DE102020000429A1

DE102020000429A1 - Energieumwandlung in einer Umlaufheizung

Info

Publication number: DE102020000429A1
Application number: DE102020000429.6A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-01-24
Filing date: 2020-01-24
Publication date: 2021-07-29

Abstract

Die Erfindung betrifft technische Anordnungen zur Umwandlung von thermischer Energie in einer Umtaufheizung mit einem Heizungskreislauf, bestehend aus Wärmequelle, Heizungsvorlauf, Wärmeverbraucher und Heizungsrücklauf sowie einer von einer Pumpe bewegten Wärmeträgermedium, in elektrische Energie. Die Erfindung sieht dazu vor, zwischen Heizungsvorlauf und Heizungsrücklauf eine erfindungsgemäße Apparatur anzuordnen, in der mit thermischer Energie des Heizungsvorlaufes ein Wärmeträgermedium mit einer Siedetemperatur zwischen den Temperaturen von Heizungsvorlauf und Heizungsrücklauf mit thermischer Energie aus dem Heizungsvorlauf verdampft und mit thermischer Energie des Heizungsrücklaufes wieder kondensiert wird. Dabei wird der gebildete Dampf mit dem Druckgefälle zwischen Verdampfung und Kondensation in einer Niederdruck-Entspannungsvorrichtung entspannt, wobei die mechanische Energie aus der Entspannung mit einem mit der Entspannungsvorrichtung verbundenen Generator in elektrische Energie umgewandelt wird.

Description

Eine Umlaufheizung im Sinne der Erfindung ist jegliche technische Anordnung, in der thermische Energie aus einem Wärmeerzeuger mittels eines von einer Pumpe angetriebenen Wärmeträgermediums über einen Heizungsvorlauf zu Wärmeverbrauchern und anschließend mit einem Heizungsrücklauf zurück zum Wärmeerzeuger transportiert wird. Im Wärmeerzeuger wird dann jeweils dem Medium die in den Verbrauchern abgegebene thermische Energie wieder zugeführt.
Der Wärmeinhalt in gas- oder dampfförmigen Medien wird durch die Zustandsgrößen Druck und Temperatur, bei flüssigen Medien im Wesentlichen durch die Temperatur, bestimmt. Im Wärmeerzeuger wird das Medium erwärmt, im Verbraucher entsprechend abgekühlt. Damit ist eine Temperaturdifferenz zwischen Vorlauf und Rücklauf gegeben. Je nach Auslegung und Betriebsweise ist diese „Temperaturspreizung“ unterschiedlich ausgeprägt.
Grundsätzlich können Umlaufheizungen mit gas- bzw. dampfförmigen oder flüssigen Wärmeträgermedien betrieben werden. Wegen der einfacheren technischen Ausgestaltung und sicherheitstechnischer Vorteile werden Heizkreisläufe, wenn möglich, ohne Phasenwechsel mit flüssigen Wärmeübertragungsmedien betrieben. Bevorzugtes Medium ist dabei aufgrund seiner physikalisch-chemischen Eigenschaften Wasser.
Um einen Phasenwechsel zu vermeiden, werden in mit Wasser betriebenen Heizsystemen, wenn Vorlauftemperaturen größer als 100°C gewünscht werden, die Heizkreisläufe mit dem notwendigen Überdruck betrieben, um ein unerwünschtes Sieden zu vermeiden.
Die Erfindung sieht nun vor, die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf für einen Niederdruck-Entspannungsprozess zu nutzen, bei dem bei der Temperatur des Heizungsvorlaufs ein Entspannungsmedium verdampft und bei der Temperatur des Heizungsrücklaufs kondensiert wird. Anschließend wird das gebildete Kondensat des Entspannungsmediums wieder zurück in den Vorlagespeicher für die Verdampfung gefördert. Dazu werden erfindungsgemäß Entspannungsmedien zur Anwendung gebracht, deren Siedetemperaturen zwischen den jeweiligen Vorlauf- und Rücklauftemperaturen des Heizkreislaufes liegen. Das aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf ausgebildete Druckgefälle zwischen Verdampfung und Kondensation kann dann in einer geeignet ausgebildeten Niederdruck-Entspannungsvorrichtung zur Erzeugung mechanischer Energie genutzt werden, die mittels eines Generators weiter in elektrische Energie umgewandelt wird.
Im Hinblick auf die aktuell immer bedeutsamer werdende Energieeffizienz hat die beschriebene erfindungsgemäße Anordnung wichtige Vorteile. Durch die Verkopplung des Niederdruck-Entspannungsprozesses mit dem Heizkreislauf wird in mehrfacher Hinsicht eine effiziente Nutzung der in den Heizkreislauf eingespeisten Wärme erreicht. Zum einen kann der Wärmeerzeuger für den Heizkreislauf einfach an die geforderte Heizleistung angepasst werden, indem die für die Verdampfung des Entspannungsmediums notwendige Wärme zusätzlich in den Vorlauf eingespeist wird. Dies kann technisch einfach durch eine Erhöhung der Vorlauftemperatur erreicht werden, die dann aufgrund der Verdampfung auf die für die Verbraucher vorgegebene Vorlauftemperatur abgesenkt wird. Andererseits geht die für die Verdampfung abgezweigte Wärme, unter Berücksichtigung des mit der Entspannung in elektrische Energie umgewandelten Anteils, dem Heizsystem nicht verloren, da sie in der Kondensation wieder auf das Wärmeträgermedium übertragen wird, wodurch dieses vor dem Eintritt in den Wärmeerzeuger vorwärmt. Diese Wärme muss dann nicht mehr vom Wärmeerzeuger aufgebracht werden. Diese Bilanzierung macht die Effizienz der erfindungsgemäßen Anordnung deutlich.
Wesentliche Voraussetzung für den vorgesehenen Umwandlungsprozess ist die Bereitstellung eines Entspannungsaggregats, das bereits bei sehr geringen Druckdifferenzen mit gutem Wirkungsgrad mechanische Energie erzeugt.
In AZ 102018 003 557.4 wird ein Orbitalströmungsaggregat beschrieben, das bereits bei Druckdifferenzen von weniger als etwa 400mbar mit gutem Wirkungsgrad an der Rotorwelle mechanische Energie erzeugt, die mit einem angeschlossenen Generator weiter in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
In AZ 10 2018 005 296.7 und AZ 10 2019 002 872.4 werden hierzu technische Modifikationen hinsichtlich Ausgestaltung und Betriebsweise beschrieben, die eine zusätzliche Verbesserung des Wirkungsgrades bewirken sollen.
Voraussetzung für den vorteilhaften Betrieb der beschriebenen Anordnung ist die Verwendung von Entspannungsmedien, die einen Siedepunkt aufweisen, der zwischen den Temperaturniveaus von Heizungsvorlauf und Heizungsrücklauf liegt. Ein bevorzugtes Heizmedium ist aufgrund der Verfügbarkeit und der günstigen physikalisch-chemischen Eigenschaften Wasser mit einer normalen Siedetemperatur von 100°C. Wenn der Heizungsvorlauf allerdings mit Temperaturen größer als 100°C betrieben werden soll, wie dies in vielen, vorzugsweise gewerblichen oder industriellen Heizkreisläufen häufig realisiert wird, so muss der Heizungsvorlauf im Verdampfer unter Überdruck bereitgestellt werden. Auf diese Weise werden sicherheitstechnischen Auflagen und Risiken vermieden. Nach dem Durchströmen des Verbrauchers oder der Verbraucher im Heizkreis ist die Temperatur nach der Wärmeabgabe deutlich geringer als 100°C, so dass eine Kondensation bei Verwendung von Wasser als Entspannungsmedium möglich wird.
Für Heizkreisläufe auf niedrigeren Temperaturniveaus, wie beispielsweise Umlaufheizungen in gewerblichen oder Wohngebäuden bieten sich als günstige Entspannungsmedien eine Vielzahl von technisch hochentwickelten chemischen nicht-entflammbaren Flüssigkeiten und Produkten mit Siedepunkten zwischen etwa 40°C und 80°C an, die als Lösungsmittel, Reinigungsmittel oder Kühlmittel genutzt werden. In der erfindungsgemäßen Anordnung sollen diese Medien als Entspannungsmedien in einem energetischen ORC-Kreisprozess verwendet werden. Zusätzlich zu dem günstigen Siedetemperaturbereich haben diese auch als Entspannungsmedien verwendbaren nicht-entflammbaren Flüssigkeiten den Vorteil bis auf ein Drittel geringerer spezifischer Verdampfungsenthalpien als Wasser. Dadurch können mit den aus dem Heizungsvorlauf übertragenen Wärmemengen entsprechend größere Dampfmengen erzeugt werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der in Bezugnahme auf die 1 und 2 Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben werden. Dabei können die in den Ansprüchen und den Beschreibungen erwähnten Merkmale einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Es zeigt 1 eine Umlaufheizung als Heizkreislauf bestehend aus einem Wärmeerzeuger (1), einem Heizungsvorlauf (2), einem Verbraucher (3) von Wärme und einem Heizungsrücklauf (4), die von einem Heizmedium durchströmt wird. Der Heizungsvorlauf (2) durchströmt einen Verdampfer (5), wodurch ein Entspannungsmedium, dessen Siedepunkt niedriger ist als die Temperatur des Heizmediums im Heizungsvorlauf, verdampft wird. Der so gebildete Dampf durchströmt eine Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (6), an deren Abtriebswelle ein Generator (7) angeflanscht ist. Der auf dem Temperaturniveau des Heizungsvorlaufs (2) gebildete Dampf versetzt mit der Entspannung seiner Druckenergie die Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (6) in Rotation und treibt den Generator (7) an, wodurch elektrische Energie erzeugt wird. Der entspannte Dampf strömt in einen Kondensator (8), der vom Heizungsrücklauf (4) durchströmt wird. Da die Temperatur des Heizmediums im Heizungsrücklauf (4) niedriger ist als der Siedepunkt des Entspannungsmediums, wird der Dampf im Kondensator (8) kondensiert, wobei die Kondensationswärme an das Heizmedium übertragen wird und damit vorwärmt. Das gebildete Kondensat wird mit der Pumpe (9) über die Kondensatrückleitung (10) zurück in den Verdampfer (5) gefördert.
Es zeigt 2 ein alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem das Energieumwandlungs-Modul, bestehend aus Verdampfer (5), Niederdruck-Entspannungvorrichtung (6) mit Generator (7), Kondensator (8) und Kondensatförderpumpe (9) mit Kondensatrückleitung(10), durch Drei-Wege-Ventile (11) vom Heizkreislauf der Umlaufheizung, bestehend aus Wärmeerzeuger (1), Heizungsvorlauf (2), Verbraucher (3) und Heizungsrücklauf (4) getrennt wird. Durch diese Entkopplung kann der Heizkreislauf zum einen auch ohne Inbetriebnahme des Energieumwandlungs-Moduls betrieben werden, zum anderen. Ist diese Anordnung für eine Nachrüstung, also einen nachträglichen Einbau in bestehende Umlaufheizungen, von Bedeutung.
Bezugszeichenliste

1): Wärmeerzeuger/ Heizsystem
2): Heizungsvorlauf
3): Wärmeverbraucher
4): Heizungsrücklauf
5): Verdampfer
6): Niederdruck-Entspannungsvorrichtung
7): Generator
8): Kondensator
9): Kondensatförderpumpe
10): Kondensatrückleitung
11): Drei-Wege-Ventil

Claims

Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie aus einem Heizkreislauf einer Umlaufheizung in mechanische Energie und weiter in elektrische Energie dadurch gekennzeichnet, dass mit der thermischen Energie im Heizungsvorlauf (2) ein Entspannungsmedium verdampft wird, der gebildete Dampf in einer Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (6) entspannt wird, wobei die Druckenergie in mechanische Rotationsenergie umgewandelt wird, die mittels eines angeflanschten Generators (7) weiter in elektrische Energie umgewandelt wird, der entspannte Dampf in einem vom Heizungsrücklauf (4) durchströmten Kondensator (8) kondensiert wird, das Kondensat mit einer Kondensatförderpumpe (9) über eine Kondensatrückleitung (10) zurück in den Verdampfer (5) gefördert wird.
Verfahren nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass der Siedepunkt des Entspannungsmediums zwischen den Temperaturniveaus von Heizungsvorlauf (2) und Heizungsrücklauf (4) liegt.
Verfahren nach Anspruch 2., dadurch gekennzeichnet, dass das Entspannungsmedium eine nicht-entflammbare Flüssigkeit mit einem Siedepunkt zwischen 40°C und 80°C, bevorzugt zwischen 50°C und 70°C ist.
Verfahren nach Anspruch 2., dadurch gekennzeichnet, dass das Entspannungsmedium Wasser ist, wobei der Wärmeerzeuger (1) und der Heizungsvorlauf (2) unter einem Überdruck betrieben werden, der das Sieden des Wassers als Heizflüssigkeit verhindert.
Verfahren nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass als Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (6) für Entspannungsprozesse modifizierte Wälzkolbenexpander mit oder ohne innere Expansion verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass als Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (6) ein Orbitalströmungs-Expander verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkreislauf mit Vorlauftemperaturen zwischen 70°C und 120°C und Rücklauftemperaturen zwischen 40°C und 70°C betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkreislauf durch verstellbare Drei-Wege-Ventile (11) vom Energieumwandlungs-Modul, bestehend aus Verdampfer (5), Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (6) mit Generator (7) sowie dem Kondensator (8) mit Kondensatförderpumpe (9) und Kondensatrückleitung (10), getrennt wird.
Anlage nach Anspruch 1. bis 8., umfassend: a) Wärmeerzeuger (1) b) Heizungsvorlauf (2) c) Verbraucher (3) d) Heizungsrücklauf (4) e) Verdampfer (5) f) Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (6) g) Generator (7) h) Kondensator (8) i) Kondensatförderpumpe (9) j) Kondensatrückleitung (10) k) Drei-Wege-Ventile (11) und nach den vorgenannten Ansprüchen betrieben wird.