DE102011108067A1 - System for producing electrical energy from ambient heat in house, has generator supplying current to electric motor of compressor and auxiliary aggregates to produce cycle result and using surplus current as regenerative energy - Google Patents

System for producing electrical energy from ambient heat in house, has generator supplying current to electric motor of compressor and auxiliary aggregates to produce cycle result and using surplus current as regenerative energy Download PDF

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Abstract

The system has an ambient air heat exchanger (3) and/or a condenser of a heat pump for heating a working medium i.e. butane, by organic Rankine cycle steam process. An expansion machine transfers heat energy of the working medium into kinetic energy and drives a generator. The generator supplies current to an electric motor of a compressor of the heat pump and auxiliary aggregates e.g. pumps and fans, to produce a cycle result. The generator uses surplus current as regenerative energy. Counter-current heat exchangers (1, 2) pass cooled air against a flow direction of the working medium.

Description

Mit Ausnahme der Biomasseverbrennung stehen die anderen regenerativen Energien, Sonne, Wind und Wasser, nur zeitweise oder in häufig wechselnder Stärke zur Verfügung. Die Geothermie steht im Verdacht künstliche Erdbeben zu erzeugen. Um unabhängiger von Sonneneinstrahlung, Windstärke und den Pegelständen der Flüsse zu sein, zielt die nachstehend beschriebene Erfindung darauf ab, die Umgebungswärme als eine kontinuierlichere, regenerative Energiequelle zu erschließen.With the exception of biomass combustion, the other regenerative energies, sun, wind and water, are available only temporarily or in frequently changing strength. Geothermal energy is suspected of producing artificial earthquakes. In order to be more independent of solar radiation, wind force and the water levels of the rivers, the invention described below aims to provide the ambient heat as a more continuous, regenerative energy source.

Die Erfindung besteht aus zwei Hauptteilen: 1. dem ORC-Dampfprozess und 2. der Wärmepumpe.The invention consists of two main parts: 1. the ORC steam process and 2. the heat pump.

Im Fallbeispiel wird Butan als Arbeitsmedium des ORC-Kreislaufes angenommen. Butan hat bei athmosphärischem Druck einen Siedepunkt von –0,5°C und entwickelt bei +43°C einen Überdruck von 3 bar (siehe Dampfdruckkurve ). Im Kältemittelverflüssiger der Wärmepumpe ( , Wärmetauscher 5) wird das Butan auf diesen Wert erhitzt und dann einer Expansionsmaschine zugeführt. Für den Prototypen ist eine Kolbendampfmaschine vorgesehen, später soll eine Niederdruckdampfturbine verwendet werden. Das Einlaßventil schließt, wenn der Arbeitskolben 1/6 seines Hubweges zurückgelegt hat. Der Butandampf drückt den Arbeitskolben weiter zurück und treibt dadurch den Generator an. Das Volumen des Butandampfes steigt dabei um das 6-fache, der Druck sinkt auf etwas weniger als 1/6, die Temperatur fällt auf +10°C. Der Abdampf gelangt dann in den Kondensator, bestehend aus drei Teilen: 1. oben der Abdampfraum, 2. in der Mitte ein Gegenstromwärmetauscher ( , Wärmetauscher 1) und 3. unten der Sammler. Abdampfraum und Sammler sind durch Röhren miteinander verbunden, an denen zur Wärmeübertragung und zur Luftleitung Kupferbleche angebracht sind. Röhren und Kupferbleche stellen den Gegenstromwärmetauscher dar. Wärmetauscher 1 soll, wie auch alle nachstehend beschriebenen Wärmetauscher, einen Wirkungsgrad von mindestens 0,9 erreichen. In dem Raum zwischen den Röhren zirkuliert auf –6°C abgekühlte Luft von unten nach oben. Das von oben nach unten strömende Butan kühlt sich auf –4,4°C ab und kondensiert. Die nach oben zirkulierende Luft erwärmt sich auf +8,4°C. Gegenstromwärmetauscher 1 ist mit zwei Lüftungskanälen oben und unten mit einem zweiten, gegenläufig arbeitenden Gegenstromwärmetauscher verbunden ( , Wärmetauscher 2). Eine Flüssiggaspumpe entnimmt dem Sammler Butan und pumpt es in den Gegenstromwärmetauscher 2, von unten nach oben. Die auf +8,4°C erwärmte Luft strömt von oben in den zweiten Wärmetauscher hinein und gibt dabei einen großen Teil der zur Kondensation erforderlichen Temperaturdifferenz und damit die Kondensationswärme, wieder an das Butan ab und erwärmt es dabei auf +7,1°C. Die auf –3,1°C abgekühlte Luft strömt dann wieder in Richtung erster Wärmetauscher usw.In the case of the example, butane is assumed to be the working medium of the ORC cycle. Butane has a boiling point of -0.5 ° C at atmospheric pressure and develops at + 43 ° C an overpressure of 3 bar (see vapor pressure curve ). In the refrigerant condenser of the heat pump ( , Heat exchanger 5 ), the butane is heated to this value and then fed to an expansion machine. For the prototype, a piston steam engine is provided, later a low-pressure steam turbine is to be used. The inlet valve closes when the working piston has covered 1/6 of its stroke. The butane steam further pushes the working piston back and thereby drives the generator. The volume of butane vapor increases 6 times, the pressure drops to a little less than 1/6, the temperature drops to + 10 ° C. The exhaust steam then passes into the condenser, consisting of three parts: 1. above the Abdampfraum, 2. in the middle of a countercurrent heat exchanger ( , Heat exchanger 1 ) and 3. below the collector. Evaporating room and collector are connected by tubes to which copper sheets are attached for heat transfer and air duct. Tubes and copper sheets represent the countercurrent heat exchanger. Heat exchanger 1 should, as well as all heat exchangers described below, achieve an efficiency of at least 0.9. In the space between the tubes circulated to -6 ° C cooled air from bottom to top. The butane flowing from top to bottom cools to -4.4 ° C and condenses. The upward circulating air heats up to + 8.4 ° C. Counterflow heat exchanger 1 is connected to two ventilation ducts at the top and bottom with a second, countercurrent countercurrent heat exchanger ( , Heat exchanger 2 ). A liquid gas pump removes butane from the collector and pumps it into the countercurrent heat exchanger 2 , from bottom to top. The heated to + 8.4 ° C air flows from above into the second heat exchanger and gives it a large part of the temperature difference required for condensation and thus the heat of condensation, back to the butane and heated it to + 7.1 ° C. , The cooled to -3.1 ° C air then flows back towards the first heat exchanger, etc.

Da die beiden Wärmetauscher keinen Wirkungsgrad von 100% erreichen können (sondern 0,9 × 0,9 = 0,81), würde sich das Lüftungssystem langsam auf +10°C erwärmen. Daher ist für den unteren Lüftungskanal zwischen dem Ausgang des zweiten Wärmetauschers und dem Ventilator ein kleines Kühlregister vorgesehen ( Wärmetauscher 7), das die Luft von –3,1°C auf –6,0°C herunterkühlt. Dieses Kühlregister ist mit dem Wärmetauscher 8 (Vorverdampfer) im Wärmepumpenkreislauf verbunden, der zwischen der Drosseldüse und dem Hauptverdampfer sitzt. Arbeitsmedium ist in diesem Kreislauf ein Frostschutzmittel das über eine Hocheffizienzpumpe zirkuliert.Since the two heat exchangers can not achieve 100% efficiency (but 0.9 × 0.9 = 0.81), the ventilation system would slowly warm to + 10 ° C. Therefore, a small cooling register is provided for the lower ventilation duct between the outlet of the second heat exchanger and the fan ( heat exchangers 7 ), which cools the air from -3.1 ° C to -6.0 ° C. This cooling coil is connected to the heat exchanger 8th (Pre-evaporator) connected in the heat pump circuit, which sits between the throttle nozzle and the main evaporator. Working fluid in this circuit is an antifreeze that circulates through a high efficiency pump.

Im Winterbetrieb wird das Butan von Wärmetauscher 2 weitergeleitet zum Verflüssiger der Wärmepumpe. Dieser ist zweigeteilt in Wärmetauscher 4 und 5. In 4 wird das Butan vorgewärmt, in 5 wird es verdampft und auf die Endtemperatur +43°C erhitzt.In winter operation, the butane is from heat exchangers 2 forwarded to the condenser of the heat pump. This is divided into two heat exchangers 4 and 5 , In 4 the butane is preheated, in 5 it is evaporated and heated to the final temperature + 43 ° C.

Im Sommerbetrieb wird das Butan zuerst über einen Umgebungsluftwärmetauscher ( , Wärmetauscher 3) geführt, dabei vorgewärmt und dann erst an den Verflüssiger der Wärmepumpe weitergeleitet. Die Differenz zwischen +7,1°C und annähernd Lufttemperatur muß dann nicht mehr von der Wärmepumpe erbracht werden, was deren Leistungszahl und den Wirkungsgrad der Gesamtanlage erhöht.In summer operation, butane is first passed through an ambient air heat exchanger ( , Heat exchanger 3 ), while preheating and then forwarded to the condenser of the heat pump. The difference between + 7.1 ° C and approximately air temperature then no longer has to be provided by the heat pump, which increases their coefficient of performance and the efficiency of the entire system.

Um einen möglichst großen Anteil des Stromes als regenerative Energie nutzen zu können sind alle Anlagenteile auf hohe Energieeffizienz auszulegen. Wie aus verschiedenen Fachzeitschriften in den letzten Jahren zu erfahren war, konnten in praktisch allen Bereichen Steigerungen der Wirkungsgrade erzielt werden. Moderne Hochdruckdampfturbinen erreichen z. B. einen Wirkungsgrad von 0,6, in den 60er-Jahren lag er noch bei 0,35–0,4. Durch verbesserte Wärmetauscher war bei den Wärmepumpen eine Steigerung von 0,5 auf 0,6 möglich und die neuesten Generatoren erreichen einen Wirkungsgrad von 0,95 statt bisher 0,9. Die neuen Hocheffizienzpumpen für Heizungsanlagen verbrauchen in Einfamilienhäusern gerade noch 5–10 W, ihre Vorgängerinnen das 3–5 fache. Und auch die Ventilatoren in neuen Lüftungs- und Klimaanlagen wurden effizienter.In order to be able to use the largest possible share of the electricity as regenerative energy, all plant components must be designed for high energy efficiency. As has been learned from various journals in recent years, increases in efficiencies have been achieved in virtually all areas. Modern high-pressure steam turbines reach z. B. an efficiency of 0.6, in the 60s, it was still at 0.35-0.4. Improved heat exchangers increased the heat pumps from 0.5 to 0.6, and the latest generators achieved an efficiency of 0.95 instead of the previous 0.9. The new high-efficiency pumps for heating systems consume just 5-10 W in single-family homes, their predecessors 3-5 times. And the fans in new ventilation and air conditioning systems have become more efficient.

Um zu verdeutlichen welches Potential durch die oben beschriebene Anlage erschlossen werden soll, sind im Folgenden 4 Fallbeispiele erläutert, je ein Beispiel für Sommerbetrieb und Winterbetrieb mit nicht optimierten und mit optimierten Anlagenteilen (Energieflußdiagramme in – ). In order to clarify which potential is to be developed by the plant described above, 4 case examples are explained below, depending on an example of summer operation and winter operation with non-optimized and optimized plant parts (energy flow diagrams in - ).

Beispiel 1example 1

Winterbetrieb, nicht optimiert (Abb. 3) η-Turbine = 0,4 η-Generator = 0,9 η-Wärmepumpe = 0,5 Antrieb Flüssiggaspumpe = 2,5% der Wärmeleistung Antrieb Ventilator = 1,5% der Wärmeleistung Butantemperatur max. = +43°C = 316°K Lufttemperatur = +6°C = 279°K Winter operation, not optimized (Fig. 3) η turbine- = 0.4 η generator = 0.9 η heat pump = 0.5 Drive liquid gas pump = 2.5% of the heat output Drive fan = 1.5% of the heat output Butane temperature max. = + 43 ° C = 316 ° K air temperature = + 6 ° C = 279 ° K

Die Carnotsche Formel für Kraftwärmemaschinen ist: ηC = T : (T – T0) = 316°K : (316°K – 279°K) = 8,54 The Carnot formula for powerhouses is: η C = T: (T - T 0 ) = 316 ° K: (316 ° K - 279 ° K) = 8.54

Der theoretische Carnot-Wirkungsgrad ist 8,54.The theoretical Carnot efficiency is 8.54.

Multipliziert mit dem tatsächlichen Wirkungsgrad 0,5: 8,54 × 0,5 = 4,27 Multiplied by the actual efficiency 0,5: 8.54 x 0.5 = 4.27

Die Leistungszahl der Wärmepumpe beträgt 4,27.The coefficient of performance of the heat pump is 4.27.

Der Anteil der Antriebsenergie an der Wärmeenergie ist: 100% : 4,27 = 23,42% The proportion of the drive energy to the heat energy is: 100%: 4.27 = 23.42%

Die Turbine hat einen Verlust von 60%. Der Generator setzt die verbleibenden 40% mit einem Verlust von 4% in Strom um. Für den Stromüberschuß ergibt sich dann folgende Rechnung: 100% – 60% – 4% – 1,5% – 2,5% – 23,42% = 8,58% The turbine has a loss of 60%. The generator converts the remaining 40% into electricity with a 4% loss. For the current surplus, the following calculation results: 100% - 60% - 4% - 1.5% - 2.5% - 23.42% = 8.58%

Für die Stromerzeugung verbleibt vorläufig 8,58% der Wärmeenergie! For the time being, 8.58% of the heat energy remains for power generation!

Beispiel 2:Example 2:

Sommerbetrieb, nicht optimiert (Abb. 4) Wirkungsgrade und Antriebsverluste wie in Beispiel 1 Butantemperatur max. = +43°C = 316°K Lufttemperatur = +19°C η-Umgebungsluftwärmetauscher = 0,9 Summer operation, not optimized (Fig. 4) Efficiencies and drive losses as in Example 1 Butane temperature max. = + 43 ° C = 316 ° K air temperature = + 19 ° C η-ambient air heat exchanger = 0.9

Differenz 7,12°C/Lufttemperatur: 19°C – 7,12°C = 11,88°C Difference 7,12 ° C / air temperature: 19 ° C - 7.12 ° C = 11.88 ° C

Multipliziert mit η-Umgebungsluftwärmetauscher: 11,88°C × 0,9 = 10,69°C Multiplied with η-ambient air heat exchanger: 11.88 ° C x 0.9 = 10.69 ° C

Butantemperatur nach Umgebungsluftwärmetauscher: 10,7°C + 7,12°C = 17,82°C = 290,82°K Butane temperature after ambient air heat exchanger: 10.7 ° C + 7.12 ° C = 17.82 ° C = 290.82 ° K

Die Carnotsche Formel für Kraftwärmemaschinen ist: ηC = T : (T – T0) = 316°K : (316°K – 290,82°K) = 12,55 The Carnot formula for powerhouses is: η C = T: (T - T 0 ) = 316 ° K: (316 ° K - 290.82 ° K) = 12.55

Der theoretische Carnot-Wirkungsgrad ist 12,55.The theoretical Carnot efficiency is 12.55.

Multipliziert mit dem tatsächlichen Wirkungsgrad von 0,5: 12,55 × 0,5 = 6,275 Multiplied by the actual efficiency of 0.5: 12.55 x 0.5 = 6.275

Die Leistungszahl der Wärmepumpe beträgt 6,275. Butantemperatur nach Wärmetauscher 2 = +7,12°C Butantemperatur nach Wärmetauscher 3 = +17,82°C Butantemperatur nach Wärmetauscher 4/5 = +43,00°C 43,00°C – 7,12°C = 35,88°C = 100% The coefficient of performance of the heat pump is 6.275. Butane temperature after heat exchanger 2 = + 7.12 ° C Butane temperature after heat exchanger 3 = + 17.82 ° C Butane temperature after heat exchanger 4 / 5 = + 43.00 ° C 43.00 ° C - 7.12 ° C = 35.88 ° C = 100%

Temperaturdifferenz Wärmetauscher 3: 17,82°C – 7,12°C = 10,7°C 10,7°C : 35,88°C × 100% = 29,82% Temperature difference heat exchanger 3 : 17.82 ° C - 7.12 ° C = 10.7 ° C 10.7 ° C: 35.88 ° C × 100% = 29.82%

Temperaturdifferenz Wärmetauscher 4/5: 43,00°C – 17,82°C = 25,18°C 25,18°C : 35,88°C × 100% = 70,18% Temperature difference heat exchanger 4 / 5 : 43.00 ° C - 17.82 ° C = 25.18 ° C 25.18 ° C: 35.88 ° C × 100% = 70.18%

Anteil des Wärmepumpenantriebs an der Wärmeleistung: 70,18% : 6,275 = 11,18% Share of the heat pump drive at the heat output: 70.18%: 6.275 = 11.18%

Die Turbine hat wiederum einen Verlust von 60%, der Generator 4% und die Flüssiggaspumpe 2,5%. Die beiden Ventilatoren, einer im Kondensationskreislauf und einer am Umgebungsluftwärmetauscher, werden mit je 1,5% veranschlagt. Das ergibt folgende Schlußrechnung: 100% – 60% – 4% – 2,5% – (2 × 1,5%) – 11,2% = 19,3% The turbine again has a loss of 60%, the generator 4% and the LPG pump 2.5%. The two fans, one in the condensation circuit and one in the ambient air heat exchanger, are estimated at 1.5% each. This gives the following final statement: 100% - 60% - 4% - 2.5% - (2 × 1.5%) - 11.2% = 19.3%

Für die Stromerzeugung verbleiben vorläufig 19,3% der Wärmeenergie.For power generation, provisionally 19.3% of the heat energy remains.

Beispiel 3:Example 3:

Winterbetrieb, optimiert (Abb. 5)Winter operation, optimized (Fig. 5)

Für den optimierten Betrieb werden folgende verbesserte Werte angenommen: η-Turbine = 0,5 η-Generator = 0,95 η-Wärmepumpe = 0,6 Antrieb Flüssiggaspumpe = 1,5% der Wärmeleistung Antrieb Ventilator = 1,0% der Wärmeleistung Butan- und Lufttemperatur wie in Beispiel 1 For optimized operation the following improved values are assumed: η turbine- = 0.5 η generator = 0.95 η heat pump = 0.6 Drive liquid gas pump = 1.5% of the heat output Drive fan = 1.0% of the heat output Butane and air temperature as in Example 1

Theoretischer Carnot-Wirkungsgrad multipliziert mit dem tatsächlichen Wirkungsgrad 0,6: 8,54 × 0,6 = 5,124 Theoretical Carnot efficiency multiplied by the actual efficiency 0.6: 8.54 x 0.6 = 5.124

Die Leistungszahl der Wärmepumpe ist jetzt 5,124.The coefficient of performance of the heat pump is now 5.124.

Der Anteil der Antriebsenergie an der Wärmeenergie ist: 100% : 5,124 = 19,52% The proportion of the drive energy to the heat energy is: 100%: 5,124 = 19.52%

Die Turbine hat dieses mal einen Verlust von 50%, die restlichen 50% setzt der Generator mit einem Verlust von 2,5% in Strom um. Für den Stromüberschuß ergibt sich dann folgende Rechnung: 100% – 50% – 2,5% – 1,0% – 1,5% – 19,5% = 25,5% The turbine has this time a loss of 50%, the remaining 50% of the generator with a loss of 2.5% in electricity. For the current surplus, the following calculation results: 100% - 50% - 2.5% - 1.0% - 1.5% - 19.5% = 25.5%

Für die Stromgewinnung verbleiben vorläufig 25,5% der Wärmeenergie.For power generation, provisionally 25.5% of the heat energy remains.

Beispiel 4:Example 4:

Sommerbetrieb, optimiert (Abb. 6)Summer operation, optimized (Fig. 6)

Wirkungsgrade und Antriebsverluste wie in Beispiel 3, Lufttemperatur wie in Beispiel 2.Efficiencies and drive losses as in Example 3, air temperature as in Example 2.

Theoretischer Carnot-Wirkungsgrad multipliziert mit tatsächlichem Wirkungsgrad 0,6: 12,55 × 0,6 = 7,53 Theoretical Carnot efficiency multiplied by actual efficiency 0.6: 12.55 × 0.6 = 7.53

Die Leistungszahl der Wärmepumpe ist 7,53.The coefficient of performance of the heat pump is 7.53.

Der Anteil der Antriebsenergie an der Wärmeenergie ist: 70,18% : 7,53 = 9,32% The proportion of the drive energy to the heat energy is: 70.18%: 7.53 = 9.32%

Die Turbine hat wiederum einen Verlust von 50%, der Generator von 2,5%, die Flüssiggaspumpe von 1,5% und die beiden Ventilatoren von je 1,0%. Das ergibt folgende Schlußrechrechnung: 100% – 50% – 2,5% – 1,5% – (2 × 1,0%) – 9,3% = 34,7% The turbine again has a loss of 50%, the generator of 2.5%, the LPG pump of 1.5% and the two fans of 1.0% each. This results in the following final calculation: 100% - 50% - 2.5% - 1.5% - (2 × 1.0%) - 9.3% = 34.7%

Für die Stromerzeugung verbleiben vorläufig 34,7% der Wärmeenergie.For power generation, 34.7% of the heat energy remains for the time being.

Die Energieflußdiagramme sind rein nach den Wirkungsgraden berechnet. Sie berücksichtigen noch nicht, daß der Hauptverlust, derjenige durch die Turbine, zu einem Teil auf den Wärmeverlust des Abdampfes zurückgeht, der jedoch durch den Kondensationskreislauf zu etwa 80 wieder zurückgewonnen werden soll. Der ORC- bzw. der Butankreislauf verliert Energie nur über die Wärmeisolierung und das kleine Kühlregister auf der kalten Seite des Lüftungskreislaufes, Dieser Wärmetauscher 7 kühlt den Kondensationskreislauf lediglich um etwa 3°C ab. Deshalb ist mit einem um ca. 10% höheren Gesamtwirkungsgrad zu rechnen. Die endgültigen Daten für die Stromgewinnung sind dann: Winterbetrieb, nicht optimiert: 18,58% Sommerbetrieb, nicht optimiert: 29,3% Winterbetrieb, optimiert: 35,5% Sommerbetrieb, optimiert: 44,7% The energy flow diagrams are calculated purely according to the efficiencies. They do not yet take into account that the main loss, that of the turbine, is due in part to the heat loss of the exhaust steam, but which is to be recovered by the condensation cycle to about 80% again. The ORC or butane cycle loses energy only through the thermal insulation and the small cooling coil on the cold side of the ventilation circuit, this heat exchanger 7 only cools the condensation circuit by about 3 ° C. Therefore, it is expected that the overall efficiency will increase by approx. 10%. The final data for power generation are then: Winter operation, not optimized: 18.58% Summer operation, not optimized: 29.3% Winter operation, optimized: 35.5% Summer operation, optimized: 44.7%

Als Wärmequelle für die Wärmepumpe kann prinzipiell sowohl Erdwärme, Grundwasser als auch die Umgebungsluft genutzt werden. Während Erdwärme und Grundwasser ein über den Jahresverlauf kontinuierlicheres Temperaturniveau haben und nicht unter den Gefrierpunkt absinken, kann man im Gegensatz dazu mit der Umgebungsluft die günstigeren Bedingungen im Sommer nutzen. Die vier Fallbeispiele gehen von einer Wärmepumpe mit Luftwärmetauscher aus. Wenn im Winter erhebliche Minusgrade eintreten, z. B. –10°C, würde aber die Leistungszahl stark absinken und die von der Wärmepumpe zu erbringende Temperaturdifferenz von –10°C bis +7,1°C könnte überhaupt nicht energetisch genutzt werden. Deshalb ist es vorgesehen den Wärmepumpenkreislauf durch eine Kältemitteltemperaturanhebung nach unten abzukoppeln. Dazu dient ein Hilfskreislauf ( ) mit zwei Gegenstromwärmetauschern, einer zwischen Verflüssiger und Drosseldüse (Wärmetauscher 9) und einer zwischen Verdampfer und Verdichter (Wärmetauscher 10). Arbeitsmedium ist in diesem Kreislauf ein Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch, das über eine Hocheffizienzpumpe zirkuliert. Im Beispiel wird von einer Außentemperatur von –10°C ausgegangen. Wärmetauscher 9 erhält von Wärmetauscher 10 annähernd auf Umgebungstemperatur gebrachtes Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch. Damit kühlt er das vom Verflüssiger kommende, noch +11,1°C warme Kältemittel auf etwa –8,2°C ab und erwärmt sich dabei auf +8,7°C. Die Pumpe bringt das Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch dann wieder zum Wärmetauscher 10 und wärmt dort das im Verdampfer annähernd auf Umgebungstemperatur (–13°C) gebrachte Kältemittel auf +6°C nach. Am Verdichter steht somit nie eine niedrigere Temperatur als +6°C an. Das bedeutet, die Leistungszahl der Wärmepumpe sinkt auch im Winter nicht unter 4,27 (η = 0,5), bzw. 5,12 (η = 0,6).As a heat source for the heat pump can be used in principle both geothermal, groundwater and the ambient air. While geothermal and groundwater have a more continuous temperature level over the year and do not sink below freezing, in contrast to this, one can use the more favorable conditions in summer with the ambient air. The four case examples are based on a heat pump with an air heat exchanger. If significant minus degrees occur in winter, z. B. -10 ° C, but the coefficient of performance would fall sharply and to be provided by the heat pump temperature difference of -10 ° C to +7.1 ° C could not be used at all energetically. Therefore, it is envisaged to decouple the heat pump cycle by a refrigerant temperature increase down. An auxiliary circuit ( ) with two countercurrent heat exchangers, one between condenser and throttling nozzle (heat exchanger 9 ) and one between evaporator and compressor (heat exchanger 10 ). Working fluid in this circuit is a water-antifreeze mixture which circulates via a high-efficiency pump. In the example, an outside temperature of -10 ° C is assumed. heat exchangers 9 receives from heat exchanger 10 approximately brought to ambient temperature water-antifreeze mixture. It cools the still + 11.1 ° C warm refrigerant coming from the condenser to about -8.2 ° C and heats up to + 8.7 ° C. The pump then returns the water-antifreeze mixture to the heat exchanger 10 It then heats the refrigerant in the evaporator to approximately ambient temperature (-13 ° C) to + 6 ° C. The compressor is therefore never at a lower temperature than + 6 ° C. This means that the coefficient of performance of the heat pump does not drop below 4.27 (η = 0.5) or 5.12 (η = 0.6) even in winter.

Claims (4)

Elektrische Energiegewinnung aus Umgebungswärme durch einen kombinierten Wärmepumpen-ORC-Prozess dadurch gekennzeichnet, daß ein Umgebungsluftwärmetauscher und/oder der Verflüssiger der Wärmepumpe das Arbeitsmedium des ORC-Dampfprozesses erhitzen. Eine Expansionsmaschine setzt die Wärmeenergie des Arbeitsmediums in Bewegungsenergie um und treibt den Generator an. Der Generator versorgt den Elektromotor des Verdichters der Wärmepumpe und die Hilfsaggregate (Pumpen und Ventilatoren) mit Strom. So entsteht ein Kreisprozess. Der Stromüberschuß wird als regenerative elektrische Energie genutzt.Electric power generation from ambient heat by a combined heat pump ORC process characterized in that an ambient air heat exchanger and / or the condenser of the heat pump to heat the working medium of the ORC steam process. An expansion machine converts the heat energy of the working medium into kinetic energy and drives the generator. The generator supplies the electric motor of the compressor of the heat pump and the auxiliary equipment (pumps and fans) with electricity. This creates a cycle process. The excess electricity is used as regenerative electrical energy. Kondensationsanlage mit Wärmerückgewinnung für ORC-Prozess-Arbeitsmedium dadurch gekennzeichnet, daß zwei Gegenstromwärmetauscher entgegen der Fließrichtung des ORC-Arbeitsmediums von abgekühlter Luft durchströmt werden. Die Luft zirkuliert in einem Kreislauf. Im ersten Wärmetauscher kondensiert das ORC-Arbeitsmedium durch die abgekühlte Luft, im zweiten Wärmetauscher wird die Kondensationswärme wieder durch die im ersten Wärmetauscher erwärmte Luft an das verflüssigte ORC-Arbeitsmedium abgegeben. Die beim Verlassen des zweiten Wärmetauschers nicht ganz auf Ausgangstemperatur abgekühlte Luft, wird über ein Kühlregister, das von einem Wärmetauscher im Niederdruckteil der Wärmepumpe versorgt wird, weiter herunter gekühlt. Der Kreislauf beginnt von Neuem.Condensation system with heat recovery for ORC process working medium, characterized in that two countercurrent heat exchangers are flowed through against the flow direction of the ORC working medium of cooled air. The air circulates in a cycle. In the first heat exchanger, the ORC working medium condenses through the cooled air, in the second heat exchanger the heat of condensation is released again through the air heated in the first heat exchanger to the liquefied ORC working medium. The not completely cooled to outlet temperature when leaving the second heat exchanger, is cooled down further via a cooling coil, which is powered by a heat exchanger in the low pressure part of the heat pump. The cycle begins again. Kältemitteltemperaturanhebung im im Niederdruckteil des Wärmepumpenkreislaufs dadurch gekennzeichnet, daß ein Hilfskreislauf mit zwei Gegenstromwärmetauschern gegenläufig zur Fließrichtung des Kältemittels von einem Arbeitsmedium durchströmt wird. Wärmetauscher 1 sitzt zwischen Verflüssiger und Drosseldüse, Wärmetauscher 2 zwischen Verdampfer und Verdichter. Wärmetauscher 1 erhält von Wärmetauscher 2 das annähernd auf Umgebungstemperatur gebrachte Arbeitsmedium und kühlt damit das Kältemittel weiter ab. Dabei erwärmt sich das Hilfskreislaufmedium auf annähernd Verflüssigeausgangstemperatur und strömt über eine Pumpe wieder zu Wärmetauscher 2 zurück. Dort wärmt es das im Verdampfer knapp auf Umgebungstemperatur gebrachte Kältemittel auf fast die Verflüssigerausgangstemperatur nach. Somit steht am Verdichter keine niedrigere Temperatur an als, als die des Arbeitsmediums des ORC-Prozesses nach der Kondensationswärmerückgewinnung.Refrigerant temperature increase in the low pressure part of the heat pump cycle characterized in that an auxiliary circuit with two countercurrent heat exchangers is flowed through in opposite directions to the flow direction of the refrigerant from a working fluid. heat exchangers 1 sits between condenser and throttle nozzle, heat exchanger 2 between evaporator and compressor. heat exchangers 1 receives from heat exchanger 2 the approximately brought to ambient temperature working fluid and thus cools the refrigerant on. In this case, the auxiliary circuit medium heats up to approximately condenser outlet temperature and flows through a pump back to the heat exchanger 2 back. There it heats the refrigerant in the evaporator to almost ambient temperature to almost the condenser outlet temperature. Thus, the temperature at the compressor is not lower than that of the working medium of the ORC process after condensation heat recovery. Elektrische Energiegewinnung aus Umgebungswärme durch einen kombinierten Wärmepumpen-ORC-Prozess wie unter 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umgebungsluftwärmetauscher durch einen Sonnenkollektor ergänzt oder ersetzt wird.Electric power generation from ambient heat by a combined heat pump ORC process as under 1, characterized in that the ambient air heat exchanger is supplemented or replaced by a solar panel.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013006088A1 (en) 2013-04-09 2014-10-09 Rainer Schmidt Plant for the use of environmental energy
EP2971620A4 (en) * 2013-03-15 2016-12-28 Electratherm Inc Apparatus, systems, and methods for low grade waste heat management

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004058857A1 (en) * 2004-12-06 2006-06-14 Dryczynski, Jörg, Dipl.-Ing. Solar energy system with heat exchangers to transfer heat from solar panels to a heat pump cycle for heating or cooling of buildings and for storing heat
DE102009031238A1 (en) * 2009-07-01 2011-01-05 Mayer, Günter Steam power plant, has turbine with desorbed working medium that transfers mechanical work of generator into electricity while absorbent material regenerated in desorber is supplied to absorber for new cycle
DE102009048232A1 (en) * 2009-10-05 2011-04-28 Stiebel Eltron Gmbh & Co Kg Heat pump system for use as heating system and/or for generating hot water, has compression/decompression unit driving electrical generator in mode i.e. organic rankine cycle mode, of operation, to produce electricity

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004058857A1 (en) * 2004-12-06 2006-06-14 Dryczynski, Jörg, Dipl.-Ing. Solar energy system with heat exchangers to transfer heat from solar panels to a heat pump cycle for heating or cooling of buildings and for storing heat
DE102009031238A1 (en) * 2009-07-01 2011-01-05 Mayer, Günter Steam power plant, has turbine with desorbed working medium that transfers mechanical work of generator into electricity while absorbent material regenerated in desorber is supplied to absorber for new cycle
DE102009048232A1 (en) * 2009-10-05 2011-04-28 Stiebel Eltron Gmbh & Co Kg Heat pump system for use as heating system and/or for generating hot water, has compression/decompression unit driving electrical generator in mode i.e. organic rankine cycle mode, of operation, to produce electricity

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2971620A4 (en) * 2013-03-15 2016-12-28 Electratherm Inc Apparatus, systems, and methods for low grade waste heat management
DE102013006088A1 (en) 2013-04-09 2014-10-09 Rainer Schmidt Plant for the use of environmental energy

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