EP1930667A2 - Vorrichtung zur Wärmegewinnung - Google Patents

Vorrichtung zur Wärmegewinnung Download PDF

Info

Publication number
EP1930667A2
EP1930667A2 EP20070023232 EP07023232A EP1930667A2 EP 1930667 A2 EP1930667 A2 EP 1930667A2 EP 20070023232 EP20070023232 EP 20070023232 EP 07023232 A EP07023232 A EP 07023232A EP 1930667 A2 EP1930667 A2 EP 1930667A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat
heat exchanger
temperature
boiler
transfer medium
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP20070023232
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Gebhardt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IFG Solar KG
Original Assignee
IFG Solar KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IFG Solar KG filed Critical IFG Solar KG
Publication of EP1930667A2 publication Critical patent/EP1930667A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H4/00—Fluid heaters characterised by the use of heat pumps
    • F24H4/02—Water heaters
    • F24H4/04—Storage heaters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B30/00—Heat pumps
    • F25B30/02—Heat pumps of the compression type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2339/00—Details of evaporators; Details of condensers
    • F25B2339/04—Details of condensers
    • F25B2339/047—Water-cooled condensers

Definitions

  • the invention relates to a device for heat recovery according to the preamble of patent claim 1.
  • a device for recovering heat from industrial waste heat 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 waste heat is easily enough to not only heat the water of the boiler but at the same time maintain convective flow between the boiler and the heat exchanger. Thus, no circulation pump in this cycle is required, the too strong flow would destroy the desired temperature stratification within the boiler.
  • This known device has been well proven in practice and forms the starting point of the present invention.
  • 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.
  • the device according to claim 1 is used for heat recovery. It has at least one boiler containing a temperature-layered liquid.
  • 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 is always at least one layer of cold liquid in the boiler and above it at least one layer of warm liquid.
  • an inflow for the liquid, in particular cold water is provided on the cold side of the boiler, while on the hot side, a drain for heated liquid, in particular hot water is provided.
  • the heated liquid is used in particular for heating purposes, with alternatively or additionally also hot water for household purposes can be removed.
  • a heat exchanger To heat the liquid in the boiler, a heat exchanger is provided, the secondary side on the one hand with the Cold side and on the other hand connected to the warm side of the boiler.
  • the secondary side of the heat exchanger therefore forms a self-contained circuit with the boiler.
  • This circuit is driven solely by convection of the liquid in the boiler, so that no active circulation pump is provided.
  • This arrangement has the advantage that the flow rate of the liquid is coupled in this circuit directly to the heat input. It is therefore impossible that the liquid is circulated in this cycle, without a sufficiently high heat input occurs. Such a revolution would result in the total destruction of the temperature stratification of the liquid in the boiler, so that the withdrawal temperature of the boiler would decrease accordingly.
  • the purely convection-bound flow of this cycle requires a relatively intense heating of the liquid, since too low heating convection does not get going.
  • a heat transfer medium is used, which is evaporated by the heat source.
  • 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 heat exchanger where it heats the boiler fluid.
  • the heat transport medium condenses, wherein the heat of vaporization for the heat exchanger is delivered 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 higher temperature heat exchanger.
  • heat pump operation requires high system efficiency because of the associated energy consumption. If the heat input of the heat pump into the 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 the heating of the liquid in the boiler being noticeably increased.
  • a compressor is used whose flow rate is influenced by a control device.
  • This control device is influenced by the temperature of the heat transfer medium between the output of the compressor and the output line of the heat exchanger or by the temperature of the liquid of the heat exchanger or boiler.
  • the compressor When starting up the device, therefore, the compressor is used at relatively low power to give the convection on the secondary side of the heat exchanger time to build up accordingly. With increasing Konvekomsströmung the compressor is raised in its performance, since then the heat output of the heat transfer medium increases in the heat exchanger accordingly. In this way, optimum heat utilization of the heat source results in relatively low energy consumption, so that the entire device has a surprisingly high efficiency.
  • the heat exchanger is designed as a countercurrent heat exchanger.
  • the boiler fluid is heated almost to the temperature of the heat transfer medium.
  • the heat transfer only leads to a very low temperature loss.
  • the heat exchanger is provided within a heat insulation of the boiler, the result is particularly low heat losses.
  • the heat exchanger is arranged around the boiler, so that heat radiation losses of the boiler are partly regenerated in the heat exchanger.
  • the control device is influenced by the condensation temperature of the heat transfer medium, preferably after the heat exchanger.
  • the condensation temperature is a material-dependent function of the pressure, so that only the pressure of the heat transfer medium after the heat exchanger must be measured to determine the condensation temperature in known heat transport medium. This measured pressure can then be converted to a condensation temperature using the vapor pressure curve of the heat transfer medium.
  • the knowledge of the condensation temperature is important because an incomplete condensation of the heat transfer medium would result in incomplete heat transfer into the heat exchanger and possibly an unstable control, so that the energy consumption of the compressor is too high. The influence of the condensation temperature on the control therefore improves the efficiency of the device.
  • the control device adjusts the temperature of the heat transfer medium after flowing through the heat exchanger to a temperature which is a predetermined temperature range below the condensation temperature the heat transfer medium is located.
  • the heat transfer medium is undercooled in this case, so that the heat of vaporization has been completely discharged through the heat exchanger to the boiler fluid. If the heat output in the heat exchanger increases, this results in a drop in the temperature of the heat transport medium at the outlet of the heat exchanger relative to the condensation temperature.
  • the control ensures an increase in the flow through the compressor.
  • the increased heat capacity of the heat exchanger can be used directly to increase the performance of the device.
  • the regulation remains stable over the entire operating range.
  • the temperature range a range between 1K and 10K has been proven according to claim 6. At a temperature range of less than 1K there is a risk that the condensation of the heat transfer medium is no longer complete in the event of disturbances, so that heat is pumped unused circle. In addition, this can result in difficult to control control oscillations.
  • a choice of the temperature range of over 10K is impractical, since this would result in a limitation of available heat sources. Depending on the usable heat source, however, a larger temperature range is possible.
  • the temperature range between 3K and 7K is selected to achieve the most sensitive and efficient control possible.
  • the single figure shows a schematic representation of a device 1 for heat recovery.
  • the device 1 has a boiler 2, which is filled with water 3.
  • the boiler 2 has a feed 4 for cold water and a drain 5 for hot water.
  • Inside the boiler 2 poses a layer boundary 6, in which a hot side 7 is located on a cold side 8. Between the hot side 7 and the cold side 8 only a very small mixing takes place, so that the water of the hot side 7 can be removed with a nearly constant temperature. In particular, the temperature of the water at the outlet 5 practically does not depend on the height of the layer boundary 6.
  • the boiler 2 is connected via lines 9 with a countercurrently operated heat exchanger 10.
  • the water 3 flows through a secondary side 11 of the heat exchanger 10.
  • This secondary side 11 has a larger line cross section than a primary side 12 of the heat exchanger 10 in order to be able to realize a free convection flow between the boiler 2 and the heat exchanger 10 via the lines 9 without circulating pump.
  • To achieve the lowest possible heat loss of the heat exchanger 10 is provided within a heat insulation 13 of the boiler 3.
  • the heat exchanger 10 extends around the boiler 2 around.
  • boiler 2 - could still be housed heat sources, such as heat exchangers of fossil fuel heating or high-temperature solar thermal systems.
  • heat sources such as heat exchangers of fossil fuel heating or high-temperature solar thermal systems.
  • additional heat sources in the boiler 2 have nothing to do with the subject invention itself and are therefore not shown.
  • the heat exchanger 10 could be thermally decoupled from the boiler 2 by an additional heat insulation layer.
  • the partition between the heat exchanger 10 and the boiler 2 with openings or omit entirely, so that forms an improved convection in this way.
  • the primary side 12 of the heat exchanger 10 is traversed by a heat transfer medium 14, which is circulated in a separate circuit.
  • the primary side 12 of the heat exchanger 10 is connected via a line 15 with a container 15 a, which is designed as an intermediate heat exchanger.
  • the heat transfer medium 14 releases heat to vaporized heat transfer medium 14, which flows through the container 15a in a line 22.
  • This measure name improves the heat absorption capacity of the heat transport medium 14.
  • the heat transfer medium 14 After leaving the container 15 a, the heat transfer medium 14 enters an expansion valve 16, which ensures a reduction in the pressure of the heat transfer medium 14.
  • the expansion valve 16 is connected via a control device 17 with a pressure gauge 18 in operative connection, which keeps the pressure of the heat transfer medium in the conduit 15 constant.
  • the control device 17 is preceded by a differential amplifier 17b, which compares the measured pressure with a desired value of a setpoint generator 17a. The comparison result is the controlled variable of the control device 17. This ensures that within the heat exchanger 10 in approximately constant pressure conditions of the heat transfer medium 14 prevail, so that the heat transfer medium 14 has approximately a constant condensation temperature.
  • the expansion valve 16 is connected via a line 19 with another heat exchanger 20 in operative connection, which is in contact with a heat source 21.
  • a heat source 21 is, for example, ambient air, but also geothermal or a solar thermal system in question.
  • the temperature of the heat source 21 is not sufficient to directly heat the water 3 in the heat exchanger 10. For this purpose, this heat must first be brought to a higher temperature.
  • the heat transfer medium 14 is chosen so that it is liquid within the conduit 19 and evaporated by the heat source 21. This steam is passed through a further line 22 through the container 15 a, where it is in heat exchange with the coming out of the heat exchanger 10 heat transport medium 14. The heat transfer medium 14 is heated approximately to the Zulaüftemperatur of the boiler 2.
  • the heat transfer medium 14 After leaving the container 15a, the heat transfer medium 14 is fed to a compressor 23, whose flow is adjustable over the speed.
  • the compressor 23 compresses the heat transfer medium 14, which also increases its temperature level.
  • the heat transfer medium 14 passes back into the heat exchanger 10, where it gives off its heat to the secondary side water 3.
  • the heat transfer medium condenses 14, so that its entire heat of vaporization is released to the water.
  • the heat exchanger 10 Due to the design of the heat exchanger 10 as a countercurrent heat exchanger is also achieved that the water 3 after leaving the heat exchanger 10 has almost the temperature of the incoming heat transfer medium 14. The loss of temperature is very low, since the incoming heat transfer medium 14 initially heated only the uppermost layer of the water 3, which has already reached almost the temperature of the heat transfer medium 14.
  • the heat transfer medium 14 flows downwards in the heat exchanger and heats ever colder water layers, whereby it cools rapidly.
  • the condensation temperature of the heat transfer medium 14 is reached at a certain point within the heat exchanger 10, so that instead of a further cooling of the heat transfer medium 14, a condensation of the same uses at a constant temperature.
  • the condensation of the heat transfer medium 14 is complete, so that the entire heat of evaporation is released.
  • the now liquid heat transport medium 14 is cooled further and then fed to the expansion valve 16 and the heat source 21. In this way, a very efficient use of energy of the device 1 results.
  • a temperature sensor 25 in the region of the line 15 is provided on the output side of the heat exchanger 10.
  • This temperature sensor 25 measures the temperature of the heat transfer medium 14 after the heat release in the heat exchanger 10.
  • the condensation temperature of the heat transfer medium 14 is calculated therefrom via an arithmetic circuit 26, in which the vapor pressure curve of the heat transport medium 14 is stored, and emitted as an electrical signal.
  • the calculated condensation temperature is supplied together with the signal of the temperature sensor 25 and a desired value of a setpoint generator 27a to a differential amplifier 27, which determines therefrom the supercooling of the heat transfer medium 14 in the line 15 below the condensation temperature and compares it with the desired value ,
  • An output signal 28 of the differential amplifier 27 is fed to a control device 29, which drives the compressor 23 via a frequency converter 30.
  • a control device 29 which drives the compressor 23 via a frequency converter 30.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Heat-Pump Type And Storage Water Heaters (AREA)
  • Central Heating Systems (AREA)

Abstract

Eine Vorrichtung (1) dient zur Wärmegewinnung. Die Vorrichtung (1) weist dabei einen Boiler (2) auf, der mit einem Wärmetauscher (10) in Wirkverbindung steht. Der Flüssigkeitsaustausch zwischen dem Boiler (2) und dem Wärmetauscher (10) erfolgt dabei ausschließlich durch Konvektion. Primärseitig ist der Wärmetauscher (10) von einem Wärmetransport-Medium (14) durchströmt, welches von einer Wärmequelle (21) mit geringerer Temperatur als die Warmseite (7) des Boilers (2) erwärmt und dabei verdampft wird. Das Wärmetransport-Medium (14) wird anschließend von einem drehzahlgeregelten Kompressor (23) komprimiert und einer Primärseite (12) des Wärmetauschers (10) zugeführt. Dabei gibt das Wärmetransport-Medium (14) seine gesamte Verdampfungswärme an den Boiler (2) ab. Anschließend strömt das kondensierte Wärmetransport-Medium (14) zurück zur Wärmequelle (21). Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades der Vorrichtung (1) wird der Kompressor (23) von einer Regelvorrichtung (29) beeinflußt, die von der Temperatur des Wärmetransport-Mediums (14) und/oder der Temperatur der Warmseite des Wärmetauschers (10) beeinflußt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmegewinnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Aus der Praxis 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. Bei Anlagen, in denen industrielle Abwärme in großem Umfang zur Verfügung steht, reicht diese Abwärme problemlos aus, um nicht nur das Wasser des Boilers zu erwärmen, sondern zugleich eine Konvektionsströmung zwischen dem Boiler und dem Wärmetauscher aufrechtzuerhalten. Damit ist keine Umwälzpumpe in diesem Kreislauf erforderlich, die bei zu starkem Fluß die gewünschte Temperaturschichtung innerhalb des Boilers zerstören würde. Diese bekannte Vorrichtung hat sich in der Praxis gut bewährt und bildet den Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung.
  • 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.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • 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 befindet. 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 Wärmetauscher vorgesehen, dessen Sekundärseite einerseits mit der Kaltseite und andererseits mit der Warmseite des Boilers verbunden ist. Die Sekundärseite des Wärmetauschers bildet daher mit dem Boiler einen in sich geschlossenen Kreislauf. Dieser Kreislauf wird ausschließlich 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 derartige Umwälzung hätte die totale Zerstörung der Temperaturschichtung der Flüssigkeit im Boiler zur Folge, so daß die Entnahmetemperatur des Boilers entsprechend absinken würde. Andererseits setzt die rein konvektionsgebundene Strömung dieses Kreislaufs eine relativ intensive Erwärmung der Flüssigkeit voraus, da bei zu geringer Erwärmung die Konvektion nicht in Gang kommt.
  • 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 Wärmetauschers geleitet, wo sie die Boilerflüssigkeit erwärmt. Gleichzeitig kondensiert das Wärmetransport-Medium, wobei die Verdampfungswärme für den 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 Wärmetauscher bei höherer Temperatur transportiert. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß der Betrieb einer derartigen Wärmepumpe zusammen mit einem konvektionsgebundenen Wärmetauscher recht problematisch ist.
  • 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 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 .
  • Zur Lösung dieses Problems wird ein Kompressor eingesetzt, dessen Durchflußrate von einer Regelvorrichtung beeinflußt ist. Diese Regelvorrichtung ist dabei von der Temperatur des Wäremetransport-Mediums zwischen dem Ausgang des Kompressors und der Ausgangsleitung des Wärmetauschers bzw. von der Temperatur der Flüssigkeit des Wärmetauschers bzw. Boilers beeinflußt. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß der Durchsatz des Wärmetransport-Mediums durch den Kompressor von der Wärmeabgabe des Wärmetransport-Mediums im Wärmetauscher abhängig wird.
  • Beim Hochfahren der Vorrichtung wird demnach der Kompressor bei relativ geringer Leistung genutzt, um der Konvektion auf der Sekundärseite des Wärmetauschers Zeit zu geben, sich entsprechend aufzubauen. Mit zunehmender Konvektionsströmung wird auch der Kompressor in seiner Leistung hochgefahren, da dann die Wärmeabgabe des Wärmetransport-Mediums im Wärmetauscher entsprechend zunimmt. Auf diese Weise ergibt sich eine optimale Wärmeausnutzung der Wärmequelle bei relativ geringem Energiebedarf, so daß die gesamte Vorrichtung einen überraschend hohen Wirkungsgrad aufweist.
  • Zur Erzielung eines möglichst geringen Wärmeverlustes ist es gemäß Anspruch 2 vorteilhaft, wenn der Wärmetauscher als Gegenstrom-Wärmetauscher ausgebildet ist. Hierdurch wird die Boilerflüssigkeit fast auf die Temperatur des Wärmetransport-Mediums erwärmt. Damit führt die Wärmeübertragung nur zu einem sehr geringen Temperaturverlust. Ist der Wärmetauscher innerhalb einer Wärmeisolation des Boilers vorgesehen, so ergeben sich besonders geringe Wärmeverluste. Vorzugsweise ist der Wärmetauscher um den Boiler herum angeordnet, so daß auch Wärmestrahlungsverluste des Boilers teilweise im Wärmetauscher regeneriert werden.
  • Um eine möglichst effektive Konvektion aufrecht zu erhalten, ist es gemäß Anspruch 3 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.
  • Zur Erzielung einer feinfühligen Regelung ist es gemäß Anspruch 4 günstig, wenn die Regelvorrichtung von der Kondensationstemperatur des Wärmetransport-Mediums, vorzugsweise nach dem Wärmetauscher beeinflußt ist. Die Kondensationstemperatur ist eine materialabhängige Funktion des Drucks, so daß zur Bestimmung der Kondensationstemperatur bei bekanntem Wärmetransport-Medium lediglich der Druck des Wärmetransport-Mediums nach dem Wärmetauscher gemessen werden muß. Dieser gemessene Druck kann dann unter Verwendung der Dampfdruckkurve des Wärmetransport-Mediums in eine Kondensationstemperatur umgerechnet werden. Die Kenntnis der Kondensationstemperatur ist wichtig, da eine unvollständige Kondensation des Wärmetransport-Mediums eine unvollständige Wärmeabgabe in den Wärmetauscher und ggf. eine instabile Regelung zur Folge hätte, so daß der Energieverbrauch des Kompressors zu hoch gewählt ist. Die Einflußnahme der Kondensationstemperatur auf die Regelung verbessert daher den Wirkungsgrad der Vorrichtung.
  • Zur Erzielung eines optimalen Wirkungsgrades ist es gemäß Anspruch 5 günstig, wenn die Regelvorrichtung die Temperatur des Wärmetransport-Mediums nach Durchströmen des Wärmetauschers auf eine Temperatur einregelt, die eine vorgegebene Temperaturspanne unter der Kondensationstemperatur des Wärmetransport-Mediums liegt. Das Wärmetransport-Medium ist in diesem Fall unterkühlt, so daß die Verdampfungswärme vollständig über den Wärmetauscher an die Boilerflüssigkeit abgegeben wurde. Steigt die Wärmeabgabe im Wärmetauscher an, so hat dies ein Absinken der Temperatur des Wärmetransport-Mediums am Ausgang des Wärmetauschers relativ zur Kondensationstemperatur zur Folge. In diesem Fall sorgt die Regelung für eine Erhöhung des Flusses durch den Kompressor. Damit kann die gesteigerte Wärmeaufnahmefähigkeit des Wärmetauschers direkt zur Erhöhung der Leistung der Vorrichtung genutzt werden. Außerdem bleibt die Regelung über den gesamten Betriebsbereich stabil.
  • Für die Temperaturspanne hat sich gemäß Anspruch 6 ein Bereich zwischen 1K und 10K bewährt. Bei einer Temperaturspanne von unter 1K besteht die Gefahr, daß beim Auftreten von Störungen die Kondensation des Wärmetransport-Mediums nicht mehr vollständig ist, so daß Wärme ungenutzt im Kreis gepumpt wird. Außerdem können hierdurch schwer beherrschbare Regelschwingungen entstehen. Eine Wahl der Temperaturspanne von über 10K ist unzweckmäßig, da dies eine Einschränkung von zur Verfügung stehenden Wärmequellen zur Folge hätte. Je nach einsetzbarer Wärmequelle ist jedoch eine größere Temperaturspanne möglich. Vorzugsweise wird die Temperaturspanne zwischen 3K und 7K gewählt, um eine möglichst feinfühlige und effiziente Regelung zu erzielen.
  • Um die Vorrichtung in einem weiten Leistungsbereich einsetzen zu können, ist es gemäß Anspruch 7 günstig, wenn zwischen dem Wärmetauscher und der Wärmequelle mindestens ein Expansionsventil vorgesehen ist. Dieses Expansionsventil sorgt für ein Entspannen des Wärmetransport-Medium und hält damit die Druckverhältnisse des Wärmetransport-Mediums im Bereich des Wärmetauschers in etwa konstant.
  • Um zu erreichen, daß die Vorrichtung unter allen Bedingungen einen optimalen Wirkungsgrad erzielt, ist es gemäß Anspruch 8 vorteilhaft, wenn das Expansionsventil mit einer vom Druck des Wärmetransport-Mediums beeinflußten Regelvorrichtung in Wirkverbindung steht. Auf diese Weise werden über einen weiten Arbeitsbereich konstante Eigenschaften des Wärmetransport-Mediums realisiert.
  • Insbesondere bei Wärmequellen mit sehr niedriger Temperatur ist es gemäß Anspruch 9 günstig, dem Wärmetauscher und mindestens einen Behälter nachzuordnen, der mit dem verdampften Wärmetransport-Medium in thermischem Kontakt steht. Damit wird das Wärmetransport-Medium zur Verbesserung der Wärmeaufnahme zusätzlich gekühlt. Außerdem erhöht sich die vom Kompressor erzielbare Endtemperatur.
  • Der Erfindungsgegenstand wird beispielhaft anhand der Zeichnung erläutert, ohne den Schutzumfang zu beschränken.
  • Die einzige Figur 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.
  • Der Boiler 2 ist über Leitungen 9 mit einem im Gegenstrom betriebenen Wärmetauscher 10 verbunden. Das Wasser 3 strömt dabei durch eine Sekundärseite 11 des Wärmetauschers 10. Diese Sekundärseite 11 besitzt einen größeren Leitungsquerschnitt als eine Primärseite 12 des Wärmetauschers 10, um zwischen dem Boiler 2 und dem Wärmetauscher 10 über die Leitungen 9 eine freie Konvektionsströmung ohne Umwälzpumpe realisieren zu können. Zur Erzielung eines möglichst geringen Wärmeverlustes ist der Wärmetauscher 10 innerhalb einer Wärmeisolierung 13 des Boilers 3 vorgesehen. Um auch die Strahlungswärme des Boilers 2 nutzbar zu machen, erstreckt sich der Wärmetauscher 10 um den Boiler 2 herum.
  • 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.
  • Außerdem könnte je nach Anwendungsfall der Wärmetauscher 10 vom Boiler 2 durch eine zusätzliche Wärmeisolationsschicht thermisch entkoppelt sein. Je nach Anwendungsfall ist alternativ auch daran gedacht, die Trennwand zwischen dem Wärmetauscher 10 und dem Boiler 2 mit Öffnungen zu versehen oder ganz wegzulassen, so daß sich auf diese Weise eine verbesserte Konvektion ausbildet.
  • Die Primärseite 12 des Wärmetauschers 10 wird von einem Wärmetransport-Medium 14 durchströmt, welches in einem gesonderten Kreislauf umgewälzt wird. Die Primärseite 12 des 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.
  • 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 Wärmetauschers 10 in etwa konstante Druckverhältnisse des Wärmetransport-Mediums 14 herrschen, so daß das Wärmetransport-Medium 14 in etwa eine konstante Kondensationstemperatur aufweist.
  • Das Expansionsventil 16 steht über eine Leitung 19 mit einem weiteren 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 Wärmetauscher 10 aufzuheizen. Hierzu muß diese Wärme erst auf eine höhere Temperatur gebracht werden.
  • 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 Wärmetauscher 10 kommendem Wärmetransport-Medium 14 steht. Das Wärmetransport-Medium 14 wird dabei in etwa auf die Zulaüftemperatur des Boilers 2 erwärmt.
  • 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 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.
  • Durch die Ausbildung des Wärmetauschers 10 als Gegenstrom-Wärmetauscher wird außerdem erreicht, daß das Wasser 3 nach dem Verlassen des 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 Wärmetauscher abwärts und erwärmt immer kältere Wasserschichten, wodurch es sich zusehends abkühlt. Dabei wird an einem bestimmten Punkt innerhalb des 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 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.
  • Zum Betrieb der Vorrichtung 1 ist ein Temperaturfühler 25 im Bereich der Leitung 15 ausgangsseitig des Wärmetauschers 10 vorgesehen. Dieser Temperaturfühler 25 mißt die Temperatur des Wärmetransport-Mediums 14 nach der Wärmeabgabe im 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.
  • 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.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Vorrichtung
    2
    Boiler
    3
    Wasser
    4
    Zulauf
    5
    Ablauf
    6
    Schichtgrenze
    7
    Warmseite
    8
    Kaltseite
    9
    Leitung
    10
    Wärmetauscher
    11
    Sekundärseite
    12
    Primärseite
    13
    Wärmeisolierung
    14
    Wärmetransport-Medium
    15
    Leitung
    15a
    Behälter
    16
    Expansionsventil
    17
    Regelvorrichtung
    17a
    Sollwert-Geber
    17b
    Differenzverstärker
    18
    Druckmeßgerät
    19
    Leitung
    20
    Wärmetauscher
    21
    Wärmequelle
    22
    Leitung
    23
    Kompressor
    24
    Leitung
    25
    Temperaturfühler
    26
    Rechenschaltung
    27
    Differenzverstärker
    27a
    Sollwert-Geber
    28
    Ausgangssignal
    29
    Regelvorrichtung
    30
    Frequenzumrichter

Claims (9)

  1. 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, und mit einer Sekundärseite (11) mindestens eines Wärmetauschers (10) einen ausschließlich durch Konvektion angetriebenen Kreislauf bildet, dadurch gekennzeichnet, daß eine Primärseite (12) des 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, wobei die Durchflußrate des Kompressors (23) von einer Regelvorrichtung (29) beeinflußt ist, welche von der Temperatur des Wärmetransport-Mediums (14) zwischen dem Ausgang des Kompressors (23) und der Ausgangsleitung (15) des Wärmetauschers (10) und/oder der Flüssigkeit (3) des Wärmetauschers (10) und/oder Boilers (2) beeinflußt ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (10) als Gegenstrom-Wärmetauscher ausgebildet und innerhalb einer Wärmeisolierung (13) des Boilers (2) vorgesehen ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (10) sekundärseitig einen größeren Leitungsquerschnitt aufweist als primärseitig.
  4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelvorrichtung (29) von der Kondensationstemperatur des Wärmetransport-Mediums (14), vorzugsweise nach dem Wärmetauscher (10) beeinflußt ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelvorrichtung (29) die Temperatur des Wärmetransport-Mediums (14) nach Durchströmen des Wärmetauschers (10) auf eine Temperatur einregelt, die eine vorgegebene Temperaturspanne unter der Kondensationstemperatur des Wärmetransport-Mediums (14) liegt.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturspanne zwischen 1K und 10K, vorzugsweise zwischen 3K und 7K liegt.
  7. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Wärmetauscher (10) und der Wärmequelle (21) mindestens ein Expansionsventil (16) vorgesehen ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Expansionsventil (16) mit einer vom Druck des Wärmetransport-Mediums (14) beeinflußten Regelvorrichtung (17) in Wirkverbindung steht.
  9. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärseite (12) des Wärmetauschers (10) mindestens ein Behälter (15a) nachgeordnet ist, der in thermischem Kontakt mit dem von der Wärmequelle (21) verdampften Wärmetransport-Medium (14) steht.
EP20070023232 2006-11-30 2007-11-30 Vorrichtung zur Wärmegewinnung Withdrawn EP1930667A2 (de)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200620018320 DE202006018320U1 (de) 2006-11-30 2006-11-30 Vorrichtung zur Wärmegewinnung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP1930667A2 true EP1930667A2 (de) 2008-06-11

Family

ID=37896854

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP20070023232 Withdrawn EP1930667A2 (de) 2006-11-30 2007-11-30 Vorrichtung zur Wärmegewinnung

Country Status (5)

Country Link
EP (1) EP1930667A2 (de)
CN (1) CN101191664A (de)
CA (1) CA2612787A1 (de)
DE (1) DE202006018320U1 (de)
EA (1) EA013454B1 (de)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009026420B4 (de) 2009-05-22 2023-10-05 Joachim Zeeh Mehrzonen-Schichtladespeicher
DE102009043583A1 (de) 2009-09-30 2011-03-31 Höcker, Hans-Peter, Dipl.-Ing.(FH) Wärmetauscher für Kältemittel

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6091155A (ja) * 1983-10-25 1985-05-22 Matsushita Electric Ind Co Ltd 給湯装置
US6460358B1 (en) * 2000-11-13 2002-10-08 Thomas H. Hebert Flash gas and superheat eliminator for evaporators and method therefor
JP2004347148A (ja) * 2003-05-20 2004-12-09 Matsushita Electric Ind Co Ltd ヒートポンプ給湯装置
JP2005098546A (ja) * 2003-09-22 2005-04-14 Matsushita Electric Ind Co Ltd ヒートポンプ給湯装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN101191664A (zh) 2008-06-04
CA2612787A1 (en) 2008-05-30
DE202006018320U1 (de) 2007-03-15
EA013454B1 (ru) 2010-04-30
EA200702393A1 (ru) 2008-06-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE2754626C2 (de) Mit einer Energiequelle relativ niedriger Temperatur, insbesondere Solarenergie, arbeitende Kälteanlage
AT502029B1 (de) Einrichtung zur belüftung und beheizung von gebäuden
DE2748415C2 (de) Heizverfahren und bimodales Heizsystem zum Heizen von Gebäuden
EP2053242A2 (de) Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks und solarthermisches Kraftwerk
DE2122064A1 (de) Kühlanlage, Wärmerückgewinnungsanlage, Verdichtungsanlage für gekühltes Gas und Anlage zur Durchführung eines Brayton-Kreisprozesses
DE102011108970A1 (de) Niedertemperaturkraftwerk, sowie Verfahrenzum Betrieb desselben
EP0288695B1 (de) Brennwert-Heizkessel und Verfahren zu seinem Betreiben
DE2854055A1 (de) Verfahren zum erhitzen eines waermetraegers mit einer absorptionswaermepumpe
EP2287547B1 (de) Wärmepumpe und Verfahren zur Regelung der Quelleneintrittstemperatur an der Wärmepumpe
EP1930667A2 (de) Vorrichtung zur Wärmegewinnung
DE102006056979B4 (de) Vorrichtung zur Wärmegewinnung
DE2846797A1 (de) Vorrichtung zur waermerueckgewinnung
DE2649872A1 (de) Waermepumpe zur erzeugung von nutzwaerme und nutzkaelte mit energiespeicherung unter ausnutzung der erstarrungs- bzw. schmelzwaerme von wasser
EP1736720A2 (de) Luftwärmepumpen-Verdampfungsvorrichtung für eine Luftwärmepumpenheizung sowie Verfahren zum Betreiben einer Luftwärmepumpenheizung
DE2613418A1 (de) Drehverdampfer
DE2538730A1 (de) Kuehlwaerme-rueckgewinnungsanlage
DE4408087C2 (de) Verfahren zum Betrieb einer Wärmeaustauscheranlage, für rekuperativen Wärmeaustausch
WO2012000002A2 (de) Anordnung zum umwandeln thermischer energie und vorrichtung zum erwärmen und kühlen eines mediums
CH626426A5 (en) Internal combustion engine system with a pressure-charged, water-cooled engine
EP2083169A1 (de) Kraftwerk sowie Verfahren zur Gewinnung von mechanischer oder elektrischer Energie
DE102020117462B4 (de) Verfahren zum Betreiben einer Absorptionswärmepumpe
DE19861020C1 (de) Lüftungsanordnung für Gebäude
DE10215079B4 (de) Verfahren zum Destillieren oder Entsalzen von Flüssigkeiten
DE4138774A1 (de) Waermepumpe
DE102013001652A1 (de) Verfahren und Verarbeitungsvorrichtung für Verbrennungsstoffe aus einer Wärmequelle

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MT NL PL PT RO SE SI SK TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: AL BA HR MK RS

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20110601