DE2659796A1 - Verfahren zur erzeugung von waerme unter benutzung einer waermepumpe, die mit einer fluidmischung arbeitet - Google Patents

Verfahren zur erzeugung von waerme unter benutzung einer waermepumpe, die mit einer fluidmischung arbeitet

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DE2659796A1 DE19762659796 DE2659796A DE2659796A1 DE 2659796 A1 DE2659796 A1 DE 2659796A1 DE 19762659796 DE19762659796 DE 19762659796 DE 2659796 A DE2659796 A DE 2659796A DE 2659796 A1 DE2659796 A1 DE 2659796A1
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Wärme unter Benutzung einer Wärmepumpe, die mit einer Fluidmischung arbeitet.
Reichliche Mengen von warmem Wasser stehen zur Verfugung: Es handelt sich zum Beispiel um von Industriekomplexen zurückgeführten Wassermengen, die zur Kühlung von Einrichtungen gedient haben, um Wassermengen, herrührend von geothermischen Lagerstätten mit tiefer Temperatur oder noch um Wassermengen, die durch solare Strahlung erwärmt sind.
In zahlreichen Fällen ist die Temperatur des Wassers nicht genügend, um zur Heizung benützt zu werden, sei es für Heizungswohnzwecke durch Radiatoren oder zur industriellen Heizung. In
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diesem Fall ist es zur Nutzbarmachung der entzogenen Kalorien des warmen Wassers notwendig, das Temperaturniveau mittel einer Wärmepumpe anzuheben.
Zum andererseits das Maximum an Kalorien zu entziehen ist es vorteilhaft, unter den Bedingungen zu arbeiten, bei denen sich Wasser na ch dem Austausch auf der niedrigst möglichen Temperatur befindet. Wenn jedoch die Temperatur zu niedrig ist, da — der Verdampfer der Wärmepumpe, die die entsprechenden Kalorien entzieht, bei einer noch tieferen Temperatur arbeiten muß, so wird der Leistungskoeffizient der Wärmepumpe zu schwach. Die einzige Lösung, die man bis heute anwandte, um die Leistung zu erhöhen, bestand darin, mit zwei oder mehreren Wärmepumpen zu arbeiten, die in Reihe montiert sind, wobei die Evaporatoren dieser Wärmepumpen auf immer tiefer werdenden Temperaturtreppen arbeiten und jede dieser Wärmepumpen mit einem verschiedenen Fluid und/oder bei verschiedenen Verdampfer-Druckniveaus arbeiten.
Es wurde nun gefunden - was ein erster Gegenstand vorliegender Erfindung ist -daß es vorteilhaft ist, mit einer Wärmepumpe zu arbeiten, die eine richtig ausgesuchte Fluidmischung benützt. Es wurde gleichermaßen gefunden, daß es vorteilhaft ist, bei mehreren Kompreßionsstufen zu arbeiten, besonders, wenn die gelieferte Wärme dazu bestimmt ist, in einem relativ schmälen Temperaturintervall benützt zu werden. Es ist in diesem Falle
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möglich, die zu benützende thermische Leistung variieren zu lassen, indem man nur einen Teil dieser Stufen arbeiten läßt und die Mischungskomposition, die den Verdampfer passiert, daran anpaßt.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung zu schaffen, welches es gestattet, Wärme aus Wasser mit hohem Wirkungsgrad zurückzugewinnen.
Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß erfindungsgemäß eine Mischung, genannt Arbeitsfluid, mit mindestens zwei Inhaltsstoffen, die verschiedene Siedepunkte haben, verdampft wird, wobei mindestens der größere Teil der Verdampfungswärme innerhalb eines Temperaturintervalls A in einer Wärmeaustauschzone I im Gegenstroiaverfahren einem ersten äußeren Fluid entzogen wird, mindestens ein Teil des erhaltenen Dampfes in einer Kompreßionszone komprimiert wird, mindestens ein Teil des komprimierten Dampfes kondensiert wird unter Abgabe mindestens des größeren Teils der Kondensationswärme im Gegenstrom^verfahren an ein zweites, äußeres Fluid in einer Wärmeaustauschzone II bei einem Temperaturintervall B, wobei die höchste Temperatur des Temperaturintervalls B höher ist, als die höchste Temperatur des Temperaturintervalls A, und mindestens ein Teil der erhaltenen, flüssigen Fraktion entnommen, über ein Entspannventil entspannt und in die^.Wärmeaustauschzone I zurückgeschickt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Äiisfübrungsförm vorliegender Erfindung sieht man mindestens eine; zusätzliche Stufe vor» die in Serie geschaltet ist. Wenn das System seine größte thermische Leistung liefert,; nachdem; der Dampf innerhalb der ersten KompressionszOne komprimiert wurde, kondensiert man eine flüssige Fraktion, deren mittlere molare Masse oberhalb der mittleren molaren Masse der Mischung liegt, die innerhalb des Verdampfers zirkuliert unter Abgabe von Kalorien imdl beim Temperaturintervall B; man erhält so gleichermaßen eine leichtere, dampfförmige Fraktion, wie die innerhalb des Verdampfers zirkulierende Mischung« Diese dampfförmige Fraktion wird, in eine zweite Kompreßionszone geschickt und. danach,, nach Kompression, mindestens zum !eil in einer Wärmeaustauschzone; III kondensiert bei einem !Eempera^urintervall B% die so erhaltene flüssige Fraktion ist mit der flüssigen Fraktion herrührend aus der Wärmeaustausehzone II gemischtf! wonach die Mischung dieser beiden flüssigen Fraktionen in die Wärmeaustauschzone I zurückgeschickt wird.
Das zweite äußere Fluid! kann in zwei Ströme geteilt werden, die jeweils den Wärmetauscher Il und. den Wärmetauscher III durchqueren und schließlich wieder' gemischt werdien. Man kann gleichermaßen das äußere Fluid, insgesamt den. Wärmetauscher III passieren lassen und. danach, den, Wärmetauscheir II oder umgekehrt.
Es isst möglich,; eine dritte Stufe; in Serie hinzu zu schalten. In diesem Fäll ist der aus dier zweiten Kompreßionszone her-
rührende Dampf nur teilweise kondensiert und die erhaltene dampfförmige Fraktion wird in eine dritte Kompressions zone geschickt. Es ist offensichtlich möglich, mit einer Vielzahl deraritger Stufen zu arbeiten, wobei die in den aufeinanderfolgenden Stufen komprimierte dampfförmige Fraktion immer leichter wird.
Das Temperaturintervall A kann zum Beispiel eine Temperatur von O0C bis 10O0C umfassen. Die Temperaturintervalle B und B1 können zum Beispiel eine Temperatur von 4O0C bis 1500C umfassen. Jedes Temperatur int ervall erstreckt sich vorzugsweise über einen Temperaturbereich von mindestens 10°C.
Der Druck PI, bei welchem die Verdampfung der Mischung stattfindet, kann zum Beispiel einen Druckbereieh zwischen 1 und 10 atm umfassen. Der Druck P2f bei welchem die Kondensation der Mischung sich vollzieht, kann zum Beispiel einen Druckbereieh zwischen P1 und zum Beispiel 50 atm umfassen., Wemt die Kondensation bei mehreren Stufen durchgeführt wird, so sind die dazwischenliegenden Drücke zwischen PI und P2 gestaffelt*
Die benützte Fluidmischung kann in der Mehrzahl der Fälle aus einer Mischung von organischen Verbindungen bestehen, die untereinander im flüssigen Zustand mischbar sind.
Diese organischen Verbindungen sind, zum Beispiel Kohlenwasserstoff er deren Molekül 2 bis 6 Kohlenstoffatom« umfaßt f zum Beispiel fluorierte oder chlorierte Kohlenwasserstoffe mit 1 oder
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-Μ-
2 Kohlenstoffatomen. Jede stabile und nicht korrosive Verbindung kann angemessen sein unter der Bedingung, daß sie in der Mischung innerhalb des Temperaturintervalls A verdampfen kann und in Mischung innerhalb des Temperaturintervalls B durch einfache Modifikation des Druckes kondensieren kann. Die Mischung muß mindestens einen Bestandteil enthalten, dessen kritische Temperatur mindestens gleich der höchsten Temperatur des Temperaturintervalls B ist.
Vorzugsweise hat mindestens ein Mischungsbestandteil eine normale Siedetemperatur oberhalb von O0C.
Das Benützen einer Mischung, die geeignet ist, eine azeotrope Mischung zu bilden ist ausgeschlossen, falls diese Mischung eine Zusammensetzung hat, die derjenigen benachbart ist, welche diese azeotrope Mischung beim gewählten Siededruek bildet.
Die Erfindung ist durch die folgenden Beispiele dargestellt:
Beispiel 1
-, iStundej
Man verfügt über 100 m/'Wasser, welches aus einem geothermischen Brunnen mit der Temperatur von 700C strömt. Das Wasser wird in einen zweiten Brunnen zurückgeschickt, nachdem es seine Kalorien abgegeben hat. Um das Kalorienmaximum zurückzugewinnen und um die Benützungstemperatur zu erhöhen steht eine Einrichtung zur Verfügung, die als Wärmepumpe arbeitet, welche schematisch in
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Figur 1 dargestellt ist·
Das aus dem geothermischen Brunnen hervorströmende Wasser kommt "bei einer Temperatur von 7O0C über die leitung 1 in den Austauscher E1, von wo es über eine Leitung 2 mit der Temperatur von 2O0C austritt. Die derart abgegebenen Kalorien gestatten es, ein Arbeitsfluid zu verdampfen, welches aus einer Mischung besteht, dessen Zusammensetzung in molaren Fraktionen die folgende ist:
40% Chlor-Difluor^methan (R22)
60% 1,1,2-Trichlor-i, 2, 2-Trifluoräthan (R 115). Diese Mischung bildet innerhalb der benützten Arbeitszone kein azeotropes Gemisch.
tStunde.
Man läßt nun durch den Austauscher E1 157T/ »'der Mischung zirkulieren. Diese Mischung gelangt in flüssigem Zustand über die Leitung 3 in den Austauscher E1 bei einer Temperatur von 7O0C und bei einem Druck von 16 atm. Sie wird abgekühlt bis zu einer Temperatur von ungefähr 2O0C, danach entspannt bis auf einen Druck von 3 atm durch das Entspannungsventil V1, tritt über die Leitung 4 bei einem Druck von 3 atm in den Austauscher E1 ein und verläßt diesen aufs Neue über die Leitung 5 in dampfförmigem Zustand bei einem Druck von 2,5 atm und bei einer Temperatur von 65°C. Diese Mischung passiert ein erstes Mal den Austauscher E2, von wo sie über die Leitung 6 erhitzt auf die Temperatur von 850C und bei einem Druck von 2,2 atm wieder austritt.
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Die Mischung wird bis zu einem Druck von 6,6 atm in der Kompressionsstufe K1 komprimiert, die von einem Motor angetrieben wird, dessen an der Antriebswelle zur Verfügung stehende Leistung 1 MW beträgt.
Nach der Kompression wird die gasförmige Mischung über die Leitung 7 in den Austauscher E2 geschickt. Sie verläßt diesen über die Leitung 17 bei einer Temperatur von 700C. Innerhalb des Gefäses B1 erhält man eine flüssige Fraktion, deren Durchfluß-
Stunde
leistung 79 T/ ''beträgt und die über die Leitung 16 und die Pumpe P1 umgewälzt wird, wobei die Pumpe PI derart geregelt ist, um ein konstantes Niveau innerhalb des Behälter B1 aufrecht zu erhalten. Die durch die partielle Kondensation der gasförmigen Mischung innerhalb des Austauschers E2 freiwerdende Wärme erlaubt
■* , Stunde
es, 125 ώγ/ r Wasser zu erhitzen, welches über die Leitung 8 mit einer Temperatur von 650C eintritt und über die Leitung 9 mit einer Temperatur von 900C wieder austritt.
Die durch die nicht kondensierte Fraktion gebildete gasförmige Mischung wird Über die Leitung 10 dem Austauscher E3 zugeführt, den sie über die Leitung 11 wieder verläßt, erhitzt auf eine Temperatur von 850C bei einem Druck von 5,5 atm. Die Mischung wird bis auf einen Druck von 17 atm innerhalb der Kompressionsstufe K2 komprimiert, die durch einen Motor betrieben wird, dessen an der Antriebswelle zur Verfügung stehende Leistung 554 KW beträgt.
Nach der Kompression wird die gasförmige Mischung über die Lei-
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tung 12 in den Austauscher E3 gegeben. Nach der Kondensation verläßt sie den Austauscher E3 über die Leitung 13 mit einer Temperatur von 7O°C und wird in linie mit der flüssigen Fraktion gemischt, die von der Pumpe P1 herrührt und wird so von neuem umgewälzt. Die freigewordene Kondensationswärme erlaubt es,
_ »Stunde.
103 nr/Vwasser Zu erhitzen, welches über die Leitung 14 mit einer Temperatur von 65°C eintritt und den Wärmetauscher E3 über die Leitung 15 bei einer Temperatur von 9O0C wieder verläßt.
Beispiel 2
In einer Raffinerie verfügt man über Kühlwasser, herrührend aus einem Kondensator für Dämpfe, welches am Kopf einer Depentanisierungssäule (Kolonne, Verbrauchskolonne, Colonne de depentanisation) austritt.
Man hat die Arbeitsbedingungen des Kühlens in der Weise modifiziert, daß man über Wasser verfügt, welches mit 720C am Austauscherausgang zur Verfügung steht.
Es wird eine Anordnung benützt, die mit derjenigen von Figur 1 identisch ist, um warmes Wasser zur Heizung von Gebäuden zu erzeugen.
Das Wasser, welches den Kondensator verläßt, erreicht die Vorrichtung über die Linie 1 mit einer Durchflußleistung von 4,9^' Am Ausgang des Austauschers E1 übernimmt eine in der Figur 1 nicht gezeigte Pumpe das Wasser mit einer Temperatur von 290C
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über die Linie 2 und schickt es zum Kondensatorkopf der Kolonne.
Die innerhalb des Austauschers erhaltenen Kalorien erlauben es, eine Mischung von Kohlenwasserstoffen zu verdampfen, deren Zusammensetzung folgende ist:
38 Grew.-% Propan (C5 H8)
62 Gew.-% Normalpentan (C5 Η·)ρ^# D^ese Mischung bildet kein azeotropes Gemisch.
.Stunde. Durch den Austauscher E1 läßt man 2,075 Tonnen/V dieser Mischung zirkulieren, die über die Leitung 3 mit einer Temperatur von 750C und unter einem Druck von 23,2 bar absolut ankommt.
Am Ausgang des Austauschers E1, wo die Mischung bis auf 3O0C abgekühlt wird, wird die Mis-Ohung über das Entspannventil V1 einer Entspannung unterzogen, um seine Temperatur auf 250C und seinen Druck auf 4,7 bar abzusenken, wobei 3,5 Gew.-% der Mischung verdampfen.
Die flüssige Mischung und die dampfförmige Mis-Ohung treten über die Linie 4 in den Austauscher E1 ein, wo die Mischung einer totalen Verdampfung unterzogen wird und über die Linie 5 mit einer Temperatur von 650C wieder austritt.
Die Dämpfe passieren schließlich den Austauscher E2, wo sie bis auf 800C bei einem Druck von 4,5 bar erhitzt werden. Die Dämpfe passieren den Kompressor K1, von wo sie über die Linie 7 bei
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einem Druck von 10 bar und bei einer Temperatur von 1040C wieder austreten. Der Kompressor K1 wird durch einen Motor betrieben, dessen an der Antriebswelle zur Verfugung stehende Leistung 26 KW beträgt.
Die Dämpfe am Ausgang des Kompressors werden teilweise kondensiert innerhalb des Austausehers E2 und die flüssige und dampfförmige Mischung fließt über die Linie 17 in das Gefäs B1.
iStundeJ Die Kondensationswärme dieser Mischung hat dazu gedient, 5,2 m /' Wasser zu erhitzen, welches über die Linie 8 mit einer Temperatur von 700C eintritt und über die Linie 9 bei einer Temperatur von 900C wieder austritt, wobei die Durchflußleistung der konden-
■ Stunde.
sierten Fraktion 1,25 Tonnen/^beträgt· Diese Mischung wird mittels der Pumpe P1 wieder umgewälzt, wobei die Pumpe derart geregelt ist, um ein konstantes Niveau innerhalb des Behälters B1 aufrecht zu erhalten. Die gasförmige Mischung, deren Durchflußleistung 825 kg/1' beträgt, wird über die Linie 10 in den Austauscher E3 gegeben, den sie über die Linie 11 mit einer Temperatur von 900C unter einem Druck von 9,8 bar wieder verläßt. Die Mischung wird bis auf einen Druck von 23,4 bar in der Kompressionsstufe K2 komprimiert, die von einem Motor betrieben wird, dessen an der Antriebswelle zur Verfügung stehende Leistung 12,5 KW beträgt.
Die komprimierte Mischung wird über die Linie 12 in den Austauscher E3 geschickt, wo diese vollständig kondensiert wird.
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\ Sie verläßt den Austauscher E3 über die linie 13 mit einer Temperatur von 750Cf wird in Linie mit der flüssigen Fraktion gemischt, die von der Pumpe P1 herstammt und wird dana^ch wieder umgewälzt.
ι Stunde, Die frei gewordene Kondensationswärme erlaubt es, 3,2 nr/ "^Wasser zu erhitzen, welches über die Linie 14 in den Austauscher E3 mit einer Temperatur von 7O°C eintritt und diesen über die Linie 15 mit einer Temperatur von 900C wieder verläßt.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt und kann offensichtlich jedesmal dann angewendet werden, wenn es sich darum handelt, das Temperaturniveau anzuheben, wobei Kalorien innerhalb eines großen Temperaturintervalls gewonnen werden können.
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Claims (16)

Patentansprüche
1.) Verfahren zur Erzeugung von Wärme unter Benutzung einer Wärmepumpe, die mit einer Fluidmischung arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß
a) eine flüssige Mischung (M), genannt Arbeitsfluid, mit mindestens zwei Inhaltsstoffen, die verschiedene Siedepunkte haben und hinsichtlich der Verdampfung nicht azeotrop sind, in einem Temperaturintervall A, welches über der Temperatur von O0O und unterhalb von 1000C liegt, verdampft wird, wobei mindestens der größere Teil der Verdampfungswärme einem ersten äußeren Fluid entzogen wird, das die Wärmequelle in einer Gegenstrom-Wärmeaustauschzone I bildet,
b) mindestens einen Teil des erhaltenen Dampfes in einer Kompressionszone komprimiert wird,
C-) mindestens ein Teil des komprimierten Dampfes in einem Temperaturintervall B, welches oberhalb einer Temperatur von 400C liegt, kondensiert wird unter Abgabe mindestens des größeren Teils der Kondensationswärme an ein zweites, äußeres Pluid in einer Wärmeaustauschzone II, wobei die höchste Temperatur des Temperaturintervalls B höher ist als die höchste Temperatur des Temperaturintervalls A und
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d) mindestens ein Teil der erhaltenen, flüssigen Fraktion N entnommen, entspannt und in die Wärmeaustauschzone I zurückgeschickt wird, um mindestens einen Teil des Arbeitsfluids(wieder herzustellen.
2. "Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompression und die Kondensation in mehreren Stufen durchgeführt wird, wobei jede Zwischenkompressionsstufe von einer partiellen Kondensationsstufe gefolgt ist, wodurch eine flüssige Fraktion (Nn) und eine dampfförmige Fraktion erhalten wird, die in die folgende Kompressionsstufe geschickt wird, und wobei die dampfförmige Fraktion, die die letzte Kompressionsstufe verläßt, vollständig kondensiert und zurückgeschickt wird, wonach die Gesamtheit der Fraktion (Nn) entspannt und .in die Wärmeaustauschzone I zurückgeschickt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Teil des komprimierten Dampfes in der Wärmeaustauschzone II kondensiert wird und daß die erhaltene flüssige Fraktion (N.,) von der dampfförmigen, nicht kondensierten Fraktion (θ) getrennt wird, wonach diese Fraktion komprimiert und schließlich mindestens ein Teil der dampfförmigen, komprimierten Fraktion durch Wärmeaustausch kondensiert wird, wobei die Kalorien an ein äußeres Fluid in einer Wärmeaustauschzone III abgegeben werden, das ein Temperaturintervall B1 besitzt, welches wie das Temperaturintervall B definiert ist und daß mindestens ein Teil der erhaltenen flüssigen
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Fraktion (Ν«) entnommen, entspannt und in die Wärmeaustauschzone I zurückgeschickt wird, um einen zusätzlichen Teil des Arbeitsfluids (M) zu bilden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsfluid mindestens zwei Kohlenwasserstoffe umfaßt, die 2 bis 6 Kohlenstoffatome besitzen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsfluid mindestens 2 chlorierte und/ oder fluorierte Kohlenwasserstoffe umfaßt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck P1, bei welchem die Verdampfung des Arbeitsfluids in der Wärmeaustauschzone I stattfindet zwischen 1 und 10 atm umfaßt und daß der Druck P2, bei welchem die Kondensation der Mischung stattfindet, zwischen dem
Druck P1 und 50 atm liegt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssige !Fraktion (N) vor dem Entspannen
abgekühlt wird,- wobei das Abkühlen durch Wärmeaustausch mit dem Arbeitsfluid im Verlauf von Verdampfung durchgeführt wird.
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8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 "bis T1 dadurch gekennzeichnet, daß der entspannte Dampf, der von der Wärmeaustauschzone I herrührt vor der Kompression überhitzt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Überhitzen des Dampfes durch Wärmeaustausch mit dem Dampf erfolgt, der von der Kompressionsstufe herrührt.
10. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede dampfförmige Fraktion, die dazu bestimmt ist, komprimiert zu werden, vor der Kompression erhitzt wird durch Wärmeaustausch mit dem komprimierten Dampf, der von der Kompressions stufe herrührt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsfluid Propan und Normalpentan umfaßt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle Warmwasser ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle Wasser eines geothermischen Brunnens ist .^
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14· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle Wasser ist, welches zur Kühlung einer industriellen Einrichtung gedient hat.
15· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle durch solare Strahlung erhitztes Wasser ist.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Inhaltsstoffe der Mischung M eine normale Siedetemperatur oberhalb von O0C hat.
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DE19762659796 1976-01-07 1976-12-31 Verfahren zur erzeugung von waerme unter benutzung einer waermepumpe, die mit einer fluidmischung arbeitet Granted DE2659796A1 (de)

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