DE3213415C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verwendung kalten Wassers als wärmeabgebendes Medium in einem Wärme­ pumpensystem der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art sowie ein System zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die sich auf ein Wärmepumpensystem, insbesondere großer Kapazität beziehende Erfindung dient zur Gewinnung von Energie aus der Umgebung, die eine relativ niedrige Temperatur hat. Es ist allgemein bekannt, daß es sehr perfekt möglich ist, Wärme aus der Umgebung selbst bei sehr niedriger Temperatur mittels eines Wärmepumpensystems zu gewinnen, und zwar mit Hilfe eines Wärmekollektormediums, das noch kälter ist als die Umgebung. In der Natur ist es jedoch oft erforderlich, auf Wasser als Wärmeübertragungs­ medium zurückzugreifen, besonders natürlich dann, wenn es erwünscht ist, Wärme beispielsweise aus Seewasser zu ge­ winnen, indem dasselbe durch einen Wärmetauscher des Wärme­ pumpensystems gepumpt wird. In diesem Zusammenhang ist daher die Gefriertemperatur des Wasser eine kritische Temperatur. Insbesondere bei Wärmepumpensystemen großer Kapazität ist es allgemein wünschenswert, Wasser als ak­ tiven Wärmeträger zu verwenden, auch für einen Zwischen­ transport von Wärmeenergie von einem wärmesammelnden Ge­ biet über passende Wärmetauscher zu der Wärmepumpe. Hier­ bei stellt die Gefriertemperatur des Wassers den niedrigst­ zulässigen Temperaturpegel des Wärmeübertragungsmediums dar.

Für die Gewinnung von Wärme aus dem Wasser besteht die entsprechende Beschränkung, daß das Kühlen des Wassers, bewirkt durch den Empfänger oder Eingangsteil des Wärme­ pumpensystems, nicht so weit gehen sollte, daß das Wasser zum Gefrieren kommt, da der freie Durchfluß des Eingangs­ teils dann unterbrochen werden würde. In der Praxis be­ deutet diese Einschränkung, daß zur Erzielung einer annehm­ baren Ausgangsleistung des Wärmepumpensystems die Bedingung einzuhalten ist, daß die Temperatur des Eingangswassers, d. h. der Temperaturpegel der Umgebung, wenigstens mehrere Grad C über 0 liegt, derart, daß das Wasser über oder durch einen annehmbar großen Temperaturabfall kühlbar ist, ohne daß es zu Eis gefriert.

Es ist jedoch bereits bekannt, soviel Wärme aus kal­ tem Wasser zu entziehen, daß das Wasser tatsächlich ge­ friert. Dies ist natürlich mit beträchtlichen mechanischen Schwierigkeiten verbunden hinsichtlich der Abtrennung des Eises, so daß die Installations- und Betriebskosten be­ trächtlich sind, jedoch werden diese Schwierigkeiten in weitem Maße durch den Gefriereffekt kompensiert, da das Wasser durch das Gefrieren seine sogenannte Gefrierwärme freisetzt; bekanntlich beträgt die Gefrierwärme von Wasser 335 KJ/kg, während die aus der Thermischen Abkühlung des Wasser gewinnbare Wärme nur 4,19 KJ/kg°K beträgt.Vor die­ sem Hintergrund war es realistisch, von solchen "Wärme­ gefriersystemen" an Orten Gebrauch zu machen, wo z. B. Wasser von 2°C die einzige Quelle von Wärmeenergie ist. Es ist jedoch noch notwendig gewesen, das genannte mecha­ nische und energetische Problem in bezug auf die Ablösung des erzeugten Eises hinzunehmen, und es ist weiterhin ein schwieriges Problem gewesen, daß ein solches "Wärmegefrier­ system" großer Kapazität ein sehr teures Gefriersystem er­ fordert, um ein Wärmepumpensystem zu bilden, da das Ge­ frieren großer Mengen von Wasser sowohl eine hohe Kühl­ kapazität als auch eine niedrige Verdampfungstemperatur des Kühlmittels in den Kühlelementen erfordert.

Diese Problemstellung ist in der DE-OS 25 52 459 näher beschrieben, wo auch Vorschläge für ein einfaches und ener­ giesparendes Enteisen des Verdampfers angegeben sind. Es handelt sich jedoch stets um ein Enteisen, das mit Energie­ verlusten und Stillstandsperioden verbunden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wärme­ pumpverfahren insbesondere für große Kapazitäten anzugeben, das in mechanisch relativ einfacher Weise kontinuierlich durchgeführt werden kann und die Verwendung sehr kalten Wassers als Wärmequellenmedium mittels der genannten Gefriermethode gestattet, ohne daß ein Enteisen erforder­ lich ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebene Lehre gelöst.

Gemäß der Erfindung erfolgt das Gefrieren in be­ kannter Weise durch Einführen des Wassers in eine Vakuum­ kammer, in der ein so niedriger Druck herrscht, daß wenig­ stens ein großer Teil des Wassers durch die stürmische Verdampfung des Wassers zu Eis oder Schnee gefriert. Das erzeugte Eis oder der erzeugte Schnee werden kontinuierlich aus der Vakuumkammer herausgeschleust, und der erzeugte Dampf wird kontinuierlich aus der Vakuumkammer extrahiert und in dem Empfängerteil der Wärmepumpe in einer solchen kom­ primierten und erwärmten Form zur Kondensation gebracht, daß er kondensierbar ist, ohne daß eine Eisbildung auf dem den Empfängerteil bildenden Kondensator verursacht wird.

In der Vakuumkammer braucht die Bildung von Eis nicht zu Problemen zu führen, da loses Eis oder Schnee aus dem eingespritzten Wasser bereits gebildet wird, be­ vor das gefrorene Produkt die Wandungen oder den Boden der Kammer erreicht. Ein mögliches Absetzen von Eis an den Kammerwandungen hat keine grundsätzliche Bedeutung, da diese Wandungen keinen Teil des aktiven Wärmetauscher­ systems darstellen.

Bei einem System gemäß der Erfindung kann das er­ zeugte Eis als Abfallprodukt betrachtet werden, wenn es nicht anderweitig verwendbar ist, jedoch war gerade die Erzeugung von Eis mit der Erzeugung einer beträchtlichen Menge von Dampf verbunden, der natürlich die durch das Gefrieren frei gewordene Wärmemenge enthält, nämlich die diskutierte beträchtliche Gefrierwärme von 335 KJ/kg. Diese Wärmeenergie ist in einfacher Weise durch Konden­ sation von Dampf gewinnbar, und es ist somit der erzeugte Dampf, der das tatsächliche Wärmequellenmedium für die Verdampfungseinheit des Wärmepumpensystems darstellt. Es ist natürlich wichtig, daß die erzeugte große Menge oder der Strom von Dampf kontinuierlich herausgeführt werden, um das gewünschte hohe Vakuum in der Vakuumkammer aufrechtzuerhalten, jedoch braucht man dabei nicht an ein hochwirksamesVakuum mit großer Kapazität zu denken, da der Dampf mittels eines relativ kälteren Kondensators nur kondensiert werden und nicht zur Atmosphäre gegen­ über deren sehr viel höherem Druck herausgeführt werden muß.

In der Praxis besteht natürlich die Bedingung, daß die Dampfkondensation bei einer Temperatur um oder etwas über 0°C erfolgt, da die genannten Eisbildungsprobleme sonst nur in den Dampfkondensator übertragen werden würden. Gemäß einem wichtigen Aspekt der Erfindung reicht es da­ bei aus, den Dampf auf ein Drucknievau zu bringen, das nur wenig höher ist als das, bei dem der Dampf gebildet worden ist. Für die Gewinnung der Gefrier/Verdampfungs­ wärme ist es ausreichend, daß das Wasser oder ein be­ trächtlicher Teil davon tatsächlich gefriert, jedoch kann das Gefrieren bei einer Temperatur nur wenig unter­ halb 0°C erfolgen, und die Kondensation des Dampfes ohne Eisbildung kann dann bei einer Temperatur bei 0°C oder wenig darüber stattfinden. Aufgrund dieser Erkenntnis reicht es aus, einen Dampfkompressor zu verwenden, der in der Lage ist, das Druckniveau des Dampfes nur sehr wenig anzuheben, und entsprechend ist es möglich, einen einfachen Zentrifugalkompressor mit einer Stufe oder nur wenigen Stufen zu verwenden, welcher relativ einfach für eine sehr große Kapazität auslegbar ist. Bereits ein Druck­ niveau von ca. 0,008 bar entspricht einer Temperatur ge­ sättigten Dampfes von 4-5°C, und der Dampf ist daher sehr einfach bei einer inneren Verdampfungstemperatur von ca. 0°C kondensierbar.

In diesem Zusammenhang ist es außerordentlich wichtig, daß der Dampfkompressor den Dampf nur bei sehr niedrigem Druckniveau komprimiert. Die Dichte des Dampfes ist bei diesem Niveau sehr gering, so daß der Kompressor einen sehr großen Dampfdurchsatz leicht verarbeiten kann, z. B. einen Durchsatz von 50 000-1 000 000 m³/h, ohne daß er so kompliziert und teuer ist, wie das für die Kompression von Dampf bei einem höheren Druckniveau erforderlich sein würde.

Zusätzlich zu dem Vorteil, daß der Dampf ohne Bildung von Eis kondensierbar ist, besteht ein weiterer wichtiger Vorteil darin, daß das Wärmepumpengefriersystem nicht bei irgend einer niedrigen Verdampfertemperatur arbeitet, son­ dern bei einer relativ hohen Temperatur wie beispielsweise 0°C, und wie allgemein bekannt, nehmen die Kapazität und der Wirkungsgrad beträchtlich umso mehr zu, je höher die Verdampfungstemperatur ist. Das zu verwendende Gefrier- oder Kühlsystem kann daher ein einfaches und höchst wirk­ sames System sein, obwohl es von irgend einer gebräuchlichen Art sein kann.

Die Erfindung kann daher mit einem sehr einfachen Dampfkompressor als ein Hauptbauteil und einem einfachen und hochwirksamen Gefriersystem als ein weiteres Haupt­ bauteil arbeiten, und große Mengen von Wärmeenergie können aus niedrigerer Temperatur gewonnen werden, ohne daß die damit verbundene Bildung von Eis zu ernstlichen Problemen führt.

Als mögliches Beispiel der Verwendung der Erfindung sei die Beheizung großer Stadtbezirke durch in der Nähe liegende natürliche Wasserquellen genannt, einschließlich winterkalten Wassers von ca. 2°C aus dem Ozean, Seen oder Flüssen, in den das erzeugte Eis oder Überschußwasser zurückgeführt werden können.

Wie schon erwähnt, ist es an sich nicht neu, einer Eisbildung durch Einspritzen von Wasser in einen Vakuum­ behälter entgegenzuwirken. So ist es in DE-PS 9 17 491 vorgeschlagen worden, dieses Verfahren zum Erzeugen von Kunsteis zu verwenden, was aber keinen Hinweis darauf er­ gibt, eine solche Anlage als Großwärmeerzeugungsanlage zu nutzen. Darüber hinaus wäre diese bekannte Anlage für den Zweck der Erfindung praktisch unbrauchbar, weil sie einen vielstufigen Dampfkompressor voraussetzt, der eine Großwärmeanlage außerordentlich verteuern würde.

Durch die US-PS 32 02 343 ist ebenfalls die Eisbildung in einer Vakuumkammer bekannt, hier sogar unter Verwendung eines nur einstufigen Dampfkompressors. Es handelt sich dabei jedoch um eine Anlage zum Entsalzen von Seewasser, also um ein Verfahren, das mit der Übertragung von nutz­ barer Wärmeenergie nicht das geringste zu tun hat. Das Verfahren beruht auf einem Gefriervorgang, wobei die Ge­ frierwärme nach der Trennung von Frischwasser und hoch­ konzentriertem Salzwasser wieder zurückgewonnen wird. Es findet also grundsätzlich überhaupt keine Zuführung oder Ableitung von Wärme- oder Kälteenergie statt. Der erforder­ liche Energieverbrauch erschöpft sich allein in der Kompen­ sation von Wärmeenergieverlusten, die zwangsläufig bei diesem Verfahren auftreten. Bei der vorliegenden Erfindung erfolgt nicht irgendeine Kompensation von Wärmeverlusten, sondern eine betriebsmäßige Zuführung hoher Kälteenergie­ mengen, um eine hohe Temperatur des Ausgangsmediums zu schaffen, insbesondere bei einer extrem großen Versorgungs­ kapazität.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Das gezeigte System weist eine wärmeisolierte Va­ kuumkammer 2 auf, in deren Boden sich ein Auslaß 4 be­ findet, der mit einer Auslaßpumpe 5 verbunden ist. Eine kleine Vakuumpumpe 6 dient zur Kompensation irgendwelcher Verluste des Vakuums, und die Vakuumpumpe 6 ist auch so­ gar zur Herstellung des erforderlichen Vakuums vor Be­ triebsbeginn des Systems verwendbar. In der Mitte der Vakuumkammer 2 befindet sich eine Einlaßdüse 8 für Wasser, die mit Wasser von einer Wasserquelle 12 über ein Einlaß­ rohr 10 und einen Luftabscheider 40 gespeist wird.

Auf der Oberseite der Vakuumkammer 2 ist ein Wasser­ dampfkompressor 16 angebracht, der eine hohe Arbeitskapa­ zität hat und den Dampf aus der Vakuumkammer 2 absaugt und den Dampfstrom in eine wärmeisolierte Leitung 18 leitet, die zu einem Kondensator 20 führt, dessen Kühl­ element 22 durch eine Verdampfungseinheit eines Kühl­ systems gebildet wird, das auf der linken Seite der Zeich­ nung gezeigt ist. Dieses System weist einen Kühlkompressor 24, einen Kondensator 26 und einen Verdampfer auf, der das Kühlelement 22 bildet und als Verdampfungskondensa­ tor in Verbindung mit einem zugeordneten Flüssigkeitsab­ scheider 28 für das Kühlmittel ausgelegt ist. In der Zeich­ nung ist eine Verdampfungseinheit mit Eigenzirkulation des Kühlmittels gezeigt jedoch können natürlich auch andere Arten von Verdampfern verwendet werden. Die Saugseite des Kühlkompressors ist mit der Oberseite des Flüssigkeits­ abscheiders 28 verbunden. Das System arbeitet bei einer Verdampfungstemperatur von ca. 0°C.

Der Kondensator 20 weist in seinem Boden einen Aus­ laß 34 für den kondensierten Wasserdampf auf, und dieses Wasser wird durch eine Druckpumpe 36 und ein Rohr 38 zu dem Einlaßrohr 10 zurück oder durch ein Ablaßrohr 39 ab­ geführt.

Vor dem Beginn des Betriebes der Anlage wird ein Vakuum von ca. 0,004-0,005 bar in dem wärmeisolierten System bestehend aus den Teilen 2, 18, 20 mittels der Vakuumpumpe 6 oder durch andere Mittel aufgebaut. Danach wird der Wasser­ dampfkompressor 16 gestartet, und die Wasserversorgung zu der Einlaßdüse 18 wird geöffnet, nachdem das Kühl- oder Wärmepumpensystem gestartet worden ist.

Das von der Einlaßdüse 8 versprühte Wasser erfährt einen plötzlichen Druckabfall auf die genannten ca. 0,004-0,005 bar wodurch das Wasser aufkocht und durch die zugehörige plötzliche Verdampfung eine Kühlung erfährt, so daß es eine Temperatur von ca. -2° bis -4°C an­ nimmt, wodurch das restliche freie Wasser in dem Wasser­ nebel oder den Tröpfchen plötzlich zu Eis gefriert, d. h., daß es Schnee- oder Eispartikel bildet. Für jedes Kilo­ gramm verdampften Wassers werden 6-7 kg Eis erzeugt.

Es ist notwendig oder vorteilhaft, zwei- bis dreimal soviel Wasser einzuspritzen, als gefroren wird, um die Eis/Wassermischung in einfacher Weise durch die Auslaß­ pumpe 5 abführbar zu machen.

Der erzeugte Wasserdampf wird kontinuierlich durch den Wasserdampfkompressor 16 abgesaugt. Der Wasserdampf­ kompressor 16 ist so ausgelegt, daß er einen Druckanstieg des Dampfes von den genannten 0,004-0,005 bar auf ca. 0,008 bar in der Leitung 18 bewirkt, was einem Temperaturanstieg von ca. -4 bis -2°C auf ca. + 5°C entspricht.

Wie bereits erwähnt, wird der Kondensator 20 bei einer inneren Verdampfertemperatur von ca. 0°C betrieben, und durch äußere Kondensation des Dampfes bei ca. 5°C entsprechend einem Druck von ca. 0,008 bar wird das Konden­ sat am Gefrieren gehindert. Das kondensierte Wasser bildet ein wirkliches Destillat, obwohl es nicht pasteurisiert ist, und es kann als demineralisiertes Wasser verwendet werden, obwohl es in so großen Mengen erzeugt wird, daß es schwierig sein dürfte, für die gesamte Menge Verwendung zu finden. Das Wasser sollte daher möglicherweise als reines Abwasser betrachtet werden oder es sollte, wie gezeigt, zu dem Speiserohr, gebildet durch das Einlaß­ rohr 10, zurückgeführt werden.

Es ist ohne weiteres zu ersehen, daß die große Aus­ gangswärmemenge aus dem Wärmepumpensystem in dem oder durch den Kondensator 26 erzeugt wird. An dieser Stelle braucht nicht genauer beschrieben zu werden, wie der Wärmeaustausch mit hoher Kapazität stattfindet, da es in dieser Beziehung natürlich eine große Vielfalt von Möglichkeiten gibt, auch im Hinblick auf die Anforderungen an die Bauart und an das Temperaturniveau des Mediums, das in dem externen Heiz/Kühlsystem verwendet wird.

Das vom Boden der Vakuumkammer 2 abgeführte Eis und Wasser wird vorzugsweise in die Natur zurückgeführt.

Der Wasserdampfkompressor 16 gemäß der Erfindung ist eine höchst wichtige Einheit, und es wird daher für zweckmäßig erachtet, auf die genannte US-PS 32 02 343 hinzuweisen, um mehr im einzelnen eine Art eines einfachen Kompressors zu zeigen, der für ein System gemäß der Erfindung zusammen mit einem weiteren einfachen Haupt­ teil verwendbar ist, nämlich dem Kühlsystem 24, 26, 28, das bei einer relativ hohen Verdampfungstemperatur arbeitet, die, wie allgemein bekannt, ein einfaches und hochwirksames Kühlsystem ermöglicht.

Aufgrund dieser relativ einfachen Hauptteile ist es praktisch möglich, Vereisungsprobleme, wie sie sonst bei der Gewinnung Von Gefrierwärme aus Wasser auftreten, zu vermeiden, da das Gefrieren dann in einer Vakuumkammer durchführbar ist, in der das Eis keine wirklichen Probleme verursacht.

Claims (4)

1. Verfahren zur Verwendung von kaltem Wasser als wärme­ abgebendes Medium für ein Wärmepumpensystem, vorzugsweise großer Kapazität, bei dem wenigstens ein Teil des zuge­ führten Wassers zum Gefrieren gebracht und ein die zuge­ hörige Gefrierwärme aufnehmendes Medium in die Eingangs­ seite eines Wärmepumpensystems eingespeist wird. da­ durch gekennzeichnet, daß das Gefrieren des Wassers durch Einleiten des Wassers in eine Vakuumkammer bewirkt wird, in der ein Druck herrscht, der ausreichend niedrig ist, um das Wasser durch Verdampfung zum Gefrieren zu bringen, wobei das hierdurch erzeugte Eis oder der hier­ durch erzeugte Schnee vorzugsweise unter nassen Bedingungen aus der Vakuumkammer herausgepumpt oder herausgeschleust wird und der niedrige Druck in der Vakuumkammer dadurch aufrechterhalten wird, daß der durch das Verdampfungsgefrieren erzeugte Dampf durch einen Dampf­ kompressor herausgesaugt wird, der den komprimierten Dampf in Kondensator einspeist, der den Wärmeempfänger oder Verdampfungsteil des Wärmepumpensystems bildet, wo­ bei der Verdampfer mit einer so relativ hohen Temperatur entsprechend der Dampfkondensationstemperatur betrieben wird, die wenigstens 0°C und vorzugsweise nur wenig mehr als 0°C beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Dampf, der in der Va­ kuumkammer bei einem Druck erzeugt wird, der nur wenig unter dem liegt, was einer Dampftemperatur von 0°C ent­ spricht, einer Kompression in einer Stufe oder vorzugs­ weise einem Dampfkompressor mit wenigen Stufen auf einen Druckpegel unterworfen wird, der einer Dampf­ temperatur von nur etwas über 0°C entspricht.

3. System zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine wärmeiso­ lierte Vakuumkammer (2), in der sich eine Einspritzdüse (8) zur Einspritzung von Wasser befindet, die eine Auslaß­ einrichtung (5) für Eis/Wasser und eine obere Auslaßöffnung für Dampf aufweist, wobei diese Auslaßöffnung mit der An­ saugseite eines Dampfkompressors (16) verbunden ist, dessen Auslaßseite über eine Leitung (18) mit einem äußeren Dampf­ kondensator (20) verbunden ist, der einen Auslaß (34) für Kondensat und Kühlelemente (22) aufweist, welche eine Verdampfungseinheit in einem Kühlsystem bilden, das einen gesonderten Kondensator (26) aufweist und eine Arbeits­ temperatur des Verdampfers/Kondensators (20, 22) erzeugt, die ausreichend niedrig ist, um eine Kondensation des Dampfes zu bewirken, und die ausreichend hoch ist, um Eiserzeugung durch die genannte Kondensation zu vermeiden, wobei der gesonderte Kondensator (26) die Ausgangseinheit des gesamten Wärmepumpensystems bildet.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Dampfkompressor (16) ein Zen­ trifugalkompressor mit einer oder wenigen Stufen ist und daß die Arbeitstemperatur des Verdampfers/Kondensators (20, 22) auf 0-6°C eingestellt ist.