DE2931635A1

DE2931635A1 - Arbeitsverfahren zum betrieb von mindestens zwei an heiz- und kuehlsystemen anschaltbaren verbrauchersystemen

Info

Publication number: DE2931635A1
Application number: DE19792931635
Authority: DE
Inventors: Peter Walser
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-08-03
Filing date: 1979-08-03
Publication date: 1981-02-19

Description

Arbeitsverfahren zum Betrieb von mindestens zwei an Heiz- oder Kühlsystemen anschaltbaren Verbrauchersystemen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Arbeitsverfahren zum

__u«<A Jod** £>ρε«ώϊγ'}>γ$ Betrieb von mindestens zwei Verbrauchers, welche z.B. von Rohrschlangen gebildet kurzzeitig auf Heiz— oder Kühlsystem umschaltbar sind, unter Verwendung von Wärmetauschern, deren Medien der Wärmeübertragung beim Heizen und/oder Kühlen dienen.

Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens.

Der Ruf nach energiesparenden Versorgungssystemen wird immer stärker und wichtiger; wobei in erster Linie nicht der Komfort oder die Betriebsbedingungen geändert werden sollten, sondern mit einem Minimum an Primärenergie sollte der größtmögliche Nutzen gezogen werden.

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Dies wird heute mit sog. Wärmerückgewinnungsanlagen erreicht; diese Anlagen haben die Aufgabe - wie der Name bereits andeutet Abwärme so weit wie möglich zurückzugewinnen. Unter Energie sind aber auch Wasser, Chemikalien (z.B. zur Wasseraufbereitung) und auch der Stromverbrauch etc . solcher Anlagen zu verstehen.

In der Industrie müssen viele Apparate oder Anlagen abwechslungsweise gekühlt oder beheizt werden und zwar in einem sehr breiten TemperaturSpektrum, z.B. heizen auf 2oo°C und anschliessend wieder abkühlen auf 4o°C, oder weiter auf - 2o°C_f z.B. bei Reaktor-Anlagen während der Heiz- und Kühlphase.

Eine Möglichkeit des Betriebs derartiger Anlagen besteht darin, daß dem Verbrauchersystem durch Dampf die erforderliche Wärmeenergie zugeführt wird.

Nach beendeter Heizphase wird dieses Versorgungssystem vom Verbrauchersystem abgehängt.

Zum Kühlen wird z.B. an den Verbraucher ein Kühlwassersystem angeschlossen, mit welchem aber nicht unter 5⁰C gekühlt werden kann; dieses Kühlsystem kann offen (z.B. Stadtwasser) oder geschlossen (z.B. Kühlturm, Kältemaschine) ausgeführt sein.

Zur Kühlung unter Null Grad muss eine Kältemaschine eingesetzt werden und das Medium für den Kältetransport muss seinen Gefrier-

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punkt unter der erforderlichen Betriebstemperatur haben.

Alle diese Energietransportmedien durchfHessen das Verbrauchersystem (z.B. Reaktor) durch das gleiche Rohrleitungssystem.

Diese Tatsache bedingt, daß dieses System beim Umschalten von einem Medium aufs andre immer noch Reste vom vorangegangenen Medium enthält.

Nach mehreren Umschaltvorgängen sind die Medien, untereinander so vermischt, daß sie ausgewechselt oder wieder aufkonzentriert werden müssen, d.h. das Kondensat kann nicht in den Kesselkreislauf zurückgeführt werden, da es mit hartem Wasser oder auch mit Glykol und Wasser verunreinigt ist. Durch das Kanalisieren dieses Kondensates geht sehr viel Wärmeenergie verloren und zudem wird das Abwasser verschmutzt.

Für die Dampferzeugung muss alles Kesselspeisewasser frisch aus dem Wassernetz eingespeist und enthärtet werden. Beim offenen Kühlkreislauf gelangt ebenfalls Glykol ins Abwasser. Beim geschlossenen Kühlkreislauf konzentriert sich dieser Wasserkreislauf mit Glykol auf, so daß dieser von Zeit zu Zeit erneuert werden muss.

Der Glykol-/Wasserkreislauf seinerseits wiederum verdünnt sich mit Wasser, so daß die Gefriersicherheit nicht mehr gewährleistet ist und er wieder mit Glykol aufkonzentriert werden muss.

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Eine andere Möglichkeit, um diese Nachteile auszuschalten, wird heute angewandt, indem über den Verbraucher (Reaktor) mit einem geschlossenen Kreislauf mit einem Medium gefahren wird, welches z.B. über den gesamten Temperaturbereich (-2o°C / + 2oo°C) flüssig und pumpbar bleibt.

In diesen Kreislauf werden ?ei oder mehr Wärmeaustauscher eingebaut, über die die erforderliche Energie bei dem verlangten Temperatur-Niveau aus einem Kühl- oder Heizsystem bezogen wird. Mit diesem System erfolgt keine Durchmischung der verschiedenen Energieträgermedien, doch ist der apparative Aufwand beträchtlich und der Verlust an Temperaturniveau von 5 und mehr Grad reduziert die Nutzung von billigerer Energie.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, unter Vermeidung der Nachteile, die die bisherigen Arbeitsverfahren aufweisen, ein neues Arbeitsverfahren bzw. eine Vorrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens vorzuschlagen, mit dem es möglich ist, neben der langen und größeren Betriebssicherheit beim Betrieb dieser Verbrauchersysteme eine erhebliche Einsparung von Wärmeenergie zu erreichen_f insbesondere aber es zu gestatten, daß man ökonomisch arbeitet, d.h. die teure Energie so mit der billigen Energie, die für Heizen und/oder Kühlen verwandt wird, kombiniert, daß die Anlage auch ökonomisch mit dem besten Wirkungsgrad arbeitet.

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Die Lösung der Aufgabe nach der Erfindung besteht darin, daß ein zentrales Heiz- und Kühlsystem vorhanden ist, dessen Medium die gleiche Zusammensetzung aufweist, z.B. ein Glykol-Wassergemisch, und alle Verbraucher-Systeme in Parallelschaltung zueinander, je nach ihrer Betriebslage, schaltbar sind.

Zur Ausgestaltung der Erfindung dient es, daß das Heizbzw. Kühlsystem von mehreren hintereinandergeschalteten Wärmetauschern gebildet wird^

Die Hintereinanderschaltung von Wärmetauschern soll die Möglichkeit offenlassen, daß man

Wärmetauscher verschiedener Temperaturgefälle hintereinander schaltet, um bei der Umschaltung den Temperatursprung kleiner zu machen, um damit einen besseren thermischen Wirkungsgrad zti erreichen, insbes. soll aber durch die Verwendung verschiedener Wärmetauscher erreicht werden, daß man ökonomisch verscieden wirksame Wärmetauscher verwenden kann, z.B. ist in einem be.-stimmten Temperaturbereich ein Kühlturm mit viel geringeren Betriebskosten zu betreiben, als etwa ein Kühlaggregat, welches mit einem Gefriermittel, z.B. .Frigen, arbeitet.

Wesentlich ist ferner, daß die Heiz- und/oder Kühlsysteme verschiedene Abgabe-Temperaturen über Mischstrecken und/oder Speicher an die Verbraucher-Systeme schaltbar sind.

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Hierdurch soll eine ökonomisch bessere Ausnutzung , z.B. des erreicht werden, damit man nur den geringsten

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Anteil» teuersten -¹ einsetzt, und davorgeschaltet mit billigeren - arbeitet.

Wesentlich ist ferner, daß die Heiz- oder Kühlsysteme und die Verbrauchersysteme ein zentralesAusdehnungssystem aufweisen.

Zur Erläuterung des eigentlichen Erfindungsgedankens wird noch angegeben, daß das der Erfindung|zugrunde liegende Verfahren sich besonders zur Erreichung der folgenden Forderungen eignet:

a) Optimale und jederzeitige Kälte- und Wärmeversorgung von Verbrauchern in einem großen Temperaturbereich (z.B. -2o/ + 2oo°C).

b) Maximale Energierückgewinnung und selbstregulierendes Verhalten zwischen Angebot und Nachfrage.

Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß alle in Frage kommenden Energiespender und Energieverbraucher hydraulisch über ein oder mehrere untereinander verbundene Expansionsgefässe miteinander verbunden sind.

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Sowohl im Kälte- wie auch im Wärmekreislauf wird mit dem gleichen Energietransportmedium gefahren (flüssig oder dampfförmig) .

Das Prinzipschema einer solchen Schaltung ist in Zeichnung Nr. 3 dargestellt, damit kann in jedem Verbraucherkreislauf jede beliebige Temperatur innerhalb des definierten Bereiches gefahren werden.

Jeder Verbraucher ist mit einer Vor- und Rücklaufleitung am Heiz- und Kühlkreislauf angeschlossen, über die Regelung am Verbraucher muss lediglich entschieden werden, ob Wärme ab- oder zugeführt werden muss. Wird dem Heiz- oder Kühlkreislauf aus verschiedenen Systemen Energie zu -oder abgeführt, sind diese Spender in der Reihenfolge ihrer Priorität in den entsprechenden Kreislauf eingebunden.

Beim Heizsystem ist der Spender mit dem tieferen Temperaturniveau oder mit der billigeren Energie als erster dem Kreislauf angeschlossen, erst, wenn diese Energiemenge oder das Temperatürηiveau die Anforderungen nicht mehr zu erfüllen vermag, wird kontinuierlich entsprechend mehr aus dem System mit 2. oder 3. Priorität bezogen. Beim Kühlkreislauf erfolgt die Anordnung , was die Priorität anbetrifft , in der gleichen Reihenfolge, was das Temperaturniveau anbetrifft, in umgekehrter Reihenfolge.

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ALLE Verbraucher sind am Spendersystem nur mit einem Durchgangsventil angeschlossen, so daß im Kreislauf nur gerade so viel Menge des Trägermediums zirkuliert, wie der Summe aller Verbraucher entspricht.

Ausführungsbeispiele dieser Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Dabei gehen aus der Zeichnung und der Beschreibung der Erfindung weitere Erfindungsmerkmale hervor.

Fig. 1 zeigt einen Reaktor in einer erfindungsgemässen Zusammenschaltung mit EnergieSpendern.

Fig. 2 zeigt eine andere mögliche Schaltung zur Ausübung des Arbeitsverfahrens.

Gemäss Fig. 1 soll ein Reaktor A mit Wärmeenergie auf ein Temperaturniveau von 18o° gebracht werden.

Als Primärenergie stehen Dampf (B) und Strom (E) zur Verfügung. Dampf stehe nicht in genügender Menge zur Verfügung, sei aber der billigere Energieträger. Die beiden Energieträger sind deshalb in der Reihenfolge der gewünschten Priorität dem Heizkreislauf zugeschaltet.

1. Dampf B

2. Elektroerhitzer C.

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Im Rücklauf sind beide Spender erfindungsgemäss ii Flussrichtung in gleicher Reihenfolge angeschlossen.

Der Primärkreislauf wird konstant auf 18o°C gehalten. Mag das Dampfsystem den Energiebedarf des Verbrauchers zu decken haben, wie folgender Kreislauf : Pumpe - Verbraucher -

Austauscher B.

Sobald mehr Energie verlangt wird, fällt die Temperatur am Austritt aus dem Dampfwärmeaustauscher und über das Dreiwegventil wird die entsprechende noch fehlende Energie aus dem Elektrodurchlauferhxtzer bezogen. Durch die hydraulische Schaltung strömen automatisch die entsprechenden Mengen über den Austauscher B resp.C.

Die Kapazität des billigeren Energieträgers kann damit erfindungsgemäss optimal genutzt werden, gesteuert v/erden muss nur der Verbrauch, der Spender regelt sich automatisch.

Nun muss der Reaktor auf -2o°C abgekühlt werden. Die Vorlauftemperatur im Primärkühlkreislauf wird langsam von 28⁰C auf -2o°C abgesenkt. Solange die Kühlenergie des Spenders D ausreicht und die Rücklauftemperatur des Primärkeislaufs nicht unter die Vorlauftemperatur des Kühlkreislaufs D absinkt, wird alle Kühlenergie aus diesem System bezogen (z.B. Kühlturm) .

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Erst, wenn diese Energie nicht mehr ausreicht oder die verlangte Temperatur im Vorlauf nicht mehr eingehalten werden kann, wird die entsprechende Energiemenge aus dem System -2o°C (z.B. Kältemaschine) bezogen. Die Rücklaufmenge des Primärkühlkreislaufes teilt sich auch hier erfindungsgemäss automatisch auf die beiden Spender C u. D auf. Auf diese Weise kann die billigere Energie aus dem Kühlturmkreislauf optimal genutzt werden.

Vorteile:

Wärmeaustauscher oder Umformer sind nur noch zentral erforderlieh; für jeden Energiee ist dadurch nur noch erfindungsgemäss 1 Umformer erforderlich. In der ganzen Fabrikationsanlage sind im Energieversorgungssystem keine Wärmeaustauscher mehr erforderlich.

In Fig. 2 wird das Heizungssystem C erfindungsgemäss über einen Primärkreislauf mit variabler Vorlauftemperatur so versorgt, daß die Vorlauftemperatur über einen Außenthermostat um den Betrag der Verluste höher ist als die Anforderungen des Verbrauchersystems. Die einzelnen Heizgruppen sind erfindungsgemäss über Durchgangsventile an diesen Primärkreislauf angeschlossen.

Nebst dem Heizkessel (OeI/ Gas, Strom etc.) steht erfindungsgemäss Abwärme aus einem Tieftemperatur-System 4o°C (z.B. Kondenserkreislauf einer Kältemaschine) zur Verfügung. Sowohl die angebotene Energie aus diesem System als auch das Temperaturniveau ist infolge unterschiedlicher Belastung Schwankungen unterworfen.

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Da diese Energie aber gratis zur Verfügung steht und beim Entzug vonEnergie aus diesem System durch Entlastung des Kühlturmes weitere Energie eingespart werden kann, ist es sinnvoll diese Energie weitgeheridst zu nutzen.

Das Prinzip vorliegender Erfindung liegt nun darin, daß erfindungsgemäss dem Primärheizkreislauf aus den zwei Spendersystemen A und B die erforderliche Energie zugeführt wird.

Der Spender A erfindungsgemäss , Mischstrecke und /oder Speicher wird hydraulisch so geschaltet, daß zuerst je nach Bedarf des Systems C alle aus dem System A zur Verfugung stehende Energie von dort bezogen wird. Reicht die Energiemenge nicht mehr aus, wird der Fehlbetrag automatisch aus dem System B gedeckt. Es muss lediglich die Vorlauftemperatur für das Verbrauchersystem geregelt werden.

Der Kreislauf des erfindungsgemässen Systems zirkuliert solange über die Mischstrecke A und/oder Speicher, bis die Rücklauftemperatur t_HR = der Vorlauftemperatur t_RV ist; damit ist es möglich 1oo% der aufgrund der Randbedingungen des Verbrauchersystems C (Energie Menge, Vorlauftemperatur t_HV und Rücklauftemperatur t„_n) theoretisch möglichen Energie aus dem System A

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zu beziehen. Eine zusätzliche Regelung von Anbieter und Verbraucher ist nicht erforderlich, das System ist erfindungsgemäss selbstregulierend.

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Der Kreislauf des Wärmespendersystems durchfliesst erfindungsgemäss die Mischstrecke immer von unten nach oben.

Der Rücklauf des Primärheizkreislaufes wird erfindungsgemäss wie folgt mit dem Wärmespendersystem A verbunden:

a) Zirkulationsmenge Heizkreislauf έ kleiner Zirkulationsmenge Wärmerückgewinnungssystem : Verbindung System C mit System A nach der Mischstrecke im Punkt E; außerhalb der Mischstrecke/Speicher,

b) Zirkulationsmenge Heizkreislauf >. grosser Zirkulationsmenge Wärmerückgewinnungssystem: Verbindung System C mit System A vor der Mischstrecke im Punkt F; außerhalb der Mischstrecke/Speicher

Vorteile:-7 " "" -.""'"- \ ~ _"_■"

- Kein Wärmeaustauscher zwischen System C und System A, dadurch auch kein Verlust an Temperaturniveau.

- 1oo% Verwendung der theoretisch möglichen Energiemenge aus dem System A unabhängig von Angebot und Nachfrage.

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- Geringere Zirkulationsverluste im Heizkreislaufverteilersystem durch tiefere Vor- und Rücklauftemperatur. ( Bei konventionellen Heizsystemen schwanken diese Temperaturen zwischen 9o und 7o°C) bei der vorgeschlagenen Steuerung zwischen der effektiven Vor- und Rücklauftemperatur des Verbrauchersystems, C, d.h. zu 80% zwischen 5o-4o°C, die Zirkulationsverluste sind im Mittel also ca. 5o% geringer.

- Optimale Nutzung der Energie des Spendersystems A auch

wenn das Angebot geringer ist als der Bedarf. Bei hydraulisch nicht verbundener konstanter Vorlauftemperatur und konstanter Zirkulationsmenge ist eine Wärmerückgewinnung nur dezentral bei jeder einzelnen Verbrauchergruppe möglich; sehr aufwendig, da in jedem Rücklauf ein Wärmeaustauscher, d.h. wirtschaftlich gar nicht sinnvoll.

- Infolge Wegfall von Wärmeaustauschern ist dieses Wärmerückgewinnung ssystem sehr billig.

- Nutzung von rückgewinnbarer Energie 2o-5o% höher als bei konventionellen Methoden, (siehe Beispiel)

- Rückgewinnung kann an einem Ort zentral erfolgen.Bei konventionellen Heizungssystemen 9o/7o muß die Rückgewinnung an jeder Verbrauchergruppe erfolgen, da der Rücklauf zum Kessel nicht unter 7o°C abfällt.

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Claims

W 519-lO/ku, 27.7.1979

Anmelder: P. Walser, Hesligenstrasse 6, CH-87oo Küs$nächt Schweiz

Patent an ρ r ü c h e

( 1.J Arbeitsverfahren zum Betrieb von mindestens 2 Verbrauchersystemen und/oder Energiespendersystemen, welche z.B. von Rohrschlangen gebildet kurzzeitig auf Heiz- oder Kühlsystem umschaltbar sind, unter Verwendung von Wärmetauschern, deren Medien der Wärmeübertragung beim Heizen- und/Oder Kühlen dienen, d a d u r c h g e k e η η ze i c h η e t, daß ein zentrales Heiz- und Kühlsystem vorhanden ist, dessen Medium die gleiche Zusammensetzung aufweist, z.B. ein Glykol-Wässergemisch, und alle Verbraueher-Systeme in Parallelschaltung zueinander, je nach ihrer Betriebslage, schältbar sind.
2. Arbeitsverfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h

g e k e η η ze ich η e t, daß die Energiespendersysteme von mehreren hintereinandergeschalteten Wärmetauschern gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, da d-u-r c h

gekennz e i chnet, daß die Heiz- und/oder Kühlsysteme verschiedene Abgabe-Temperaturen über Mischstrecken und/oder Speicher an die Verbraucher-Systeme schaltbar sind.

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4. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzei chne t, daß die Heiz- oder Kühlsysteme und die Verbraucher-Systeme ein zentrales Ausdehnungssystem aufweisen.
5. Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrauchersysteme über Durchgangsventile an das Heiz- und/oder Kühlsystem angeschlossen sind.

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