DE102011086476A1 - High temperature heat pump and method of using a working medium in a high temperature heat pump - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Hochtemperaturwärmepumpe mit einem Fluidkreislauf (1) zum Aufnehmen von thermischer Energie durch das Fluid aus wenigstens einem ersten Reservoir (2) unter Aufwendung von technischer Arbeit und zur Abgabe von thermischer Energie durch das Fluid an wenigstens ein zweites Reservoir (3) zum Heizen des wenigstens einen zweiten Reservoirs (3). Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Verwendung eines Arbeitsmediums in einer solchen Hochtemperaturwärmepumpe, wobei das Arbeitsmedium Hydrofluorether oder Fluorketon ist.The present invention relates to a high-temperature heat pump having a fluid circuit (1) for absorbing thermal energy through the fluid from at least one first reservoir (2) by using technical work and for delivering thermal energy through the fluid to at least one second reservoir ( 3) for heating the at least one second reservoir (3). Furthermore, the present invention relates to a method of using a working medium in such a high-temperature heat pump, wherein the working medium is hydrofluoroether or fluoroketone.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Hochtemperaturwärmepumpe mit einem Fluidkreislauf zum Aufnehmen von thermischer Energie durch das Fluid aus wenigstens einem ersten Reservoir unter Aufwendung von technischer Arbeit und zur Abgabe von thermischer Energie durch das Fluid an wenigstens ein zweites Reservoir zum Heizen des wenigstens einen zweiten Reservoirs. Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Verwendung eines Arbeitsmediums in einer solchen Hochtemperaturwärmepumpe. The present invention relates to a high temperature heat pump having a fluid circuit for receiving thermal energy from the fluid from at least one first reservoir by using engineering and delivering thermal energy through the fluid to at least a second reservoir for heating the at least one second reservoir , Furthermore, the present invention relates to a method of using a working medium in such a high-temperature heat pump.

Eine Wärmepumpe ist eine Maschine, welche unter Aufwendung von technischer Arbeit thermische Energie aus einem Reservoir mit niedrigerer Temperatur aufnimmt, und zusammen mit der Antriebsenergie als Nutzwärme auf ein zu beheizendes System mit höherer Temperatur überträgt. Das Reservoir mit niedrigerer Temperatur kann z.B. Luft aus der Umgebung sein oder Flüssigkeit und Gestein des Erdreichs bei Nutzung von Erdwärme. Es können unter anderem aber auch Abwärmequellen in Industrieprozessen genutzt werden. A heat pump is a machine which, by applying technical work, absorbs thermal energy from a reservoir at a lower temperature and, together with the drive energy as useful heat, transmits it to a system with a higher temperature to be heated. The lower temperature reservoir may e.g. Be air from the environment or liquid and rock of the soil when using geothermal energy. However, among other things, waste heat sources in industrial processes can also be used.

Mit Wärmepumpen können Gebäude beheizt werden oder Wärme für technische Prozesse in der Industrie gewonnen werden. Hochtemperaturwärmepumpen führen Nutzwärme einem zu beheizenden System zu, welches sich auf einem hohen Temperaturniveau befindet. Unter hohem Temperaturniveau bzw. höherer Temperatur sind z.B. Temperaturen über 70°C zu verstehen. Die mit Hilfe von Wärmepumpen erreichbaren Temperaturen zum Heizen hängen wesentlich von dem in der Wärmepumpe verwendeten Arbeitsmedium ab. Das Arbeitsmedium ist in der Regel ein Fluid, welches bei einer Komprimierung unter Druck verflüssigt wird und thermische Energie abgibt. Bei einer Ausdehnung zu einem Gas kühlt sich das Fluid ab und kann thermische Energie aus dem ersten Reservoir aufnehmen. Im Kreislauf kann so Wärmemenge kontinuierlich oder pulsartig aus einem kühleren Reservoir unter Aufwendung von mechanischer Energie auf ein wärmeres Reservoir übertragen werden. Heat pumps can be used to heat buildings or extract heat for industrial processes. High temperature heat pumps deliver useful heat to a system to be heated, which is at a high temperature level. Under high temperature or higher temperature, e.g. Temperatures above 70 ° C to understand. The temperatures that can be achieved with the help of heat pumps for heating depend essentially on the working medium used in the heat pump. The working medium is usually a fluid which is liquefied when compressed under pressure and gives off thermal energy. When expanded to a gas, the fluid cools and can absorb thermal energy from the first reservoir. In the cycle so heat can be transmitted continuously or in pulses from a cooler reservoir by the application of mechanical energy to a warmer reservoir.

Die von einer Wärmepumpe erreichbare Temperatur beim Heizen hängt neben dem verwendeten Arbeitsmedium auch vom Druck im Kondensor ab, welcher auch als Verflüssiger oder Kondensator bezeichnet wird. Im Kondensator wird das Arbeitsmedium verflüssigt unter Aufnahme von Wärmemenge aus dem ersten, kühleren Reservoir. Für Hochtemperaturwärmepumpen wird z.B. Kohlendioxid als Arbeitsmedium verwendet. Der Siedepunkt von Kohlendioxid bei 1 bar liegt z.B. bei –57°C und die Verflüssigungstemperatur bei 26 bar liegt z.B. bei –26°C. Aus Umweltverträglichkeitsgründen, z.B. bezüglich „Global Warming Potential“ und „Ozone Depletion Potential“, ist Kohledioxid zwar ein ideales Arbeitsmedium, jedoch liegt die kritische Temperatur von Kohlendioxid lediglich bei 31°C. Oberhalb dieser Temperatur ist Kohlendioxid auch unter Aufwendung höchster Drücke nicht mehr zu verflüssigen. The temperature reached by a heat pump during heating depends not only on the working fluid used but also on the pressure in the condenser, which is also referred to as condenser or condenser. In the condenser, the working fluid is liquefied by absorbing heat from the first, cooler reservoir. For high temperature heat pumps, e.g. Carbon dioxide used as a working medium. The boiling point of carbon dioxide at 1 bar is e.g. at -57 ° C and the liquefaction temperature at 26 bar is e.g. at -26 ° C. For environmental reasons, e.g. Although carbon dioxide is an ideal working medium in terms of "global warming potential" and "ozone depletion potential", the critical temperature of carbon dioxide is only 31 ° C. Above this temperature, carbon dioxide is no longer liquefied even with the highest pressures.

Hieraus folgen Besonderheiten für die Prozessführung jenseits der kritischen Temperatur. So erfolgt die Wärmeabgabe nach der Verdichtung nicht wie bei kondensierenden Arbeitsstoffen bei einer bestimmten Temperatur, sondern über einen großen Temperaturbereich. Dadurch wird die Nutzbarkeit der Wärme z.B. zur Dampferzeugung erschwert. Der Einsatz von Kohlendioxid als Arbeitsstoff in einer Wärmepumpe ist ferner aufgrund der Stoffeigenschaften mit sehr hohen Drücken verbunden und somit apparativ aufwendig. From this follow special features for the process control beyond the critical temperature. Thus, the heat release after compression does not take place at a certain temperature, as with condensing agents, but over a wide temperature range. Thereby, the usability of the heat e.g. difficult to generate steam. The use of carbon dioxide as a working substance in a heat pump is also due to the material properties associated with very high pressures and thus expensive in terms of apparatus.

Kohlenwasserstoffe wie Butan oder Pentan sind aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften besser für die Bereitstellung von Wärme bei einem hohen Temperaturniveau geeignet. Butan weist z.B. einen Siedepunkt bei 1 bar von –12°C und eine Verflüssigungstemperatur bei 26 bar von 114°C auf. Ihr Einsatz ist allerdings wegen ihrer guten Brennbarkeit aus sicherheitstechnischen Gründen problematisch. Hydrocarbons such as butane or pentane are more suitable for providing heat at a high temperature level because of their physical properties. Butane has e.g. a boiling point at 1 bar of -12 ° C and a liquefaction temperature at 26 bar of 114 ° C on. However, their use is problematic because of their good flammability for safety reasons.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Hochtemperaturwärmepumpe und ein Verfahren zur Verwendung eines Arbeitsmediums in einer Hochtemperaturwärmepumpe anzugeben, welche geeignet sind Wärme bei hohen Temperaturen wie z.B. höher 70°C bereitzustellen, umweltfreundlich sind und einfach, kostengünstig sowie ohne hohes Risiko z.B. durch geringe Brennbarkeit betrieben werden können. It is therefore an object of the present invention to provide a high-temperature heat pump and a method of using a working medium in a high-temperature heat pump, which are capable of producing heat at high temperatures, e.g. higher than 70 ° C, are environmentally friendly and simple, inexpensive and without high risk, e.g. can be operated by low flammability.

Die angegebene Aufgabe wird bezüglich der Hochtemperaturwärmepumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und bezüglich des Verfahrens zur Verwendung eines Arbeitsmediums in einer Hochtemperaturwärmepumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. The stated object is achieved with respect to the high-temperature heat pump with the features of claim 1 and with respect to the method for using a working medium in a high-temperature heat pump with the features of claim 7.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Hochtemperaturwärmepumpe und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verwendung eines Arbeitsmediums in einer Hochtemperaturwärmepumpe gehen aus den jeweils zugeordneten abhängigen Unteransprüchen hervor. Dabei können die Merkmale der nebengeordneten, unabhängigen Ansprüche untereinander und mit Merkmalen der Unteransprüche sowie Merkmale der Unteransprüche untereinander kombiniert werden. Advantageous embodiments of the high-temperature heat pump according to the invention and of the method according to the invention for using a working medium in a high-temperature heat pump are apparent from the respectively associated dependent subclaims. In this case, the features of the independent, independent claims can be combined with one another and with features of the subclaims and features of the subclaims.

Die erfindungsgemäße Hochtemperaturwärmepumpe umfasst einen Fluidkreislauf zum Aufnehmen von thermischer Energie durch ein Fluid aus wenigstens einem ersten Reservoir unter Aufwendung von technischer Arbeit und zur Abgabe von thermischer Energie durch das Fluid an wenigstens ein zweites Reservoir zum Heizen des wenigstens einen zweiten Reservoirs. Erfindungsgemäß ist der Fluidkreislauf mit einem Hydrofluorether oder mit Fluorketon als Fluid bzw. Arbeitsmedium befüllt. Es ist auch die Verwendung von Mischungen aus Hydrofluorether und Fluorketon möglich. The high-temperature heat pump according to the invention comprises a fluid circuit for receiving thermal energy through a fluid from at least one first reservoir while using technical work and for dispensing thermal energy through the fluid to at least a second reservoir for heating the at least one second reservoir. According to the invention, the fluid circuit is filled with a hydrofluoroether or with fluoroketone as fluid or working medium. It is also possible to use mixtures of hydrofluoroether and fluoroketone.

Hydrofluorether oder Fluorketon sind nicht brennbar und somit sicher, z.B. in Prozessen mit hoher Temperatur zu verwenden. Hydrofluorether oder Fluorketon sind umweltfreundlich, da kein Beitrag zur globalen Erwärmung oder zur Vergrößerung des Ozonlochs durch diese Stoffklassen erfolgt. Die bekannten Hydrofluorether oder Fluorketone haben höher kritische Temperaturen als z.B. Kohlendioxid. Dadurch kann ein Großteil der aufgenommenen Wärmemenge nach der Verdichtung bei einer Temperatur, speziell der Kondensationstemperatur, wieder abgegeben werden. Dies erleichtert z.B. bei einer Prozessdampfbereitstellung die Nutzung der Wärme. Mit einem Arbeitsmedium Hydrofluorether oder Fluorketon können Hochtemperaturwärmepumpen zum Erreichen sehr hoher Temperaturen bei niedrigeren Drücken, als z.B. im Vergleich mit Kohlendioxid als Arbeitsmedium, transkritisch betrieben werden. Transkritisch bedeutet in diesem Zusammenhang, dass im Vergleich zu subkritischer Prozessführung, bei welcher das Arbeitsmedium bei konstanter Temperatur verflüssigt wird, bei transkritischer Prozessführung die Wärmeabgabe im überkritischen Bereich gleitend, d. h. bei Temperaturänderung erfolgt. Hydrofluoroether or fluoroketone are not flammable and thus safe, e.g. to use in high temperature processes. Hydrofluoroethers or fluoroketones are environmentally friendly as they do not contribute to global warming or to increase the ozone hole through these classes of substances. The known hydrofluoroethers or fluoroketones have higher critical temperatures than e.g. Carbon dioxide. As a result, a large part of the amount of heat absorbed after compression at a temperature, especially the condensation temperature, are released again. This facilitates e.g. in a process steam provision, the use of heat. With a working medium of hydrofluoroether or fluoroketone, high temperature heat pumps can be used to achieve very high temperatures at lower pressures than e.g. in comparison with carbon dioxide as a working medium, transcritical operation. Transcritical in this context means that in comparison to subcritical process management, in which the working fluid is liquefied at a constant temperature, in transcritical process control, the heat release in the supercritical region sliding, d. H. occurs at temperature change.

Die erfindungsgemäße Hochtemperaturwärmepumpe kann wenigstens einen Verdampfer, wenigstens einen Verdichter, wenigstens einen Kondensator und/oder wenigstens eine Drossel als Teil des Fluidkreislaufs umfassen. Die Einzelkomponenten sind aus dem Stand der Technik bekannt, z.B. aus der DE 10 2007 010 646 A1 . Im Weiteren kann für Verdichter als Synonym auch Kompressor, für Kondensator auch Kondensor oder Verflüssiger, und für die Drossel auch Expansionsventil verwendet werden, abhängig von der jeweiligen Funktion der Komponente. Das im Fluidkreislauf strömende Fluid wird im Kompressor verdichtet, kühlt sich im Kondensator unter Abgabe von Wärmemenge an das zweite Reservoir ab, strömt abhängig der Öffnung der Drossel mit gegebener Geschwindigkeit bzw. Druckreduzierung durch die Drossel in den Verdampfer, wo es expandiert und Wärmemenge dem ersten Reservoir entzieht. The high-temperature heat pump according to the invention may comprise at least one evaporator, at least one compressor, at least one condenser and / or at least one throttle as part of the fluid circuit. The individual components are known from the prior art, for example from the DE 10 2007 010 646 A1 , In addition, compressors can also be used as a synonym for compressors, condenser and condenser also for condenser, and also expansion valves for the throttles, depending on the respective function of the component. The fluid flowing in the fluid circuit is compressed in the compressor, cools down in the condenser with release of heat to the second reservoir, flows depending on the opening of the throttle at a given speed or pressure reduction through the throttle in the evaporator, where it expands and quantity of heat the first Reservoir withdraws.

Als Verdichter kann ein mehrstufiger Verdichter verwendet werden, insbesondere ein zweistufiger Verdichter. Durch eine mehrstufige Verdichtung steigt die Leistungszahl des Hochtemperaturwärmetauschers. As a compressor, a multi-stage compressor can be used, in particular a two-stage compressor. Through a multi-stage compression increases the coefficient of performance of the high-temperature heat exchanger.

Ein Economiser kann Teil des Fluidkreislaufs sein. Ein Economiser ist ein zusätzlicher Zwischenwärmetauscher im Fluidkreislauf. Er überträgt einen Teil der nach der Wärmeabgabe an das zweite Reservoir im flüssigen Arbeitsmedium vorhandenen Wärme auf das gasförmig überhitzte Arbeitsmittel vor dem Verdichter. Dadurch kann z.B. eine starke Überhitzung des Arbeitsmediums als Sauggas erreicht werden, wodurch eine Verdichtung in das Nassdampfgebiet des Arbeitsmediums sichergestellt werden kann. Der Economiser führt zu einer Erhöhung des Wirkungsgrads bzw. der Effektivität des Hochtemperaturwärmetauschers. An economizer may be part of the fluid circuit. An economiser is an additional intermediate heat exchanger in the fluid circuit. It transfers part of the heat which is present after the heat release to the second reservoir in the liquid working medium to the gaseously superheated working medium in front of the compressor. Thereby, e.g. a strong overheating of the working medium can be achieved as a suction gas, whereby a compression in the wet steam region of the working medium can be ensured. The economizer leads to an increase in the efficiency or the effectiveness of the high-temperature heat exchanger.

Der Fluidkreislauf kann geschlossen oder abgeschlossen sein. Gerade in Hinblick auf eine Vermeidung von Verlusten an Arbeitsmedium kann ein abgeschlossener Fluidkreislauf gewählt werden. The fluid circuit may be closed or completed. Especially with regard to avoiding losses of working fluid, a closed fluid circuit can be selected.

Der Hydrofluorether kann ein Hydrofluorether mit der chemischen Formel CxFy-O-CmHn sein, wobei x gleich 3, y gleich 7, m gleich 1 und n gleich 3 ist, oder x gleich 4, y gleich 9, m gleich 1 und n gleich 3 ist, oder x gleich 4, y gleich 9, m gleich 2 und n gleich 5 ist, oder x gleich 6, y gleich 13, m gleich 1 und n gleich 3 sein. Der Hydrofluorether kann auch ein Hydrofluorether mit der chemischen Formel C3F7CF(OC2H5)CF(CF3)2 sein. Weiterhin kann der Hydrofluorether ein Hydrofluorether mit der chemischen Formel CH3CHO(CF2CFHCF3)2 sein. Es ist auch möglich als Fluid ein Fluorketon mit der chemischen Formel CF3CF2C(O)CF(CF3)2 zu verwenden. Es können als Arbeitsmittel im erfindungsgemäßen Hochtemperaturwärmetauscher auch andere Hydrofluorether oder Fluorketone mit guten thermischen Eigenschaften verwendet werden sowie Mischungen aus verschiedenen Hydrofluorethern oder Fluorketonen. The hydrofluoroether may be a hydrofluoroether having the chemical formula C x F y -OC m H n , where x is 3, y is 7, m is 1 and n is 3, or x is 4, y is 9, m is 1 and n equals 3, or x equals 4, y equals 9, m equals 2, and n equals 5, or x equals 6, y equals 13, m equals 1, and n equals 3. The hydrofluoroether may also be a hydrofluoroether having the chemical formula C 3 F 7 CF (OC 2 H 5 ) CF (CF 3 ) 2 . Furthermore, the hydrofluoroether may be a hydrofluoroether having the chemical formula CH 3 CHO (CF 2 CFHCF 3 ) 2 . It is also possible to use as fluid a fluoroketone having the chemical formula CF 3 CF 2 C (O) CF (CF 3 ) 2 . It is also possible to use other hydrofluoroethers or fluoroketones having good thermal properties as working medium in the high-temperature heat exchanger according to the invention, as well as mixtures of different hydrofluoroethers or fluoroketones.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verwendung eines Arbeitsmediums in einer Hochtemperaturwärmepumpe, insbesondere in einer zuvor beschriebenen Hochtemperaturwärmepumpe, umfasst, dass das Arbeitsmedium beim Strömen in einem Fluidkreislauf thermische Energie aus wenigstens einem ersten Reservoir unter Aufwendung von technischer Arbeit aufnimmt und thermischer Energie an wenigstens ein zweites Reservoir zum Heizen des wenigstens einen zweiten Reservoirs abgibt. Dabei wird als Arbeitsmedium Hydrofluorether oder Fluorketon verwendet. The inventive method for using a working medium in a high-temperature heat pump, in particular in a high-temperature heat pump described above, comprises that the working fluid when flowing in a fluid circuit receives thermal energy from at least one first reservoir by using technical work and thermal energy to at least a second reservoir for Heating the at least one second reservoir gives off. In this case, hydrofluoroether or fluoroketone is used as the working medium.

Die thermische Energie kann an das wenigstens eine zweite Reservoir nach der Verdichtung des Arbeitsmediums bei oder im Bereich der Kondensationstemperatur des Arbeitsmediums abgegeben werden. Die thermische Energie kann für eine Prozessdampfbereitstellung genutzt werden. The thermal energy can be delivered to the at least one second reservoir after the compression of the working medium at or in the region of the condensation temperature of the working medium. The thermal energy can be used for a process steam supply.

Das wenigstens eine zweite Reservoir, an welches die thermische Energie abgegeben wird, kann eine Temperatur von größer 70°C aufweisen. Die Hochtemperaturwärmepumpe kann zum Erreichen hoher Temperaturen bei niedrigem Druck transkritisch betrieben werden. Die Verdichtung des Arbeitsmediums kann mehrstufig, insbesondere zweistufig erfolgen. The at least one second reservoir, to which the thermal energy is released, may have a temperature of greater than 70 ° C. The high temperature heat pump can be operated transcritically to achieve high temperatures at low pressure. The compression of the working medium can be multi-stage, in particular two-stage.

Das gasförmige Arbeitsmedium kann stark überhitzt werden, damit jeweils die Verdichtung vor einem Nassdampfgebiet des Hochtemperaturwärmetauschers vollständig abgeschlossen ist. Die Überhitzung kann durch einen Economiser erfolgen, insbesondere mit einer Wärmeübertragung der Wärme am Ende eines Hochdruckwärmeüberträgers bzw. des Kondensators auf den Ausgang des Arbeitsmediums am Verdampfer. The gaseous working medium can be greatly overheated, so that each of the compression in front of a wet steam area of the high-temperature heat exchanger is completely completed. The overheating can be done by an economizer, in particular with a heat transfer of heat at the end of a high-pressure heat exchanger or the capacitor to the output of the working medium on the evaporator.

Die mit dem Verfahren zur Verwendung eines Arbeitsmediums in einer Hochtemperaturwärmepumpe verbundenen Vorteile sind analog den Vorteilen, welche zuvor im Bezug auf die Hochtemperaturwärmepumpe beschrieben wurden. The advantages associated with the method of using a working fluid in a high temperature heat pump are analogous to the advantages previously described with respect to the high temperature heat pump.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit vorteilhaften Weiterbildungen gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Preferred embodiments of the invention with advantageous developments according to the features of the dependent claims are explained in more detail with reference to the figures, but without being limited thereto.

Es wird in den Figuren dargestellt: It is shown in the figures:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Hochtemperaturwärmepumpe, und 1 a schematic representation of a high-temperature heat pump according to the invention, and

2 eine schematische Darstellung einer Hochtemperaturwärmepumpe nach 1 mit zusätzlich mehrstufiger Verdichtung und Economiser. 2 a schematic representation of a high temperature heat pump after 1 with additional multi-stage compression and economiser.

In 1 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Hochtemperaturwärmepumpe gezeigt. Die Hochtemperaturwärmepumpe umfasst einen Fluidkreislauf 1, in welchem ein Hydrofluorether oder Fluorketon als Arbeitsmedium strömt. Der Hydrofluorether oder das Fluorketon ist ein Fluid, welches flüssig oder gasförmig vorliegen kann. Als Hydrofluorether kommen unter anderem Stoffe mit der chemischen Formel CxFy-O-CmHn, wobei x gleich 3, y gleich 7, m gleich 1 und n gleich 3 ist, oder x gleich 4, y gleich 9, m gleich 1 und n gleich 3 ist, oder x gleich 4, y gleich 9, m gleich 2 und n gleich 5 ist, oder x gleich 6, y gleich 13, m gleich 1 und n gleich 3 ist, in Frage oder Stoffe mit der chemischen Formel C3F7CF(OC2H5)CF(CF3)2, CH3CHO(CF2CFHCF3)2, oder als Fluorketon kommt ein Stoff mit der chemischen Formel CF3CF2C(O)CF(CF3)2 in Frage. Es können auch andere Hydrofluorether oder Fluorketone mit geeigneten physikalischen Eigenschaften zur Bereitstellung von Wärme auf hohem Temperaturniveau verwendet werden. In 1 is a schematic representation of an embodiment of a high-temperature heat pump according to the invention shown. The high temperature heat pump includes a fluid circuit 1 , in which a hydrofluoroether or fluoroketone flows as a working medium. The hydrofluoroether or the fluoroketone is a fluid which may be liquid or gaseous. The hydrofluoroethers include substances having the chemical formula C x F y -OC m H n , where x is 3, y is 7, m is 1 and n is 3, or x is 4, y is 9, m is 1 and n is 3, or x is 4, y is 9, m is 2 and n is 5, or x is 6, y is 13, m is 1 and n is 3, or substances with the chemical formula C 3 F 7 CF (OC 2 H 5 ) CF (CF 3 ) 2 , CH 3 CHO (CF 2 CFHCF 3 ) 2 or as the fluoroketone is a substance having the chemical formula CF 3 CF 2 C (O) CF (CF 3 ) 2 in question. Other hydrofluoroethers or fluoroketones with suitable physical properties can be used to provide heat at a high temperature level.

Ein erstes Reservoir 2 steht in thermischem Kontakt mit einem Verdampfer 4. Ein zweites Reservoir 3 steht in thermischem Kontakt mit einem Kondensator 6 für das Arbeitsmedium. Das erste Reservoir 2 weist eine Temperatur T1 auf, welche kleiner ist als die Temperatur T2 des zweiten Reservoirs 3. Bei einem Hochtemperaturwärmetauscher kann die Temperatur T2 größer 70°C sein. A first reservoir 2 is in thermal contact with an evaporator 4 , A second reservoir 3 is in thermal contact with a capacitor 6 for the working medium. The first reservoir 2 has a temperature T 1 , which is smaller than the temperature T 2 of the second reservoir 3 , For a high temperature heat exchanger, the temperature T 2 may be greater than 70 ° C.

Im Verdampfer 4 nimmt bei einer Expansion des Arbeitsmediums das Arbeitsmedium Wärme auf, welche dem ersten Reservoir 2 entzogen wird. Ein gasförmiges Arbeitsmedium wird aus dem Verdampfer 4 durch einen Verdichter 5 angesaugt und komprimiert. Dadurch erhöht sich der Druck des Arbeitsmediums von einem Wert p1 auf einen Wert p2. Das Arbeitsmedium mit dem erhöhten Druck p2 vom Kompressor 5 strömt in einen Kondensator 6, wo es unter Abgabe von Wärme an das zweite Reservoir 3 verflüssigt wird. Dadurch wird Wärmemenge von dem ersten Reservoir 2 mit einer niedrigeren Temperatur T1 zu dem zweiten Reservoir 3 mit der höheren Temperatur T2, unter Aufwendung von Arbeit durch den Kompressor 5, transportiert bzw. gepumpt. Das erste Reservoir 2 dient dabei als Wärmequelle und über den Kondensator 6 als Heizer wird dem zweiten Reservoir 3 Wärme zugeführt. In the evaporator 4 During an expansion of the working medium, the working medium absorbs heat, which is the first reservoir 2 is withdrawn. A gaseous working medium is removed from the evaporator 4 through a compressor 5 sucked and compressed. As a result, the pressure of the working medium increases from a value p 1 to a value p 2 . The working medium with the increased pressure p 2 from the compressor 5 flows into a condenser 6 where it releases heat to the second reservoir 3 is liquefied. This will heat amount from the first reservoir 2 with a lower temperature T 1 to the second reservoir 3 with the higher temperature T 2 , with the expenditure of work by the compressor 5 , transported or pumped. The first reservoir 2 serves as a heat source and via the capacitor 6 as a heater becomes the second reservoir 3 Heat supplied.

Das Arbeitsmedium vom Kondensator 6 kann mit hohem Druck p2 über ein Drosselventil 7 wieder in den Verdampfer 4 mit einem Druck p1 strömen. Damit ist der Fluidkreislauf 1 geschlossen. Bei Verwendung von fluiddichten Einrichtungen 4, 5, 6, 7 und Verbindungen wie z.B. Rohren und Dichtungen, kann der Fluidkreislauf für das Arbeitsmedium abgeschlossen sein, so dass kein Arbeitsmedium an die Umwelt abgegeben wird bzw. verloren geht. Der Verdichter 5 in Form eines Kompressors erhöht den Druck des Arbeitsmediums von p1 auf p2 und über die Drossel 7 in Form eines Expansionsventils wird der Druck von p2 auf p1 verringert. Somit kann der Fluidkreislauf eingeteilt werden in eine Kaltseite mit niedrigem Druck p1, d. h. eine Niederdruckseite, und in eine Warmseite mit hohem Druck p2, d. h. eine Hochdruckseite. Die Niederdruckseite umfasst den Verdampfer 4 und die Hochdruckseite umfasst den Kondensator 6. The working medium from the condenser 6 can with high pressure p 2 via a throttle valve 7 back into the evaporator 4 with a pressure p 1 flow. This is the fluid circuit 1 closed. When using fluid-tight devices 4 . 5 . 6 . 7 and connections such as pipes and gaskets, the fluid circuit for the working fluid can be completed, so that no working fluid is released to the environment or is lost. The compressor 5 in the form of a compressor increases the pressure of the working fluid from p 1 to p 2 and via the throttle 7 in the form of an expansion valve, the pressure is reduced from p 2 to p 1 . Thus, the fluid circuit can be classified into a low-pressure cold side p 1 , ie, a low-pressure side, and a high-pressure hot side p 2 , that is, a high-pressure side. The low pressure side includes the evaporator 4 and the high pressure side includes the condenser 6 ,

Wie in 2 dargestellt ist, kann mit Hilfe eines Economisers 8 der Wirkungsgrad des Hochtemperaturwärmetauschers, d. h. das Verhältnis von gepumpter Wärmemenge zu aufgewendeter Arbeit zum Pumpen, z.B. in Form von mechanischer Arbeit des Kompressors 5, verbessert werden. Der Economiser 8 kann als Wärmetauscher ausgeführt sein, welcher Wärmemenge vom flüssigen Arbeitsmedium am Ausgang des Kondensators 6 aufnimmt und an das gasförmige Arbeitsmedium am Ausgang des Verdampfers 4 abgibt. Dadurch kann eine Überhitzung des gasförmigen Arbeitsmediums erreicht werden, womit eine Verdichtung in das Nassdampfgebiet des Kondensators 6 sichergestellt werden kann. As in 2 can be shown with the help of an economizer 8th the efficiency of the high temperature heat exchanger, ie the ratio of pumped heat quantity to work done for pumping, eg in the form of mechanical work of the compressor 5 , be improved. The economiser 8th can be designed as a heat exchanger, which amount of heat from the liquid working fluid at the outlet of the condenser 6 absorbs and to the gaseous working medium at the output of evaporator 4 emits. As a result, overheating of the gaseous working medium can be achieved, whereby a compression in the wet steam region of the capacitor 6 can be ensured.

Eine Erhöhung der Leistungszahl, dem Verhältnis von gewonnener Nutzwärme zur eingesetzten Antriebsenergie, des Hochtemperaturwärmetauschers ist möglich durch Verwendung einer mehrstufigen statt einer einstufigen Verdichtung des Arbeitsmediums. An increase in the coefficient of performance, the ratio of recovered useful heat to the drive energy used, the high-temperature heat exchanger is possible by using a multi-stage instead of a single-stage compression of the working medium.

Durch die Verwendung von Hydrofluorether oder Fluorketon als Arbeitsmedium bzw. Fluid in dem erfindungsgemäßen Hochtemperaturwärmetauscher und Verfahren ist ein sicheres, umweltschonendes und effektives Pumpen von Wärme aus dem ersten Reservoir 2 mit niedriger Temperatur T1 in das zweite Reservoir 3 mit hoher Temperatur T2 möglich. The use of hydrofluoroether or fluoroketone as the working medium or fluid in the high-temperature heat exchanger according to the invention and the method provide safe, environmentally friendly and effective pumping of heat from the first reservoir 2 low temperature T 1 in the second reservoir 3 with high temperature T 2 possible.

Hydrofluorether und Fluorketon sind nicht brennbar und somit sicher, z.B. in Prozessen mit hoher Temperatur und beim Verdichten, zu verwenden. Hydrofluorether und Fluorketon sind umweltfreundlich, da kein Beitrag zur globalen Erwärmung oder zur Vergrößerung des Ozonlochs durch diese Stoffklasse erfolgt. Die bekannten Hydrofluorether und Fluorketon haben höhere kritische Temperaturen als z.B. Kohlendioxid, wodurch ein Großteil der aufgenommenen Wärmemenge nach der Verdichtung wieder abgegeben werden kann. Mit Hydrofluorether und/oder Fluorketon können Hochtemperaturwärmepumpen zum Erreichen sehr hoher Temperaturen transkritisch betrieben werden, wodurch nur moderate Drücke notwendig sind, z.B. kleiner als bei Verwendung von Kohlendioxid. Somit weisen erfindungsgemäße Hochtemperaturwärmetauscher und Verfahren unter Verwendung von Hydrofluorether und/oder Fluorketon eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik auf, wo typische Arbeitsmedien Butan, Pentan oder Kohlendioxid umfassen. Die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele sind untereinander und mit Ausführungsbeispielen aus dem Stand der Technik kombinierbar. Hydrofluoroether and fluoroketone are not flammable and thus safe, e.g. in processes with high temperature and when compacting to use. Hydrofluoroethers and fluoroketones are environmentally friendly as they do not contribute to global warming or to increase the ozone hole through this class of compounds. The known hydrofluoroethers and fluoroketones have higher critical temperatures than e.g. Carbon dioxide, whereby a large part of the absorbed amount of heat can be given off again after compression. With hydrofluoroether and / or fluoroketone, high temperature heat pumps can be operated transcritically to reach very high temperatures, thus requiring only moderate pressures, e.g. smaller than when using carbon dioxide. Thus, high temperature heat exchangers according to the invention and processes using hydrofluoroether and / or fluoroketone have a number of advantages over the prior art, where typical working media include butane, pentane or carbon dioxide. The embodiments described above can be combined with each other and with embodiments of the prior art.

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Claims (13)

Hochtemperaturwärmepumpe mit einem Fluidkreislauf (1) zum Aufnehmen von thermischer Energie durch ein Fluid aus wenigstens einem ersten Reservoir (2) unter Aufwendung von technischer Arbeit und zur Abgabe von thermischer Energie durch das Fluid an wenigstens ein zweites Reservoir (3) zum Heizen des wenigstens einen zweiten Reservoirs (3), dadurch gekennzeich net, dass der Fluidkreislauf (1) mit dem Fluid Hydrofluorether oder Fluorketon als Arbeitsmedium befüllt ist. High temperature heat pump with a fluid circuit ( 1 ) for absorbing thermal energy by a fluid from at least one first reservoir ( 2 ) using technical work and for delivering thermal energy through the fluid to at least one second reservoir ( 3 ) for heating the at least one second reservoir ( 3 Characterized net) gekennzeich that the fluid circuit ( 1 ) is filled with the fluid hydrofluoroether or fluoroketone as working fluid. Hochtemperaturwärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Verdampfer (4), wenigstens ein Verdichter (5), wenigstens ein Kondensator (6) und/oder wenigstens eine Drossel (7) Teil des Fluidkreislaufs (1) sind. High-temperature heat pump according to one of the preceding claims, characterized in that at least one evaporator ( 4 ), at least one compressor ( 5 ), at least one capacitor ( 6 ) and / or at least one throttle ( 7 ) Part of the fluid circuit ( 1 ) are. Hochtemperaturwärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein mehrstufiger Verdichter (5), insbesondere ein zweistufiger Verdichter (5) Teil des Fluidkreislaufs (1) ist. High-temperature heat pump according to one of the preceding claims, characterized in that a multi-stage compressor ( 5 ), in particular a two-stage compressor ( 5 ) Part of the fluid circuit ( 1 ). Hochtemperaturwärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Economiser (8) Teil des Fluidkreislaufs (1) ist. High-temperature heat pump according to one of the preceding claims, characterized in that an economiser ( 8th ) Part of the fluid circuit ( 1 ). Hochtemperaturwärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidkreislauf (1) geschlossen oder abgeschlossen ist. High-temperature heat pump according to one of the preceding claims, characterized in that the fluid circuit ( 1 ) is closed or completed. Hochtemperaturwärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydrofluorether ein Hydrofluorether mit der chemischen Formel CxFy-O-CmHn ist, wobei x gleich 3, y gleich 7, m gleich 1 und n gleich 3 ist, oder x gleich 4, y gleich 9, m gleich 1 und n gleich 3 ist, oder x gleich 4, y gleich 9, m gleich 2 und n gleich 5 ist, oder x gleich 6, y gleich 13, m gleich 1 und n gleich 3 ist, oder dass der Hydrofluorether ein Hydrofluorether mit der chemischen Formel C3F7CF(OC2H5)CF(CF3)2 ist, oder dass der Hydrofluorether ein Hydrofluorether mit der chemischen Formel CH3CHO(CF2CFHCF3)2 ist, oder dass das Fluorketon ein Fluorketon mit der chemischen Formel CF3CF2C(O)CF(CF3)2 ist. High temperature heat pump according to one of the preceding claims, characterized in that the hydrofluoroether is a hydrofluoroether having the chemical formula C x F y -OC m H n , where x is 3, y is 7, m is 1 and n is 3, or x equals 4, y equals 9, m equals 1 and n equals 3, or x equals 4, y equals 9, m equals 2 and n equals 5, or x equals 6, y equals 13, m equals 1 and n equals 3 or that the hydrofluoroether is a hydrofluoroether having the chemical formula C 3 F 7 CF (OC 2 H 5 ) CF (CF 3 ) 2 , or in that the hydrofluoroether is a hydrofluoroether having the chemical formula CH 3 CHO (CF 2 CFHCF 3 ) 2 , or that the fluoroketone is a fluoroketone having the chemical formula CF 3 CF 2 C (O) CF (CF 3 ) 2 . Verfahren zur Verwendung eines Arbeitsmediums in einer Hochtemperaturwärmepumpe, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Arbeitsmedium beim Strömen in einem Fluidkreislauf (1) thermische Energie aus wenigstens einem ersten Reservoir (2) unter Aufwendung von technischer Arbeit aufnimmt und thermische Energie an wenigstens ein zweites Reservoir (3) zum Heizen des wenigstens einen zweiten Reservoirs (3) abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmedium Hydrofluorether oder Fluorketon verwendet wird. Method for using a working medium in a high-temperature heat pump, in particular according to one of the preceding claims, wherein the working medium when flowing in a fluid circuit ( 1 ) thermal energy from at least a first reservoir ( 2 ) by using technical work and thermal energy to at least a second reservoir ( 3 ) for heating the at least one second reservoir ( 3 ), characterized in that hydrofluoroether or fluoroketone is used as the working medium. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Energie an das wenigstens eine zweite Reservoir (3) abgegeben wird nach der Verdichtung des Arbeitsmediums, bei oder im Bereich der Kondensationstemperatur des Arbeitsmediums, und/oder dass die thermische Energie für eine Prozessdampfbereitstellung genutzt wird. A method according to claim 7, characterized in that the thermal energy to the at least one second reservoir ( 3 ) is discharged after the compression of the working medium, at or in the range of the condensation temperature of the working medium, and / or that the thermal energy is used for a process steam supply. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Energie an das wenigstens eine zweite Reservoir (3), welches eine Temperatur von größer 70°C aufweist, abgegeben wird. Method according to one of claims 7 or 8, characterized in that the thermal energy to the at least one second reservoir ( 3 ), which has a temperature of greater than 70 ° C, is discharged. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochtemperaturwärmepumpe zum Erreichen hoher Temperaturen bei niedrigem Druck transkritisch betrieben wird. Method according to one of claims 7 to 9, characterized in that the high temperature heat pump is operated transcritical to reach high temperatures at low pressure. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verdichtung des Arbeitsmediums mehrstufig, insbesondere zweistufig, erfolgt. Method according to one of claims 7 to 10, characterized in that a compression of the working medium in several stages, in particular two stages takes place. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Arbeitsmedium stark überhitzt wird, damit jeweils die Verdichtung vor einem Nassdampfgebiet des Hochtemperaturwärmetauschers vollständig abgeschlossen ist. Method according to one of claims 7 to 11, characterized in that the gaseous working fluid is greatly overheated, so that each of the compression in front of a wet steam area of the high temperature heat exchanger is completely completed. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Überhitzung durch einen Economiser (8) erfolgt, insbesondere mit einer Wärmeübertragung der Wärme am Ende eines Hochdruckwärmeüberträgers auf den Ausgang des Arbeitsmediums am Verdampfer (4). A method according to claim 12, characterized in that the overheating by an economizer ( 8th ) takes place, in particular with a heat transfer of the heat at the end of a high pressure heat exchanger to the output of the working medium at the evaporator ( 4 ).
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