Dampferzeugung warmes Industrieabwasser abkühlt. Damit können die ansonsten erforderlichen kostenintensiven Kühltürme eingespart werden.
Die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus mindestens einer ein- oder mehrstufigen Wärmepumpe und mindestens einem mehrstufigen Brüdenverdichter oder mehreren in Reihe geschalteten einstufigen Brüdenverdichtern, wobei die Wärmepumpe und der bzw. die Brüdenverdichter in Kaskade geschaltet sind.
Die Wärmepumpen werden bevorzugt mit Kältemitteln aus der Gruppe der florierten Kohlenwasserstoffe betrieben. Möglich sind aber auch natürliche Kältemittel aus der Gruppe der Kohlenwasserstoffe oder Ammoniak.
Um die Effektivität der Wärmepumpe weiter zu erhöhen, ist es vorgesehen, diese mit inneren Rekuperatoren auszustatten. Bei zwei- und mehrstufigen Wärmepumpen wird der Wirkungsgrad außerdem durch die Verwendung von Mitteldruckflaschen weiter erhöht.
Der zwei- oder mehrstufige Brüdenverdichter besitzt eine Einrichtung zur Kondensateinspritzung. Durch die Kondensateinspritzung wird eine Zwischenkühlung bewirkt, mit der die Verdichtungsendtemperatur begrenzt und die Leistungszahl des Brüdenverdichters erhöht wird.
Ein besonders wirtschaftlicher Energieumsatz wird mit Brüdenverdichtern erreicht, die mit Turboverdichtern mit großer Leistung und hohen Wirkungsgraden ausgestattet sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert; hierzu zeigt die Figur ein Anlagenschema der erfindungsgemäßen Anordnung.
Wie aus der Figur ersichtlich ist, besteht die Anordnung aus der zweistufigen Wärmepumpe 1 und dem zweistufigen Brüdenverdichter 2; beide sind in einer Kaskade kombiniert.
Beim Betrieb der Anlage nimmt die Wärmepumpe 1 mit Hilfe des Verdampfers 3 einen Wärmestrom aus der Wärmequelle auf, wodurch das Kältemittel R134a verdampft wird. Das dampfförmige Kältemittel wird dem Verdichter 5 der ersten Stufe der Wärmepumpe 1 zugeführt und zunächst auf Mitteldruckniveau verdichtet. Anschließend wird es in der Mitteldruckflasche 6 enthitzt und mit dem Verdichter 8 der zweiten Stufe auf Enddruck verdichtet.
Im als Wärmetauscher ausgeführten Dampferzeuger 9 wird auf der einen Seite das Kältemittel wieder verflüssigt und auf der anderen Seite durch die hierdurch freiwerdende Wärme Wasser bei einem Druck von 0,4 bar verdampft. Der Rückfluss des Kältemittels erfolgt über die Entspannungsventile 15; 14 der ersten und zweiten Stufe der Wärmepumpe 1. Zur Steigerung der Effizienz sind beide Stufen der Wärmepumpe 1 mit Rekuperatoren 4; 7 ausgestattet.
Der im Dampferzeuger 9 generierte Wasserdampf wird dem Brüdenverdichter 2 zugeführt und dort durch die Turboverdichter 10; 12 der ersten und zweiten Stufe auf ein nutzbares Druckniveau von 1,5 bar verdichtet. Zwischen den Turboverdichtern 10; 12 wird mittels der Einspritzdüse 11 Kondensat zugeführt, wodurch eine Enthitzung des Wasserdampfes, eine Begrenzung der Verdichtungsendtemperatur und letztendlich eine Leistungssteigerung des Brüdenverdichters 2 bewirkt wird. Der Rücklauf wird über das Rücklaufventil 13 entspannt und dem Dampferzeuger 9 zugeführt oder als Kondensat eingespritzt.
Nach thermodynamischen Berechnungen, wobei Gütegrade der Verdichter nach dem Stand der Technik angesetzt wurden, erreicht die Anordnung bei der Erzeugung von Wasserdampf mit 111°C und 1,5 bar eine Gesamtleistungszahl von ε = 2,8. Dabei werden 87% der im Dampf enthaltenen Energie von der Wärmepumpe (bei Leistungszahl 3,9) und lediglich die restlichen 13% vom Brüdenverdichter erbracht.
Für die Berechnungen wurde eine Verdampfung des Kältemittels R134a bei 20°C und 5,7 bar, ein Mitteldruck des Kältemittels von 11,9 bar, ein Verflüssigungsdruck des Kältemittels von 25 bar bei 77,6°C und eine Verdampfung des Wassers bei 0,38 bar (77,6°C) angesetzt.

1: Wärmepumpe
2: Brüdenverdichter
3: Verdampfer
4: Rekuperator (erste Stufe)
5: Verdichter (erste Stufe)
6: Mitteldruckflasche
7: Rekuperator (zweite Stufe)
8: Verdichter (zweite Stufe)
9: Dampferzeuger
10: Turboverdichter (erste Stufe)
11: Einspritzdüse
12: Turboverdichter (zweite Stufe)
13: Rücklaufventil
14: Entspannungsventil (zweite Stufe)
15: Entspannungsventil (erste Stufe)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 3110463 A1 [0005]
- US 4565161 A1 [0009]

Claims

Verfahren zur Erzeugung von Wasserdampf mittels Wämrepumpentechnik, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser, an das eine Gasphase angrenzt, durch mindestens eine ein- oder mehrstufigen Wärmepumpe die warme Industrieabwässer als Wärmequelle verwendet, auf eine Temperatur von 50 bis 80°C erhitzt wird, wobei der Druck in der Gasphase auf Druckwerte von 0,12 bis 0,47 bar abgesenkt wird, und die Druckwerte so niedrig gewählt werden, dass das Wasser bei der eingestellten Prozesstemperatur siedet, und der erzeugte Wasserdampf durch Brüdenkompression auf einen Druck von mindestens 1 bar verdichtet wird.
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bestehend aus mindestens einer ein- oder mehrstufigen Wärmepumpe (1) und mindestens einem mehrstufigen Brüdenverdichter (2) oder mehreren in Reihe geschaltete einstufigen Brüdenverdichtern (2), wobei die Wärmepumpe (1) und der bzw. die Brüdenverdichter (2) in einer Kaskade kombiniert sind.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Kältemittel der Wärmepumpe ein Kältemittel aus der Gruppe der fluorierten Kohlenwasserstoffe verwendet ist.
Anordnung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe (1) mit inneren Rekuperatoren (4, 7) ausgestattet ist.
Anordnung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe (1) mehrstufig und mit mindestens einer Mitteldruckflasche (6) ausgerüstet ist.
Anordnung nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Brüdenverdichter (2) mehrstufig ist und mindestens eine Einspritzdüse (11) zur Kondensateinspritzung besitzt.
Anordnung nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Brüdenverdichter (2) mit Turboverdichtern (10, 12) mit großen Leistungen und hohen Wirkungsgraden ausgestattet ist.