DE102011052776B4 - Überkritische Wärmepumpe - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe zum Erwärmen von Wärmeübertragungsmedien, z.B. von Wasser in einem Heizungskreislauf, von Eintrittstemperaturen größer 70 °C auf Austrittstemperaturen größer 120 °C mittels eines Jouleprozesses mit innerer Rekuperation. Diese Wärmepumpe nutzt einen natürlichen Arbeitsstoff, wie z. B. Kohlendioxid, und ermöglicht es, Heizwärme zu erzeugen, deren Temperatur auf einem für Fernwärmenetze geeigneten hohen Niveau liegt, wobei Leistungszahlen von mindestens drei erzielt werden.
- Überkritische Wärmepumpen sind als sog. Kaltgasmaschinen bekannt. Sie arbeiten nach dem Jouleprozess mit innerer Rekuperation. Sie werden vor allem im Tieftemperaturbereich (unter –70°C) eingesetzt. Überkritische Wärmepumpen für den Normaltemperaturbereich (25 bis 80°C) werden von der Fachwelt, im Vergleich zu unterkritischen Wärmepumpen, die unterkritisch mit verdampfenden und kondensierenden Arbeitsstoffen arbeiten (Kaltdampfprozess), als nicht effektiv angesehen (siehe Wärmepumpenanwendung in Industrie, Landwirtschaft, Gesellschafts- und Wohnungsbau, Hrsg. Heinrich u. a., VEB Verlag Technik, 1982, S. 41 bis 44).
- Die einzige Ausnahme bilden Kaltluft-Klimageräte zur Flugzeugkabinenklimatisierung, die mit verdichteter Luft aus dem Triebwerkskompressor betrieben werden. Durch den Einsatz der Kaltluft-Klimageräte kann das Anlagengewicht gegenüber herkömmlichen Klimageräten nachhaltig verringert werden; die vergleichsweise schlechte Effizienz wird in Kauf genommen. Für überkritische Wärmepumpen für höhere Austrittstemperaturen (100 °C und höher) sind aus dem Stand der Technik bislang keine Lösungen bekannt.
- Aus
DE 10 2006 007 119 A1 ist eine transkritisch arbeitende CO2-Wärmepumpe bekannt, mit der ein Wärmeübertragungsmedium von einer niedrigen Eintrittstemperatur (10°C bis 40°C) auf eine hohe Austrittstemperatur (von 60°C bis weit über 100 °C) erwärmt wird. Da bei dieser Wärmepumpe das Kohlendioxid auf der Hochdruckseite überkritisch vorliegt, passt sich der Temperaturverlauf des Kohlendioxids dem Temperaturverlauf des Wärmeübertragungsmediums an (Temperaturglide), wodurch hohe Leistungszahlen ermöglicht werden. Durch eine Anordnung von mehreren gasseitig in Reihe geschalteten Gaskühlern, die alle auf dem gleichem Hochdruckniveau arbeiten, werden unterschiedliche Nutztemperaturniveaus realisiert. - Mit derartigen Wärmepumpen können, im Vergleich zu den konventionellen, unterkritisch arbeitenden Wärmepumpen mit konstanter Kondensationstemperatur, wesentlich höhere Leistungszahlen, d.h. höhere Verhältnisse von Nutzen (Heizwärme) zu Aufwand (Antriebsenergie) erreicht werden.
- Die Effizienz dieser Wärmepumpen nimmt jedoch mit steigender Eintrittstemperatur des Wärmeübertragungsmediums stark ab, sodass ihr Einsatz bei Eintrittstemperaturen größer 50 °C, wie sie in heute üblicherweise in Fernwärmenetzen anzutreffen sind, nicht mehr sinnvoll ist.
- In
DE 10 2010 004 187 A1 wird deshalb eine transkritische CO2-Wärmepumpe mit einer zweistufigen Verdichtung und einer Wärmeauskopplung auf unterschiedlichen Hochdruckniveaus vorgeschlagen, mit der auch noch bei Eintrittstemperaturen von 50 bis 60°C eine ausreichende Effizienz erreicht wird. In Fernwärmenetzen treten jedoch oftmals auch Eintrittstemperaturen von 70 °C und höher auf; dort ist auch dieser Prozess nicht effektiv. Zudem ist ausDE 689 08 181 T2 ein Verfahren zum Betrieb eines Kaltdampfprozesses unter trans- oder überkritischen Bedingungen bekannt, das Kohlendioxyd als Arbeitsmittel verwendet. - Eine überkritische Kühlanlage ist aus
EP 1 389 720 A1 bekannt. Eine luftgekühlte Wärmeübertrageranordnung mit einem CO2-Gasküher für die Klimaanlage in einem Kraftfahrzeug ist inEP 1 281 545 A1 gezeigt. Ein System zur Energieerzeugung durch Verbrennen eines gasförmigen Treibstoffs, das ein selbst-generiertes Verbrennungsgas mit CO2 als Arbeitsfluid nutzt, ist inUS 4,498,289 A beschrieben. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine überkritisch arbeitende Wärmepumpe zu finden, mit der unter Verwendung eines natürlichen Arbeitsstoffs Wärmeübertragungsmedien mit Eintrittstemperaturen von 70 °C und höher auf Austrittstemperaturen von 120 °C und höher erwärmt werden können. Es sollen Leistungszahlen von mindestens drei erreicht werden.
- Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 und 3.
- Nach Maßgabe der Erfindung wird von der Wärmepumpe mittels eines Jouleprozesses mit innerer Rekuperation (Verwendung eines inneren Wärmetauschers) ein Wärmeübertragungsmedium, das Eintrittstemperaturen von mindestens 70 °C hat, auf eine Austrittstemperatur von mindestens 120 °C erwärmt, wobei auf der Niederdruckseite der Druck auf einen Wert geregelt wird, der mindestens dem Wert des kritischen Drucks und höchstens dem doppelten Wert des kritischen Drucks des eingesetzten Arbeitsstoffs entspricht. Als Arbeitsstoff wird ein natürlicher Arbeitsstoff, wie z.B. Kohlendioxid, Ammoniak oder Wasser, verwendet.
- Die Wärmepumpe ist besonders geeignet für den Einsatz in Fernwärmenetzen, bei denen als Wärmeübertragungsmedium Wasser (bzw. Wasserdampf) eingesetzt ist, da dort üblicherweise hohe Austrittstemperaturen von ca. 120 °C erforderlich sind und die Eintrittstemperaturen oft über 70 °C liegen.
- Es wurde überraschend gefunden, dass, sowohl gegenüber konventionellen unterkritischen Prozessen mit konstanter Kondensationstemperatur als auch gegenüber mit einem oder mehreren Druckniveaus in den Gaskühlern arbeitenden, transkritischen Prozessen, die Effektivität (Leistungszahl) von Jouleprozessen (mit innerer Rekuperation) bei Eintrittstemperaturen von mindestens 70 °C und Austrittstemperaturen von mindestens 120 °C nachhaltig verbessert werden kann, wenn auf der Niederdruckseite ein Druck eingestellt wird, der geringfügig über dem kritischen Druck des eingesetzten Arbeitsstoffs liegt.
- Als besonders effizient hat sich ein Jouleprozess erwiesen, der mit Kohlendioxid als Arbeitsmittel betrieben und bei dem die Niederdruckseite auf einen Druck geregelt wird, der dem Wert des 1,0 bis 1,5 fachen (73,8 bis 110,7 bar, gerundet 74 bis 110 bar) des kritischen Drucks von Kohlendioxid entspricht. Auf der Hochdruckseite stellen sich 140 bis 160 bar ein.
- Die erfindungsgemäße überkritische Wärmepumpe (Kaltgasmaschine) umfasst einen Gaserhitzer, einen Gaskühler, mindestens einen Verdichter, eine Entspannungseinrichtung, einen Motor, der den für den Betrieb der Wärmepumpe erforderlichen Energieeintrag ermöglicht, einen Rekuperator, der zur inneren Wärmeübertragung von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite dient, und eine Steuerung. Beim Betrieb der Wärmepumpe wird mittels der Steuerung der Druck auf der Niederdruckseite auf einen Wert einstellt, der mindestens dem einfachen und höchstens dem zweifachen Wert des kritischen Drucks des verwendeten Arbeitsstoffs entspricht.
- Zur Erhöhung der Leistungszahl der überkritischen Wärmepumpe wird die Entspannungseinrichtung üblicherweise als Entspannungsmaschine ausgeführt, mittels derer die beim Jouleprozess gebildete Entspannungsarbeit in mechanische Energie umgewandelt und dem Motor bzw. mindestens einem Verdichter zugeführt wird.
- In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Motor zwei diametral verlaufende Kraftübertragungsachsen auf. Als Motor wird üblicherweise ein Elektromotor, an dessen Anker die zwei diametral verlaufenden Kraftübertragungsachsen befestigt sind, eingesetzt. Die erste Kraftübertragungsachse wirkt als Antriebsachse und ist mit dem Verdichter verbunden, während die zweite Kraftübertragungsachse mit der Entspannungsmaschine verbunden ist, sodass die von der Entspannungsmaschine geleistete Arbeit dem Motor zugeführt wird.
- Bei einer Wärmepumpe (Kaltgasmaschine) ist die vom Verdichter zu leistende mechanische Energie größer als die im Jouleprozess gebildete Entspannungsarbeit. Die Differenz aus der vom Verdichter aufgenommenen Leistung und der von der Entspannungsmaschine erbrachten Leistung, d.h. die für den Betrieb des Verdichters erforderliche Restleistung, wird vom Motor erbracht.
- In einer alternativen Ausführungsform ist ein erster Verdichter, der ausschließlich von der Entspannungsmaschine angetrieben wird, als erste Verdichterstufe eingesetzt. An die erste Verdichterstufe schließt sich eine zweite Verdichterstufe an (Kaskade), die aus einem Verdichter besteht, der ausschließlich durch den Motor angetrieben wird.
- Als Verdichter werden bevorzugt einstufige Turbomaschinen eingesetzt, da sie kompakt aufgebaut sind und ihr Schaufelrad direkt auf dem Ende der ersten Kraftübertragungswelle des Motors (eine Verdichterstufe) bzw. auf dem Ende einer von der Entspannungsmaschine angetriebenen Welle (zwei Verdichterstufen) angebracht werden kann. So kann die im Jouleprozess zurück gewonnene Entspannungsarbeit praktisch ohne mechanische Verluste auf den Verdichter übertragen werden. Der Einsatz anderer Verdichter ist prinzipiell auch möglich.
- Die überkritische Wärmepumpe kann zwar ohne Entspannungsmaschine aufgebaut werden. Die damit verbundenen Nachteile, nämlich vergleichsweise geringere Leistungszahlen, überwiegen jedoch die erreichten Vorteile (Vereinfachung des Aufbaus der Wärmepumpe).
- Des Weiteren kann die Erfindung vorteilhaft in einer Wärme-Kälte-Kopplung verwendet werden, indem aus dem Jouleprozess nicht nur über den Gaskühler Wärmeleistung sondern auch über den Gaserhitzer Kälteleistung entnommen wird.
- Die überkritische Wärmepumpe kann auch vorteilhaft zur Erwärmung von Gasen als Wärmeübertragungsmedium, z. B. zum Erwärmen von Luft für Trocknungsprozesse, genutzt werden, wenn die Gase beim Eintritt in den Gaskühler mindestens eine Temperatur von mindestens 60 °C aufweisen.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert; hierzu zeigen:
-
1 : Schaltbild einer überkritischen CO2-Wärmepumpe, -
2 : Temperatur-Entropie-Schaubild des in der Wärmepumpe ablaufenden Jouleprozesses. - Die überkritische CO2-Wärmepumpe (
1 ) weist, wie alle nach dem Jouleprozess arbeitende Wärmepumpen, den Verdichter1 , den Gaskühler2 , den Gaserhitzer3 , die Entspannungsmaschine4 und den Motor5 auf, über den die für den Jouleprozess (Wärmepumpe: Linksprozess) benötigte mechanische Energie eingebracht wird. Um bei Austrittstemperaturen von größer 120 °C und Eintrittstemperaturen von größer 70 °C hohe Leistungszahlen zu erreichen, ist die überkritische Wärmepumpe zudem mit einem Rekuperator6 ausgestattet, der zur Vorwärmung des aus dem Gaskühler austretenden Kohlendioxids (durch das aus dem Gaserhitzer austretenden Kohlendioxid) dient. - Wie aus dem Temperatur-Entropie-Schaubild (T-s-Schaubild;
2 ) entnommen werden kann, saugt der vom Motor über die Kraftübertragungsachse7.1 angetriebene Verdichter1 Kohlendioxid im ersten Zustandspunkt A (Druck: 80 bar und Temperatur: 79,5 °C) an und es erreicht unter einer Verdichtung den zweiten Zustandspunkt B (150 bar und 145 °C). Mit unverändertem Druck/unveränderter Temperatur gelangt das Kohlendioxid in den Gaskühler2 und wird dort durch im Gegenstrom geführtes Wasser8 (= Wärmeübertragungsmedium) auf 80,9 °C abgekühlt. Das Wasser tritt mit 70 °C in den Gaskühler2 ein und mit 120 °C aus diesem aus (dritter Zustandspunkt C). - Um vor dem Verdichter
1 eine möglichst hohe Temperatur des Kohlendioxids und infolgedessen eine ausreichend hohe Verdichtungsendtemperatur nach der Verdichterstufe (für die Nutzwärmeabgabe) zu erreichen, wird mittels des Rekuperators6 eine innere Wärmeübertragung vom Kohlendioxid auf der Hochdruckseite zum Kohlendioxid auf der Niederdruckseite vorgenommen. Nach dem Rekuperator6 hat das Kohlendioxid im vierten Zustandspunkt D eine Temperatur von 70,3 °C, wird in der Turbine4 auf den fünften Zustandspunkt E (80 bar und 36,3 °C) entspannt und gelangt in den Gaserhitzer3 . Die mittels der Turbine4 gewonnene Entspannungsarbeit wird dem Verdichter1 über die erste Kraftübertragungsachse7.2 des Motors5 zugeführt. - Im Gaserhitzer
3 wird dem Kohlendioxid mittels eines Wärmeübertragungsmediums Wärme aus einer Wärmequelle (industrielle Abwärme oder Geothermalwasser; nicht dargestellt) zugeführt, wodurch sich das Kohlendioxid auf 60°C erhitzt (sechster Zustandspunkt F). Das Wärmeübertragungsmittel kühlt sich im Gegenzug im Gaserhitzer3 von 65 °C auf 40,8 °C ab. - Schließlich nimmt das Kohlendioxid auf der Niederdruckseite im Rekuperator
6 vom Kohlendioxid auf der Hochdruckseite Wärme auf und erreicht wieder den Zustandspunkt A (79,5 °C). Der Kreislauf ist damit geschlossen. - Mit den zurzeit üblichen Wirkungsgraden der Komponenten können mit dem dargestellten Prozess Leistungszahlen größer 3 erreicht werden.
- Bezugszeichenliste
-
- 1
- Verdichter
- 2
- Gaskühler
- 3
- Gaserhitzer
- 4
- Entspannungseinrichtung/Entspannungsmaschine/Turbine
- 5
- Motor
- 6
- Rekuperator
- 7.1
- Erste Kraftübertragungsachse
- 7.2
- Zweite Kraftübertragungsachse
- 8
- Heizwasser
- A
- Erster Zustandspunkt
- B
- Zweiter Zustandspunkt
- C
- Dritter Zustandspunkt
- D
- Vierter Zustandspunkt
- E
- Fünfter Zustandspunkt
- F
- Sechster Zustandspunkt
Claims (3)
- Überkritische Wärmepumpe zum Erwärmen von Wärmeübertragungsmedien mittels eines Jouleprozesses mit innerer Rekuperation, die nach einem Kaltgasprozess mit einem natürlichen Arbeitsstoff arbeitet und für Austrittstemperaturen von größer 120 °C und Eintrittstemperaturen von größer 70 °C geeignet ist, mit einem Gaserhitzer (
3 ), einem Gaskühler (2 ), mindestens einem Verdichter (1 ), einer als Entspannungsmaschine (4 ), mittels derer eine beim Jouleprozess gebildete Entspannungsarbeit in mechanische Energie umwandelbar ist, ausgebildeten Entspannungseinrichtung, einem Motor (5 ), der den Eintrag der für den Betrieb der Wärmepumpe erforderlichen Energie ermöglicht, einem Rekuperator (6 ), der zur inneren Wärmeübertragung von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite dient, und einer Steuerung, die derart ausgebildet ist, dass beim Betrieb der Wärmepumpe auf der Niederdruckseite der Druck auf einen Wert einstellbar ist, der mindestens dem Wert des kritischen Drucks und höchstens dem doppelten Wert des kritischen Drucks des verwendeten Arbeitsstoffs entspricht, wobei entweder der Motor (5 ) zwei diametral verlaufende Kraftübertragungsachsen (7.1 ,7.2 ) aufweist, wobei die erste Kraftübertragungsachse (7.1 ) mit dem Verdichter (1 ) und die zweite Kraftübertragungsachse (7.2 ) mit der Entspannungsmaschine (4 ) verbunden ist, wodurch die von der Entspannungsmaschine (4 ) verrichtete Entspannungsleistung dem Motor (5 ) zugeführt und durch den Motor (5 ) die für den Betrieb des Verdichters (1 ) erforderliche Restleistung aufgebracht wird; oder ein erster Verdichter (1 ), der ausschließlich von der Entspannungsmaschine (4 ) angetrieben ist, als erste Verdichterstufe eingesetzt ist, und sich an die erste Verdichterstufe eine zweite Verdichterstufe anschließt, die aus einem ausschließlich motorbetriebenen Verdichter (1 ) besteht. - Überkritische Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (
5 ) zwei diametral verlaufende Kraftübertragungsachsen (7.1 ,7.2 ) aufweist, wobei die erste Kraftübertragungsachse (7.1 ) mit dem Verdichter (1 ) und die zweite Kraftübertragungsachse (7.2 ) mit der Entspannungsmaschine (4 ) verbunden ist, wobei der Motor (5 ) als Elektromotor ausgeführt ist, an dessen Anker die zwei diametral verlaufenden Kraftübertragungsachsen (7.1 ,7.2 ) befestigt sind. - Überkritische Wärmepumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als der mindestens eine Verdichter (
1 ) eine einstufige Turbomaschine eingesetzt ist.
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Legal Events
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R082 | Change of representative |
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