DE202010010599U1

DE202010010599U1 - Apparatus for heat recovery

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Publication number: DE202010010599U1
Application number: DE202010010599U
Authority: DE
Original assignee: IFG SOLAR KG
Current assignee: IFG SOLAR KG
Priority date: 2010-07-23
Filing date: 2010-07-23
Publication date: 2011-11-04
Anticipated expiration: 2020-07-24

Abstract

Vorrichtung zur Wärmegewinnung, wobei die Vorrichtung (1) mindestens einen Boiler (2) aufweist, der eine temperaturgeschichtete Flüssigkeit (3) enthält, wobei der Boiler (2) eine unten liegende Kaltseite (8) und eine oben liegende Warmseite (7) aufweist, wobei der Boiler (2) einen der Kaltseite (8) zugeordneten Zulauf (4) und einen der Warmseite (7) zugeordneten Ablauf (5) aufweist und mit einer Sekundärseite (11) mindestens eines ersten Wärmetauschers (10) einen Kreislauf bildet, wobei eine Primärseite (12) des ersten Wärmetauschers (10) von einem unter Wärmeabgabe kondensierenden Wärmetransport-Medium (14) durchströmt ist, welches Wärme aus einer Wärmequelle (21) mit geringerer Temperatur als die Warmseite (7) des Boilers (2) entnimmt und dabei verdampft, wobei der Wärmequelle (21) mindestens ein Kompressor (23) nachgeordnet ist, der das Wärmetransport-Medium (14) auf eine Temperatur bringt, die über der der Warmseite (7) des Boilers (2) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Wärmetauscher (10) primärseitig ein zweiter Wärmetauscher (10') nachgeordnet ist, der ebenfalls primärseitig vom...Device for heat generation, the device (1) having at least one boiler (2) which contains a temperature-stratified liquid (3), the boiler (2) having a cold side (8) below and a warm side (7) above, wherein the boiler (2) has an inlet (4) assigned to the cold side (8) and an outlet (5) assigned to the warm side (7) and forms a circuit with a secondary side (11) of at least one first heat exchanger (10), one The primary side (12) of the first heat exchanger (10) is traversed by a heat transport medium (14) which condenses with heat dissipation and which takes heat from a heat source (21) at a lower temperature than the warm side (7) of the boiler (2) and evaporates in the process , the heat source (21) being followed by at least one compressor (23) which brings the heat transport medium (14) to a temperature above that of the warm side (7) of the boiler (2), characterized in that the first A second heat exchanger (10 ') is arranged downstream of the heat exchanger (10) on the primary side, which is also connected on the primary side from ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmegewinnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a device for heat recovery according to the preamble of patent claim 1.

Aus der DE 10 2006 056 979 ist eine Vorrichtung zur Wärmegewinnung aus industrieller Abwärme bekannt, die einen Boiler und einen diesem zugeordneten Wärmetauscher umfasst. Die Sekundärseite des Wärmetauschers ist dabei einerseits mit einer Kaltseite und andererseits mit einer Warmseite des Boilers verbunden, so dass ein geschlossener Kreislauf zwischen dem Boiler und dem Wärmetauscher gebildet ist. Die Primärseite des Wärmetauschers wird dabei von einem Wärmetransport-Medium durchströmt, welches von industrieller Abwärme gespeist wird. Diese bekannte Vorrichtung hat sich in der Praxis gut bewährt und bildet den Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung.From the DE 10 2006 056 979 a device for heat recovery from industrial waste heat is known, comprising a boiler and a heat exchanger associated therewith. The secondary side of the heat exchanger is connected on the one hand with a cold side and on the other hand with a hot side of the boiler, so that a closed circuit between the boiler and the heat exchanger is formed. The primary side of the heat exchanger is flowed through by a heat transfer medium, which is fed by industrial waste heat. This known device has been well proven in practice and forms the starting point of the present invention.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Wärmegewinnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich durch eine hohe Effizienz und breite Nutzbarkeit von zur Verfügung stehenden Wärmequellen auszeichnet.The invention has for its object to provide a device for heat recovery of the type mentioned, which is characterized by a high efficiency and wide usability of available heat sources.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved with the features of claim 1.

Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 dient zur Wärmegewinnung. Sie weist mindestens einen Boiler auf, der eine temperaturgeschichtete Flüssigkeit enthält. In der Regel ist der Boiler mit Wasser gefüllt, wobei auch jedes andere wärmetragende Medium geeignet ist. Die Flüssigkeit im Boiler ist temperaturgeschichtet, so dass sich im Boiler stets mindestens eine Schicht mit kalter Flüssigkeit und darüberliegend mindestens eine Schicht mit warmer Flüssigkeit befinden. In der Regel ist an der Kaltseite des Boilers noch ein Zufluss für die Flüssigkeit, insbesondere Kaltwasser vorgesehen, während an der Warmseite ein Abfluss für erwärmte Flüssigkeit, insbesondere Warmwasser vorgesehen ist. Die erwärmte Flüssigkeit wird insbesondere zu Heizzwecken genutzt, wobei alternativ oder zusätzlich auch Warmwasser zu Haushaltszwecken entnehmbar ist. Zur Erwärmung der Flüssigkeit im Boiler ist ein erster Wärmetauscher vorgesehen, dessen Sekundärseite einerseits mit der Kaltseite und andererseits mit der Warmseite des Boilers verbunden ist. Die Sekundärseite des ersten Wärmetauschers bildet daher mit dem Boiler einen in sich geschlossenen Kreislauf. Dieser Kreislauf wird vorzugsweise durch Konvektion der Flüssigkeit im Boiler angetrieben, so dass keinerlei aktive Umwälzpumpe vorgesehen ist. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Strömungsmenge der Flüssigkeit in diesem Kreislauf unmittelbar an den Wärmeeintrag gekoppelt ist. Es ist daher ausgeschlossen, dass die Flüssigkeit in diesem Kreislauf umgewälzt wird, ohne dass ein ausreichend hoher Wärmeeintrag erfolgt. Eine rein konvektionsgebundene Strömung dieses Kreislaufs setzt eine relativ intensive Erwärmung der Flüssigkeit voraus, da bei zu geringer Erwärmung die Konvektion nicht in Gang kommt.The device according to claim 1 is used for heat recovery. It has at least one boiler containing a temperature-layered liquid. In general, the boiler is filled with water, with any other heat transfer medium is suitable. The liquid in the boiler is temperature-stratified, so that there are always at least one layer of cold liquid in the boiler and above it at least one layer of warm liquid. As a rule, an inflow for the liquid, in particular cold water, is provided on the cold side of the boiler, while an outflow for heated liquid, in particular hot water, is provided on the hot side. The heated liquid is used in particular for heating purposes, with alternatively or additionally also hot water for household purposes can be removed. For heating the liquid in the boiler, a first heat exchanger is provided, the secondary side is connected on the one hand to the cold side and on the other hand to the hot side of the boiler. The secondary side of the first heat exchanger therefore forms a self-contained circuit with the boiler. This circuit is preferably driven by convection of the liquid in the boiler, so that no active circulating pump is provided. This arrangement has the advantage that the flow rate of the liquid in this circuit is directly coupled to the heat input. It is therefore impossible that the liquid is circulated in this cycle, without a sufficiently high heat input takes place. A purely convection-bound flow of this cycle requires a relatively intense heating of the liquid, since too low heating the convection does not get going.

Je nach konkreter Ausgestaltung des Heizungssystems kann es vorkommen, dass eine gewünschte Konvektionsströmung nicht in Gang kommt, wenn der Temperaturunterschied zwischen der Kaltseite und der Warmseite des ersten Wärmetauschers zu gering ist. Insbesondere kann es vorkommen, dass wegen der fehlenden Konvektionsströmung das Wärmetransportmedium im ersten Wärmetauscher nicht kondensieren kann und in der Folge die Leistung der Wärmepumpe entsprechend reduziert wird. Bei dieser reduzierten Leistung kann die Konvektionsströmung entsprechend noch schlechter in Gang kommen, so dass die gesamte Vorrichtung dann bei sehr geringer Abgabeleistung und damit schlechter Effizienz arbeitet. Um dies zu verhindern, ist dem ersten Wärmetauscher wenigstens ein zweiter Wärmetauscher nachgeordnet, der primärseitig vom Wärmetransportmedium durchströmt ist. Sekundärseitig ist dieser zweite Wärmetauscher von der im Zulauf fließenden Flüssigkeit durchströmt. Die in den Boiler zulaufende Flüssigkeit ist das kälteste Medium in der gesamten Vorrichtung. Durch den zweiten Wärmetauscher wird das Wärmetransportmedium noch weiter abgekühlt, so dass es selbst unter schwierigsten Bedingungen sicher kondensiert. Damit ist gewährleistet, dass das Wärmetransportmedium in flüssiger Form zum Kompressor zurückgeführt wird und der Kompressor dann mit hoher Leistung betrieben werden kann. Dies führt zu einer hohen Effizienz der gesamten Vorrichtung, da ineffiziente Betriebszustände zuverlässig vermieden werden. Bei dieser zusätzlichen Abkühlung des Wärmetransportmediums im zweiten Wärmetauscher wird die zum Boiler zulaufende Flüssigkeit vorerwärmt, wobei hier bewusst auf eine Temperaturschichtung verzichtet wird. Es hat sich überraschender Weise herausgestellt, dass eine Ausnutzung dieser zusätzlichen Wärme zur Temperaturschichtung im Boiler nur noch eine vernachlässig geringen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Vorrichtung hat. Andererseits wird durch ungünstige Betriebszustände – wie oben beschrieben – der Wirkungsgrad der Vorrichtung insgesamt erheblich beeinträchtigt. Vor diesem Hintergrund ist es daher günstiger, auf die maximale Ausbeute der Temperaturschichtung zu Gunsten eines stabilen Betriebszustandes der Vorrichtung zu verzichten.Depending on the specific design of the heating system, it may happen that a desired convection flow does not start when the temperature difference between the cold side and the hot side of the first heat exchanger is too low. In particular, it may happen that because of the lack of convection flow, the heat transport medium in the first heat exchanger can not condense and as a result, the performance of the heat pump is reduced accordingly. At this reduced power, the convection flow can be correspondingly even worse off, so that the entire device then works at very low power output and thus poor efficiency. To prevent this, the first heat exchanger downstream of at least a second heat exchanger, which is flowed through by the primary heat transfer medium on the primary side. On the secondary side, this second heat exchanger flows through the liquid flowing in the inlet. The liquid entering the boiler is the coldest medium in the entire apparatus. By the second heat exchanger, the heat transport medium is cooled even further, so that it condenses safely even under the most difficult conditions. This ensures that the heat transfer medium is returned in liquid form to the compressor and the compressor can then be operated at high power. This leads to a high efficiency of the entire device, since inefficient operating conditions are reliably avoided. In this additional cooling of the heat transfer medium in the second heat exchanger, the liquid flowing to the boiler is preheated, in which case intentionally dispensed with a temperature stratification. It has surprisingly been found that an exploitation of this additional heat for temperature stratification in the boiler has only a negligible effect on the efficiency of the device. On the other hand, as a result of unfavorable operating states-as described above-the overall efficiency of the device is considerably impaired. Against this background, it is therefore better to dispense with the maximum yield of the temperature stratification in favor of a stable operating state of the device.

Zur Erzielung einer universellen Anwendbarkeit der Vorrichtung zur Wärmegewinnung ist es wichtig, auch Wärmequellen verwenden zu können, deren Temperatur geringer ist als die Warmseite des Boilers. Zu diesem Zweck wird ein Wärmetransport-Medium eingesetzt, welches durch die Wärmequelle verdampft wird. Anschließend wird das Wärmetransport-Medium durch einen Kompressor komprimiert, der das Wärmetransport-Medium einschließlich der darin enthaltenen Wärme auf eine höhere Temperatur bringt. Das Wärmetransport-Medium wird anschließend durch die Primärseite des ersten Wärmetauschers geleitet, wo sie die Boilerflüssigkeit erwärmt. Gleichzeitig kondensiert das Wärmetransport-Medium, wobei die Verdampfungswärme für den ersten Wärmetauscher an die Boilerflüssigkeit abgegeben wird. Das flüssige Wärmetransport-Medium wird dann wieder zurück zur Wärmequelle geführt, wo sie erneut Wärme aufnehmen kann. Auf diese Weise wird Wärme von der Wärmequelle mit geringer Temperatur in den ersten Wärmetauscher bei höherer Temperatur transportiert.To achieve universal applicability of the heat recovery device, it is important to be able to use also heat sources whose temperature is lower than the hot side of the boiler. For this purpose, a heat transfer medium is used, which by the heat source is evaporated. Subsequently, the heat transport medium is compressed by a compressor, which brings the heat transfer medium including the heat contained therein to a higher temperature. The heat transfer medium is then passed through the primary side of the first heat exchanger where it heats the boiler fluid. At the same time condenses the heat transfer medium, wherein the heat of vaporization is discharged for the first heat exchanger to the boiler fluid. The liquid heat transfer medium is then fed back to the heat source, where it can absorb heat again. In this way, heat is transported from the low temperature heat source to the first heat exchanger at a higher temperature.

Im Gegensatz zur Nutzung von industrieller Abwärme kommt es beim Wärmepumpenbetrieb wegen des damit verbundenen Energieverbrauchs auf eine hohe Effizienz des Systems an. Ist der Wärmeeintrag der Wärmepumpe in den ersten Wärmetauscher zu gering, so kommt die Konvektion im Boiler-Kreislauf nicht in Gang. Ist der Wärmeeintrag hingegen zu hoch, so verbraucht der Kompressor viel Energie, ohne dass es zu einer merklichen Erwärmung der Flüssigkeit im Boiler kommt.In contrast to the use of industrial waste heat, heat pump operation requires high system efficiency because of the associated energy consumption. If the heat input of the heat pump in the first heat exchanger is too low, the convection in the boiler circuit does not start. On the other hand, if the heat input is too high, the compressor consumes a lot of energy, without there being any appreciable heating of the liquid in the boiler.

Zur Erzielung eines möglichst geringen Wärmeverlustes ist es gemäß Anspruch 2 vorteilhaft, wenn der erste und/oder zweite Wärmetauscher als Gegenstrom-Wärmetauscher ausgebildet ist/sind. Hierdurch wird die Boilerflüssigkeit fast auf die Temperatur des Wärmetransport-Mediums erwärmt. Damit führt die Wärmeübertragung nur zu einem sehr geringen Temperaturverlust.To achieve the lowest possible heat loss, it is advantageous according to claim 2, when the first and / or second heat exchanger is designed as a counterflow heat exchanger / are. As a result, the boiler fluid is heated almost to the temperature of the heat transfer medium. Thus, the heat transfer only leads to a very low temperature loss.

Ist der erste und/oder zweite Wärmetauscher gemäß Anspruch 3 innerhalb einer Wärmeisolation des Boilers vorgesehen, so ergeben sich besonders geringe Wärmeverluste. Vorzugsweise ist der erste Wärmetauscher um den Boiler herum oder im Boiler angeordnet, so dass auch Wärmestrahlungsverluste des Boilers teilweise im ersten Wärmetauscher regeneriert werden.If the first and / or second heat exchanger according to claim 3 provided within a heat insulation of the boiler, so there are particularly low heat losses. Preferably, the first heat exchanger is arranged around the boiler or in the boiler, so that heat radiation losses of the boiler are partly regenerated in the first heat exchanger.

Um eine möglichst effektive Konvektion aufrecht zu erhalten, ist es gemäß Anspruch 4 günstig, wenn der Wärmetauscher sekundärseitig einen größeren Leitungsquerschnitt aufweist als primärseitig. Dies führt auf der Sekundärseite zu einem geringeren Leitungswiderstand, so daß bereits eine relativ geringe Temperaturdifferenz innerhalb des Wärmetauschers zu einer wirkungsvollen Konvektionsströmung führt. Auf der Primärseite ist ein großer Leitungsquerschnitt nicht erforderlich, da das Wärmetransport-Medium ohnehin durch die Wirkung des Kompressors zwangsweise umgewälzt wird.In order to maintain the most effective convection, it is favorable according to claim 4, when the heat exchanger on the secondary side has a larger line cross-section than the primary side. This leads to a lower line resistance on the secondary side, so that even a relatively small temperature difference within the heat exchanger leads to an effective convection flow. On the primary side, a large line cross-section is not required because the heat transfer medium is forcibly circulated anyway by the action of the compressor.

Um das Wärmetransportmedium möglichst effektiv und tief zu kühlen, ist es gemäß Anspruch 5 günstig, wenn der zweite Wärmetauscher innerhalb des Zulaufs des Boilers vorgesehen ist. Damit wird die Sekundärseite des zweiten Wärmetauschers direkt vom Heizungsrückfluss bzw. vom zulaufenden Kaltwasser gekühlt. Damit wird die tiefstmögliche Temperatur für das Wärmetransportmedium erreicht.In order to cool the heat transport medium as effectively and deeply as possible, it is advantageous according to claim 5, when the second heat exchanger is provided within the inlet of the boiler. Thus, the secondary side of the second heat exchanger is cooled directly from the heating return flow or from the incoming cold water. This achieves the lowest possible temperature for the heat transport medium.

Zur Erzielung eines möglichst einfachen Aufbaues des Wärmetauscherssystems ist es gemäß Anspruch 6 günstig, wenn der erste und zweite Wärmetauscher einstückig miteinander verbunden sind. Dies kann beispielsweise erreicht werden, in dem der erste und zweite Wärmetauscher von einem Rohr gebildet sind, welches zulaufseitig innerhalb des Boilers und ablaufseitig innerhalb des Zulaufs zum Boiler vorgesehen ist. Dieses Rohr wird dabei sekundärseitig sehr effektiv von der Flüssigkeit umströmt, so dass sich ein guter Wärmeübergang vom Wärmetransportmedium zur Flüssigkeit ergibt.To achieve the simplest possible structure of the heat exchanger system, it is advantageous according to claim 6, when the first and second heat exchangers are integrally connected to each other. This can be achieved, for example, in which the first and second heat exchangers are formed by a pipe, which is provided on the inlet side within the boiler and on the outlet side within the inlet to the boiler. This tube is on the secondary side very effectively flows around the liquid, so that there is a good heat transfer from the heat transfer medium to the liquid.

Der Erfindungsgegenstand wird beispielhaft anhand der Zeichnung erläutert, ohne den Schutzumfang zu beschränken.The subject invention is exemplified with reference to the drawing, without limiting the scope.

Es zeigt:It shows:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Wärmegewinnung und 1 a schematic representation of a device for heat recovery and

2 eine räumliche Darstellung eines Wärmetauschers. 2 a spatial representation of a heat exchanger.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1 zur Wärmegewinnung. Die Vorrichtung 1 weist einen Boiler 2 auf, der mit Wasser 3 gefüllt ist. Der Boiler 2 hat einen Zulauf 4 für Kaltwasser und einen Ablauf 5 für Warmwasser. Innerhalb des Boilers 2 stellt sich eine Schichtgrenze 6 ein, bei der eine Warmseite 7 auf einer Kaltseite 8 liegt. Zwischen der Warmseite 7 und der Kaltseite 8 findet nur eine sehr geringe Durchmischung statt, so dass das Wasser der Warmseite 7 mit nahezu konstanter Temperatur entnommen werden kann. Insbesondere hängt die Temperatur des Wassers am Ablauf 5 praktisch nicht von der Höhe der Schichtgrenze 6 ab.The 1 shows a schematic representation of a device 1 for heat recovery. The device 1 has a boiler 2 on that with water 3 is filled. The boiler 2 has a feed 4 for cold water and a drain 5 for hot water. Inside the boiler 2 turns a layer boundary 6 one in which a warm side 7 on a cold side 8th lies. Between the warm side 7 and the cold side 8th Only a very small mixing takes place, so that the water of the warm side 7 can be removed with almost constant temperature. In particular, the temperature of the water depends on the drain 5 practically not from the height of the layer boundary 6 from.

Der Boiler 2 ist über Leitungen 9 mit einem im Gegenstrom betriebenen ersten Wärmetauscher 10 verbunden. Das Wasser 3 strömt dabei durch eine Sekundärseite 11 des ersten Wärmetauschers 10. Diese Sekundärseite 11 besitzt einen größeren Leitungsquerschnitt als eine Primärseite 12 des ersten Wärmetauschers 10, um zwischen dem Boiler 2 und dem ersten Wärmetauscher 10 über die Leitungen 9 eine freie Konvektionsströmung ohne Umwälzpumpe realisieren zu können. Zur Erzielung eines möglichst geringen Wärmeverlustes ist der erste Wärmetauscher 10 innerhalb einer Wärmeisolierung 13 des Boilers 3 vorgesehen. Um auch die Strahlungswärme des Boilers 2 nutzbar zu machen, erstreckt sich der erste Wärmetauscher 10 um den Boiler 2 herum.The boiler 2 is via lines 9 with a countercurrent first heat exchanger 10 connected. The water 3 flows through a secondary side 11 of the first heat exchanger 10 , This secondary side 11 has a larger wire cross-section than a primary side 12 of the first heat exchanger 10 to switch between the boiler 2 and the first heat exchanger 10 over the wires 9 To be able to realize a free convection flow without circulating pump. To achieve the lowest possible heat loss is the first heat exchangers 10 inside a thermal insulation 13 of the boiler 3 intended. In addition, the radiant heat of the boiler 2 To make usable, extends the first heat exchanger 10 around the boiler 2 around.

Zusätzlich könnten im Boiler 2 – abweichend von der Darstellung – noch Wärmequellen, beispielsweise Wärmetauscher von fossilen Brennstoffheizungen oder von Hochtemperatur-Solarthermikanlagen untergebracht sein. Derartige zusätzliche Wärmequellen im Boiler 2 haben jedoch nichts mit dem Erfindungsgegenstand selbst zu tun und sind daher nicht dargestellt.In addition, in the boiler could 2 - Deviating from the representation - nor heat sources, such as heat exchangers from fossil fuel heaters or be housed by high-temperature solar thermal systems. Such additional heat sources in the boiler 2 However, they have nothing to do with the subject invention itself and are therefore not shown.

Außerdem könnte je nach Anwendungsfall der erste Wärmetauscher 10 vom Boiler 2 durch eine zusätzliche Wärmeisolationsschicht thermisch entkoppelt sein. Je nach Anwendungsfall ist alternativ auch daran gedacht, die Trennwand zwischen dem ersten Wärmetauscher 10 und dem Boiler 2 mit Öffnungen zu versehen oder ganz wegzulassen, so dass sich auf diese Weise eine verbesserte Konvektion ausbildet.In addition, depending on the application, the first heat exchanger 10 from the boiler 2 be thermally decoupled by an additional heat insulating layer. Depending on the application, alternatively, it is also thought, the partition between the first heat exchanger 10 and the boiler 2 be provided with openings or omit altogether, so that in this way an improved convection is formed.

Die Primärseite 12 des ersten Wärmetauschers 10 wird von einem Wärmetransport-Medium 14 durchströmt, welches in einem gesonderten Kreislauf umgewälzt wird. Dem ersten Wärmetauscher 10 ist ein zweiter Wärmetauscher 10' nachgeordnet, so dass das Wärmetransport-Medium 14, welches den ersten Wärmetauscher 10 verlässt, im zweiten Wärmetauscher 10' weiter abgekühlt wird.The primary side 12 of the first heat exchanger 10 is from a heat transfer medium 14 flows through, which is circulated in a separate circuit. The first heat exchanger 10 is a second heat exchanger 10 ' downstream, so that the heat transport medium 14 , which is the first heat exchanger 10 leaves, in the second heat exchanger 10 ' is cooled further.

Zu diesem Zweck befindet sich der zweite Wärmetauscher 10' innerhalb des Zuflusses 4, so dass das Wärmetransport-Medium 14 durch die zum Boiler 2 fließende Flüssigkeit abgekühlt wird. Dies ist das kälteste Medium, welches sich in der gesamten Vorrichtung 1 befindet. Durch diese zusätzliche Unterkühlung wird erreicht, dass das Wärmetransport-Medium 14 möglichst weit unter die Kondensationstemperatur unterkühlt wird. Dies ist insbesondere in der Startphase der Vorrichtung 1 wichtig.For this purpose, there is the second heat exchanger 10 ' within the inflow 4 so that the heat transport medium 14 through to the boiler 2 flowing liquid is cooled. This is the coldest medium in the device 1 located. This additional supercooling ensures that the heat transfer medium 14 is supercooled as far as possible below the condensation temperature. This is especially in the starting phase of the device 1 important.

In dieser Startphase wird Wärme in den ersten Wärmetauscher 10 eingebracht, wobei noch kein Konvektionskreislauf mit dem Boiler 2 in Gang gesetzt ist. In dieser kritischen Startphase kann es vorkommen, dass das Wärmetransport-Medium 14 im ersten Wärmetauscher 10 nicht vollständig kondensiert und damit der Kreislauf des Wärmetransport-Mediums 14 gestört ist. Durch die zusätzliche Unterkühlung des Wärmetransport-Mediums 14 im zweiten Wärmetauscher 10' wird dieser ungünstige Betriebszustand zuverlässig ausgeschlossen.In this starting phase, heat is transferred to the first heat exchanger 10 introduced, with no convection circuit with the boiler 2 is set in motion. In this critical startup phase, it can happen that the heat transport medium 14 in the first heat exchanger 10 not completely condensed and thus the cycle of the heat transfer medium 14 is disturbed. Due to the additional subcooling of the heat transport medium 14 in the second heat exchanger 10 ' this unfavorable operating condition is reliably excluded.

Dabei wird bewusst auf eine Ausnutzung dieser Restwärme zur Erzielung einer Temperaturschichtung im Boiler 2 verzichtet. Außerdem wird auf diese Weise vermieden, dass Wärme, die im Wärmetransport-Medium 14 transportiert wird, ungenutzt zurück fließt. Auch dieser Effekt trägt zu einer Erhöhung der Effizienz der Vorrichtung 1 bei.It becomes aware of an exploitation of this residual heat to achieve a temperature stratification in the boiler 2 waived. It also helps prevent heat from entering the heat transfer medium 14 is transported, unused flows back. This effect also contributes to an increase in the efficiency of the device 1 at.

Die Primärseite 12 des zweiten Wärmetauschers 10' ist über eine Leitung 15 mit einem Behälter 15a verbunden, der als Zwischen-Wärmetauscher ausgebildet ist. In diesem Behälter 15a gibt das Wärmetransport-Medium 14 Wärme an verdampftes Wärmetransport-Medium 14 ab, welches den Behälter 15a in einer Leitung 22 durchströmt. Diese Maßname verbessert die Wärmeaufnahmefähigkeit des Wärmetransport-Mediums 14.The primary side 12 of the second heat exchanger 10 ' is over a line 15 with a container 15a connected, which is designed as an intermediate heat exchanger. In this container 15a gives the heat transport medium 14 Heat to vaporized heat transfer medium 14 which is the container 15a in a pipe 22 flows through. This measure name improves the heat absorption capacity of the heat transport medium 14 ,

Nach Verlassen des Behälters 15a gelangt das Wärmetransport-Medium 14 in ein Expansionsventil 16, welches für einen Abbau des Druckes des Wärmetransport-Mediums 14 sorgt. Das Expansionsventil 16 steht über eine Regelvorrichtung 17 mit einem Druckmessgerät 18 in Wirkverbindung, welches den Druck des Wärmetransport-Mediums in der Leitung 15 konstant hält. Der Regelvorrichtung 17 ist ein Differenzverstärker 17b vorgeordnet, der den gemessenen Druck mit einem Soll-Wert eines Sollwert-Gebers 17a vergleicht. Das Vergleichsergebnis ist dabei die Regelgröße der Regelvorrichtung 17. Dies gewährleistet, dass innerhalb des ersten Wärmetauschers 10 in etwa konstante Druckverhältnisse des Wärmetransport-Mediums 14 herrschen, so dass das Wärmetransport-Medium 14 in etwa eine konstante Kondensationstemperatur aufweist.After leaving the container 15a enters the heat transport medium 14 in an expansion valve 16 , which is for a reduction of the pressure of the heat transfer medium 14 provides. The expansion valve 16 is about a control device 17 with a pressure gauge 18 in operative connection, which the pressure of the heat transfer medium in the line 15 keeps constant. The control device 17 is a differential amplifier 17b upstream of the measured pressure with a setpoint value of a setpoint generator 17a compares. The comparison result is the controlled variable of the control device 17 , This ensures that within the first heat exchanger 10 approximately constant pressure conditions of the heat transport medium 14 prevail, allowing the heat transport medium 14 has approximately a constant condensation temperature.

Das Expansionsventil 16 steht über eine Leitung 19 mit einem weiteren, dritten Wärmetauscher 20 in Wirkverbindung, der sich mit einer Wärmequelle 21 in Kontakt befindet. Als Wärmequelle 21 kommt beispielsweise Umgebungsluft, aber auch Erdwärme oder eine solarthermische Anlage in Frage. In der Regel reicht die Temperatur der Wärmequelle 21 nicht aus, um direkt das Wasser 3 im ersten Wärmetauscher 10 aufzuheizen. Hierzu muss diese Wärme erst auf eine höhere Temperatur gebracht werden.The expansion valve 16 is over a line 19 with another, third heat exchanger 20 in operative connection, dealing with a heat source 21 in contact. As a heat source 21 For example, ambient air, but also geothermal or a solar thermal system in question. As a rule, the temperature of the heat source is sufficient 21 do not go to the water directly 3 in the first heat exchanger 10 heat. For this purpose, this heat must first be brought to a higher temperature.

Zu diesem Zweck wird das Wärmetransport-Medium 14 so gewählt, dass es innerhalb der Leitung 19 flüssig ist und durch die Wärmequelle 21 verdampft. Dieser Dampf wird über eine weitere Leitung 22 durch den Behälter 15a geleitet, wo es im Wärmeaustausch mit dem aus dem ersten Wärmetauscher 10 kommendem Wärmetransport-Medium 14 steht. Das Wärmetransport-Medium 14 wird dabei in etwa auf die Zulauftemperatur des Boilers 2 erwärmt.For this purpose, the heat transport medium 14 chosen so that it is within the line 19 is liquid and through the heat source 21 evaporated. This steam is over another line 22 through the container 15a where it is in heat exchange with the one from the first heat exchanger 10 upcoming heat transport medium 14 stands. The heat transport medium 14 will be approximately at the inlet temperature of the boiler 2 heated.

Nach Verlassen des Behälters 15a wird das Wärmetransport-Medium 14 einem Kompressor 23 zugeführt, dessen Durchfluss über die Drehzahl einstellbar ist. Der Kompressor 23 komprimiert das Wärmetransport-Medium 14, wodurch sich auch dessen Temperaturniveau erhöht. Über eine Leitung 24 gelangt das Wärmetransport-Medium 14 zurück in den ersten Wärmetauscher 10, wo es seine Wärme an das sekundärseitige Wasser 3 abgibt. Dabei kondensiert das Wärmetransport-Medium 14, so dass seine gesamte Verdampfungswärme an das Wasser abgegeben wird.After leaving the container 15a becomes the heat transport medium 14 a compressor 23 fed, whose flow is adjustable over the speed. The compressor 23 compresses the heat transport medium 14 , which also increases its temperature level. About a line 24 enters the heat transport medium 14 back to the first heat exchanger 10 where it transfers its heat to the secondary water 3 emits. The heat transfer medium condenses 14 so that all its heat of vaporization is released to the water.

Durch die Ausbildung des ersten Wärmetauschers 10 und des zweiten Wärmetauschers 10' als Gegenstrom-Wärmetauscher wird außerdem erreicht, dass das Wasser 3 nach dem Verlassen des ersten Wärmetauschers 10 nahezu die Temperatur des zufließenden Wärmetransport-Mediums 14 aufweist. Der Temperaturverlust ist sehr gering, da das zufließende Wärmetransport-Medium 14 zunächst nur die oberste Schicht des Wassers 3 erwärmt, welches schon nahezu die Temperatur des Wärmetransport-Mediums 14 erreicht hat. Das Wärmetransport-Medium 14 fließt im ersten Wärmetauscher 10 abwärts und erwärmt immer kältere Wasserschichten, wodurch es sich zusehends abkühlt. Dabei wird an einem bestimmten Punkt innerhalb des ersten Wärmetauschers 10 die Kondensations-Temperatur des Wärmetransport-Mediums 14 erreicht, so dass statt einer weiteren Abkühlung des Wärmetransport-Mediums 14 eine Kondensation desselben bei konstanter Temperatur einsetzt. Die Kondensation des Wärmetransport-Mediums 14 ist dabei vollständig, so dass die gesamte Verdampfungswärme abgegeben wird. Im unteren Bereich des ersten Wärmetauschers 10 wird das nun flüssige Wärmetransport-Medium 14 noch weiter abgekühlt und anschließend dem Expansionsventil 16 und der Wärmequelle 21 zugeführt. Auf diese Weise ergibt sich eine sehr effiziente Energienutzung der Vorrichtung 1.By the formation of the first heat exchanger 10 and the second heat exchanger 10 ' As a countercurrent heat exchanger is also achieved that the water 3 after leaving the first heat exchanger 10 almost the temperature of the incoming heat transport medium 14 having. The temperature loss is very low, as the incoming heat transfer medium 14 initially only the top layer of the water 3 heated, which is almost the temperature of the heat transfer medium 14 has reached. The heat transport medium 14 flows in the first heat exchanger 10 down and warmer and colder water layers, making it increasingly cool. It is at a certain point within the first heat exchanger 10 the condensation temperature of the heat transport medium 14 achieved, so that instead of further cooling of the heat transfer medium 14 a condensation of the same at constant temperature begins. The condensation of the heat transport medium 14 is complete, so that the entire heat of evaporation is released. In the lower area of the first heat exchanger 10 becomes the now liquid heat transport medium 14 cooled even further and then the expansion valve 16 and the heat source 21 fed. In this way results in a very efficient use of energy of the device 1 ,

Zum Betrieb der Vorrichtung 1 ist ein Temperaturfühler 25 im Bereich der Leitung 15 ausgangsseitig des ersten Wärmetauschers 10 vorgesehen. Dieser Temperaturfühler 25 misst die Temperatur des Wärmetransport-Mediums 14 nach der Wärmeabgabe im ersten Wärmetauscher 10. Über das bereits erwähnte Druckmessgerät 18 wird außerdem der Druck des Wärmetransport-Mediums 14 in der Leitung 25 bestimmt. Über eine Rechenschaltung 26, in der die Dampfdruckkurve des Wärmetransport-Mediums 14 gespeichert ist, wird hieraus die Kondensations-Temperatur des Wärmetransport-Mediums 14 berechnet und als elektrisches Signal abgegeben. Die berechnete Kondensationstemperatur wird zusammen mit dem Signal des Temperaturfühlers 25 und einem Soll-Wert eines Sollwert-Gebers 27a einem Differenzverstärker 27 zugeführt, der hieraus die Unterkühlung des Wärmetransport-Mediums 14 in der Leitung 15 unter die Kondensationstemperatur ermittelt und mit dem Soll-Wert vergleicht.To operate the device 1 is a temperature sensor 25 in the area of the line 15 on the output side of the first heat exchanger 10 intended. This temperature sensor 25 measures the temperature of the heat transport medium 14 after the heat release in the first heat exchanger 10 , About the already mentioned pressure gauge 18 In addition, the pressure of the heat transfer medium 14 in the pipe 25 certainly. About a calculation circuit 26 , in which the vapor pressure curve of the heat transport medium 14 is stored, this is the condensation temperature of the heat transfer medium 14 calculated and delivered as an electrical signal. The calculated condensation temperature is combined with the signal from the temperature sensor 25 and a setpoint value of a setpoint generator 27a a differential amplifier 27 supplied from the supercooling of the heat transfer medium 14 in the pipe 15 determined under the condensation temperature and compared with the target value.

Ein Ausgangssignal 28 des Differenzverstärkers 27 wird einer Regelvorrichtung 29 zugeführt, die den Kompressor 23 über einen Frequenzumrichter 30 ansteuert. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass das Wärmetransport-Medium 14 in Abhängigkeit von der Konvektionsströmung des Wassers 3 stets optimal umgewälzt wird. Damit wird einerseits die Wärmequelle 21 optimal genutzt und andererseits der Energieverbrauch des Kompressors 23 auf ein Minimum beschränkt. Auf diese Weise ergibt sich insgesamt ein optimaler Wirkungsgrad der Vorrichtung 1.An output signal 28 of the differential amplifier 27 becomes a control device 29 fed to the compressor 23 via a frequency converter 30 controls. In this way it is ensured that the heat transfer medium 14 depending on the convection flow of the water 3 always optimally circulated. Thus, on the one hand, the heat source 21 optimally used and on the other hand the energy consumption of the compressor 23 kept to a minimum. In this way, overall results in an optimal efficiency of the device 1 ,

Die 2 zeigt eine räumliche Darstellung eines ersten Wärmetauschers 10 und eines zweiten Wärmetauschers 10'. Zur Vereinfachung der Darstellung und zur besseren Sichtbarkeit der Details der beiden Wärmetauschers 10, 10' ist der Boiler 2 weggelassen und vom Zulauf 4 nur angedeutet.The 2 shows a spatial representation of a first heat exchanger 10 and a second heat exchanger 10 ' , To simplify the presentation and to better visibility of the details of the two heat exchanger 10 . 10 ' is the boiler 2 omitted and from the inlet 4 only hinted.

Der erste Wärmetauscher 10 weist koaxiale Doppelröhren 31 auf, die im Wesentlichen vertikal im Boiler 2 angeordnet sind. Die koaxialen Doppelröhren 31 sind ober- wie underendig über Stichleitungen 32 mit jeweils einem Verteiler 33, 34 verbunden. Der obere Verteiler 33 steht über die Leitung 24 mit dem nicht dargestellten Kompressor 23 in Verbindung und verteilt das gasförmige Wärmetransport-Medium 14 in Mantelräume der einzelnen koaxialen Doppelröhren 31. Die koaxialen Doppelröhren 31 sind innen- wie außenseitig vom Wasser 3 des Boilers 2 umströmt, so dass eine effektive Wärmeübertragung vom Wärmetransport-Medium 14 auf das Wasser 3 erfolgt.The first heat exchanger 10 has coaxial double tubes 31 on, which is essentially vertical in the boiler 2 are arranged. The coaxial double tubes 31 are above and below end stub lines 32 each with a distributor 33 . 34 connected. The upper distributor 33 is over the line 24 with the compressor, not shown 23 in communication and distributes the gaseous heat transport medium 14 in mantle spaces of the individual coaxial double tubes 31 , The coaxial double tubes 31 are inside as well as outside of the water 3 of the boiler 2 flows around, allowing an effective heat transfer from the heat transport medium 14 on the water 3 he follows.

Das kondensierte Wärmetransport-Medium 14 gelangt über den unteren Verteiler 34 in den zweiten Wärmetauscher 10', der sich innerhalb des Zulaufs 4 befindet. Dieser zweite Wärmetauscher 10' wird dabei außenseitig vom Wasser 3 des Zulaufs 4 umspült, um das Wärmetransport-Medium 14 möglichst weit unter die Kondensationstemperatur zu unterkühlen. Damit ist gewährleistet, dass Wärmetransport-Medium 14 vollständig kondensiert ist, bevor es den zweiten Wärmetauscher 10' verlässt.The condensed heat transport medium 14 passes through the lower manifold 34 in the second heat exchanger 10 ' that is within the feed 4 located. This second heat exchanger 10 ' is the outside of the water 3 of the inlet 4 lapped around the heat transport medium 14 to be cooled below the condensation temperature as far as possible. This ensures that heat transfer medium 14 is completely condensed before there is the second heat exchanger 10 ' leaves.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Vorrichtungcontraption
22: Boilerboiler
33: Wasserwater
44: ZulaufIntake
55: Ablaufprocedure
66: Schichtgrenzelayer boundary
77: Warmseitewarm side
88th: Kaltseitecold side
99: Leitungmanagement
1010: erster Wärmetauscherfirst heat exchanger
10'10 ': zweiter Wärmetauschersecond heat exchanger
1111: Sekundärseitesecondary side
1212: Primärseiteprimary
1313: Wärmeisolierungthermal insulation
1414: Wärmetransport-MediumHeat transport medium
1515: Leitungmanagement
15a15a: Behältercontainer
16 16: Expansionsventilexpansion valve
1717: Regelvorrichtungcontrol device
17a17a: Sollwert-GeberSetpoint encoders
17b17b: Differenzverstärkerdifferential amplifier
1818: Druckmessgerätpressure monitor
1919: Leitungmanagement
2020: dritter Wärmetauscherthird heat exchanger
2121: Wärmequelleheat source
2222: Leitungmanagement
2323: Kompressorcompressor
2424: Leitungmanagement
2525: Temperaturfühlertemperature sensor
2626: Rechenschaltungcomputing circuit
2727: Differenzverstärkerdifferential amplifier
27a27a: Sollwert-GeberSetpoint encoders
2828: Ausgangssignaloutput
2929: Regelvorrichtungcontrol device
3030: Frequenzumrichterfrequency converter
3131: koaxiale Doppelröhrencoaxial double tubes
3232: Strichleitungdash line
3333: oberer Verteilerupper distributor
3434: unterer Verteilerlower manifold

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102006056979 [0002]

Claims

Device for heat recovery, wherein the device ( 1 ) at least one boiler ( 2 ) comprising a temperature-layered liquid ( 3 ), whereby the boiler ( 2 ) a cold side ( 8th ) and an overhead hot side ( 7 ), wherein the boiler ( 2 ) one of the cold side ( 8th ) associated feed ( 4 ) and one of the warm side ( 7 ) associated process ( 5 ) and having a secondary side ( 11 ) at least one first heat exchanger ( 10 ) forms a circuit, wherein a primary side ( 12 ) of the first heat exchanger ( 10 ) from a heat-transfer condensing heat transfer medium ( 14 ), which heat from a heat source ( 21 ) at a lower temperature than the hot side ( 7 ) of the boiler ( 2 ) and thereby evaporates, wherein the heat source ( 21 ) at least one compressor ( 23 ), which is the heat transport medium ( 14 ) to a temperature above that of the hot side ( 7 ) of the boiler ( 2 ), characterized in that the first heat exchanger ( 10 ) primary side a second heat exchanger ( 10 ' ), which is also on the primary side of the heat transport medium ( 14 ) is flowed through and on the secondary side of the in the inlet ( 4 ) flowing liquid ( 3 ) is flowed through.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the first heat exchanger ( 10 ) and / or second heat exchangers ( 10 ' ) is designed as a counterflow heat exchanger.

Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the first heat exchanger ( 10 ) and / or second heat exchangers ( 10 ' ) within a thermal insulation ( 13 ) of the boiler ( 2 ) is provided.

Device according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that the first heat exchanger ( 10 ) and / or second heat exchangers ( 10 ' ) on the secondary side has a larger line cross-section than the primary side.

Device according to at least one of claims 1 to 34, characterized in that the second heat exchanger ( 10 ' ) within the feed ( 4 ) of the boiler ( 2 ) is provided.

Device according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that the first heat exchanger ( 10 ) and the second heat exchanger ( 10 ' ) are integrally connected.