DE102010004187A1

DE102010004187A1 - Wärmepumpe für hohe Vor- und Rücklauftemperaturen

Info

Publication number: DE102010004187A1
Application number: DE102010004187A
Authority: DE
Inventors: Walter Dr. Nestler; Steffen Oberländer
Original assignee: THERMEA ENERGIESYSTEME GmbH
Current assignee: Engie Refrigeration GmbH
Priority date: 2009-12-02
Filing date: 2010-01-08
Publication date: 2011-06-09
Anticipated expiration: 2030-01-09
Also published as: DE102010004187B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine transkritische, vorzugsweise mit CO₂ betriebene Wärmepumpe zur Erzeugung von Heizwärme, mit der bei hohen Leistungszahlen hohe Temperaturen erreichbar sind, wie sie z. B. für Fernwärmenetze benötigt werden. Die Wärmepumpe umfasst mindestens zwei Gaskühler (1, 2), einen Verdichter mit mindestens zwei Stufen (3, 4), einen Verdampfer (5), ein Expansionsventil (6) und einen inneren Rekuperator (7). Die Hochdruckseite des Rekuperators (7) ist zwischen den Arbeitsstoffausgang des letzten Gaskühlers und den Eingang (6.1) des Expansionsventils (6) und die Niederdruckseite des Rekuperators (7) ist zwischen den Arbeitsstoffausgang (5.2) des Verdampfers (5) und den Eingang (3.1) der ersten Verdichterstufe (3) geschaltet. Der Ausgang (3.2) der ersten Verdichterstufe (3) ist mit dem Arbeitsstoffeingang (1.1) des ersten Gaskühlers (1) verbunden. Des Weiteren ist zwischen den Arbeitsstoffausgang (1.2) des ersten Gaskühlers (1) und den Arbeitsstoffeingang (2.1) des zweiten Gaskühlers (2) die zweite Stufe (4) des Verdichters geschaltet.

Description

Die Erfindung betrifft eine transkritische Wärmepumpe mit vorzugsweise natürlichem Arbeitsstoff, z. B. Kohlendioxid (CO₂), zur Erzeugung von Heizwärme, deren Temperatur auf einem für Fernwärmenetze geeigneten hohen Niveau liegt und gleichzeitig ein bestmögliches Verhältnis von Nutzen (Heizwärme) zu Aufwand (Antriebsenergie) erzielt.
Transkritische Wärmepumpen mit dem Arbeitsstoff CO₂ sind bekannt, beispielsweise aus DE 10 2006 007 119 A1 , und werden eingesetzt, um ein Medium von einer niedrigen Eintrittstemperatur (10°C bis 40°C) auf eine hohe Austrittstemperatur (von 60°C bis weit über 100°C) zu erwärmen. Da sie auf der Hochdruckseite mit einem überkritischen Gaszustand arbeiten, passt sich der Temperaturverlauf des Arbeitstoffes CO₂ dem Temperaturverlauf des Wärmeträgers (Wasser oder Luft) an, wodurch prinzipiell hohe Leistungszahlen ermöglicht werden. Durch Anordnung von mehreren gasseitig in Reihe geschalteten Gaskühlern, die alle auf gleichem Hochdruckniveau arbeiten, können unterschiedliche Nutztemperaturniveaus realisiert werden (Rieberer, R., Stene, J., Nekså, P.: CO2-Wärmepumpen-Grundlagen, Status und Ausblick. KI Luft- und Kältetechnik, 11/2006).
Die Wärmepumpen mit einem solchen sogenannten Temperaturglide in den Gaskühlern sind für die oben genannten Einsatzbedingungen den unterkritisch arbeitenden konventionellen Wärmepumpen mit einer konstanten Kondensationstemperatur hinsichtlich des Verhältnisses Nutzen zu Aufwand (Leistungszahl) deutlich überlegen.
Dieser Vorteil verringert sich jedoch mit steigenden Eintrittstemperaturen des zu erwärmenden Mediums; bei Rücklauftemperaturen von 50 bis 60°C, wie sie in heute üblichen Fernwärmenetzen anzutreffen sind, besteht schließlich kein Vorteil mehr.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Wärmepumpe zu finden, die hohe Leistungszahlen erbringt, selbst wenn die Eingangstemperaturen von flüssigen Medien 50°C bzw. die Eingangstemperaturen von gasförmigen Medien 40°C übersteigen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen und Verwendungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 7.
Ausgegangen wird von einer transkritischen Wärmepumpe, die mindestens zwei Gaskühler, einen mindestens zweistufig arbeitenden Verdichter, einen Verdampfer, ein Expansionsventil und einen inneren Rekuperator umfasst.
Nach Maßgabe der Erfindung entsprechen sich die Anzahl der Gaskühler (Gaskühler für Ergänzungsstufen, wie z. B. für die Wärme-Kälte-Kopplung, werden nicht dazu gerechnet) und die Anzahl der Verdichterstufen, wobei die Hochdruckseite des Rekuperators zwischen den Arbeitsstoffausgang des letzten Gaskühlers und den Eingang des Expansionsventils sowie die Niederdruckseite des Rekuperators zwischen den Ausgang des Verdampfers und den Eingang der ersten Verdichterstufe geschaltet ist. Der Ausgang der ersten Verdichterstufe ist mit dem Arbeitsstoffeingang des ersten Gaskühlers verbunden. Durch diese Verschaltung erfolgt eine innere Rekuperation vor der ersten Verdichterstufe, die Verdichtungstemperatur in der ersten Verdichterstufe wird erhöht und im ersten Gaskühler, der hinter der ersten Verdichterstufe angeordnet ist, wird eine so hohe Nutztemperatur erreicht, dass insbesondere eine Einspeisung in Fernwärmenetze mit den dort regelmäßig auftretenden hohen Vorlauftemperaturen möglich ist.
Des Weiteren ist zwischen den Arbeitsstoffausgang des ersten Gaskühlers und den Arbeitsstoffeingang des zweiten Gaskühlers die zweite Stufe des Verdichters geschaltet. Die Wärmepumpe wird bevorzugt zweistufig ausgeführt, da weitere Stufen einen höheren apparativen Aufwand erfordern, hierdurch aber nur eine geringe Steigerung der Leistungszahl erreicht wird. Bei der zweistufigen Ausführung ist die zweite Stufe gleichzeitig die letzte, d. h. der Arbeitsstoffausgang des zweiten Gaskühlers ist mit der Hochdruckseite des Rekuperators verbunden. Beim Betrieb weist der erste Gaskühler ein niedrigeres Druckniveau als der zweite auf.
Falls mehr als zwei Gaskühler eingesetzt werden, ist jeweils die nachfolgende Verdichterstufe zwischen den Arbeitsstoffausgang des vorhergehenden Gaskühlers und den Arbeitsstoffeingang des nachfolgenden Gaskühlers geschaltet (d. h. bei einer dreistufigen Ausführung wird die dritte Verdichterstufe zwischen den zweiten und dritten Gaskühler, bei einer vierstufigen Ausführung die vierte Verdichterstufe zwischen den dritten und vierten Gaskühler geschaltet, usw.). Mit dieser Verschaltung wird erreicht, dass jeder der Gaskühler auf einem unterschiedlichen, mit der Anzahl der vorgeschalteten Verdichterstufen steigenden Druckniveau betrieben wird.
Der Vorteil der Erfindung besteht im Erreichen höherer Leistungszahlen, insbesondere bei hohen (größer 50°C bei flüssigen, größer 40°C bei gasförmigen Medien) Eingangstemperaturen der Medien, sowohl gegenüber dem bekannten transkritischen Prozess mit einem (einheitlichen) Druckniveau in den Gaskühlern als auch gegenüber den konventionellen unterkritischen Prozessen mit konstanter Kondensationstemperatur.
Die erfindungsgemäße Wärmepumpe kann vorteilhaft auch bei der Wärme-Kälte-Kopplung verwendet werden, um gleichzeitig Wärme- und Kälteleistung bereit zu stellen. In diesem Fall wird erfindungsgemäß ein zusätzlicher Gaskühler nach dem inneren Rekuperator und vor der Expansionsmaschine und dem Expansionsventil angeordnet. Der Gaskühler kühlt das Arbeitsgas weiter ab, erhöht damit den flüssigen Anteil des Arbeitsmittels am Verdampfereintritt, wodurch die Kälteleistung gesteigert wird, ohne dass sich die erforderliche Antriebsleistung erhöht. Die im zusätzlichen Gaskühler aufgenommene Wärme wird an die Umgebung abgeführt, falls keine Verwendung dieser niedrig temperierten Wärme, z. B. für die Trinkwasservorwärmung, möglich ist. In der Expansionsmaschine, die sich an den zusätzlichen Gaskühler anschließt, wird außerdem mechanische Arbeit erzeugt. Hierdurch erhöht sich die Leistungszahl der Wärmepumpe.
Die Wärmepumpe wird vorteilhaft mit Turbomaschinen realisiert, wobei jedoch auch ein Einsatz von anderen Verdichterbauarten prinzipiell möglich ist.
Dem Wesen der Erfindung folgend ist die Wärmepumpe nicht nur für die Erwärmung von Wasser, sondern auch für die Erwärmung von Gasen, z. B. Luft für Trocknungsprozesse, geeignet, sofern Gaskühlereintrittstemperaturen von mehr als 40°C auftreten.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert; hierzu zeigen:
1: ein Schaltschema einer zweistufigen transkritischen Wärmepumpe mit einer Expansionsmaschine,
2: das zugehörige Temperatur-Entropie-Schaubild.
Wie aus 1 ersichtlich, besteht die zweistufige Wärmepumpe aus dem ersten 1 und dem zweiten Gaskühler 2, der ersten 3 und der zweiten Verdichterstufe 4, dem Verdampfer 5, dem Expansionsventil 6 und dem inneren Rekuperator 7. Mittels des Ein- 7.1 und Ausgangs 7.2 der Hochdruckseite ist der Rekuperators 7 zwischen den Arbeitsstoffausgang 2.2 des zweiten Gaskühlers 2 und den Eingang 6.1 (hier allerdings indirekt über den zusätzlichen Gaskühler 8 und die Expansionsmaschine 9) und des Expansionsventils 6 und über den Ein- 7.3 und Ausgang 7.4 seiner Niederdruckseite ist der Rekuperator 7 zwischen den Arbeitsstoffausgang 5.2 des Verdampfers 5 und den Eingang 3.1 der ersten Verdichterstufe 3 geschaltet. Der Ausgang 3.2 der ersten Verdichterstufe 3 ist mit dem Arbeitsstoffeingang 1.1 des ersten Gaskühlers 1 verbunden. Auf diese Weise kann bereits durch die erste Verdichterstufe 3 eine hohe Nutztemperatur für den ersten Gaskühler 1 bereitgestellt werden. Schließlich ist zwischen den Arbeitsstoffausgang 1.2 des ersten Gaskühlers 1 und den Arbeitsstoffeingang 2.1 des zweiten Gaskühlers 2 die zweite Verdichterstufe 4 geschaltet, wodurch der Gaskühler 2 auf einem höherem Druckniveau betrieben wird als der Gaskühler 1.
Zur Steigerung der Leistungszahl ist außerdem zwischen den Ausgang 7.2 der Hochdruckseite des Rekuperators 7 und den Eingang 6.1 des Expansionsventils 6 eine serielle Schaltung aus einem zusätzlichem Gaskühler 8 und einer Expansionsmaschine 9 geschaltet.
Beim Betrieb der Wärmepumpe beträgt die Verdampfungstemperatur t₀ des Arbeitsstoffes CO₂ im Punkt P0, der im Verdampfer 5 liegt, ca. 4°C. Dieser Wert ermöglicht eine Kaltwasseraustrittstemperatur von 6°C. Das weitgehend flüssige CO₂ wird bei einem Druck von 38,7 bar durch Wärmeaufnahme im Verdampfer 5 verdampft und leicht überhitzt auf t₆ = 9°C (Punkt P6) und von der ersten Verdichterstufe 3 über den inneren Rekuperator 7 angesaugt. Im Rekuperator 7 findet eine innere Wärmeübertragung von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite statt, um die Temperatur vor der ersten Verdichterstufe 3 möglichst hoch zu gestalten, damit eine ausreichend hohe Verdichtungsendtemperatur nach der ersten Verdichterstufe 3 für die Nutzwärmeabgabe erreicht wird. Im vorliegenden Beispiel beträgt die Temperatur vor dem ersten Verdichter 3 im Punkt P1.1 t_1.1 = 53,5°C. In der ersten Verdichterstufe 3 erhöht sich der Druck auf p_1.2 = 71,0 bar und die Temperatur steigt auf t_1.2 = 116,2°C im Punkt P1.2.
Dieses verdichtete, heiße Gas wird anschließend im ersten Gaskühler 1 bei annähernd gleichem Druck abgekühlt und hat im Punkt P2.1 eine Temperatur von t_2.1 = 53,2°C. Kühlmedium ist z. B. Fernwärmewasser, das im Gegenstrom zum Gas geführt wird. Das Wasser wird um 40 K erwärmt; beispielsweise von 50°C auf 90°C. Die unterbrochen gezeichneten Kurven in 2. stellen den Wassertemperaturverlauf dar. Die zweite Verdichterstufe 2 saugt das CO₂-Gas mit den Zustandswerten p_2.1 = 70,9 bar und t_2.1 = 53,2°C an und verdichtet es auf p_2.2 = 130,0 bar im Punkt P2.2. Die Verdichtungsendtemperatur beträgt t_2.2 = 110,8°C. Das Gas gelangt so in den zweiten Gaskühler 2 und wird durch Fernwärmewasser auf die Temperatur t₃ = 53,9°C im Punkt P3 abgekühlt. Das Wasser erwärmt sich auch hier von 50°C auf 90°C und steht ebenfalls zur Nutzung im Fernwärmenetz zur Verfügung.
Vom Punkt P3 nach Punkt P4 erfolgt die innere Wärmeübertragung im Rekuperator 7. Die Temperatur des CO₂-Gases sinkt somit auf t₄ = 36,9°C im Punkt P4. Diese abgegebene Wärme wird dem Prozess zwischen den Punkten P6 und P1.1 wieder zugeführt. Für den Fall der Wärme-Kälte-Kopplung schließt sich nach dem Punkt P4 der zusätzliche Gaskühler 8 an, der das Gas weiter bis auf t_4.1 = 15,5°C im Punkt P4.1 abkühlt und dabei Kühlwasser von 12°C auf 30°C erwärmt.
Von Punkt P4.1 nach Punkt P5T wird das Gas in der Expansionsmaschine 9 im Punkt P5T auf p_5T = 46,5 bar und t_5T = 8,8°C bis kurz oberhalb des Zweiphasengebietes entspannt, um einen Teil der technischen Arbeit zurück zu gewinnen, ohne dass jedoch Flüssigkeitstropfen entstehen. Diese würden zur Erosion des Turbinenlaufrades führen. Von P5T nach P5 wird das Gas auf den Druck p₅ = 38,9 bar und die Temperatur t₅ = 4,2°C gedrosselt; im dargestellten Beispiel mit dem Expansionsventil 6, das gleichzeitig die Überhitzungsregelung für den Verdampfer 5 übernimmt.
Es ist aber auch möglich, auf die Expansionsmaschine 9 zu verzichten und von Punkt P4.1 nach Punkt P5 zu drosseln. Für den Fall der alleinigen Nutzung der warmen Seite entfällt der zusätzliche Gaskühler 8 und die Entspannung erfolgt von Punkt P4 nach Punkt P5.
Von Punkt P5 nach Punkt P6 finden die Verdampfung des flüssigen CO₂ und eine geringe Überhitzung statt. Die dafür erforderliche Wärme wird einem Kaltwasserkreislauf im Falle der Wärme-Kälte-Kopplung oder der Umwelt oder einer Abwärmequelle entnommen.
Bezugszeichenliste

1: erster Gaskühler
1.1: Arbeitsstoffeingang des ersten Gaskühlers
1.2: Arbeitsstoffausgang des ersten Gaskühlers
2: zweiter Gaskühler
2.1: Arbeitsstoffeingang des zweiten Gaskühlers
2.2: Arbeitsstoffeingang des zweiten Gaskühlers
3: erste Verdichterstufe
3.1: Eingang der ersten Verdichterstufe
3.2: Ausgang der ersten Verdichterstufe
4: zweite Verdichterstufe
5: Verdampfer
5.2: Arbeitsstoffausgang des Verdampfers
6: Expansionsventil
6.1: Eingang des Expansionsventils
7: innerer Rekuperator
7.1: Arbeitsstoffeingang der Hochdruckseite des Rekuperators
7.2: Arbeitsstoffausgang der Hochdruckseite des Rekuperators
7.3: Arbeitsstoffeingang der Niederdruckseite des Rekuperators
7.4: Arbeitsstoffausgang der Niederdruckseite des Rekuperators
8: zusätzlicher Gaskühler
9: Expansionsmaschine
P0: Punkt 0
P1.1: Punkt 1.1
P1.2: Punkt 1.2
P2.1: Punkt 2.1
P2.2: Punkt 2.2
P3: Punkt 3
P4: Punkt 4
P4.1: Punkt 4.1
P5: Punkt 5
P5T: Punkt 5T
P6: Punkt 6

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006007119 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Rieberer, R., Stene, J., Nekså, P.: CO2-Wärmepumpen-Grundlagen, Status und Ausblick. KI Luft- und Kältetechnik, 11/2006 [0002]

Claims

Wärmepumpe, die nach einem transkritischen Prozess betrieben wird, mit mindestens zwei Gaskühlern (1, 2), einem Verdichter mit mindestens zwei Stufen (3, 4), einem Verdampfer (5), einem Expansionsventil (6) und einem inneren Rekuperator (7), dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Gaskühler der Anzahl der Verdichterstufen entspricht, die Hochdruckseite des Rekuperators (7) zwischen den Arbeitsstoffausgang des letzten Gaskühlers und den Eingang (6.1) des Expansionsventils (6) und die Niederdruckseite des Rekuperators (7) zwischen den Arbeitsstoffausgang (5.2) des Verdampfers (5) und den Eingang (3.1) der ersten Verdichterstufe (3) geschaltet ist, und der Ausgang (3.2) der ersten Verdichterstufe (3) mit dem Arbeitsstoffeingang (1.1) des ersten Gaskühlers (1) verbunden ist, wodurch bereits durch die erste Verdichterstufe (3) eine hohe Nutztemperatur für den ersten Gaskühler (1) bereitgestellt wird, und zwischen den Arbeitsstoffausgang (1.2) des ersten Gaskühlers (1) und den Arbeitsstoffeingang (2.1) des zweiten Gaskühlers (2) die zweite Stufe des Verdichters (4) geschaltet ist, wobei beim Einsatz von mehr als zwei Gaskühlern jeweils die nachfolgende Verdichterstufe zwischen den Arbeitsstoffausgang des vorhergehenden Gaskühlers und den Arbeitsstoffeigang des nachfolgenden Gaskühlers geschaltet ist, wodurch jeder der Gaskühler auf einem unterschiedlichen, mit der Anzahl der vorgeschalteten Verdichterstufen steigenden Druckniveau betrieben wird.
Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei Gaskühler (1, 2) und einen Verdichter mit zwei Stufen (3, 4) umfasst, wobei die Hochdruckseite des Rekuperators (7) zwischen den Arbeitsstoffausgang (2.2) des zweiten Gaskühlers (2) und den Eingang (6.1) des Expansionsventils (6) geschaltet ist.
Wärmepumpe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Ausgang (7.2) der Hochdruckseite des Rekuperators (7) und den Eingang (6.1) des Expansionsventils (6) eine serielle Schaltung aus einem zusätzlichem Gaskühler (8) und einer Expansionsmaschine (9) geschaltet ist.
Wärmepumpe nach Anspruch 1 bis 3, dadurch die kennzeichnet, dass als Arbeitsstoff CO₂ verwendet ist.
Wärmepumpe nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Turbomaschinen als Verdichter verwendet sind.
Verwendung der Wärmepumpe nach Anspruch 1 in einem Fernwärmenetz, in dem Rücklauftemperaturen größer 50°C auftreten.
Verwendung der Wärmepumpe nach Anspruch 1 zur Erwärmung von Luft für Trocknungsprozesse, wobei Eintrittstemperaturen der Luft und von größer 40°C auftreten.