DE2810247C2 - Vorrichtung zum Wärmetausch zwischen einer Mehrzahl von auf unterschiedlichem Temperaturniveau liegenden Wärmeträgerfluiden - Google Patents

Description

lediglich einen Einlaß für das von der nächstniederen Druckstufe kommende flüssige Arbeitsfluid aufweist, || daß der Kompressor und die Turbine mechanisch gekoppelt sind, wobei die Dampfräume ihrer aneinander-

tß grenzender Zellen miteinander in Verbindung stehen, und daß mindestens eine der Zellen einen von einem

ff Wärmetauschermedium durchströmten zusätzlichen Wärmetauscher zur Steuerung des thermodynamischen

Ig 25 Gleichgewichts aufweist.

ι|:ί 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die angrenzenden Zellen der Kompressor-

|| und Turbinen-Vorrichtungen zu einer gemeinsamen Zelle vereinigt sind.

|1 3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensationstempe-

Is' ratur des Wärmetauschermediums etwa gleich der Arbeitstemperatur der zugehörigen Zelle ist.

S;| 30 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfungstempera-

¥i tür des Wärmetauschermediums etwa gleich der Arbeitstemperatur der zugehörigen Zelle ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmetauschermedij J um mehrere Zellen durchströmt.

% 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Koppe-

v$ 35 lung der Kompressor- und Turbinen-Vorrichtungen einen Motor aufweist, der einerseits zum Starten der

■ i Vorrichtung und andererseits zur Zufuhr ergänzender Energie sowie zur Rückgewinnung von Überschuß-

Jr;; energie dient.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Gattung (FR-PS 23 07 227) handelt es sich um eine Wärmepumpe, die einen Wärmeaustausch lediglich zwischen zwei Fluiden zuläßt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Vorrichtung derart weiterzuentwicksln, daß ein Wärmeaustausch zwischen mehreren auf unterschiedlichem Temperaturniveau liegenden Wärmeträgerfluiden ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Vorrichtung gelöst.

Ein Wärmetausch zwischen zwei verschiedenen Wärmeträgerflüssigkeiten und einem dampfförmig und flüssig vorhandenen Arbeitsmedium (z. B. Ammoniak) in mehreren aufeinanderfolgenden Stufen mit Verdichtern wurde bereits in der DE-OS 27 21 740 vorgeschlagen.

Die hier beschriebene Vorrichtung arbeitet dagegen mit einem gekoppelten System, bestehend aus einer Kompressor-Vorrichtung und einer Turbinen-Vorrichtung. In der Kompressor-Vorrichtung besteht die Möglichkeit, einen auf niedrigem Temperaturniveau anfallenden Wärmeüberschuß zu übertragen, während die Turbinen-Vorrichtung die Möglichkeit zur Übertragung eines auf hohem Temperaturniveau anfallenden Wärmeüberschusses bietet. Der zusätzliche, steuerbare Wärmetauschermedium-Strom sorgt dafür, daß das System in jedem Betriebszusland im Gleichgewicht arbeitet, wobei nur ein Minimum an Wärme und Arbeit zugeführt oder abgeführt werden muß. Es erfolgt eine Annäherung an reversible Prozesse, so daß also mit sehr gutem Wirkungsgrad gearbeitet werden kann.

Eine besonders enge Kopplung zwischen dem Kompressor- und Turbinenteil ergibt sich dadurch, daß die angrenzenden Zellen der Kompressor- und Turbinen-Vorrichtungen zu einer gemeinsamen Zelle vereinigt sind.

Sowohl in der Kompressor-, als auch in der Turbinen-Vorrichtung besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, daß die Kondensationstemperatur oder die Vcrdampfungstempcratur des Wärmetauschermediums etwa gleich der Arbeitstemperatur der zugehörigen Zelle ist. Es wird also mit latenter Wärme gearbeitet, und das jeweilige Wärmeträgerfluid durchströmt nur eine einzige zugehörige Zelle.

Alternativ dazu besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, daß das Wärmetauschermedium mehrere Zellen durchströmt, in diesem Falle wird mit fühlbarer Wärme gearbeitet, wobei sich die Temperatur des Wärmeträeerfluids ändert.

Nach einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Koppelung der Kompressor- und Turbinen-Vorrichtungen einen Motor aufweist, der einerseits /um Starten der Vorrichtung un-J andererseits zur Zufuhr ergänzender Energie sowie zur Rückgewinnung von Überschußenergie dient

Will man eine Mehrzahl von Wärmeträgerfluid-Strömen mit vorgegebener sensibler oder latenter Wärme in einer Kompressor-Vorrichtung zusammenschalten, von denen jeder der Ströme durch vorgeschriebene Werte bezüglich der Menge und der System-Eintritts- und Austrittstemperatur charakterisiert ist, so muß man besondere Vorkehrungen treffen.

Die Wärmemenge, die insgesamt in die Vorrichtung eingebracht wird, vermehrt um die Arbeit der Kompressor-Druckstufen, soll genau so groß sein wie die aus der Vorrichtung abgeführten Wärmemenge.

Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf den idealen Prozeß der Vorrichtung, der lediglich reversible Vorgänge umfaßt und eine einfache Darstellung ermöglicht. Hierfür weist die Vorrichtung eine unendliche Anzahl von Einheiten auf, deren Kompressor-Druckstufen mit einem Wirkungsgrad von 1 arbeiten, wobei sämtliche Austauschvorgänge isotherm verlaufen.

Eine beliebige Stufe der Vorrichtung wird durchströmt von einer bestimmten Anzahl von fühlbare Wärme tragenden Wärmeträgerfluid-Strömen mit den Mengen /i|, μι... μ_η und der Massenwärme Ci, C2... C_n. Man zählt die Werte /i, positiv, wenn sie in Richtung fallender Temperaturen strömen, und negativ, wenn sie in Richtung steigender Temperaturen ström-n. Es gilt:

Sämtliche Wärmeträgerfluide liegen in einem Temperaturbereich zwischen T₀ und T_n, wobei der gesamte Temperaturbereich der Vorrichtung in Temperaturintervalle (Ta. T₁),... (T₁, T^ i)... (T„-\, T_n) eingeteilt ist, in welchen die Wärmeträgerfluide dieselben bleiben. In demjenigen Komplex von Einheiten, welcher irgendeinem Intervall T₁, Ti₊ 1 entspricht, bleibt G konstant und gleich G,.,+ i. Es seien m, bzw. m_i+i die Mengen des Arbeitsfluids, welche in diesen Komplex eintreten bzw. aus ihm austreten, und L, und L₁₊1 die latenten Verdampfungswärmen des Arbeitsfluids bei T, und 7/+1- Für einen derartigen Komplex gilt, wobei noch kein Wärmeträgerfluid-Strom mit latenter Wärme vorhanden ist:

W)+i Li+i _ W/^-ί .j. Q L₀- T₁ ν j ^

'/+ι ^li 'ι

Gleichermaßen gilt für mehrere in Reihe angeordnete Komplexe, welche mit «, A-H ..., k, k+ \,...ß— \,ß bezeichnet sind:

* τ ^3b

Log -£*-.

'k

Wenn diese in Reihe geschalteten Komplexe außerdem bei Temperaturstufen T₁ Wärmeträgerfluid-Ströme mit latenter Wärme aufweisen, welche durch Einführung einer Menge ///My des Wärmeträgerfluids gekennzeichnet sind, wobei Am₁ positiv zählt, wenn es sich um eine Dampfmenge handelt, und negativ, wenn es sich um eine Flüssigkeitsmenge handelt, so gilt:

—ir*- " Sr*" ⁺ 2j C*,_t+i Log *⁺ + _ ·

Tß T„ _a T_k Tj

Für sämtliche η Komplexe der Vorrichtung soll sich folglich ergeben:

Σ Cu₊. Log JItL ₊ 1 Ι 1

50

In diese Gleichung gehen lediglich diejenigen Größen ein, die mit der Definition der Wärmeträgerfluid-Ströme verbunden sind, welche man zusammenführen will. Im allgemeinen ist für eine vorgegebene Gruppe von Wärmeträgerfluid-Strömen die vorstehende Gleichung nicht von vornherein erfüllt, und es gilt:

55

Erfindungsgemäß führt man folglich in die Vorrichtung eine zusätzliche Heizung oder Kühlung ein, und zwar mit Hilfe von Wärmeträgerfluid-Strömen, bei denen es sich handeln kann um:

— Wärmeträgerfluide mit fühlbarer Warme, gekennzeichnet durch die Größen ö,,,.,,,., 1 und die Temperaturen

7/if, //IM I)

— Wärmeträgerfluide mit latenter Wärme, gekennzeichnet durch die Mengen /Sq_x, die Temperaluren Ti und

die latenten Verdampfungswärmen Li,

wobei gilt:

Somit bietet die Erfindung die Möglichkeit, die Wärmeaustauschvorgänge in dem unendlich vielfältigen System ins Gleichgewicht zu bringen, und zwar abhängig von nur einem einzigen Freiheitsgrad.

Wenn man nach dem ersten Ausführungsbeispiel eine Wärmequelle, gebildet durch ein Wärmeträgerfluid mit fühlbarer Wärme, zwischen die Temperaturen T„ und Tb legt, kann man die Vorrichtung einen ergänzenden ίο Wärmeträgerfluidstrom einführen, in welchem eine Menge fließt, die man etwa an folgenden Wert anpaßt:

G₀ Log-^-- -Λ.

* a

Wenn nach einem weiteren Ausfühi ungsbcispiei eine Quelle latenter Wärme auf eine Temperatur T₁ gelegt wird, kann man bei dieser Temperatur einen Wärmeträgerfluid-Strom in die Zelle einführen, dessen Menge Aq_c sich etwa folgendermaßen errechnet:

«'fr

Es ergibt sich, daß diese Resultate qualitativ gültig bleiben für eine reale Vorrichtung, die eine endliche Anzahl von Einheiten, reale Kompressor-Druckstufen und von Null abweichende Unterschiede in den Austauschtemperaturen aufweist. Allerdings führt man im letztgenannten Fall die Wärmeträgerfluid-Ströme derart in die Einheiten ein, daß man zwischen den Temperaturen der Wärmeträgerfluide und den Temperaturen der Einheiten eine Temperaturdifferenz hat, welche einem Austausch-Temperaturunterschied in der gewünschten Richtung entspricht.

Ferner gilt, daß sich im Falle der idealen Vorrichtung die Dampfmenge des Arbeitsfluids, welche aus der Einheit einer beliebigen Ordnung y austritt, folgendermaßen berechnet:

m,-

Die Menge my hat physikalisch nur Sinn, wenn sie positiv ist. Sie drückt aus, daß die Massenbilanz der Flüssigkeitsmengen, welche durch den Wärmeüberschuß verdampft werden, der bei den Austauschvorgängen in den Stufen tieferer Temperaturen auftritt, und derjenigen Mengen, die durch den Wärmeunterschuß in denselben Stufen kondensiert werden, positiv ist. Wenn die Bilanz Null passieren und negativ werden würde, wäre dies ein Anzeichen dafür, daß in den vorgegebenen Wärmeträgerfluid-Strömen Wärme auf hohem Niveau existierte, deren Niveau man in Richtung auf fallende Temperaturen erniedrigen müßte, um die Austauschvorgänge wieder ins Gleichgewicht zu bringen.

Es ergibt sich, daß diese Resultate für eine reale Vorrichtung qualitativ gültig bleiben. Die obige Bedingung, die tatsächlich die Anwendungsgrenzen des Verfahrens festlegt, kann »Anwendungsbedingung für Kompressor-Vorrichtungen« genannt werden, wobei mit dem Ausdruck »Kompressor-Vorrichtung« eine vollständige Gcsamteinrichtung gemeint ist, wie sie weiter oben beschrieben wurde.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung mit Wärmeträgerfluid-Strömen, bei der die Austauschvorgänge ein Ungleichgewicht durch einen Überschuß bei hohem Niveau und ein Ungleichgewicht durch einen Unterschuß bei niedrigem Niveau auftreten lassen.
Man führt dabei die Wärmeaustauschvorgänge durch in einer Folge von Einheiten mit abgestuften Druck/ Temperatur-Werten einerseits zwischen einem Dampf eines Arbeitsfluids in Anwesenheit von dessen Flüssigkeit und andererseits Wärmeträgerfiuiden mit fühlbarer Wärme, weiche in Wärmetauschern Zirkulieren, die in Reihe die Zellen durchsetzen. Jede Zelle erhält von der »folgenden« Zelle, das heißt, von der Zelle unmittelbar höherer Ordnung, eine Menge an kondensierbarem Dampf des Arbeitsfluids, der sich von dem Druck dieser folgenden Zelle bis auf den Druck der betreffenden Zelle entspannt, und sie liefert mittels einer Pumpe an die folgende Zelle eine gleich große Menge an Arbeitsfluid in flüssiger Form. Die Austauschvorgänge in einer Zelle werden durchgeführt einerseits zwischen den Mengen des Arbeitsfluids, die sowohl dampfförmig als auch flüssig hindurchströmen, und andererseits den verschiedenen Wärmeträgerfluiden mit fühlbarer Wärme, seien es die, die in Richtung abfallender Ordnung strömen und Wärme in die Zelle eintragen, oder die, die in Richtung aufsteigender Ordnung strömen und Wärme aus der Zelle abziehen. Dabei ergibt der Ausgleich der Wärmezu- und -abfuhren in der Zelle einen Massenaustausch zwischen den dampfförmigen und flüssigen Strömen des Arbeitsfluids: nämlich eine Dampferzeugung, wenn die Bilanz insgesamt einer Wärmezufuhr entspricht, oder eine Kondensation des Dampfes, wenn die Bilanz insgesamt einer Wärmeabfuhr entspricht. So kann, wenn die Bilanz der Austauschvorgänge in der betreffenden Einheit einen Wärmeüberschuß ergibt dieser Oberschuß in Form latenter Wärme gespeichert und zu den Einheiten niedrigerer Druck/Temperatur-Werte transportiert werden, um dort verbraucht zu werden. Ebenso kann, wenn die Austauschvorgänge einen Wärmeunterschuß ergeben, die fehlende Wärme durch Kondensation von derjenigen Wärmemenge abgezogen werden, welche im Dampf enthalten ist und durch Überschußwärme in den Einheiten höherer Ordnung erzeugt worden war.

Die linlspannung der Dampfmenge von einer Einheit zur anderen kann erfindungsgemäü in einer Turbine durchgeführt werden, und die Rotoren der Turbincnsiufcn, welche den verschiedenen Einheilen entsprechen, können durch Aufkeilen auf eine oder mehrere Wellen miteinander gekoppelt werden.

Will man mehrere Wärmeströme, deren Charakteristika von vorneherein vorgegeben sind, in einer Turbinen-Vorrichtung miteinander kombinieren, müssen spezielle Maßnahmen ergriffen werden.

Die in der Vorrichtung durch die Wärmeträgerfluide zugeführte Wärme soll insgesamt gleich sein der gesamten abgezogenen Wärme, vermehrt um die Summe der Arbeit der Turbinen. Außerdem sei auf eine ideale Maschine Bezug genommen, in der nur reversible Vorgänge ablaufen.

Wenn man auf dieselben Bezeichnungen wie bei der Kompressor-Vorrichtung zurückgreift und folgende Vorzeichenregel einführt

m, > 0, wenn die Dampfmenge des Arbeitsfluids in Richtung ansteigender Druck/Temperatur-Werte strömt, m, < 0, wenn die Dampfmenge des Arbeitsfluids in Richtung abfallender Druck/Temperatur-Werte strömt,

so ergibt sich, daß man für die Turbinen-Vorrichtung genau dieselben Formeln verwenden kann wie für die Kompressor-Vorrichtung.

Man kann folglieh direkt die Resultate angeben, da sie mit den oben gewonnenen übereinstimmen.

Wenn man eine Gruppe von Wärmeträgerfluid-Strömen unter Anwendung des beschriebenen Verfahrens miteinander in Verbindung setzen will, ist es im allgemeinen notwendig, dem System wenigstens einen zusätzlichen Wärmeträgerfluid-Strom zuzuführen, welcher nur von einem einzigen Freiheitsgrad abhängig ist.

Andererseits ist es notwendig, daß für jede Zelle die Wärme, welche insgesamt durch die wärmeabgebenden Wärmeträgerfluid-Slröme in den Einheiten größerer Ordnung zugeführt wird, größer als die Wärme ist, welche insgesamt in denselben Einheiten durch die wärmeaufnehmenden Wärmeträgerfluid-Ströme abgeführt wird, vermehrt um die gesamte Arbeit der Turbinen in diesen Einheiten. Diese Bedingung wird »Anwendungsbedingung der Turbinen-Vorrichtungen« genannt.

Die Erfindung verwendet Kompressor-Vorrichtungen und Turbinen-Vorrichtungen, welche in den Temperaturintervallcn (To, 71), (T], Ti)... (T_n- \, T„) arbeiten, innerhalb welcher entweder die Bedingungen der Kompressor-Vorrichtungen oder die Bedingungen der Turbinen-Vorrichtungen herrschen, wie sie oben beschrieben wurden.

Wie außerdem weiter oben aufgezeigt, kann man die Zellen benachbarter Einheiten von zwei Komplexen unterschiedlicher Art zusammenlegen. So daß man nur eine einzige Zelle erhält.

Man kann ferner die Abschnitte eines vorgegebenen Wärmeträgerfluid-Stroms, welcher zwei benachbarte Komplexe durchsetzt, vereinigen. Wenn man nur ideale Vorrichtungen berücksichtigt, ergibt sich für eine Gruppe von Kompressor-Vorrichtungen ebenso wie von Turbinen-Vorrichtungen die Menge des Arbeitsfluids, welche aus einer Zelle der Ordnung λ austritt:

Dabei ist m^in den Kompressor-Zellen positiv und in den Turbinen-Zellen negativ.

Die Temperaturintervalle, in welchen man entweder Kompressor-Vorrichtungen oder Turbinen-Vorrichtungen findet, sind folglich definiert durch die zugehörigen Bedingungen:

rhy > 0, m_r < 0

Andererseits kann man für das gesamte Intervall (To, T_n) diejenigen Bedingungen aufstellen, die die ergänzenden Wärmeträgerfluid-Ströme erfüllen müssen, welche man dem System zuführen muß, um die Austauschvorgänge ins Gleichgewicht zu bringen.

Wenn für die vorhandenen Wärmeträgerfluid-Ströme gilt:

so müssen die ergänzenden Wärmeträgerfluid-Ströme der Bedingung genügen:

¹ " ' '

Die Zufuhr von zusätzlicher Wärme zum Abgleichen der Alistauschvorgänge im gesamten Temperaturbereich (To, T_n) kann sichergestellt werden durch einen einzigen zusätzlichen Wärmeträgerfluid-Strom, der nur einen einzigen Freiheitsgrad bcsitzt-

Die vorstehenden Ausführungen, die für ideale Systeme gelten, sind auch für reale Systeme gültig.

Wenn man die zusätzliche Wärme in Form eines Dampfes zuführt, welcher bei einer bestimmten Temperatur (entsprechend dem Sättigungsdruck) kondensiert, so ist der zusätzliche Wärmetauscher für den zusätzlichen Wärmeträgerfluid-Strom in derjenigen Zelle anzuordnen, deren Arbeitstemperatur im wesentlichen gleich

dieser bestimmten Temperatur ist. Die Regelung ergibt sich dann durch die Fluidmenge des kondensierten Dampfes.

Gleichermaßen kann man, wenn es zum Herstellen des thermodynamischen Gleichgewichts notwendig ist, Wärme abzuführen, auf eine Flüssigkeit mit einer Temperatur nahe deren Siedepunkt zurückgreifen, welche 5 man in einem zusätzlichen Wärmetauscher verdampfen läßt, der in der auf dieser Temperatur liegenden Zelle angeordnet ist.

Wenn die zusätzliche Wärme durch eine geeignete Wärmeträger-Flüssigkeit zu- oder abzuführen ist, welche in einem genügend großen Temperaturintervall arbeitet, so muß der zusätzliche Wärmetauscher in der gesamten Zeilengruppe angeordnet sein, welche diesem Intervall entspricht, wobei er in der geeigneten Richtung ίο durchströmt wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den schematischen Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in F i g. 1 eine einzelne Einheit einer Kompressor-Vorrichtung,

. F i g. 2 die Vereinigung einer Mehrzahl von Wärmeträgerfiuid-Strömen in einer Kompressor-Vorrichtung,

*·" is F i g. 3 eine einzelne Einheit einer Turbinen-Vorrichtung,

!' F i g. 4 die Vereinigung einer Mehrzahl von Wärmeträgerfiuid-Strömen in einer Turbinen-Vorrichtung und

F i g. 5 eine Vorrichtung, in welcher eine Kompressor-Vorrichtung und eine Turbinen-Vorrichtung gekoppelt sind.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ermöglicht einen Wärmeaustausch zwischen einer Mehrzahl von 20 Wärmeträgerfluiden, die Wärme in irgendeiner beliebigen Weise (bei konstanter Temperatur oder bei abgestuf- _;j ten Temperaturen) heranführen oder entnehmen. Hierfür zeigt F i g. 1 den allgemeinen Aufbau einer Einheit der

:y Vorrichtung. Diese Einheit funktioniert im Prinzip wie die in der DE-OS 27 21 740 vorgeschlagenen Stufen, was

' : die Strömung des dampfförmigen und flüssigen Arbeitsfluids anbelangt. Die Zelle dieser Einheit, die eine

i!i Druckstufe 60 des Kompressors aufweist, enthält

' — Wärmeträgerfluide mit fühlbarer Wärme, die durch Wärmetauscher 51 und 52 hindurchgehen, die in

Richtung nächstniederer aufeinanderfolgender Druckslufen oder Zellen angeordnet sind und Wärme zuführen, und durch einen Wärmetauscher 53, der in Richtung nächsthöherer Druckstufen angeordnet ist und ' Wärme abzieht;

_; ;. 30 — ein Wärmeträgerfluid mit latenter Wärme, das durch einen Wärmetauscher 54 hindurchgeht, der für das

£j, Arbeitsfluid als Kondensator und für das verdampfbare Wärmeträgerfluid, welches flüssig an der Stelle 56

;| eintritt und dampfförmig an der Stelle 57 austritt, als Verdampfer arbeitet, und ein Wärmeträgerfluid mit

=§i latenter Wärme durch einen Wärmetauscher 55, der für das Arbeitsfluid als Verdampfer und für das

i':"■ kondensierbare Wärmeträgerfluid, das dampfförmig an der Stelle 58 eintritt und flüssig an der Stelle 59

lii 35 austritt, als Kondensator arbeitet.

§. Sämtliche Wärmeträgerfluide tauschen ihre Wärme in der Zelle mit Hilfe des Arbeitsfluids aus. Wenn die

f| Enthalpiebilanz der Einheit ergibt, daß die von sämtlichen Wärmeträgerfluiden eingebrachte Wärme, vermehrt

^i um die Arbeit der Verdichter-Druckstufe, größer ist als die von sämtlichen Wärmeträgerfluiden abgeführte

β 40 Wärme, erzeugt der Wärmeüberschuß Arbeitsfluid-Dampf. wobei die hierbei eine Rolle spielende und in dem

P Dampf des Arbeitsfluids enthaltene Wärmemenge von den Kompressor-Druckstufen zu den nächsthöheren

?: Druckstufen befördert wird, wo sie gebraucht wird. Wenn die Enthalpiebilanz hingegen einen Wärmeunterschuß

β bei den Austauschvorgängen ergibt, erhält man die fehlende Wärmemenge aus der Kondensation des Dampfes

'§, des Arbeitsfluids. Dieser Dampf der aus dem Wärmeüberschuß der in den nächstniederen Druckstufen stattfin-

II·¹ 45 denden Wärmeübergängen erzeugt worden ist. stellt gerade denjenigen Überschuß dar, der in der vorliegenden

Einheit verbraucht wird.

Eine Vorrichtung zur Vereinigung einer Mehrzahl von Wärmeträgerfiuid-Strömen ist in Fig.2 dargestellt. Die Vorrichtung weist aufeinanderfolgende Komplexe auf, von denen jeder von einer bestimmten Anzahl von Wärmeträgerfluid-Strömen durchsetzt wird. Gemäß F i g. 2 handelt es sich um sechs Komplexe 61 bis 66, die in so der Reihenfolge der Temperaturabstufungen nummeriert sind, wobei jeder der Komplexe 61 bis 66 eine bestimmte Anzahl von Einheiten aufweist. Der Kompiex 6t umfaßt drei Einheiten 611,612 und 613, der Komplex Il 62 drei Einheiten 621,622 und 623, der Komplex 63 zwei Einheiten 631 und 632, der Komplex 64 vier Einheiten

641,642,643 und 644, der Komplex 65 zwei Einheiten 651 und 652 und der Komplex 66 drei Einheiten 661,662 und 663. Die Komplexe 61 bis 66 liegen in Reihe in den Dampf- und Flüssigkeitsströmen des Arbeitsfluids. Der 55 Dampf des Arbeitsfluids strömt vom Komplex 61 zum Komplex 62, von dort zum Komplex 63, von dort zum Komplex 64, von dort zum Komplex 65 und von dort zum Komplex 66, und zwar jeweils durch zugehörige Rohrstutzen 625, 635, 645, 655 und 665, während die Flüssigkeit des Arbeitsfluids vom Komplex 66 zum Komplex 65, von dort zum Komplex 64, von dort zum Komplex 63, von dort zum Komplex 62 und von dort zum Komplex 61 strömt, und zwar ebenfalls jeweils durch zugehörige Rohrstutzen 656,646,636,626 und 616. Ferner 60 zeigt F ig. 2:

— zwei Wärmeträgerfluid-Ströme 67 und 68, die fühlbare Wärme abgeben;

— drei Wärmeträgerfluid-Ströme 69,70 und 71, die fühlbare Wärme aufnehmen;

— einen Wärmeträgerfluid-Strom 72, der latente Wärme aufnimmt (Kondensator für das Arbeitsfluid); 65 — einen Wärmeträgerfluid-Strom 73, der latente Wärme abgibt (Verdampfer für das Arbeitsfluid);

— der Komplex 61 wird von dem Wärmeträgerfluid-Strom 67 durchsetzt;

— der Komplex 62 wird von den Strömen 67 und 69 durchsetzt, wobei die Einheit 623 vom Komplex 62 den Strom 73 enthält;

— der Komplex 63 wird von den Strömen 67,68 und 69 durchsetzt;

— der Komplex 64 wird von keinem Wärmeträgerfluid-Strom durchsetzt;

— der Komplex 65 wird von dem Strom 70 durchsetzt, wobei die Einheit 652 vom Komplex 65 den Wärmeträgerfluid-Strom 72 aufnimmt;

— der Komplex 66 wird von den Strömen 70 und 71 durchsetzt.

In der Einheit 611 wird die gesamte zuströmende Flüssigkeit des Arbeitsfluids verdampft.

In der Einheit 663 wird der gesamte zuströmende Dampf des Arbeitsfluids kondensiert.

In F i g. 3 ist eine Turbinen-Vorrichtung mit einer Zelle 81 dargestellt, welche in ihrem oberen Teil mit dampfförmigem und in ihrem unteren Teil mit flüssigem Arbeitsfluid gefüllt ist. Sie erhält über eine Turbine 82 eine Menge an dampfförmigem Arbeitsfluid aus der Einheit höherer Ordnung und gibt über eine Pumpe 83 dieselbe Menge an Arbeitsfluid in flüssiger Form an diese Einheit ab. Gleichzeitig strömt dampfförmiges Arbeitsfluid durch einen Rohrstutzen 84 zur Einheil niedrigerer Ordnung. Dabei erhält die Zelle flüssiges

■ Arbeitsfluid aus dieser Einheit niedrigerer Ordnung über einen Rohrstutzen 85.

Die Zelle wird von mehreren Wärmeirägerfluid-Strömen durchsetzt:

^: — Wärmeträgerfluid-Ströme mit fühlbarer Wärme fließen durch einen Wärmetauscher 86, der in Richtung

nächstniederer Druckstufen angeordnet ist und Wärme zuführt, und durch Wärmetauscher 88 und 89, die in Richtung nächsthöherer Druckstufen angeordnet sind und Wärme abziehen,

— ein Wärmeträgerfluid-Strom mit latenter Wärme fließt durch einen Wärmetauscher 90, der einen Kondensator für das Arbeitsfluid und einen Verdampfer für das verdampfbare Wärmeträgerfluid darstellt, welches

an der Stelle 91 flüssig eintritt und an der Stelle 92 in Dampfform austritt, und ein Wärmeträgerfluid-Strom mit latenter Wärme fließt durch einen Wärmetauscher 93, der einen Verdampfer für das Arbeitsfluid und einen Kondensator für das kondensierbare Wärmeträgerfluid bildet, welches in Dampfform an der Stelle 94 : eintritt und flüssig an der Stelle 95 austritt.

Gemäß Fig.4 weist die Vorrichtung eine Aufeinanderfolge von Einheiten auf, die nach steigenden Druck/ : Temperatur-Werten geordnet und von 101 bis 106 nummeriert sind. Die Vorrichtung umfaßt ferner:

— Wärmeträgerfluid-Ströme 107 und 108 mit fühlbarer Wärme zum Aufheizen;

— Wärmeträgerfluid-Ströme 109 und HO mit fühlbarer Wärme zum Kühlen;

— einen Kondensator-Wärmetauscher 111 und

— einen Verdampfer-Wärmetauscher 112.

In der Zelle der Einheit 101 wird der eintretende Dampf des Arbeitsfluids vollkommen kondensiert.

In der Zelle der Einheit 106 wird die zuströmende Flüssigkeit des Arbeitsfluids vollkommen verdampft.

F i g. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung, bei dem man eine Kompressor-Vorrichtung und eine Turbinen-Vorrichtung gekoppelt hat.

Diese Figur zeigt zwei Einheiten 113 und 114 höherer Ordnung einer Kompressor-Vorrichtung lila, welche über eine Druckstufe 115 eines Verdichters und eine Rohrleitung 116 miteinander in Verbindung stehen, sowie ferner eine Einheit 112 der Ordnung /, wobei die erstgenannten Einheiten von einem Wärmetauscher 117 durchsetzt sind und wobei der Kompressor-Komplex zwischen den Temperaturen 7"o und T\ arbeitet

Ferner zeigt Fig.5 zwei Einheiten 118 und 119 niedrigerer Ordnung einer Turbinen-Vorrichtung 120, die zwischen den Temperaturen Ti und T₂ arbeitet, und eine Einheit 121 der Ordnung./, wobei die beiden niedrigeren Einheiten von einem kühlenden Wärmetauscher 122 durchsetzt sind und über eine Turbine 123 sowie eine Pumpe 124 miteinander in Verbindung stehen.

Um das thermodynamische Gleichgewicht des gesamten Systems herzustellen, verwendet man eine Flüssig-

■ keit, deren Verdampfungstemperatur der in der Einheit 112 herrschenden Temperatur nahekommt. Diese Flüssigkeit strömt durch einen zusätzlichen Wärmetauscher 125, und ihre Menge wird durch ein Ventil 126 gesteuert. Da die Arbeitsfluide in der Kompressor-Vorrichtung lila und in der Turbinen-Vorrichtung 120 identisch sind, hat man die Atmosphären der Einheiten ί 14 und ί ie durch einen Rohrstutzen ί 27 von geeignetem Querschnitt verbunden.

, Der Antrieb des Ventils 126 kann über Daten geregelt werden, welche von einem Rechner kommen, der die

Mengen der verschiedenen Wärmeträgerfluide, die die beiden Vorrichtungen durchsetzen, sowie ferner die Temperaturen der Zellen und die Mengen der Arbeitsfluide berücksichtigt Da die Atmosphären der äußeren Einheiten 114 und 118 der beiden Vorrichtungen lila und 120 miteinander in Verbindung stehen, kann ein

' genaues Gleichgewicht der Temperaturen 7i hergestellt werden, weil in jeder Zelle die Flüssigkeit in Anwesenheit des Dampfes vorliegt und der Rohrstutzen 127 die Atmosphären der beiden Zellen miteinander in Verbindung treten läßt Diese Verbindung kann ohne weiteres ersetzt werden durch Vereinigung der beiden Einheiten \ 114 und 118 zu einer einzigen Zelle.

Schließlich werden die als gemeinsam angenommenen Wellen sämtlicher Druckstufen der Kompressor-Vor-

¹' richtung lila und die als gemeinsam angenommenen Wellen sämtlicher Turbinen der Turbinen-Vorrichtung 120

über eine Kupplung 128 mechanisch miteinander gekoppelt.

Nach F i g. 5 sind die kühlenden Wärmetauscher 117 und 122, welche die Einheiten 114 bzw. 118 durchsetzen,

I, getrennt

.j' Als Arbeitsfluid wird ein beliebiges Fluid verwendet, welches ein leichtes Befördern von Wärme- oder

Kältekalorien ermöglicht, beispielsweise Ammoniak, Methanol, Äthanol, die »Frigene«, Tetrachlorkohlenstoff

t CCU, Schwefelkohlenstoff CS₂, Äthyläther, Reinbenzol und sogar Wasser. Die Wärmeträgerfluide können von

beliebiger Art sein. Es kann Jen um Fluide handeln, die in irgendeinem chemischen, energischen oder anderen Prozeß vorhanden oder verfügbar sind.

Die Erfindung soil außerdem noch anhand eines konkreten Beispiels für eine Zusammenschaltung von Wärmeströmen veranschaulicht werden. Dabei handelt es sich um folgende Wärmeströme (wobei g die kalori-5 sehe Kapazität ist):

I. Fühlbare Wärme

a) zuführend

5000 kW zwischen 200 und 250°C. jr, -100 kWrC 10 4000 kW zwischen 80 und 120⁰C^i = 100 kW/" C

b) abziehend

4200 kW zwischen 180 und 240⁰C₁^i = -70 kW/°C

2800 kW zwischen 170 und 210⁰C^₂--70 kWrC

600 kW zwischen 110 und 150° C, g₃ « -15 kW/" C

is 3150 kW zwischen 220 und 265°C g¹* = - 70 kW/"C

II. Latente Wärme a) zuführend

1731 kW bei 265° C 20 b) abziehend

667 kW bei 140⁰C

Bestimmte dieser Ströme nehmen am eigentlichen Prozeß teil, andere werden ergänzend zugeführt, um die Energiebilanz auszugleichen. Das gesamte System befindet sich folglich im Gleichgewicht

25 Die nachfolgende Tabelle zeigt die charakteristischen Daten der erfindungsgemäßen Vorrichtung für den vorliegenden konkreten Anwendungsfall. Bezogen auf den Aufbau der Vorrichtung, sind die verschiedenen physikalischen Größen, die den Prozeß beeinflussen, bei sämtlichen Temperaturniveaus dargestellt: Wärmemengen und Arbeit, die in sämtlichen Temperatunntervallen auftreten. Menge des Arbeitsfluids an den Grenzen der Temperaturintervalle, etc.

30 Das in der Vorrichtung verwendete Arbeitsfluid ist Wasser.
Insgesamt führt man der Vorrichtung zu:

9000 kW Wärme

779 kW mechanische Kompressorenergic,
35

und man führt ab:

1750 kW Wärme
82 kW mechanische Turbinenenergie.

40

Die der Vorrichtung /ugeführie mechanische Energie beträgt folglich insgesamt 697 kW.

Schließlich sei darauf hingewiesen, daß der Übergang von der Kompressor- zur Turbinen-Vorrichtung bei

derjenigen Temperatur in der Rechnung erscheint, bei der der Ausdruck-^—durch Null hindurchgehl und 45 negativ wird.

50

55

b0

b5

Turbinen

τι

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KN
CN

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KN
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Kompressoren

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Claims (1)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Wärmetausch zwischen einer Mehrzahl von auf unterschiedlichem Temperaturniveau liegenden Wärmeträgerfluiden, mit einem Kompressor mit mehreren in Reihe geschalteten, aus jeweils einer Kompressorstufe und einer mit dem Ausgang der Kompressorstufe verbundenen Zelle bestehenden Einheiten, wobei jede der Zellen mindestens einen von einem Wärmeträgerfluid durchströmten Wärmetauscher aufweist sowie ein Arbtitsfluid in dampfförmiger und flüssiger Phase enthält, und wobei jede der Zellen einen Einlaß mit einer kalibrierte öffnungen aufweisenden Rohrleitung für das aus der Zelle der jeweils nächsthöheren Druckstufe eintretende flüssige Arbeitsfluß einen Auslaß für das gasförmige Arbeitsfluid zur nächsthöheren Druckstufe und einen Auslaß für das flüssige Arbeitsfluid zur Zelle der nächstniederen Druckstufe aufweist, und mit einer mit dem Eingang der niedrigsten Druckstufe des Kompressors verbundenen ersten Zelle, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zelle lediglich einen Einlaß für das von der Zelle der nächsthöheren Druckstufe kommende flüssige Arbeitsfluid aufweist, daß die Vorrichtung eine Turbine mit mehreren in Reihe geschalteten, aus jeweils einer Turbinenstufe und einer mit dem Ausgang der Turbinenstufe verbundenen Zelle bestehenden Einheiten aufweist, wobei jede der Zellen mindestens einen von einem Wärmeträgerfluid durchströmten Wärmetauscher aufweist sowie das Arbeitsfluid in dampfförmiger und flüssiger Phase enthält, und wobei jede der Zellen einen Einlaß für das flüssige Arbeitsfluid aus der Zelle der nächstniederen Druckstufe, einen Auslaß für das gasförmige Arbeitsfluid zur Zelle der nächstniederen Druckstufe und einen Auslaß mit einer Pumpe für das flüssige Arbeitsfluid zur Zelle der nächsthöheren Druckstufe aufweist, daß die mit dem Eingang der höchsten Druckstufe der Turbine verbundene Zelle