EP2321589B1 - Hochtemperaturwärmepumpe und verfahren zu deren regelung - Google Patents
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- EP2321589B1 EP2321589B1 EP09736109.1A EP09736109A EP2321589B1 EP 2321589 B1 EP2321589 B1 EP 2321589B1 EP 09736109 A EP09736109 A EP 09736109A EP 2321589 B1 EP2321589 B1 EP 2321589B1
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- F25B2339/04—Details of condensers
- F25B2339/047—Water-cooled condensers
Definitions
- the invention relates to a high-temperature heat pump for heating a fluid, preferably water, to a temperature level up to 150 ° C, which is operated with carbon dioxide as a refrigerant in the trans-critical range.
- the heat pump is particularly suitable for industrial heat generation and heat recovery as well as for energy storage methods where hot water is used as the storage medium.
- Carbon dioxide is a natural refrigerant and is characterized by a much lower global warming potential than conventional refrigerants, such. Hydrofluorocarbons, off.
- carbon dioxide is not toxic, e.g. Ammonia and propylene ether, nor can it form explosive mixtures with air, e.g. Propane and butane.
- the critical point of carbon dioxide is 31.1 ° C and 73.6 bar. Since heat pumps are almost always used to generate higher temperatures, they are inevitably operated in the transcritical range.
- DE 10 2005 044 029 B3 is a heat pump described, the refrigerant circuit is operated with a desuperheater, an evaporator, a compressor and a throttle body in the supercritical range.
- the heat pump has a control unit for controlling the throttle body.
- the throttle body is operated in response to a first pressure on the high-pressure side of the refrigerant circuit when a permissible overheating of the refrigerant in the refrigerant circuit is present. If the refrigerant in the refrigerant circuit is outside the allowable superheat, the throttle body is operated in accordance with a first temperature before the compressor.
- WO 2004/057245 A1 is a heat pump is described in which caused by overheating of the refrigerant upstream of the suction side of the compressor, an increase in the temperature of the refrigerant at the outlet of the compressor, without the pressure of the refrigerant is additionally increased on the output side of the compressor.
- the overheating should be achieved for example with a countercurrent heat exchanger.
- the desired heating of water to 60-90 ° C is achieved.
- EP 1 396 689 A1 discloses a refrigerant circuit consisting of a compressor, a heat exchanger, a refrigerant collector, an expansion valve and an evaporator. To further cool the refrigerant after exiting the heat exchanger and before entering the refrigerant receiver, this flows through an internal heat exchanger. The energy extracted from the refrigerant is returned to the refrigerant after it has left the evaporator and before it re-enters the compressor. In the case of carbon dioxide heat pumps with smaller outputs in the range from 5 to 50 kW, which are used to supply single and multi-family houses with hot water and for heating, a high-pressure regulation is usually installed.
- the evaporator is followed by a refrigerant collector, which receives from the evaporator leaking liquid carbon dioxide.
- a refrigerant collector which receives from the evaporator leaking liquid carbon dioxide.
- JP 2002 162123 A a run with carbon dioxide as a high-temperature heat pump with an evaporator, at least one internal heat exchanger, a compressor, three series condensers (gas cooler), a refrigerant collector and a refrigerant injection valve shown, in which the input of the refrigerant collector via a controllable expansion valve and the first inner Heat exchanger with the outlet of the series circuit of the gas cooler and the outlet of the refrigerant collector is connected to the expansion valve.
- Another internal heat exchanger which serves to heat the carbon dioxide before entering the compressor by means of hot water, is connected on the refrigerant side between the outlet of the first internal heat exchanger and the inlet of the compressor. With the heat pump, temperatures up to 150 ° C should be achievable.
- the invention has for its object to provide a powered with carbon dioxide refrigerant heat pump, which allows simultaneous control of refrigerant superheat in the evaporator, the high pressure in the gas cooler system and the heating of the refrigerant upstream of the compressor by internal heat exchanger, whereby high hot water outlet temperatures can be achieved. With the method high performance numbers should be achievable.
- the starting point is a high-temperature heat pump for heating a fluid to temperatures of up to 150 ° C, which is operated with carbon dioxide as the refrigerant in the transcritical range. It is intended to use preferably water as the fluid, which is heated to temperatures of 100 to 130 ° C.
- the heat pump consists of an evaporator, at least two internal heat exchangers, a compressor, one or more series-connected gas coolers, a refrigerant collector and at least one refrigerant injection valve.
- the inlet of the refrigerant collector is connected via a control valve (and via the first inner heat exchanger) to the (refrigerant side) outlet of the series connection of the gas cooler and the outlet of the refrigerant collector to the refrigerant injection valve.
- the coefficient of performance of the heat pump reaches its maximum value at a certain level of pressure in the gas cooler. If the pressure increases further, the hot water outlet temperature increases, but the coefficient of performance decreases.
- the control loop is also used to increase the hot water outlet temperature by raising the pressure. In order to keep the resulting reduction in the coefficient of performance as low as possible, the pressure is increased only so far that the required hot water outlet temperature is reached exactly.
- a second application-related internal heat exchanger in addition to the first inner heat exchanger, which causes a preheating of the carbon dioxide flowing to the compressor by the flowing back from the gas cooler carbon dioxide to the carbon dioxide before To further heat the inlet to the compressor, a second application-related internal heat exchanger, in which the carbon dioxide is heated by the hot water generated by the heat pump used.
- the second internal heat exchanger is connected on the refrigerant side between the outlet of the first internal heat exchanger and the inlet of the compressor.
- the gas cooler each heat the water to different temperature levels and for preheating the carbon dioxide, a high temperature level is required, the water-side inlet of the second internal heat exchanger via at least one control valve (3-way valve) connected to the gas cooler water outlet side, the refrigerant side output over the first inner heat exchanger is connected to the refrigerant collector; This gas cooler produces the water with the lowest temperature level.
- the refrigerant superheating is controlled via the inflow of the refrigerant into the evaporator and the high pressure in the gas cooler via the volume flow of carbon dioxide from the gas cooler into the refrigerant collector.
- the pressure and the temperature of the carbon dioxide at the outlet of the evaporator is measured, from which the refrigerant superheat is determined and compared in a control unit with a setpoint. If the target value is undershot, the influx of carbon dioxide into the evaporator is throttled by means of a refrigerant injection valve; if it is exceeded, the inflow is correspondingly increased by opening the refrigerant injection valve.
- the refrigerant injection valve of the evaporator either a pressure-controlled thermostatic valve or an electronic valve is used, which is controlled by means of temperature sensors for the evaporation temperature and the refrigerant outlet temperature from the evaporator.
- the high pressure is measured in one of the refrigerant pipes between the compressor outlet and the refrigerant collector with a pressure sensor arranged there.
- a pressure sensor arranged there.
- the actual value compared with the setpoint. If no increase in temperature of the hot water is required by an increase in pressure in the gas cooler, the setpoint corresponds to the pressure value at which the heat pump works with maximum coefficient of performance; otherwise it is, according to the necessary increase in temperature, above.
- the setpoint is undershot, the flow of carbon dioxide from the gas cooler into the refrigerant collector is throttled by means of the control valve arranged between the gas cooler outlet and the refrigerant collector; if it is exceeded, the flow of carbon dioxide is correspondingly increased.
- a stepwise regulation of the heat pump to the temperature value of the hot water is provided.
- the temperature of the hot water is measured and compared in a controller with a setpoint. If the setpoint is exceeded, more is passed by means of a 3-way valve with actuator and one by-pass, and less if less carbon dioxide is passed by the first and second internal heat exchangers.
- the volume flow of hot water through the second inner heat exchanger is additionally increased by means of another 3-way valve with actuator.
- the pressure in the gas cooler is increased.
- the hot water volume flow is reduced by the gas cooler last.
- the hot water volume flow through the gas cooler is adjusted via the speed of the water pump of the water cycle, by means of a throttle valve or via a controllable by a 3-way valve bypass to the water pump, which causes a partial return of the hot water.
- T-s diagram temperature-entropy diagram
- the cooling of carbon dioxide in the gas cooler takes place along a curved line.
- the resulting heating of the water takes place in the T-s diagram along straight line sections that run below the curved line of the carbon dioxide.
- the area lying between the curved line and the straight line sections represents the power loss occurring in the heat transfer process. Consequently, the more accurately the curved line of the carbon dioxide is followed with a number n of straight line sections, the more effectively the heat transfer becomes.
- n gas coolers are required for this purpose, which each heat water to n different temperature levels. It is therefore in each case to weigh the expenditure on equipment against the achieved thereby increasing the efficiency.
- n gas coolers energy can be stored with comparatively high efficiency and removed again by the heated by the gas cooler water with n different temperature levels stored in n separate hot water tanks and to remove the energy of a water-powered with carbon dioxide heat engine with n evaporators is supplied.
- the n temperature values of the gas cooler and the evaporator must correlate with respect to the refrigerant circuit.
- the hot water with n temperature levels is used to supply industrial plants specifically with water to the temperature levels required for the individual steps of the production process.
- the heat pump should be used primarily for the production of hot water with a temperature of 65 ° C. If the demand is met, the heat pump can also support the heating of the building. This is z. B. at a floor heating a flow temperature of 40 ° C is sufficient. In this case, the flow temperature is regulated down in reverse order by means of the control circuits.
- the carbon dioxide flows to the 3-way valve 18, which is controlled by means of the regulator 16, in which the temperature value of the hot water t HWA2 (or t HWA1 ) is compared with a predetermined desired value, and the actuator 17. If the real temperature value of the water is higher than the set value, the 3-way valve 18 is set so that more carbon dioxide through the bypass 9 on the series connection of the first inner heat exchanger 4 and second inner heat exchanger 5 is passed. If the real temperature value is lower, more carbon dioxide is conducted through the internal heat exchangers 4, 5 to the compressor 1.
- the pressure of the carbon dioxide is increased from about 45 to about 130 bar.
- the temperature of the carbon dioxide rises from less than 50 up to 150 ° C.
- the up to 150 ° C hot carbon dioxide is first passed through the first gas cooler 2 and then through the second gas cooler 3.
- the gas cooler 2, 3 act as a heat exchanger, so that cooled in the first gas cooler 2, the carbon dioxide and hot water at a temperature t HWA2 up to 145 ° C and hot gas in the gas cooler 3 with a temperature t HWA1 of about 70 ° C is generated ,
- the carbon dioxide passes through the first inner heat exchanger 4 via the control valve 15 in the refrigerant collector 7.
- the control valve 15 is the regulator 13, the high pressure in one of the refrigerant lines between the outlet of the compressor 1 and the entry into the Control valve 15 measures and compares this with the setpoint of the high pressure, controlled.
- the pressure in the gas coolers 2, 3 is increased by falling below the setpoint, that by means of the control valve 15 and the actuator 14, the flow of the effluent from the gas cooler carbon dioxide is throttled. If the setpoint is exceeded, the flow of the effluent carbon dioxide is increased accordingly.
- the carbon dioxide is directed to the refrigerant injection valve 8 of the evaporator 6, which is controlled by the electronic control unit 12.
- the control unit 12 measures via temperature sensors, the evaporation temperature and the refrigerant outlet temperature from the evaporator 6 and determines from the refrigerant superheat (overheating of carbon dioxide). This is compared with a setpoint. If the setpoint is undershot, the influx of carbon dioxide to the evaporator 6 is throttled by means of the refrigerant injection valve 8 and increased when it is exceeded by opening the refrigerant injection valve 8.
- the second gas cooler 3 After leaving the second gas cooler 3, part of the water, which now has the temperature t HWA1 (also called the mean temperature), is diverted by means of the 3-way valve 10. The remaining water is passed to the 3-way valve 24, which divides the water flow into a flow through the first gas cooler 2 and a flow through the second inner heat exchanger 5.
- the 3-way valve 24 and the actuator 23 By means of the 3-way valve 24 and the actuator 23, the water flow through the second inner heat exchanger 5 is increased if the current temperature value t HWA2 (or t HWA1 ) is below the setpoint and already by means of the 3-way valve 18 the entire carbon dioxide is passed through the series connection of the two inner heat exchanger 4, 5.
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Hochtemperaturwärmepumpe zur Erwärmung eines Fluids, vorzugsweise Wasser, auf ein Temperaturniveau bis 150°C, die mit Kohlendioxid als Kältemittel im transkritischen Bereich betrieben wird. Die Wärmepumpe eignet sich besonders für die industrielle Wärmeerzeugung und Wärmerückgewinnung sowie für Methoden zur Energiespeicherung, bei denen heißes Wasser als Speichermedium eingesetzt wird.
- Wärmepumpen, die mit Kohlendioxid (R744) als Kältemittel betrieben werden, gewinnen zunehmend an Bedeutung. Kohlendioxid ist ein natürliches Kältemittel und zeichnet sich durch ein vielfach geringeres Treibhauspotential als herkömmliche Kältemittel, wie z.B. Fluorkohlenwasserstoffe, aus. Im Gegensatz zu den anderen natürlichen Kältemitteln ist Kohlendioxid weder giftig, wie z.B. Ammoniak und Propylenether, noch kann es mit Luft explosive Gemische bilden, wie z.B. Propan und Butan.
- Der kritische Punkt des Kohlendioxids liegt bei 31,1 °C und 73,6 bar. Da Wärmepumpen praktisch immer zur Erzeugung höherer Temperaturen eingesetzt werden, werden sie zwangsläufig im transkritischen Bereich betrieben.
- In
DE 10 2005 044 029 B3 ist eine Wärmepumpe beschrieben, deren Kältemittelkreislauf mit einem Enthitzer, einem Verdampfer, einem Verdichter und einem Drosselorgan im überkritischen Bereich betrieben wird. Die Wärmepumpe weist eine Steuereinheit zum steuern des Drosselorgans auf. Das Drosselorgan wird in Abhängigkeit eines ersten Druckes auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufes betrieben, wenn eine zulässige Überhitzung des Kältemittels im Kältemittelkreislauf vorhanden ist. Wenn sich das Kältemittel im Kältemittelkreislauf außerhalb der zulässigen Überhitzung befindet, wird das Drosselorgan in Abhängigkeit einer ersten Temperatur vor dem Verdichter betrieben. - Mit
WO 2004/057245 A1 ist eine Wärmepumpe beschrieben, bei der durch Überhitzung des Kältemittels vor der Ansaugseite des Verdichters eine Erhöhung der Temperatur des Kältemittels am Ausgang des Verdichters bewirkt wird, ohne dass der Druck des Kältemittels auf der Ausgangsseite des Verdichters zusätzlich erhöht wird. Die Überhitzung soll beispielsweise mit einem Gegenstrom-Wärmetauscher erzielt werden. So wird die gewünschte Erwärmung von Wasser auf 60-90°C erreicht. - In mit Kohlendioxid betriebenen Wärmepumpen werden häufig sog. innere Wärmeübertrager eingesetzt, mit denen Wärme von wärmerem, aus den Gaskühlern in den Verdampfer zurückfließendem, Kohlendioxid auf kälteres, aus dem Verdampfer austretendes, Kohlendioxid übertragen wird. Mit inneren Wärmeübertragern wird einerseits eine Erhöhung der Enthalpieänderung Δ H erreicht, andererseits wird jedoch die Dichte des Kältemittels und infolgedessen auch der Kältemittel-Massenstrom verringert. Bei der Verwendung von Kohlendioxid als Kältemittel können mittels innerer Wärmeübertrager die Leistungszahlen von Wärmepumpen erhöht werden, da hier die vorteilhafte Erhöhung der Enthalpieänderung die nachteilige Verringerung der Dichte überwiegt.
-
EP 1 396 689 A1 offenbart einen Kältemittelkreislauf, der aus einem Verdichter, einem Wärmetauscher, einem Kältemittelsammler, einem Expansionsventil und einem Verdampfer besteht. Um das Kältemittel nach dem Austritt aus dem Wärmetauscher und vor dem Eintritt in den Kältemittelsammler weiter abzukühlen, strömt dieses durch einen inneren Wärmetauscher. Die dem Kältemittel entzogene Energie wird dem Kältemittel wieder zugeführt, nachdem es den Verdampfer verlassen hat und bevor es wieder in den Verdichter eintritt. Bei Kohlendioxid-Wärmepumpen mit kleineren Leistungen im Bereich von 5 bis 50 kW, die zur Versorgung von Ein- und Mehrfamilienhäusern mit Warmwasser und zum Beheizen eingesetzt werden, ist meist eine Regelung des Hochdruckes installiert. Dem Verdampfer ist ein Kältemittelsammler nachgeschaltet, der aus dem Verdampfer austretendes flüssiges Kohlendioxid aufnimmt. Mit derartigen Wärmepumpen können allerdings keine optimalen Leistungszahlen erreicht werden, da die Kältemitteleinspritzung in den Verdampfer nicht geregelt wird und nicht vermieden werden kann, dass flüssiges Kohlendioxid aus dem Verdampfer austritt. Bei Wärmepumpen mit kleineren Leistungen werden diese Nachteile jedoch üblicherweise aufgrund der geringeren Herstellungskosten in Kauf genommen. - Eine Übertragung dieses Prinzips auf Wärmepumpen mit größeren Leistungen von 0,5 bis 20 MW, wie sie z.B. zur Erzeugung von Wärme in Industrieanlagen eingesetzt werden, ist jedoch nicht akzeptabel. Im Vergleich zu Wärmepumpen für den haustechnischen Bereich haben solche Wärmepumpen einen wesentlich höheren Anschaffungspreis. Deshalb fallen die Mehrkosten für eine verbesserte Regelung weniger ins Gewicht, während andererseits durch eine Verbesserung der Leistungszahl ein höherer absoluter Energiegewinn erzielt wird.
- Schließlich wird in
JP 2002 162123 A - Mit dieser Wärmepumpe, die die Prozessführung verbessert, jedoch keine Regelung eines feststehenden Prozesses, insbesondere keine Regelung des Volumenstroms des Heißwassers ermöglicht, wird die anstehende Aufgabe der Erfindung nicht gelöst.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mit Kohlendioxid als Kältemittel betriebene Wärmepumpe zu schaffen, die gleichzeitig eine Regelung der Kältemittelüberhitzung im Verdampfer, des Hochdrucks im Gaskühlersystem und der Erwärmung des Kältemittels vor dem Verdichter durch innere Wärmeübertrager ermöglicht, wodurch hohe Heißwasseraustrittstemperaturen erzielbar sind. Mit dem Verfahren sollen hohe Leistungszahlen erreichbar sein.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 2 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen und Verwendungen ergeben sich aus den Ansprüchen 3 bis 13.
- Ausgegangen wird von einer Hochtemperaturwärmepumpe zur Erwärmung eines Fluids auf Temperaturen bis zu 150°C, die mit Kohlendioxid als Kältemittel im transkritischen Bereich betrieben wird. Dabei ist vorgesehen, als Fluid vorzugsweise Wasser einzusetzen, das auf Temperaturen von 100 bis 130°C erhitzt wird. Die Wärmepumpe besteht aus einem Verdampfer, mindestens zwei inneren Wärmeübertragern, einem Verdichter, einem oder mehreren in Reihe geschalteten Gaskühlern, einem Kältemittelsammler und mindestens einem Kältemitteleinspritzventil.
- Der Eintritt des Kältemittelsammlers ist über ein Regelventil (und über den ersten inneren Wärmetauscher) mit dem (kältemittelseitigen) Austritt der Reihenschaltung der Gaskühler und der Ausgang des Kältemittelsammlers mit dem Kältemitteleinspritzventil verbunden. Mit dieser Anordnung kann durch das Regelventil der Hochdruck in den Gaskühlern eingestellt werden.
- Die Leistungszahl der Wärmepumpe erreicht bei einer bestimmten Höhe des Drucks in den Gaskühlern ihren maximalen Wert. Bei einer weiteren Erhöhung des Drucks steigt zwar die Heißwasseraustrittstemperatur, die Leistungszahl nimmt jedoch ab. Erfindungsgemäß wird der Regelkreis auch dazu genutzt, die Heißwasseraustrittstemperatur durch Anheben des Drucks zu erhöhen. Um die hierdurch verursachte Verringerung der Leistungszahl so gering wie möglich zu halten, wird der Druck nur soweit erhöht, dass die erforderliche Heißwasseraustrittstemperatur genau erreicht wird.
- Ab bestimmten Werten des Drucks werden durch weitere Druckerhöhung nur noch geringe Steigerungen der Heißwasseraustrittstemperatur erreicht, während die Leistungszahlen nach wie vor stark abnehmen. Folglich ist es notwendig, in der Regelung für den Wert des Hochdrucks eine maximale Grenze zu hinterlegen, bei dem der Nachteil der Verringerung der Leistungszahl den Vorteil der Temperaturerhöhung überwiegt.
- Nach Maßgabe der Erfindung ist neben dem ersten inneren Wärmeübertrager, der eine Vorerwärmung des zum Verdichter strömenden Kohlendioxids durch das von den Gaskühlern zurückströmende Kohlendioxid bewirkt, um das Kohlendioxid vor dem Eintritt in den Verdichter weiter zu erwärmen, ein zweiter anwendungsbezogener innerer Wärmeübertrager, in dem das Kohlendioxid durch das von der Wärmepumpe erzeugte heiße Wasser erwärmt wird, eingesetzt. Der zweite innere Wärmeübertrager ist kältemittelseitig zwischen den Ausgang des ersten inneren Wärmeübertragers und den Eingang des Verdichters geschaltet.
- Da die Gaskühler das Wasser jeweils auf unterschiedliche Temperaturniveaus erwärmen und zur Vorerwärmung des Kohlendioxids kein hohes Temperaturniveau erforderlich ist, ist der wasserseitige Eingang des zweiten inneren Wärmeübertragers über mindestens ein Regelventil (3-Wege-Ventil) mit dem Gaskühler wasseraustrittsseitig verbunden, dessen kältemittelseitiger Ausgang über den ersten inneren Wärmetauscher mit dem Kältemittelsammler verbunden ist; dieser Gaskühler erzeugt das Wasser mit dem niedrigsten Temperaturniveau.
- Erfindungsgemäß wird bei der Wärmepumpe die Kältemittelüberhitzung über den Zustrom des Kältemittels in den Verdampfer und der Hochdruck in den Gaskühlern über den Volumenstrom des Kohlendioxids aus den Gaskühlern in den Kältemittelsammler geregelt.
- Zur Regelung der Kältemittelüberhitzung wird der Druck und die Temperatur des Kohlendioxids am Austritt des Verdampfers gemessen, daraus die Kältemittelüberhitzung ermittelt und diese in einer Regeleinheit mit einem Sollwert verglichen. Bei einer Unterschreitung des Sollwerts wird der Zustrom von Kohlendioxid in den Verdampfer mittels eines Kältemitteleinspritzventil gedrosselt, bei einer Überschreitung wird entsprechend der Zustrom durch Öffnen des Kältemitteleinspritzventils erhöht.
- Als Kältemitteleinspritzventil des Verdampfers wird entweder ein druckgeregeltes thermostatisches Ventil oder ein elektronisches Ventil verwendet, das mittels Temperatursensoren für die Verdampfungstemperatur und die Kältemittelaustrittstemperatur aus dem Verdampfer geregelt wird.
- Zur Regelung des Hochdrucks in den Gaskühlern, wird der Hochdruck in einer der Kältemittelrohrleitungen zwischen Verdichteraustritt und Kältemittelsammler mit einem dort angeordneten Drucksensor gemessen. Mittels eines Reglers wird der Istwert mit dem Sollwert verglichen. Falls keine Temperaturerhöhung des Heißwassers durch eine Druckerhöhung in den Gaskühlern erforderlich ist, entspricht der Sollwert dem Druckwert, bei dem die Wärmepumpe mit maximaler Leistungszahl arbeitet; andernfalls liegt er, der notwendigen Temperaturerhöhung entsprechend, darüber. Bei einer Unterschreitung des Sollwerts wird mittels des zwischen Gaskühleraustritt und Kältemittelsammler angeordneten Regelventils der Strom des Kohlendioxids aus den Gaskühlern in den Kältemittelsammler gedrosselt, bei einer Überschreitung wird entsprechend der Strom des Kohlendioxids erhöht.
- Zur weiteren Erhöhung der Leistungszahl der Wärmepumpe ist zusätzlich zu der Regelung der Kältemittelüberhitzung und des Hochdrucks noch eine stufenweise Regelung der Wärmepumpe auf den Temperaturwert des Heißwassers vorgesehen.
- Hierzu wird die Temperatur des Heißwassers gemessen und in einem Regler mit einem Sollwert verglichen. Bei einer Überschreitung des Sollwerts wird mit Hilfe eines 3-Wege-Ventils mit Stellantrieb sowie eines Bypasses mehr und bei einer Unterschreitung weniger Kohlendioxid am ersten und am zweiten inneren Wärmeübertrager vorbeigeführt.
- Wenn bereits der gesamte Kältemittelstrom durch den ersten und zweiten Wärmeübertrager geleitet und dennoch die Solltemperatur des Heißwassers nicht erreicht wird, dann wird zusätzlich mittels eines weiteren 3-Wege-Ventils mit Stellantrieb der Volumenstrom des Heißwassers durch den zweiten inneren Wärmeübertrager erhöht.
- Wenn die Solltemperatur des Heißwassers nicht erreicht wird, obwohl bereits der gesamte Kältemittelstrom durch den ersten und zweiten Wärmeübertrager geleitet wird und außerdem der Volumenstrom des Heißwassers durch den zweiten inneren Wärmeübertrager bereits den Maximalwert erreicht hat, dann wird der Druck in den Gaskühlern erhöht.
- Wenn die Solltemperatur des Heißwassers nicht erreicht wird, obwohl bereits der gesamte Kältemittelstrom durch den ersten sowie den zweiten Wärmeübertrager geleitet wird und der Volumenstrom des Heißwassers durch den zweiten inneren Wärmeübertrager und der Druck in den Gaskühlern ihre maximalen Regelgrenzen erreicht haben, dann wird zuletzt der Heißwasservolumenstrom durch die Gaskühler verringert.
- Der Heißwasservolumenstrom durch die Gaskühler wird über die Drehzahl der Wasserpumpe des Wasserkreislaufs, mittels eines Drosselventils oder über einen mittels eines 3-Wege-Ventils regelbaren Bypasses zur Wasserpumpe, der einen teilweisen Rückfluss des Heißwassers bewirkt, eingestellt.
- Betrachtet man den Kreisprozess von mit Kohlendioxid betriebenen Wärmepumpen im Temperatur-Entropie-Diagramm (T-s-Diagramm), dann stellt man fest, dass die Abkühlung des Kohlendioxids in den Gaskühlern längs einer gebogenen Linie erfolgt. Die dadurch bedingte Erwärmung des Wassers erfolgt im T-s-Diagramm längs von Geradenabschnitten, die unterhalb der gebogenen Linie des Kohlendioxids verlaufen. Dabei stellt die zwischen der gebogenen Linie und den Geradenabschnitten liegende Fläche die beim Wärmeübertragungsprozess auftretende Verlustleistung dar. Folglich wird der Wärmeübertrag umso effektiver, je genauer der gebogenen Linie des Kohlendioxids mit einer Anzahl n Geradenabschnitten gefolgt wird. Hierzu werden allerdings n Gaskühler benötigt, die jeweils Wasser auf n verschiedene Temperaturniveaus erwärmen. Es ist also jeweils der apparative Aufwand gegen die dadurch erreichte Steigerung des Wirkungsgrades abzuwägen.
- Der Kreisprozess einer mit Kohlendioxid betriebenen Wärmekraftmaschine verläuft in umgekehrter Richtung, ist ansonsten jedoch nahezu identisch.
- Mit einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe mit n Gaskühlern kann Energie mit vergleichsweise hohem Wirkungsgrad gespeichert und wieder entnommen werden, indem das von den Gaskühlern erwärmte Wasser mit n verschiedenen Temperaturniveaus in n separaten Warmwasserspeichern gespeichert und zur Entnahme der Energie das Wasser einer mit Kohlendioxid betriebenen Wärmekraftmaschine mit n Verdampfern zugeführt wird. Um hohe Wirkungsgrade zu erreichen, müssen die n Temperaturwerte der Gaskühler und der Verdampfer bezüglich des Kältemittelkreislaufs korrelieren.
- Bei industriellen Herstellungsprozessen wird für die einzelnen Prozessschritte sehr oft Wärme auf unterschiedlichen Temperaturniveaus benötigt. In einer weiteren vorteilhaften Verwendung der erfindungsgemäßen Wärmepumpe mit n Gaskühlern wird das heiße Wasser mit n Temperaturniveaus dazu genutzt, Industrieanlagen gezielt mit Wasser auf den für die Einzelschritte des Herstellungsprozesses benötigten Temperaturniveaus zu versorgen.
- Zudem soll die Wärmepumpe vorrangig zur Erzeugung von Warmwasser mit einer Temperatur von 65°C eingesetzt werden. Wenn der diesbezügliche Bedarf gedeckt ist, kann die Wärmepumpe aber auch die Gebäudeheizung unterstützen. Dazu ist z. B. bei einer Fußbodenheizung eine Vorlauftemperatur von 40°C ausreichend. In diesem Fall wird die Vorlauftemperatur mittels der Regelkreise in umgekehrter Reihenfolge heruntergeregelt.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert; hierzu zeigen:
- Fig. 1:
- Anlagenschema einer Wärmepumpe mit zwei Gaskühlern;
- Fig. 2:
- T-s-Diagramm des Wärmepumpenprozesses einer Wärmepumpe mit zwei Gaskühlern.
- Bei der mit Kohlendioxid als Kältemittel betrieben Wärmepumpe, die mit zwei Gaskühlern 2, 3 ausgestattet ist, wird im Verdampfer 6 Wärme von einer Wärmequelle mittels eines Flüssigkeits- oder Gasstromes auf das Kohlendioxid übertragen (
Fig. 1 ). Der ein- und ausgehende Flüssigkeits- bzw. Gasstrom ist jeweils mit tWQE und tWQA bezeichnet. - Vom Verdampfer 6 strömt das Kohlendioxid zum 3-Wege-Ventil 18, das mittels des Reglers 16, in dem der Temperaturwert des Heißwassers tHWA2 (oder tHWA1) mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen wird, und des Stellantriebs 17 gesteuert wird. Ist der reale Temperaturwert des Wassers höher als der Sollwert, wird das 3-Wege-Ventil 18 so eingestellt, dass mehr Kohlendioxid über den Bypass 9 an der Serienschaltung des ersten inneren Wärmeübertragers 4 und zweiten inneren Wärmeübertragers 5 vorbeigeführt wird. Ist der reale Temperaturwert niedriger, wird mehr Kohlendioxid durch die inneren Wärmeübertrager 4, 5 zum Verdichter 1 geleitet.
- Im Verdichter 1 wird der Druck des Kohlendioxids von ca. 45 auf ca.130 bar erhöht. Dabei steigt die Temperatur des Kohlendioxids von weniger als 50 auf bis zu 150°C. Das bis zu 150°C heiße Kohlendioxid wird zuerst durch den ersten Gaskühler 2 und anschließend durch den zweiten Gaskühler 3 geleitet. Die Gaskühler 2, 3 wirken als Wärmeübertrager, sodass im ersten Gaskühler 2 das Kohlendioxid abgekühlt und gleichzeitig heißes Wasser mit einer Temperatur tHWA2 bis zu 145°C und im Gaskühler 3 heißes Wasser mit einer Temperatur tHWA1 von ca. 70°C erzeugt wird.
- Nach Verlassen des zweiten Gaskühlers 3 gelangt das Kohlendioxid durch den ersten inneren Wärmeübertrager 4 über das Regelventil 15 in den Kältemittelsammler 7. Das Regelventil 15 wird vom Regler 13, der den Hochdruck in einer der Kältemittelleitungen zwischen dem Austritt des Verdichters 1 sowie dem Eintritt in das Regelventil 15 misst und diesen mit dem Sollwert des Hochdrucks vergleicht, gesteuert. Der Druck in den Gaskühlern 2, 3 wird bei einer Unterschreitung des Sollwerts dadurch erhöht, dass mittels des Regelventils 15 und des Stellantriebs 14 der Strom des aus dem Gaskühler abfließenden Kohlendioxids gedrosselt wird. Bei einer Überschreitung des Sollwerts wird entsprechend der Strom des abfließenden Kohlendioxids erhöht.
- Vom Kältemittelsammler 7 wird das Kohlendioxid zum Kältemitteleinspritzventil 8 des Verdampfers 6, das über die elektronische Regeleinheit 12 gesteuert wird, geleitet. Die Regeleinheit 12 misst über Temperatursensoren die Verdampfungstemperatur sowie die Kältemittelaustrittstemperatur aus dem Verdampfer 6 und ermittelt daraus die Kältemittelüberhitzung (Überhitzung des Kohlendioxids). Diese wird mit einem Sollwert verglichen. Bei einer Unterschreitung des Sollwerts wird mittels des Kältemitteleinspritzventils 8 der Zustrom von Kohlendioxid zum Verdampfer 6 gedrosselt und bei eine Überschreitung durch Öffnen des Kältemitteleinspritzventils 8 erhöht.
- Mit der Wasserpumpe 11 wird zunächst kühles Wasser in den zweiten Gaskühler 3 gefördert. Mittels des Reglers 19, des Stellantriebs 20 und des über der Wasserpumpe liegenden Bypasses 22, der einen teilweisen Rückfluss des Wassers von der Druck- zur Saugseite der Pumpe bewirkt, wird die eingehende Wassermenge geregelt. Im Regler 19 wird der aktuelle Temperaturwert tHWA2 (bzw. tHWA1) gemessen und mit dem vorgegebenen Sollwert verglichen. Sofern die 3-Wege-Ventile 18 und 24 bereits mittels des Reglers 16 sowie das Regelventil 15 mittels des Reglers 13 bis zur Regelgrenze gesteuert sind, der Sollwert jedoch noch nicht erreicht ist, wird mittels des 3-Wege-Ventils 21 die Wassermenge durch den Bypass 22 erhöht.
- Nach Verlassen des zweiten Gaskühlers 3 wird ein Teil des Wassers, das nunmehr die Temperatur tHWA1 (auch als Mitteltemperatur genannt) hat, mit Hilfe des 3-Wege-Ventils 10 abgezweigt. Das restliche Wasser wird zum 3-Wege-Ventil 24 geleitet, das den Wasserstrom in einen Strom durch den ersten Gaskühler 2 und einen Strom durch den zweiten inneren Wärmeübertrager 5 aufteilt. Mittels des 3-Wege-Ventils 24 und des Stellantriebs 23 wird der Wasserstrom durch den zweiten inneren Wärmeübertrager 5 erhöht, falls der aktuelle Temperaturwert tHWA2 (bzw. tHWA1) unterhalb des Sollwerts liegt und bereits mittels des 3-Wege-Ventils 18 das gesamte Kohlendioxid durch die Reihenschaltung der beiden inneren Wärmeübertrager 4, 5 geleitet wird.
- Aus dem inneren Wärmeübertrager 5 tritt Wasser mit einer Temperatur tHWA3 aus. Da die Temperatur tHWA3 nur geringfügig kleiner als die Temperatur tHWA1 ist, wird dieses Wasser dem Wasser der Temperatur THWA1 beigemischt.
- Aus dem T-s-Diagramm des Prozesses der Wärmepumpe (
Fig. 2 ) ist ersichtlich, dass bereits mit zwei Geradenabschnitten, die die Gaskühler 2, 3 repräsentieren, eine vergleichsweise gute Anpassung an die gebogen verlaufende Kurve, die die Abkühlung des Kohlendioxids repräsentiert, möglich ist, wenn die Lage der Mitteltemperatur (gekennzeichnet durch den Schnittpunkt der beiden Geradenabschnitte) mit Hilfe des 3-Wege-Ventils 10 auf einen Wert von ca. 80°C geregelt wird. Aus dem Diagramm ist auch ersichtlich, dass bei der Verwendung von nur einem Gaskühler erhebliche Wärmeübertragungsverluste auftreten würden. -
- 1
- Verdichter
- 2
- erster Gaskühler
- 3
- zweiter Gaskühler
- 4
- innerer Wärmeübertrager (Kältemittel/Kältemittel)
- 5
- innerer Wärmeübertrager (Kältemittel/Heißwasser)
- 6
- Verdampfer
- 7
- Kältemittelsammler
- 8
- Kältemitteleinspritzventil
- 9
- Bypass (innerer Wärmeübertrager)
- 10
- 3-Wege-Ventil (Einstellung der Mitteltemperatur)
- 11
- Wasserpumpe
- 12
- Regeleinheit (Verdampfereinspritzung)
- 13
- Regler (Hochdruck)
- 14
- Stellantrieb (Hochdruck)
- 15
- Regelventil (Hochdruck)
- 16
- Regler (Eingangstemperatur Kompressor)
- 17
- Stellantrieb (Eingangstemperatur Kompressor)
- 18
- 3-Wege-Ventil (Eingangstemperatur Kompressor)
- 19
- Regler (eingehende Wassermenge)
- 20
- Stellantrieb (eingehende Wassermenge)
- 21
- 3-Wege-Ventil (eingehende Wassermenge)
- 22
- Bypass (zur Wasserpumpe)
- 23
- Stellantrieb (Wassermenge durch inneren Wärmeübertrager)
- 24
- 3-Wege-Ventil (Wassermenge durch inneren Wärmeübertrager)
Claims (13)
- Hochtemperaturwärmepumpe zur Erwärmung eines Fluids auf ein Temperaturniveau bis zu 150°C, die mit Kohlendioxid als Kältemittel im transkritischen Bereich betrieben wird, mit einem Verdampfer (6), mindestens einem inneren Wärmeübertrager (4), einem Verdichter (1), einem oder mehreren in Reihe geschalteten Gaskühlern (2, 3), einem Kältemittelsammler (7) und einem Kältemitteleinspritzventil (8), wobei der Eingang des Kältemittelsammlers (7) über ein Regelventil (15) sowie über den ersten inneren Wärmeübertrager (4) mit dem Austritt der Reihenschaltung der Gaskühler (2, 3) und der Ausgang des Kältemittelsammlers (7) mit dem Entspannungsventil (8) verbunden ist, und ein weiterer anwendungsbezogener innerer Wärmeübertrager (5), der der Erwärmung des Kohlendioxids vor Eintritt in den Verdichter (1) mittels Heißwasser dient, kältemittelseitig zwischen den Ausgang des ersten inneren Wärmeübertragers (4) und den Eingang des Verdichters (1) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der wasserseitige Eingang des zweiten inneren Wärmeübertragers (5) über mindestens ein Regelventil (24) mit dem wasserseitigen Ausgang desjenigen Gaskühlers (3) verbunden ist, dessen kältemittelseitiger Ausgang am ersten inneren Wärmeübertrager (4) angeschlossen ist.
- Verfahren zur Regelung der Hochtemperatur-Wärmepumpe nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass- der Kältemitteldruck (p0) und die Kältemitteltemperatur (t0) am Austritt des Verdampfers (6) gemessen, daraus die Kältemittelüberhitzung ermittelt und diese in einer Regeleinheit (12) mit einem Sollwert verglichen wird, wobei bei Unterschreitung des Sollwerts durch das Kältemitteleinspritzventil (8) des Verdampfers (6) der Zustrom von Kohlendioxid zum Verdampfer (6) gedrosselt und bei einer Überschreitung durch Öffnen des Kältemitteleinspritzventils (8) erhöht wird,- der Hochdruck (pKKA) in einer der Kältemittelrohrleitungen zwischen Verdichteraustritt und dem Eintritt in das Regelventil (15) gemessen wird, mittels des Reglers (13) der Istwert mit einem Sollwert, der, falls keine Temperaturerhöhung des Heißwassers über eine Druckerhöhung in den Gaskühlern (2, 3) erforderlich ist, dem Druckwert, bei dem die Hochtemperaturwärmepumpe mit maximaler Leistungszahl arbeitet, entspricht und andernfalls der notwendigen Temperaturerhöhung entsprechend über diesem Druckwert liegt, verglichen wird, wobei bei einer Unterschreitung des Sollwerts mittels des zwischen dem inneren Wärmeübertrager (4) und dem Kältemittelsammler (7) angeordneten Regelventils (15) der Strom des Kohlendioxids aus den Gaskühlern (2, 3) in den Kältemittelsammler (7) gedrosselt und bei einer Überschreitung erhöht wird.
- Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Kältemitteleinspritzventil (8) ein druckgeregeltes thermostatisches Ventil eingesetzt wird.
- Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Kältemitteleinspritzventil (8) ein elektronisches Ventil eingesetzt wird, das mittels Temperatursensoren für die Verdampfungstemperatur und die Kältemittelaustrittstemperatur aus dem Verdampfer (6) geregelt wird.
- Verfahren nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Heißwassers gemessen und im Regler (16) mit einem Sollwert verglichen wird, wobei bei einer Überschreitung des Sollwerts mehr und bei einer Unterschreitung weniger Kohlendioxid am ersten (4) und am zweiten inneren Wärmeübertrager (5) vorbeigeführt wird.
- Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass, falls bei hohen Volumenströmen des Heißwassers mittels des 3-Wege-Ventils (18) bereits der gesamte Kältemittelstrom durch den ersten (4) und zweiten inneren Wärmeübertrager (5) geleitet wird und die Solltemperatur des Heißwassers nicht erreicht wird, mittels eines 3-Wege-Ventils (24) mit Stellantrieb (23) der Volumenstrom des Heißwassers durch den zweiten inneren Wärmeübertrager (5) erhöht wird.
- Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass, falls der Volumenstrom des Heißwassers durch den zweiten inneren Wärmeübertrager (5) am Maximalwert angelangt ist und die Solltemperatur des Heißwassers nicht erreicht wird, der Druck in den Gaskühlern (2, 3) erhöht wird.
- Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass, falls die Drücke in den Gaskühlern (2, 3) an ihren Maximalwerten angelangt sind und die Solltemperatur des Heißwassers nicht erreicht wird, der Heißwasservolumenstrom durch die Gaskühler (2, 3) verringert wird.
- Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Heißwasservolumenstrom durch die Gaskühler (2, 3) über einen mittels des Reglers (19), des Stellantriebs (20) und des 3-Wege-Ventils (21) regelbaren Bypasses (22) für das Heißwasser, der einen teilweisen Rückfluss des Heißwassers bewirkt, eingestellt wird.
- Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Heißwasservolumenstrom durch die Gaskühler (2, 3) über die Drehzahl einer Wasserpumpe (11) des Wasserkreislaufs oder mittels eines Drosselventils, eingestellt wird.
- Verwendung der Wärmepumpe nach Anspruch 1 zur Energiespeicherung, wobei die Wärmepumpe n Gaskühler aufweist, die jeweils n separate Warmwasserspeicher mit Wasser auf unterschiedlichem Temperaturniveau beliefern, und zur Entnahme der Energie das Wasser der n Warmwasserspeicher jeweils durch einen von n kühlmittelseitig in Reihe geschalteten Verdampfern einer mit Kohlendioxid betriebenen Wärmekraftmaschine geleitet wird, wobei jeweils die Wassertemperaturwerte in den n Gaskühlern der Wärmepumpe und in den ebenfalls n Verdampfern der Kraftmaschine entlang des Strömungsweges in diesen Apparaten gezielt an die für den Wärmetransport erforderlichen Temperaturdifferenzen angepasst werden.
- Verwendung der Wärmepumpe nach Anspruch 1 zur Energiespeicherung, wobei die Wärmepumpe n Gaskühler aufweist, die jeweils n Wärmeverbraucher auf unterschiedlichen Temperaturniveaus versorgen.
- Verwendung der Wärmepumpe nach Anspruch 1 für die Erwärmung von Fluiden für technologische Prozesse, Wassererwärmung, Heizung oder beliebigen Kombinationen der Anwendungen mit jeweils unterschiedlichen Sollwerten für Heißwasservorlauftemperaturen durch die Abfolge des Eingriffs der einzelnen Regelkreise gemäß Verfahren nach den Ansprüchen 3 sowie 6 bis 11.
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