DE102012015647A1 - Hochtemperaturwärmepumpe - Google Patents

Abstract

Hauptanspruch: Hochtemperaturwärmepumpe, bestehend aus einem speziellem Verdichter, mindestens zwei äußeren Wärmeübertragern, einem inneren Wärmeübertrager, Regelventil(en), speziellem Kältemittel, Rohrleitungssystem, Regeleinrichtung sowie Hilfsaggregaten und Sicherheitstechnikeinbauten, die einen Temperaturhub von 0°C bis auf 120°C ermöglicht, mit einem Kältemittel, das nicht Kohlendioxid (CO2) ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Hochtemperaturwärmepumpe, welche mit einem speziellem Verdichter, mindestens zwei äußeren Wärmeübertragern, einem inneren Wärmeübertrager, Drossel(n), speziellem Kältemittel, Rohrleitungssystem, einer Regeleinrichtung sowie Hilfsaggregaten und Sicherheitstechnikeinbauten ausgerüstet ist, die einen Temperaturhub von 0°C auf 120°C ermöglicht, vorzugsweise von 50°C auf 120°C mit einem Kältemittel, das nicht Kohlendioxid (CO₂) ist. Damit unterscheidet sich diese Wärmepumpe vom Stand der Technik, bei dem eine maximale Temperatur von 65°C erreicht wird unter Ausnutzung von Umgebungsluft, Erdwärme, Solarwärme, Abwärme o. ä. oder bei dem mit Kohlendioxid als Kältemittel bei aufwändiger Anlagentechnik doch nur 95°C Maximaltemperatur erreicht wird. Für industrielle Anwendungen ist der Stand der Technik nicht ausreichend, um Abwärmepotenziale wirtschaftlich zu nutzen.
• Aus DE 10 2008 046 620 ist eine Wärmepumpe bekannt, die mit CO₂ in transkritischer Prozessführung betrieben wird. Da der Anlagenaufwand hierfür immens höher ist und dennoch marktüblich nur nutzbare Temperaturen von 95°C erzeugt werden können hebt sich die hiermit beschriebene Erfindung vom Stand der Technik ab.
• Auch aus DE 41 19 257 ist eine Wärmepumpe bekannt, die jedoch nicht auf dem hier beschriebenen Kompressions-Kälteverfahren beruht und sich somit wiederum die hier vorliegende Anmeldung klar abhebt.
• Die Entwicklung neuer Kältemittel hat in den letzten Jahren dank dem wachsenden Interesse an ORC-Anlagen starke Fortschritte für Hochtemperatur-Niederdruck Kältemittel gemacht. So sind z. B. die Kältemittel R245 und SES36 interessante Kältemittel die zum Betrieb einer Hochtemperatur-Wärmepumpe einsetzbar sind. Diese sind beide Sicherheitskältemittel mit geringem ODP und GWP, was auch die langfristige Anwendbarkeit der Entwicklung sichert.
• Gegenüber den schon bekannten Hochtemperatur-Kältemitteln wie Propan oder R365 besteht zusätzlich noch der Vorteil, dass die in dieser Erfindung verwendeten Kältemittel nicht brennbar sind, was den Einsatz z. B. in Beschichtungstrocknern mit entzündlicher Atmosphäre ohne verlustbehafteten Zwischenkreislauf ermöglicht.
• Beide hier vorgesehenen Kältemittel bedürfen besonderer Betrachtung des Verdichtungsendpunktes. Hierbei kann es nötig werden einen inneren Wärmeübertrager einzusetzen, der einen sicheren Zustandsübergang auf der Saugseite des Verdichters gewährleistet.
• Da der Einsatzfall dieser Wärmepumpe für die Wärmerückgewinnung in kontinuierlichen Prozessen eine entsprechend hohe Einschaltdauer (nahe 100%) bedingt, müssen energiesparende Antriebskonzepte für die Verdichter-Antriebe in dieser Erfindung berücksichtigt werden.
• Bezugszeichenliste

1

Verdampfer

2

Verdichter

3

Verdichterantrieb

4

Steuerventil

5

Verflüssiger

6

Innerer Wärmeübertrager

7

Regeleinrichtung

8

Regelventil

AW

Medium oder Wärme, die genutzt werden soll

NW

Nutzwärme, die einem Prozess zur Verfügung steht

COP

Wärmepumpen Wirkungsgrad

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102008046620 [0002]
• DE 4119257 [0003]

Claims (11)

1. Hochtemperaturwärmepumpe, bestehend aus einem speziellem Verdichter, mindestens zwei äußeren Wärmeübertragern, einem inneren Wärmeübertrager, Regelventil(en), speziellem Kältemittel, Rohrleitungssystem, Regeleinrichtung sowie Hilfsaggregaten und Sicherheitstechnikeinbauten, die einen Temperaturhub von 0°C bis auf 120°C ermöglicht, mit einem Kältemittel, das nicht Kohlendioxid (CO₂) ist.
2. Verdichter (2) nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass dessen Dichtungs- und Schmiersystem für den vorgesehenen, höheren Temperaturbereich speziell am Verdichteraustritt bezüglich der Verdichtungsendtemperatur ausgeführt ist. Die vorteilhafte Auswahl des Kältemittels und konstruktive Optimierung des Verdichters bestimmen die Verdichtungsendtemperatur.
3. Verdichter (2) nach Anspruch 2., dadurch gekennzeichnet, dass dieser entweder als Kolben- oder Schraubenverdichter ausgeführt ist und entweder direkt mit dem Verdichterantrieb (3) verbunden ist oder über eine Antriebskopplung von einem extern betriebenen System angetrieben wird.
4. Verfahren zur Regelung einer Hochtemperatur-Wärmepumpe nach Anspruch 1., ist dadurch gekennzeichnet, dass a. der Kältemitteldruck (p0) und die Kältemitteltemperatur (t0) am Ausgang des Verdampfers (1) gemessen, daraus die Kältemittelüberhitzung in einer Regeleinrichtung (7) ermittelt und diese Größe in der besagten Regeleinrichtung (7) mit einem Sollwert (w) verglichen wird. Die Differenz von Sollwert und Istwert wird einem in der Regeleinrichtung enthaltenen PID-Regler zugeführt, dessen Ausgangsgröße (y) auf den Öffnungsgrad des Regelventils (8) wirkt. Ein Überschreiten des Sollwertes wird zum öffnen des Regelventils (Einspritzventil) führen. b. die Leistungsoptimierung der Wärmepumpe auf der Verflüssigungstemperatur (tc) im Verflüssiger (5) erfolgt, welche die dem Prozess zur Verfügung gestellte Wärme widerspiegelt. Dazu kann vorteilhaft ein weiterer Regelkreis in der Regeleinrichtung eingebaut sein, welcher den Massenstrom durch den Verflüssiger regelt und somit den Verflüssigungsdruck optimiert. c. über den inneren Wärmetauscher (6) die optimale Sauggasüberhitzung statisch eingestellt oder dynamisch von der Regeleinrichtung (7) geregelt wird. Diese Überhitzung wird benötigt, um die entsprechenden Stoffeigenschaften des Kältemittels zur Erzielung stabiler physikalischer Zustände bis zum Verdichter-Saugstutzen sicherzustellen.
5. Verfahren nach Anspruch 4., dadurch gekennzeichnet, dass als Regelventil (8) ein spezielles elektronisches Ventil mit Schrittmotor-Antrieb eingesetzt wird, welches die Überhitzung am Verdampfer-Austritt einstellt.
6. Verfahren nach Anspruch 4., dadurch gekennzeichnet, dass bei dem in der Regeleinrichtung (7) enthaltenen PID-Regler die Regelabweichung oder die vom PID-Regler erhaltene Ausgangsgröße vorteilhaft über ein Totband-Glied geführt wird, sofern durch die Zeitkonstanten der Regelstrecke(n) Schwingungsneigung besteht.
7. Verdichterantrieb (3) nach Anspruch 3., dadurch gekennzeichnet, das ein Asynchronmotor oder ein Permanentmagnet-Synchronmotor als Antriebsmaschine eingesetzt wird, wobei letzterer zu einem höheren COP verhilft.
8. Verdichterantrieb (3) nach Anspruch 3., dadurch gekennzeichnet, dass dieser entweder teilhermetisch im Kältekreislauf oder offen außerhalb des Mediums angebracht ist, wobei erstere Ausführung technisch aufwändiger ist, aber einen günstigeren COP aufweist.
9. Kältemittel nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass es bei einem Temperaturhub von 50 K, beginnend bei 50°C (unteres Wärme-Niveau auf der AW-Seite), einen COP von mindesten 3,0 ermöglicht.
10. Kältemittel nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel R245 oder R365 oder deren Derivate zur Anwendung kommen.
11. Wärmepumpe nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (7) die Ventile (4) und (8) zur Saugdruck-Regelung vorteilhaft ansteuert, so dass diese zur Verhinderung der Rekondensation beim Anfahren und Stillsetzen der Wärmepumpe beitragen.

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