DE102010007033A1 - Parallelschaltung von Wärmepumpen im Gegenstrom zur Ausnutzung minimaler Temperaturgefälle zwischen den einzelnen Wärmepumpen - Google Patents

Abstract

Offenbart wird eine Wärmepumpe, enthaltend rekuperativ angeordnete Wärmeübertrager, zwischen denen Wärmepumpen, basierend auf mindestens 2 Peltier-Elementen, deren Wärmetransportrichtung jeweils orthogonal zur Richtung des Temperaturgradienten der Rekuperatoren angeordnet ist.

Description

• Bezeichnung der Erfindung
• Parallelschaltung von Wärmepumpen im Gegenstrom zur Ausnutzung minimaler Temperaturgefälle zwischen den einzelnen Wärmepumpen.
• Einleitung
• 1. Stand der Technik
• Der Einsatz von Wärmepumpen ist Stand der Technik. Wärmepumpen transportieren Wärme aus einem Wärmereservoir in ein anderes, wobei die Fließrichtung der Wärme gegen die natürliche Wärmeleitung erzwungen wird.
• Wärmepumpen werden oft zum Heizen eingesetzt mit dem Ziel, das Verhältnis zwischen ”gepumpter” Wärme und der zur Erzwingung dieses Vorganges notwendigen mechanischen Arbeit (z. B. links laufender Carnot-Prozess) oder elektrischer Energie (Peltier-Elemente) oder in Sonderfällen auch anderer Energieformen (z. B. chemische Energie) zu Gunsten der gepumpten Wärme zu optimieren.
• So kann eine Heizung im Jahresdurchschnitt nach dem Stand der Technik unter Aufwendung von weniger als 1/4 der in dem Prozess nutzbaren Gesamtenergie in der Form von Elektroenergie auskommen.
• Durch den höheren Bezugspreis der Elektroenergie gegenüber Wärmeenergie (bzw. dem chemischen Äquivalent Heizwert aus Heizöl) und dem ggf. höheren Investitionsaufwand im Vergleich zu konventionellen Heizungen wird nach wie vor in vielen Fällen auf konventionelle Heizungssysteme zurückgegriffen.
• 2. Nachteile des Standes der Technik
• Das Verhältnis zwischen der aufzuwendenden Arbeit und der gepumpten Wärme ist neben anderen Faktoren von der Temperaturdifferenz vom Quellreservoir und Zielreservoir abhängig.
• Das Verhältnis wird umso ungünstiger je größer diese Temperaturdifferenz ist. Dabei nimmt der Wirkungsgrad nicht linear ab sondern es besteht (insbesondere im Fall Peltier-Element) ein Zusammenhang mit zunehmendem Anstieg.
• Durch die Kaskadierung von Wärmepumpen können die einzelnen Kaskaden mit besserem Wirkungsgrad betrieben werden als eine einzelne Wärmepumpe, jedoch muss dann jeweils auch die aufgewendete Arbeit in die nächsten Stufen mit transportiert werden. Somit lässt sich durch die Kaskadierung der Wirkungsgrad der Wärmepumpen nicht oder nur unwesentlich steigern.
• 3. Aufgabe der Erfindung
• Die Erfindung betrifft ein Wärmepumpensystem, welches Wärme aus einem Reservoir mit niederem Temperaturniveau in ein Reservoir mit höherem Temperaturniveau unter Nutzung von physikalischer und oder Latentwärme transportiert.
• Dabei werden Temperaturprofile so angeordnet, dass bei einer Vielzahl von einzelnen Wärmepumpen minimale Temperaturgefälle zwischen den einzelnen Wärmepumpen bestehen.
• Das Ziel der Anordnung besteht darin, mit einem minimalen Aufwand an zugeführter Arbeit (z. B. mechanische oder elektrische Energie) einen hohen Ertrag an Wärmepumpenleistung zu erzielen (COP bzw. Arbeitszahl).
• 4. Lösung der Aufgabe
• Dieses Verfahren ist insbesondere dort dem Stand der Technik überlegen, wo Latentwärme aus Mehrstoffsystemen (z. B. Wasserdampf als Luftfeuchte in Luft oder auch Dampf in einem Schleppdampf oder Schleppgas beim Strippen) durch stufenweise Kondensation freigesetzt werden kann.
• Weiterhin ist das Verfahren dem Stand der Technik dort überlegen, wo Wärmerückgewinnungssysteme eingesetzt werden können.
• Wichtig ist dabei, dass ein Temperaturgefälle gegeben ist (z. B. bei Wärmerückgewinnung Temperatur Frischluft – Temperatur Raumluft) oder ein solches geschaffen wird (z. B. Entfeuchtung, Trocknung, Klimatisierung).
• Dieses Temperaturgefälle muss durch Gegenstrom-Wärmetauschprozesse in Verbindung mit der Parallelschaltung von Wärmepumpen so gestaltet werden, damit es sich im Prinzip um einen Rekuperator handelt, bei welchem die Fließrichtung der Wärme durch die Wärmepumpen erzwungen wird.
• 5. Vorteil der Erfindung
• Die Erfindung ermöglicht es, durch die Parallelschaltung der Wärmepumpen und der Führung der Reservoirs im Gegenstrom die einzelnen Wärmepumpen mit minimalsten Temperaturdifferenzen zu betreiben.
• Da der Grenzwert der Arbeitszahl für die Temperaturdifferenzen gegen 0 unendlich ist, wird der theoretische Wirkungsgrad mit zunehmender Anzahl der parallel angeordneten Wärmepumpen immer größer.
• So wird der Wirkungsgrad für eine große Anzahl von Wärmepumpen praktisch nur noch von anderen Einflüssen wie z. B. dem minimalen Temperaturgradienten der Wärmetauscherfläche bzw. der zur Verfügung stehenden Oberfläche begrenzt.
• So kann der Einsatz von Wärmerückgewinnungssystemen oder Entfeuchtungssystemen aufgrund der höheren Effizienz bestehende Markteintrittsbarrieren überwinden.
• Beschreibung der Erfindung
• Beispiele zum Vergleich Stand der Technik und Neuheit
• Ausführungsbeispiel zu Fig. 1
• Stand der Technik
• Wärmepumpenprozess einstufig oder Reihenschaltung mehrerer Wärmepumpen
• Ausführungsbeispiel zu Fig. 2
• Neuheit: Parallelschaltung von Wärmepumpen im Gegenstrom
• n Wärmepumpen in Parallelschaltung
• Ausführungsbeispiel zu Fig. 3
• Stand der Technik: Einzelne Wärmepumpe Prinzip Skizze
• Ausführungsbeispiel zu Fig. 4
• Stand der Technik: Kaskadierung von Wärmepumpen (z. B. Sandwich-Peltier-Elemente)
• Ausführungsbeispiel zu Fig. 5
• Zusammenhang Temperaturdifferenz und Arbeitszahl/COP einer Wärmepumpe
• Ausführungsbeispiel zu Fig. 6
• Wärmerückgewinnungssystem mit parallel angeordneten Wärmetauschern
• Ausführungsbeispiel zu Fig. 7
• Die Erfindung gewährleistet durch eine gegenüberliegende, parallele Anordnung von Wärmepumpen eine geringere Temperaturdifferenz und damit einen höheren Wirkungsgrad.
• Ausführungsbeispiel zu Fig. 8
• Die Wärmefreisetzung der Latentwärme wurde hier vereinfacht linear dargestellt, in der Praxis beginnt sie am Taupunkt und verläuft dann entlang der Sättigungslinie.
• Ausführungsbeispiel zu Fig. 9
• Weiterhin gelingt es die Temperaturdifferenz an den Wärmepumpen durch den Einsatz von z. B. Umluft noch weiter zu senken, da auf der warmen Seite die zu transportierende Energiemenge auf eine größere Masse an die Luft verteilt wird.
• Ausführungsbeispiel zu Fig. 10
• Das folgende Beispiel von Latentwärme aus Wasserdampf in Luft (am Spezialfall Entfeuchtung) soll das Vorgehen veranschaulichen.
• Wir gehen von einer bestimmten Masse Luft einer festgelegten Anfangstemperatur und einem entsprechenden Feuchtegehalt aus.
• Unter der Voraussetzung, dass diese Feuchte durch Absenkung der Temperatur auskondensiert werden soll und die Latentwärme im Anschluss als fühlbare Wärme in Form einer Temperaturerhöhung an die ”getrocknete” Luft übergeben wird.
• Der Grad der Entfeuchtung wird dadurch bestimmt, wie weit die Luft abgekühlt wird. Die Sättigungsfeuchte bei der tiefsten Temperatur bestimmt also den absoluten Restfeuchtegehalt.

T₁

= Temperatur der Luft vor der Entfeuchtung

T₂

= tiefste Temperatur bei der Entfeuchtung

T₃

= Temperatur der Luft nach der Entfeuchtung

Q₁

= Wärmemenge der Luft (einschl. Wasser) vor der Entfeuchtung

Q₂

= Wärmemenge der Luft nach der Entfeuchtung

m_L

= Masse der Luft

m_W

= Masse des auskondensierbaren Wassers (gesamter Wassergehalt der Luft vorher – Sättigungsfeuchte bei tiefster Temperatur)

cL

= spezifische Wärmekapazität der Luft

cW

= spezifische Wärmekapazität des Wasserdampfes

QV

= Verdampfungswärme (= Kondensationswärme) des Wassers

• Verdampfungswärme und spezifische Wärmemengen werden zur Vereinfachung im gesamten Temperaturintervall als konstant betrachtet. Energiegehalte vor der Entfeuchtung Q = m_W·T₂ – T₁·c_L + m_W·Q_V + m_W·c_W·T₂ – T₁ Gleichung I ergeben sich aus der Gesamtenergie der fühlbaren Wärme der Luft und des Wasserdampfes und der unter den festgelegten Randbedingungen erzielbaren Kondensationswärme.
• Unter den Bedingungen eines energetisch abgeschlossenen Systems ist die Energiemenge Q nach der Entfeuchtung konstant.
• Unter Vernachlässigung der für diese Betrachtung unbedeutenden fühlbaren Wärme des auskondensierten Wassers und der physikalischen Wärme des Restfeuchtegehaltes ergibt sich für die verbliebene Luft: Q = m_W·T₃ – T₁·c_L Gleichung II beziehungsweise für die Temperatur der Luft nach der Entfeuchtung:

  
• Herkömmlich wird z. B. bei Entfeuchtern oder Wärmerückgewinnungssystemen nun die gesamte Luft zunächst auf T2 abgekühlt und anschließend die Wärme auf Niveau T3 angehoben. Zusätzlich zu der o. g. Betrachtung muss nun noch die aufzuwendende Arbeit zur Überwindung des Temperaturgefälles z. B. durch eine Wärmepumpe als links laufender Carnot-Prozess oder durch ein Peltier-Element aufgebracht werden.
• Dadurch erweitert sich das o. g. System und es kommt zur transportierten Wärme noch die Arbeit der Wärmepumpe (W_P) hinzu, sodass sich die T₃ wie folgt darstellt:

  
• Das Verhältnis der für die Wärmepumpe aufgebrachten Arbeit zur ”gepumpten” Wärme (COP) bzw. zur Gesamtwärmearbeit (Arbeitszahl) ist vorwiegend von der zu überwindenden Temperaturdifferenz (T₃ – T₁) abhängig.
• Je geringer die zu überwindende Temperaturdifferenz ist, umso günstiger ist das Verhältnis der aufzuwendenden Arbeit zur Gesamtwärmearbeit.
• Da aber die Temperaturdifferenz durch das Ziel des Prozesses vorgegeben ist (z. B. bei Entfeuchtern die Zielfeuchte und damit die Sättigungstemperatur oder bei Wärmerückgewinnungssystemen die Differenz von Raumtemperatur und Außentemperatur) ist der Wirkungsgrad einer einzelnen oder kaskadierten Wärmepumpe (Stand der Technik) begrenzt.
• Bezugszeichenliste

1

Reservoir 1

2

Resevoir 2

3

zu überwindendes Temperaturgefälle = (Temperatur 1 – Temperatur 2)

4

Wärmepumpenprozess einstufig oder Reihenschaltung mehrerer Wärmepumpen

5

gepumpte Energie

6

aufgewendete elektrische Arbeit

7

Fall 1 – einzelne Wärmepumpe

8

n Wärmepumpen in Parallelschaltung

9

zu überwindendes Temperaturgefälle = (Temperatur1 – Temperatur2) / n

10

nutzbare Gesamtenergie

11

Pelttier-Element/Wärmetransportrichtung

12

Wärmeleitend mit der Wärmetausfläche verbundenes Peltier-Element

13

Verbrauchte, feuchte Raumluft

14

Frischluft mit rückgewonnener Latenewärme + fühlbare Wärme + Investierte elektische Arbeit der Wärmepumpe

15

Gegenüberliegende Wärmetauscherfläche z. B. Lamellenkühler oder Heatpipes mit kleinen Temperaturdifferenzen

16

Kondensat

17

Umluft

18

Außenluft

Claims (2)

1. Wärmepumpensystem, bestehend aus mehreren parallel geschalteten im Gegenstrom angeordneten Wärmepumpen, welche bevorzugt aus: • Kompressorwärmepumpen, • Adsorptionswärmepumpen, • Absoprptionswärmepumpen, • Peltier-Elementen, • besonders bevorzugt aus Peltier-Elementen bestehen. Bevorzugt wird diese Anordnung: • zur Wärmerückgewinnung aus Abluft, • zur Klimatisierung, • zur Entfeuchtung von Raumluft, • zu Trocknungsprozessen, • bei Anreicherungsprozessen wie z. B. zur Erhöhung von Solekonzentrationen Der Wärmetransport kann an festen Oberflächen und an Luft erfolgen oder auch durch flüssige oder gasförmige Medien oder Gemischen aus solchen vermittelt werden.
2. Nutzung von Latentwärme, bevorzugt Luftfeuchte, als Wärmereservoir von parallel geschalteten Wärmepumpen zur Umwandlung in fühlbare Wärme.

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