Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Wärmerückgewinnungsanlage
der gattungsgemäßen Art
derart zu verbessern, daß der Wärmetransformator
mit möglichst
hohem Wirkungsgrad betrieben werden kann.
Diese
Aufgabe wird bei einer Abwärmerückgewinnungsanlage
der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Abfallwärmesenke
zeitlich variierende Temperaturen aufweist, daß zwischen der Abfallwärmequelle
und der Abfallwärmesenke
ein Abfallwärmespeicher
vorgesehen ist und daß eine
Steuerung vorgesehen ist, welche Abfallwärme aus der Abfallwärmequelle
zu den Zeiten dem Abfallwärmespeicher
zuführt,
zu denen die Temperatur der Abfallwärmesenke höher ist als die Temperatur
der Abfallwärmequelle,
und welche zu den Zeiten, zu denen die Temperatur der Abfallwärmesenke
unterhalb einer Entladetemperatur des Abfallwärmespeichers liegt, die Abfallwärme aus
dem Abfallwärmespeicher
der Abfallwärmesenke
zuführt.
Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist
darin zu sehen, daß die
zeitliche Variation der Temperatur der Abfallwärmesenke dahingehend ausgenutzt
werden kann, daß die
Temperatur der Abfallwärmequelle
nicht so hoch gewählt
werden muß,
daß stets
eine Abgabe von Abfallwärme
an die Abfallwärmesenke
möglich
ist, sonder daß über den
Abfallwärmespeicher
die Möglichkeit
besteht, temporär
die Abfallwärme
zwischenzuspeichern und nur zu den Zeiten an die Abfallwärmesenke
abzugeben, zu denen diese eine Temperatur hat, die niedriger als
die Entladetemperatur des Abfallwärmespeichers ist. Damit besteht
die Möglichkeit,
die Temperatur der Abfallwärmequelle
niedriger zu wählen
und somit auch den Wirkungsgrad des Wärmetransformators zu steigern und
folglich auch die energetische Effizienz der Wärmerückgewinnungsanlage zu verbessern.
Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht noch darin, daß auch die
Regelung des Wärmetransformators
im Hinblick auf die erforderliche Temperatur der Abfallwärmequelle
einfacher ausgeführt
werden kann, da der Abfallwärmespeicher
für die
Speicherung der Abfallwärme
eine im wesentlichen konstante Temperatur zum Laden erfordert, so
daß der
Wärmetransformator
lediglich so geregelt werden muß,
daß er
die Abfallwärme
bei einer im wesentlichen konstanten Temperatur in der Abfallwärmequelle
erzeugt.
Eine
besonders vorteilhafte Lösung
sieht vor, daß die
Steuerung zu den Zeiten, zu denen die Temperatur der Abfallwärmequelle
minus einer Speichereinsatztemperaturdifferenz niedriger ist als
die Temperatur der Abfallwärmesenke
Abfallwärme
dem Abfallwärmespeicher
zuführt
und diesen somit lädt.
Diese Lösung
hat den Vorteil, daß damit
sichergestellt ist, daß selbst
in einem durch die Speichereinsatztemperaturdifferenz definierten
Temperaturbereich zwischen der Temperatur der Abfallwärmequelle
und der Temperatur der Abfallwärmesenke
die Abfallwärme
noch an den Abfallwärmespeicher
abgegeben wird, um sicherzustellen, daß der der Abfallwärmesenke
zugeordnete Wärmetauscher
und die Abfallwärmesenke
erst dann zum Einsatz kommen, wenn eine effiziente Abgabe der Abfallwärme an die
Abfallwärmesenke
möglich
ist.
Ferner
sieht eine vorteilhafte Lösung
vor, daß die
Steuerung zu den Zeiten, zu denen die Temperatur der Abfallwärmequelle minus
der Speichereinsatztemperaturdifferenz größer ist als die Temperatur
der Abfallwärmesenke,
die Abfallwärme
der Abfallwärmesenke
zuführt,
so daß sichergestellt
ist, daß zu
all den Zeiten, zu denen die Speicherung der Abfallwärme nicht
nötig ist,
diese unmittelbar der Abfallwärmesenke,
vorzugsweise dem Wärmetauscher derselben,
zugeführt
wird, so daß andererseits
wiederum der Abfallwärmespeicher
hinsichtlich der Wärmespeicherkapazität möglichst
klein gehalten werden kann.
Bezüglich der
Festlegung der Entladetemperatur des Abfallwärmespeichers im Hinblick auf
die Temperatur der Abfallwärmequelle
und die Umgebungstemperatur wurden bislang keine näheren Angaben
gemacht. So sieht ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel vor, daß die Entladetemperatur
des Abfallwärmespeichers
gleich der Temperatur der Abfallwärmequelle minus einer Speicherleerungstemperaturdifferenz
ist.
Vorzugsweise
ist dabei die Speicherleerungstemperaturdifferenz größer als
die Speichereinsatztemperaturdifferenz.
Mit
dieser Lösung
ist sichergestellt, daß stets dann
der Abfallwärmespeicher
entleert wird, wenn dies mit einer die Entleerung effizient möglich machenden
Temperatur der Abfallwärmesenke
möglich ist.
Hinsichtlich
der Art der Ausbildung des Abfallwärmespeichers wurden bislang
keine näheren Angaben
gemacht. So sieht eine vorteilhafte Lösung vor, daß der Abfallwärmespeicher
ein Latentwärmespeicher
ist, welcher eine hohe Speicherkapazität bei kleinem Volumen aufweist.
Eine
andere vorteilhafte Lösung
für den
Abfallwärmespeicher
sieht vor, daß dieser
die Abfallwärme
in Form von sensibler Wärme
speichert. In diesem Fall ist bei geringen treibenden Temperaturdifferenzen
ein Betrieb des Abfallwärmespeichers möglich.
Bezüglich der
Ausbildung der Abfallwärmesenke
wurden im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung der einzelnen Ausführungsbeispiele
der Erfindung keine näheren
Angaben gemacht. So wäre es
beispielsweise möglich,
als Abfallwärmesenke
die Erde oder ein ähnliches
Reservoir zu verwenden. Da diese Wärmesenken jedoch einen hohen
Installationsaufwand bei der Nutzung derselben erfordern, sieht
ein besonders einfaches Ausführungsbeispiel vor,
daß die
Abfallwärmesenke
von der Umgebungsluft gebildet ist. Diese Umgebungsluft kann beispielsweise
in einfacher Weise an einen Wärmetauscher herangeführt werden,
welcher die Abfallwärme
an die Umgebungsluft abgibt.
Eine
besonders günstige
Lösung
bei der Heranziehung von Umgebungsluft als Abfallwärmesenke
sieht dabei vor, daß ein
Wärmetauscher
in einem Kühlturm
angeordnet ist, welcher von der Umgebungsluft durchströmt ist,
so daß sich
in einfacher Weise eine einfache und effiziente Ankopplung der Abwärme an die
Umgebungsluft realisieren läßt.
Der
Kühlturm
könnte
prinzipiell ein Naßkühlturm sein.
Besonders einfach ist jedoch der Betrieb derselben, wenn der Kühlturm ein
Trockenkühlturm ist.
Hinsichtlich
der zeitlichen Variation der Temperaturen der Abfallwärmesenke
sind im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung der einzelnen Ausführungsbeispiele
ebenfalls keine näheren
Angaben gemacht worden. Wie bereits erläutert, könnte die Wärmesenke die Erde sein, welche
aufgrund unterschiedlicher Jahreszeiten oder aufgrund anderer Bedingungen
sich zeitlich verändernde
Temperaturen aufweist. Auch in diesem Fall sieht das erfindungsgemäße Konzept
mit dem Abfallwärmespeicher
eine besonders effiziente Nutzung der Abfallwärmesenke bei möglichst
hoher energetischer Effizienz des Wärmetransformators vor.
Eine
besonders günstige
Lösung
bei Luft als Abfallwärmesenke
sieht vor, daß die
Temperatur der Abfallwärmesenke
mit dem Tag-/Nachtzyklus variiert, so daß sich der relativ kurze Tag-/Nachtzyklus ausnutzen
läßt, um die
Abfallwärme
der Abfallwärmesenke
bei möglichst
niedrigen Temperaturen zuzuführen,
wobei gleichzeitig der Aufwand hinsichtlich des Abfallwärmespeichers
begrenzt ist, da maximal ein Speichervolumen zur Verfügung gestellt
werden muß,
welches in der Lage ist, die Abfallwärme während eines Zeitraums von der
Größenordnung
eines Tages, vorzugsweise der Größenordnung
eines halben Tages, zu speichern.
Ferner
ist bei dieser Lösung
besonders günstig,
daß das
Entladen des Abfallwärmespeichers während der
Nacht erfolgt, und die für
das Entladen des Abfallwärmespeichers
erforderliche Antriebsenergie in Form von elektrischem Strom vorteilhafterweise
als günstiger
Nachtstrom eingesetzt werden kann.
Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden
Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele.
In der Zeichnung zeigen:
1 ein
Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Wärmerückgewinnungsanlage;
2 eine
schematische Darstellung eines im Detail ausgeführten Abwärmespeichers;
3 eine
beispielsweise Darstellung eines Temperaturverlaufs der Umgebungsluft
im Verlauf eines Tages und
4 eine
schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms für die Steuerung des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels.
Ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Abwärmerückgewinnungsanlage,
wie sie beispielsweise in der chemischen Industrie einsetzbar ist,
dient dazu, bei einem industriellen Prozeß als Abwärme, beispielsweise als Brüdendampf,
insbesondere bei einer Temperatur von ungefähr 100°C den Prozeßkreislauf verlassende Abwärme zumindest teilweise
rückzugewinnen.
Die
aus dem Prozeßkreislauf
austretende Abwärme
stellt dabei eine in 1 dargestellte Abwärmequelle 10 dar,
von welcher die Abwärme
an eine Abwärmesenke 12 eines
als Ganzes mit 14 bezeichneten Wärmetransformators abgegeben
wird, der seinerseits wiederum in der Lage ist, über eine Nutzwärmequelle 15 Nutzwärme an eine
Nutzwärmesenke 16 abzugeben
und andererseits über
eine Abfallwärmequelle 18 Abfallwärme an einen
Abfallwärmespeicher 20 abzugeben.
Der
Wärmetransformator 14 transformiert somit
die von der Abwärmequelle 10 bei
einer Temperatur t1 aufgenommene Abwärme einerseits
auf eine zweite Temperatur t2 in Form von
Abfallwärme, welche
von der Abfallwärmequelle 18 abgegeben wird,
und andererseits auf eine höhere
dritte Temperatur t3, die der, beispielsweise
in dem chemischen Prozeß erforderlichen
Temperatur entspricht, auf welcher die Nutzwärme von der Nutzwärmequelle 15 abgegeben
wird.
Die
Abfallwärme
bei der zweiten Temperatur t2 wird dabei
an den Abfallwärmespeicher 20 abgegeben
und dort gegebenenfalls zwischengespeichert. Der Abfallwärmespeicher 20 ist
dann seinerseits wiederum mit einem zweiten Wärmetauscher 22 gekoppelt,
welcher in einer Wärmesenke
angeordnet ist, beispielsweise in Umgebungsluft. Der zweite Wärmetauscher 22 ist
dabei vorzugsweise in einem Kühlturm 24 angeordnet,
welcher mit einem Luftstrom 26 von Umgebungsluft durchströmt ist.
Der
Wärmetransformator 14 ist
vorzugsweise als einstufiger Absorptionswärmetransformator ausgebildet
und umfaßt
einen Austreiber 30 und einen Verdampfer 32, welche
zusammen die Abwärmesenke 12 bilden
sowie einen die Nutzwärmequelle 15 bildenden
Absorber und einen die Abfallwärmequelle 18 bildenden
Kondensator. In dem Kondensator 18 sich bildendes Kondensat
wird von einer Kondensatpumpe 34 zum Verdampfer 32 gefördert, dort verdampft
und im Absorber 15 durch die Lösung absorbiert, welche mit
einer Lösungspumpe 36 vom Austreiber
zum Absorber gepumpt wird und dann wieder vom Absorber zum Austreiber
zurückströmt.
Ein
derartiger Absorptionswärmetransformator,
ist beispielsweise von Peter Riesch in "Absorptionswärmetransformator mit hohem
Temperaturhub", Forschungsberichte
des Kälte-
und Klimatechnischen Vereins Nr. 36 (1991) oder von W.T. Hanna, M.L.
Lance, L.T. Whitney in "Industrial
Applications for Waste Heat Powered Temperature Booster", Proceedings of
the 18th Intersociety Energy Conservation
Conference (IECEC), 4.p. 1906-1910, beschrieben.
Bei
derartigen Wärmetransformatoren
wird stets auf ungefähr
denselben Temperaturniveaus gearbeitet. Das Temperaturniveau t1 liegt in der Größenordnung von 100°C, das Temperaturniveau
t3 in der Größenordnung von ungefähr 150 bis
200°C und
das Temperaturniveau t2 in der Größenordnung
der Umgebungstemperaturen.
Der
Wärmetransformator 14 arbeitet
nun so, daß diesem
auf dem Temperaturniveau t1 die thermische
Energie q1 zugeführt wird. Diese Energie q1 treibt das Kältemittel – in diesem Fall Wasser – aus der
an Wasser reichen Wasser-/Lithiumbromid-Lösung
aus und verdampft das Kältemittel
im Austreiber 30.
Der
im Austreiber 30 erzeugte Kältemitteldampf wird der Abfallwärmequelle 18,
welche als Kondensator wirkt, zugeführt und gibt dort die Wärmemenge
q2 bei der niedrigen Temperatur t2 ab durch Kondensation. Das flüssige Kältemittel
wird nun mittels der Kondensatpumpe 34 vom Niederdruck
auf Hochdruck verdichtet und dem Verdampfer 32 zugeführt.
Die
an Kältemittel
arme Lösung
wird vom Austreiber 30 mittels der Lösungspumpe 36 ebenfalls auf
Hochdruck verdichtet und dem Absorber 15, welcher gleichzeitig
als Nutzwärmequelle 15 dient,
zugeführt.
Im Absorber 15 wird das aus dem Verdampfer 32 kommende
Kältemittel
von der an Kältemittel
armen Lösung
unter Abgabe der bei der Absorption entstehenden Nutzwärme q3 auf dem Temperaturniveau t3 absorbiert.
Um
den Lösungskreislauf
zu schließen,
wird die an kältemittelreiche
Lösung über ein
Entspannungsventil 38 dem Austreiber 30 zugeführt.
Die
Abfuhr der Abfallwärme
aus der Abfallwärmequelle 18 erfolgt über einen
Rückkühlkreislauf 50 zu
dem Abfallwärmespeicher 20.
Bei
den bislang bekannten Lösungen
wird bei den Wärmetransformationen
bei einem Temperaturniveau t2 in der Größenordnung
von ungefähr 40°C gearbeitet,
während
bei der erfindungsgemäßen Lösung die
Möglichkeit
besteht mit einem Temperaturniveau t2 in
der Größenordnung
von ungefähr 25°C zu arbeiten,
da durch die Zwischenspeicherung der Abfallwärme im Abfallwärmespeicher 20 die
Möglichkeit
besteht, die Abfallwärme über den
Kühlturm 24 in
Zeiten günstiger
Umgebungstemperaturen an die Umgebungsluft abzugeben, wie im folgenden
im einzelnen beschrieben wird.
Zum
Laden und Entladen des Abfallwärmespeichers 20 werden
dieser und der Kühlturm 24 mit einer
als Ganzes mit 60 bezeichneten Steuerung gesteuert.
Der
in 1 in Form eines Blocks schematisch dargestellte
Abfallwärmespeicher 20 umfaßt, wie
in 2 dargestellt, beispielsweise im einzelnen ein
Speichervolumen 62 mit einem in diesem angeordneten Speichermedium 64,
wobei dieses Speichermedium 64 durch einen eingangsseitigen
Wärmetauscher 66 Wärme aufnehmen
und durch einen ausgangsseitigen Wärmetauscher 68 Wärme abgeben
kann. Der eingangsseitige Wärmetauscher 66 ist über zwei
Ventile V1 und V2 mit einem Rückkühlkreislauf 50 verbindbar,
in welchen die Abfallwärmequelle 18 liegt.
Ferner ist der ausgangsseitige Wärmetauscher 68 über zwei
Ventile V5 und V6 mit einem Entladekreislauf 70 und über diesen
mit dem zweiten Wärmetauscher 22 verbindbar.
Zusätzlich besteht
noch die Möglichkeit,
eine Vorlaufleitung 52 des Rückkühlkreislaufs 50 mit
einer Vorlaufleitung 72 des Entladekreislaufs 70 direkt über eine
Bypassleitung 82 mit einem darin angeordneten Ventil V3
zu verbinden und eine Rücklaufleitung 54 des
Rückkühlkreislaufs 50 sowie
eine Rücklaufleitung 74 des
Entladekreislaufs 70 über
eine Bypassleitung 84 mit einem darin angeordneten Ventil
V4 zu verbinden, so daß über die
Bypassleitungen 82 und 84, welche mit den Ventilen
V3 und V4 ein Bypassystem 80 bilden, die Möglichkeit
besteht, den Rückkühlkreislauf 50 direkt
mit dem Entladekreislauf 70 zu koppeln, unabhängig davon,
ob an die jeweiligen Kreisläufe 50, 70 der
eingangsseitige Wärmetauscher 66 bzw.
der ausgangsseitige Wärmetauscher 68 angeschlossen
sind oder nicht.
Die
Steuerung 60 dient nun dazu, das Entladen des Abfallwärmespeichers 20 so
zu steuern, daß dieser
mit einer möglichst
niedrigen Speichertemperatur tsp betrieben
werden kann, wobei die Temperatur tU des
Luftstroms 26 der Umgebungsluft, welche als Abfallwärmesenke
dient, variiert, beispielsweise, wie in 3 dargestellt,
mit der Tageszeit variiert.
Liegt,
wie beispielsweise in 3 angegeben, die Umgebungstemperatur
tU über
einen nennenswerten Zeitraum, beispielsweise 8 Stunden oder mehr,
des Tages unterhalb einer Entladetemperatur tE,
so besteht die Möglichkeit,
während
nennenswert großer
Zeiträume
den Abfallwärmespeicher 20 zu entladen.
Hierzu
arbeitet die Steuerung 60 entsprechend dem in 4 dargestellten
beispielhaften Ablaufdiagramm.
Zunächst stellt
die Steuerung 60 fest, ob die Temperatur t2 minus
einer Speichereinsatztemperaturdifferenz tse kleiner
als die Umgebungstemperatur tU ist. Ist
dies der Fall, so öffnet
die Steuerung 60 die Ventile V1 und V2 und schließt die Ventile
V3, V4, V5, V6, so daß die
von dem Wärmetransformator 14 über den
Rückkühlkreislauf 50 abgegebene
Abfallwärme von
dem eingangsseitigen Wärmetauscher 66,
der durch Öffnen
der Ventile V1 und V2 nun in dem Rückkühlkreislauf 50 liegt,
an das Speichermedium 64 abgegeben und somit der Abfallwärmespeicher 20 geladen
wird.
Ist
dagegen die Umgebungstemperatur tU niedriger
als die zweite Temperatur t2 minus der Speichereinsatztemperaturdifferenz
tse, so besteht zumindest die Möglichkeit,
die von der Kältemaschine 14 über den
Rückkühlkreislauf 50 abgegebenen
Abfallwärme
direkt dem zweiten Wärmetauscher 22 zuzuführen und über den
Kühlturm 24 an
die als Wärmesenke dienende
Umgebungsluft abzugeben. Das heißt, daß in diesem Fall die Steuerung 60 die
Ventile V1, V2 schließt
und somit verhindert, daß der
Speicher weiter geladen wird, und die Ventile V3 und V4 öffnet, so
daß der
Rückkühlkreislauf 50 mit
dem Entladekreislauf 70 über die Bypassleitungen 82 und 84 gekoppelt
ist und somit die von der Kältemaschine 14 erzeugte
Abfallwärme
direkt über
den zweiten Wärmetauscher 22 an
die als Wärmesenke
dienende Umgebungsluft abgegeben wird.
Ferner
prüft die
Steuerung 60 daraufhin noch zusätzlich, ob die zweite Temperatur
t2 minus einer Speicherleerungstemperaturdifferenz
tsl größer ist
als die Umgebungstemperatur. Ist dies der Fall, so erfolgt auf alle
Fälle ein Öffnen der
Ventile V5 und V6 dann, wenn der Abfallwärmespeicher 20 nicht
leer ist, es besteht aber auch die Möglichkeit, den Abfallwärmespeicher 20 noch
zusätzlich
zu unterkühlen,
so daß selbst
dann, wenn der Abfallwärmespeicher 20 leer
ist, ebenfalls die Ventile V5 und V6 geöffnet werden, um den Abfallwärmespeicher 20 zu
unterkühlen.
Ist
die zweite Temperatur t2 minus der Speicherleerungstemperaturdifferenz
tsl nicht größer als die Umgebungstemperatur
tu, so besteht die Möglichkeit, die Ventile V5 und
V6 geschlossen zu lassen, es besteht aber auch die Möglichkeit,
vorab noch zu prüfen,
ob der Abfallwärmespeicher 20 als
drei viertel voll ist. In diesem Fall besteht trotz der ungünstigen Temperaturverhältnisse
die Möglichkeit,
die Ventile V5 und V6 zu öffnen,
um zumindest ein teilweises Entleeren des Abfallwärmespeichers 20 zu
erreichen.
Üblicherweise
liegt die Speichereinsatztemperaturdifferenz tse in
der Größenordnung
von ungefähr
5°C und
die Speicherleerungstemperaturdifferenz tsl liegt
in der Größenordnung
von ungefähr 10°C. Dabei
entspricht eine Entladetemperatur tE der zweiten
Temperatur t2 minus der Speicherleerungstemperaturdifferenz
tsl.
Aus
der zusammenfassenden Darstellung (3) der einzelnen
Temperaturen zu den jeweiligen Zeiten, in Korrelation mit dem exemplarischen Verlauf
der Umgebungstemperatur tU über einen
Tag, ist erkennbar, daß über einen
nennenswerten Zeitraum des Tages ein Entleeren des Abfallwärmespeichers 20 möglich ist,
so daß insgesamt
die Möglichkeit
besteht, die zweite Temperatur t2 so zu
wählen, daß sie niedriger
ist als die maximale Temperatur tu der Wärmesenke
im Tagesverlauf, wodurch die erfindungsgemäßen Vorteile entstehen.