EP2989395A1 - Verfahren zum betrieb einer wärmepumpenanordnung und wärmepumpenanordnung - Google Patents

Verfahren zum betrieb einer wärmepumpenanordnung und wärmepumpenanordnung

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Publication number
EP2989395A1
EP2989395A1 EP14728920.1A EP14728920A EP2989395A1 EP 2989395 A1 EP2989395 A1 EP 2989395A1 EP 14728920 A EP14728920 A EP 14728920A EP 2989395 A1 EP2989395 A1 EP 2989395A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fluid
heat
heat pump
temperature
useful
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Withdrawn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
EP14728920.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Gromoll
Florian REISSNER
Jochen SCHÄFER
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.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2989395A1 publication Critical patent/EP2989395A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • F25B7/00—Compression machines, plants or systems, with cascade operation, i.e. with two or more circuits, the heat from the condenser of one circuit being absorbed by the evaporator of the next circuit
    • 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
    • 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
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/52—Heat recovery pumps, i.e. heat pump based systems or units able to transfer the thermal energy from one area of the premises or part of the facilities to a different one, improving the overall efficiency

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a heat pump arrangement according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a heat pump arrangement according to the preamble of claim 8.
  • a heat pump is a machine that uses technical labor to absorb thermal energy in the form of heat from a lower temperature source of heat and, together with the drive energy of a compressor, dissipates it as waste heat to a heat sink with a higher temperature. For temporary storage or for the transfer of heat thereby serves a fluid which is guided within the heat pump by means of the compressor in a cyclic process. This cyclic process is also called thermodynamic vapor compression cycle.
  • HMWP high-temperature heat pumps
  • Object of the present invention is, therefore, reindeer a procedural and to provide a heat pump arrangement by means of which useful heat can be particularly high temperatures solicitge ⁇ represents.
  • COP coefficient of performance
  • the useful heat at a fluid temperature of at least 150 ° C. and more preferably of at least 160 ° C. is withdrawn from the second fluid.
  • the second heat pump By means of the second heat pump, particularly high fluid temperatures can be achieved.
  • a useful heat can be withdrawn from the second fluid with a particularly high temperature, which can be provided more effectively, for example, useful heat for industrial use.
  • the first heat pump of at least one fluoroketone as the ers ⁇ th fluid flows through. Fluoroketones are particularly harmless ⁇ industrially applicable, since it can be dispensed with special protective measures in case of danger.
  • Fluoroketones are be ⁇ Sonder's future-proof applications. In addition, they have a particularly low global warming potential, are non-flammable and non-toxic. For this reason, fluoroketones are especially suitable for use as fluids in heat pump arrangements, in particular if by means of these perennialpumpenanord ⁇ voltages industrial process heat, especially useful heat with a temperature greater than 120 ° C, is provided.
  • both water and fluoroketones are particularly suitable as fluids in applications in which high fluid temperatures occur. Because they are neither flammable nor poisonous.
  • the coefficient of performance (COP) of the respective heat pump depends on the respective temperature lift.
  • a heat pump is defined as the temperature difference which can be achieved between a respective capacitor of the heat pump and a respective evaporator of the heat pump.
  • waste heat of a particularly high temperature can thus be provided and transferred by means of the heat exchanger to the second fluid of the second heat pump.
  • An achievable by means of the second heat pump maximum tempera ture ⁇ of the second fluid thus depends directly on the transferred from the first fluid amount of heat.
  • NOVEC 524 ge only up to a maximum fluid temperature of said 140 ° C is suitable, it is recommended to realize by means of the second heat ⁇ pump, for example, a temperature of 140 ° C to 200 ° C, as a second fluid, for example, water enforce ⁇ , which is also suitable for fluid temperatures greater than 140 ° C.
  • the heat output from ers ⁇ th on the second fluid is largely isothermal.
  • the temperature of the heat released amount is kept very constant, whereby tempera ⁇ turschwankungen particularly largely excluded and thus a largely constant temperature increase by means of the second heat pump can be achieved.
  • the first fluid In order to realize an isothermal ditch ab ⁇ transfer means of the heat exchanger, the first fluid must be operated subcritical, that is to say that the first fluid can only be used below its critical temperature. In other words, the first fluid must therefore be operated at a temperature at which both the liquid and the gaseous state of aggregation can be present.
  • the useful heat at a volumetric heat output of at least 1000 kJ / m 3 , preferably of at least 1200 kJ / m 3 and more preferably of at least 1500 kJ / m 3 of the second
  • the fluid in the heat pump assembly should be operated at a point where the volumetric heating capacity is at least 1000 kJ / m 3 is present.
  • the higher the volumetric heat output above the said 1000 kJ / m 3 the higher the coefficient of performance (COP) of the respective heat pump.
  • COP coefficient of performance
  • the second fluid at a Fluidtempera- ture of at least 120 ° C, a useful heat transferable, wherein the first fluid and the second fluid having a volumetric heating ⁇ power of at least 500 kJ / m 3.
  • the second fluid can be withdrawn depending on the heat transferred from the first fluid, a useful heat with a particularly high temperature.
  • a heat pump arrangement which is also referred to as a heat pump cascade, wherein the second heat pump can provide a useful heat in egg ⁇ ner particularly high temperature, a very high volumetric heat output of the first fluid of the first heat pump is low, which is low is when the heat transferred from the first to the second fluid amount of heat is transmitted at a particularly high temperature.
  • At least one temperature stroke can be increased by means of an at least two-stage compression as a result of a higher pressure ratio of the first fluid and / or of the second fluid.
  • an intermediate cooling can be installed between the compression devices effecting the respective stage of the compression. This is especially useful for water as a fluid.
  • the heat of the intermediate cooling can be supplied in a particularly energy-efficient manner to an evaporation device of the respective heat pump. In order to realize very high temperature strokes, cascades of more than two heat pump cycles are still possible.
  • the second fluid is ver ⁇ sealable by means of a liquid ring compressor ⁇ substantially isothermally. The compression, so the compression of the
  • Fluids can be largely isothermal by means of a liquid ring compressor.
  • the liquid ring of the liquid ring compressor is in direct contact with the fluid to be compressed, whereby compression heat from the fluid to the ring liquid, from which the liquid ring is formed, can be transferred in a particularly effective manner. In other words, therefore, the heat transfer resistance is particularly low, since the fluid and the ring liquid are not separated from each other by a wall.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a heat pump cascade according to the prior art, which corresponds to a heat ⁇ pump arrangement with present two heat pump circuits.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of a respective course of a volumetric heating power of different fluids of the heat pump arrangement over the temperature
  • 3 is a schematic diagram of a dressingpumpenkaska ⁇ de, which corresponds to a heat pump assembly with two heat pump circuits, one of the heat pump circuits is operated with a fluorine ketone as a fluid.
  • FIG. 1 shows, in a schematic diagram, a heat pump arrangement which comprises two heat pump circuits and is known as a cascade heat pump 1 according to the state of the art.
  • the cascade heat pump 1 comprises a first heat ⁇ me pump 2, which is flowed through by a first fluid and a second heat pump 3, which is flowed through by a second fluid.
  • a heat exchanger 19 By means of a heat exchanger 19, the first and the second fluid are heat-coupled ge ⁇ coupled.
  • the heat exchanger 19 in this case comprises a Kondensa ⁇ gate 6 of the first heat pump 2, and an evaporator 8 of the second heat pump 3.
  • the first fluid of the first heat pump 2 is evaporated by an evaporator 4 in which the evaporator 4 is supplied by a heat source 12 with thermal energy ,
  • the heated and compressed first fluid in the condenser 6 gives off heat to the evaporator 8, the second fluid of the second heat pump 3 being evaporated by means of the evaporator 8.
  • the first fluid is expanded by means of an expansion Sven ⁇ TILs 7 of the first heat pump 2 and then takes heat in turn through the evaporator 4 at.
  • Heat pump 3 compresses and releases heat in a condenser 10 of the second heat pump 3 to a heat sink 13.
  • the second fluid flows in accordance with arrow direction of an arrow 15 through an expansion valve 11 of the second heat pump 3 and is expanded there. Following this, the second fluid again absorbs heat by means of the heat exchanger 19 and the cycle of the second heat pump 3 is thus closed.
  • FIG. 2 shows schematically in a diagram different curves of volumetric heating powers, wherein a volumetric heating power 20 is plotted on the ordinate axis of the diagram and a fluid temperature 21 which corresponds to the condensation temperature of the fluid is plotted on the abscissa axis.
  • a heating power curve 16 which corresponds to the heating power curve of a fluor ⁇ ketone called NOVEC 52 for each same fluid temperatures 21 has higher values, as a Schuleis ⁇ ment curve 17, which corresponds to the heating power curve of a Flu ⁇ orketons called NOVEC 649.
  • the heating power curve 16 of the fluoroketone NOVEC 524 is limited by reaching a critical point 28 at 148 ° C. and the heat output curve 17 of the fluoroketone NOVEC 649 by reaching a critical point 29 at approximately 169 ° C.
  • the heating power curve 18 of water is fluid temperatures below the kriti ⁇ rule point 28 and the critical point 29 below the heating power curve 16 and the
  • the heating power curve 18 of water at high fluid temperatures 21 increases to greater values than the heating power curve 16 and the Heat output curve 17 can be achieved as a result of the respective achievement of the respective critical points 28 and 29. It is also seen that an amount of heat can be delivered at a useful temperature of minds- least 160 ° C to the heat sink 13 by means of the cascade heat ⁇ pump 1 when the fluoroketone NOVEC is used 649 as the first fluid of the first heat ⁇ pump.
  • Heat transfer from the first fluid to the second fluid by means of the heat exchanger 19 is to take place isothermally.
  • the first fluid of the first heat pump 2 is operated at a fluid temperature 21 which is below the critical temperature of the respective critical point 28, 29.
  • their theoretically achievable coefficient of performance increases with a respective higher volumetric heat output 20.
  • FIG. 3 shows a cascade heat pump 1 shown in a schematic diagram, which essentially has the structure shown in FIG. 1 components already described, which is why in the following only the differences should be discussed.
  • the heat exchanger 19 comprises according to FIG. 3, a high-temperature condenser 22 of the first heat pump 2 and a high-temperature evaporator 23 of the second heat pump 3. Further, as shown in FIG. 3 recognizable for conveying the water 27 instead of the compressor 9, a liquid ring compressor 24 is used. By means of the liquid ring compressor 24, the water 27, which was previously evaporated as a result of heat input by means of the high-temperature evaporator, now compressed and fed to a high-temperature condenser 25.
  • At 200 ° C is the volumetric heating value metric 20 of water 27 over 4000 kJ / m 3, ie ei ⁇ nem significantly greater value than 1500 kJ / m 3.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanordnung (1), bei welchem eine erste Wärmepumpe (2) von einem ersten Fluid (26) und eine zweite Wärmepumpe (3) von einem zweiten Fluid (27) durchströmt werden, und bei welchem Wärme mittels eines Wärmeübertragers (19) von dem ersten Fluid (26) auf das zweite Fluid (27) übertragen wird, wobei dem zweiten Fluid (27) bei einer Fluidtemperatur (21) von wenigstens 120 °C eine Nutzwärme entzogen wird und wobei die Nutzwärme des zweiten Fluids (27) bei einer volumetrischen Heizleistung des ersten Fluids (26) und des zweiten Fluids (27) von wenigstens 500 kJ/m3 abgegeben wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine solche Wärmepumpenanordnung (1).

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanordnung und Wärmepumpenanordnung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanordnung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Die Erfindung betrifft auch eine Wärmepumpenanordnung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 8.
Derartige Wärmepumpenanordnungen werden beispielsweise zur industriellen Wärmebereitstellung verwendet. Eine Wärmepumpe ist eine Maschine, die unter Aufwendung von technischer Arbeit thermische Energie in Form von Wärme aus einer Wärme- quelle mit niedrigerer Temperatur aufnimmt und zusammen mit der Antriebsenergie eines Kompressors als Abwärme an eine Wärmesenke mit höherer Temperatur abgibt. Zur temporären Speicherung beziehungsweise zur Übertragung von Wärme dient dabei ein Fluid, welches innerhalb der Wärmepumpe mittels des Kompressors in einem Kreisprozess geführt wird. Dieser Kreis- prozess wird auch als thermodynamischer Dampfkompressions- kreislauf bezeichnet.
Mangels geeigneter Fluide sowie geeigneter Kompressoren für Hochtemperaturwärmepumpen (HTWP) ist die Nutzwärme derzeit kommerziell erhältlicher Wärmepumpen auf Temperaturen bis maximal 100°C begrenzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfah- ren sowie eine Wärmepumpenanordnung zu schaffen, mittels welchen Nutzwärme mit besonders hohen Temperaturen bereitge¬ stellt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Wärmepumpenanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausge¬ staltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Um ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchem Nutzwärme mit besonders hohen Temperaturen be¬ reit gestellt werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass dem zweiten Fluid bei einer Fluidtemperatur von wenigstens 120 °C eine Nutzwärme entzogen wird, wobei die Nutzwärme des zweiten Fluids bei einer volumetrischen Heizleistung des ersten Fluids und des zweiten Fluids von wenigstens 500 kJ/m3 abgegeben wird. Die volumetrische Heizleistung (VHC) ist aus- schlaggebend für die theoretisch erreichbare Leistungszahl
(COP) von Wärmepumpen. Mit anderen Worten arbeitet die Wärmepumpe also effizienter, je höher die VHC ist. Je höher die volumetrische Heizleistung also über den besagten 500 kJ/m3 liegt, desto höher liegt auch die Leistungszahl (COP) der je- weiligen Wärmepumpe. Mittels der zweiten Wärmepumpe können besonders hohe Fluidtemperaturen erreicht werden. Infolgedes¬ sen kann dem zweiten Fluid in Abhängigkeit von der vom ersten Fluid übertragenen Wärme, eine Nutzwärme mit besonders hoher Temperatur entzogen werden.
Als vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn dem zweiten Fluid die Nutzwärme bei einer Fluidtemperatur von wenigstens 150 °C und besonders bevorzugt von wenigstens 160°C entzogen wird. Mittels der zweiten Wärmepumpe können besonders hohe Fluid- temperaturen erreicht werden. Infolgedessen kann dem zweiten Fluid eine Nutzwärme mit besonders hoher Temperatur entzogen werden, wodurch umso effektiver beispielsweise Nutzwärme für den industriellen Einsatz bereitgestellt werden kann. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die erste Wärmepumpe von wenigstens einem Fluorketon als dem ers¬ ten Fluid durchströmt. Fluorketone sind besonders unbedenk¬ lich industriell einsetzbar, da auf spezielle Schutzmaßnahmen im Gefahrenfall verzichtet werden kann. Da sie frei von Um- weltauflagen eingesetzt werden können, sind Fluorketone be¬ sonders zukunftssicher einsetzbar. Außerdem weisen sie ein besonders geringes Erderwärmungspotenzial auf, sind nicht brennbar und ungiftig. Aus diesem Grunde sind Fluorketone be- sonders für den Einsatz als Fluide in Wärmepumpenanordnungen geeignet, insbesondere wenn mittels dieser Wärmepumpenanord¬ nungen industrielle Prozesswärme, insbesondere Nutzwärme mit einer Temperatur größer 120 °C, bereitgestellt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als das zweite Fluid Wasser oder wenigstens ein Fluorke ton verwendet. Da sie sowohl umweltfreundlich als auch sicherheitstechnisch unbedenklich sind, eignen sich sowohl Wasser als auch Fluorketone besonders als Fluide in Anwendun gen, bei welchen hohe Fluidtemperaturen auftreten. Da sie we der brennbar, noch giftig sind.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn als das erste und das zweite Fluid voneinander unterschiedliche Fluide verwendet werden. Die Leistungszahl (COP) der jeweiligen Wärmepumpe hängt vom jeweiligen Temperaturhub ab. Unter einem Tempera¬ turhub einer Wärmepumpe versteht man die Temperaturdifferenz welche zwischen einem jeweiligen Kondensator der Wärmepumpe und einem jeweiligen Verdampfer der Wärmepumpe erreichbar ist. Entsprechend des erreichbaren Temperaturhubs der ersten Wärmepumpe kann somit eine Abwärme von besonders hoher Tempe ratur bereitgestellt und mittels des Wärmeübertragers auf da zweite Fluid der zweiten Wärmepumpe übertragen werden. Eine mittels der zweiten Wärmepumpe erreichbare maximale Tempera¬ tur des zweiten Fluids hängt somit direkt von der vom ersten Fluid übertragenen Wärmemenge ab. Besonders hohe Leistungs¬ zahlen können mittels besonders großer Temperaturhübe der je weiligen Wärmepumpe realisiert werden, wobei im Folgenden an einem Beispiel erläutert wird, weshalb es von Vorteil ist, für das erste und das zweite Fluid jeweils Fluide unter¬ schiedlicher Zusammensetzung zu verwenden. Sollen beispielsweise mittels der ersten Wärmepumpe Fluidtemperaturen von ma ximal 140°C erreicht werden, so empfiehlt sich besonders der Einsatz des Fluorketons NOVEC 524. Das Fluorketon NOVEC 524 weist im Bereich von 100°C bis 140°C eine besonders hohe vo- lumetrische Heizleistung (VHC) auf. Da NOVEC 524 jedoch nur bis zu einer maximalen Fluidtemperatur von besagten 140°C ge eignet ist, empfiehlt es sich, um mittels der zweiten Wärme¬ pumpe beispielsweise einen Temperaturhub von 140°C auf 200°C zu realisieren, als zweites Fluid beispielsweise Wasser ein¬ zusetzen, welches auch für größere Fluidtemperaturen als 140°C geeignet ist.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Wärmeabgabe vom ers¬ ten auf das zweite Fluid weitgehend isotherm erfolgt. Durch eine isotherme Wärmeabgabe wird die Temperatur der abgegebe- nen Wärmemenge besonders konstant gehalten, wodurch Tempera¬ turschwankungen besonders weitgehend ausgeschlossen und somit auch ein weitgehend konstanter Temperaturhub mittels der zweiten Wärmepumpe erreichbar ist. Um eine isotherme Wärmeab¬ gabe mittels des Wärmeübertragers zu realisieren, muss das erste Fluid subkritisch betrieben werden, das heißt dass das erste Fluid nur unterhalb seiner kritischen Temperatur eingesetzt werden kann. Mit anderen Worten muss das erste Fluid also bei einer Temperatur betrieben werden, bei welcher sowohl der flüssige als auch der gasförmige Aggregatszustand vorliegen kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Nutzwärme bei einer volumetrischen Heizleistung von wenigstens 1000 kJ/m3, bevorzugt von wenigstens 1200 kJ/m3 und besonders bevorzugt von wenigstens 1500 kJ/m3 des zweiten
Fluids abgegeben. Die theoretisch erreichbare Leistungszahl (COP) hängt zwar wesentlich von der Bauart einer Verdichtungseinrichtung ab, mittels welcher das jeweilige Fluid der jeweiligen Wärmepumpe verdichtet wird, jedoch sollte das Fluid in der Wärmepumpenanordnung an einem Punkt betrieben werden, bei welchem eine volumetrische Heizleistung von wenigstens 1000 kJ/m3 vorliegt. Je höher die volumetrische Heizleistung dabei über den besagten 1000 kJ/m3 liegt, desto höher liegt auch die Leistungszahl (COP) der jeweiligen Wär- mepumpe . Wenn für die volumetrische Heizleistung des jeweili¬ gen Fluids wenigstens 1000 kJ/m3 erforderlich sind, ist zum Beispiel Wasser mit einer Temperatur unter 150°C nicht sinnvoll als das Fluid einsetzbar. Liegt für ein jeweiliges Fluid eine volumetrische Heizleistung von wenigstens 1500 kJ/m vor, so ist die Leistungszahl (COP) der jeweiligen Wärmepumpe besonders groß. Bei der erfindungsgemäßen Wärmepumpenanordnung mit wenigstens einer ersten, von einem ersten Fluid durchströmten Wärmepumpe, und einer zweiten, von einem zweiten Fluid durchströmten Wärmepumpe, ist mittels eines Wärmeübertragers Wärme von dem ersten Fluid auf das zweite Fluid übertragbar.
Dabei ist mittels des zweiten Fluids bei einer Fluidtempera- tur von wenigstens 120 °C eine Nutzwärme übertragbar, wobei das erste Fluid und das zweite Fluid eine volumetrische Heiz¬ leistung von wenigstens 500 kJ/m3 aufweisen. Je höher die volumetrische Heizleistung liegt, desto größer ist auch die er- reichbare Leistungszahl (COP) der jeweiligen Wärmepumpe. Dem zweiten Fluid kann dabei in Abhängigkeit von der vom ersten Fluid übertragenen Wärme, eine Nutzwärme mit besonders hoher Temperatur entzogen werden. Um eine Wärmepumpenanordnung, welche auch als Wärmepumpenkaskade bezeichnet wird, zu schaf- fen, bei welcher die zweite Wärmepumpe eine Nutzwärme bei ei¬ ner besonders hohen Temperatur bereitstellen kann, ist eine möglichst hohe volumetrische Heizleistung des ersten Fluids der ersten Wärmepumpe günstig, wobei es günstig ist, wenn die vom ersten auf das zweite Fluid übertragene Wärmemenge bei einer besonders hohen Temperatur übertragen wird.
Die vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile gelten in ebensolcher Weise für die erfindungsgemäße Wärmepumpenanordnung und umgekehrt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Wärmepumpenanordnung ist mittels einer wenigstens zwei-stufigen Kompression wenigstens ein Temperaturhub infolge eines höheren Druckver- hältnisses des ersten Fluids und/oder des zweiten Fluids steigerbar. Wenn besonders große Temperaturhübe mit einem Fluid in einer Wärmepumpe erreicht werden sollen, so emp¬ fiehlt es sich eine zwei- oder mehrstufige Kompression vorzu- sehen. Hierbei kann zwischen die die jeweilige Stufe der Kom¬ pression bewirkenden Verdichtungseinrichtungen eine Zwischenkühlung eingebaut werden. Dies ist speziell bei Wasser als Fluid sinnvoll. Die Wärme der Zwischenkühlung kann besonders energieeffizient einer Verdampfungseinrichtung der jeweiligen Wärmepumpe zugeführt werden. Um sehr hohe Temperaturhübe zu realisieren sind weiterhin auch Kaskaden von mehr als zwei Wärmepumpenkreisläufen möglich. Als weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Wärmepumpenanord¬ nung hat es sich gezeigt, wenn mittels eines Flüssigkeits¬ ringverdichters das zweite Fluid weitgehend isotherm ver¬ dichtbar ist. Die Verdichtung, also die Kompression des
Fluids kann mittels eines Flüssigkeitsringverdichters weitge- hend isotherm erfolgen. Der Flüssigkeitsring des Flüssigkeitsringverdichters steht dabei in direktem Kontakt mit dem zu komprimierenden Fluid wodurch besonders effektiv Kompressionswärme vom Fluid an die Ringflüssigkeit, aus welcher der Flüssigkeitsring gebildet ist, übertragen werden kann. Mit anderen Worten ist also der Wärmeübertragungswiderstand be¬ sonders gering, da das Fluid und die Ringflüssigkeit nicht durch eine Wandung voneinander abgegrenzt werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er- geben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Figuren. Dabei zeigen :
FIG 1 ein schematisches Schaubild einer Wärmepumpenkaska- de gemäß dem Stand der Technik, welche einer Wärme¬ pumpenanordnung mit vorliegend zwei Wärmepumpenkreisläufe entspricht;
FIG 2 ein schematisches Diagramm eines jeweiligen Ver- laufs einer volumetrischen Heizleistung verschiedener Fluide der Wärmepumpenanordnung über der Temperatur; und FIG 3 ein schematisches Schaubild einer Wärmepumpenkaska¬ de, welche einer Wärmepumpenanordnung mit zwei Wärmepumpenkreisläufen entspricht, wobei einer der Wärmepumpenkreisläufe mit einem Fluorketon als Fluid betrieben wird.
FIG 1 zeigt in einem schematischen Schaubild eine Wärmepumpenanordnung, welche zwei Wärmepumpenkreisläufe umfasst und dem Stand der Technik entsprechend als Kaskadenwärmepumpe 1 bekannt ist. Die Kaskadenwärmepumpe 1 umfasst eine erste Wär¬ mepumpe 2, welche von einem ersten Fluid durchströmt wird und eine zweite Wärmepumpe 3, welche von einem zweiten Fluid durchströmt wird. Mittels eines Wärmeübertragers 19 sind das erste und das zweite Fluid miteinander wärmeübertragend ge¬ koppelt. Der Wärmeübertrager 19 umfasst dabei einen Kondensa¬ tor 6 der ersten Wärmepumpe 2 und einen Verdampfer 8 der zweiten Wärmepumpe 3. Das erste Fluid der ersten Wärmepumpe 2 wird mittels eines Verdampfers 4 verdampft wobei der Verdamp- fer 4 mittels einer Wärmequelle 12 mit Wärmeenergie versorgt wird. Das mittels des Verdampfers 4 erwärmte erste Fluid wird entsprechend der Pfeilrichtung eines Pfeils 14 mittels eines Verdichters 5 der ersten Wärmepumpe 2 durch die erste Wärme¬ pumpe 2 gefördert. Anschließend gibt das erwärmte und ver- dichtete erste Fluid im Kondensator 6 Wärme an den Verdampfer 8 ab, wobei mittels des Verdampfers 8 das zweite Fluid der zweiten Wärmepumpe 3 verdampft wird. Im Anschluss an diese Wärmeabgabe wird das erste Fluid mittels eines Expansionsven¬ tils 7 der ersten Wärmepumpe 2 expandiert und nimmt daraufhin wiederum Wärme durch den Verdampfer 4 auf. Somit ist der
Kreislauf der ersten Wärmepumpe 2 geschlossen. Das mittels des Wärmeübertragers 19, also durch Wärmeabgabe mittels des Kondensators 6 der ersten Wärmepumpe 2 an den Verdampfer 8 der zweiten Wärmepumpe 3 erwärmte zweite Fluid der zweiten Wärmepumpe 3 wird mittels eines Verdichters 9 der zweiten
Wärmepumpe 3 verdichtet und gibt in einem Kondensator 10 der zweiten Wärmepumpe 3 Wärme an eine Wärmesenke 13 ab. Im An¬ schluss daran strömt das zweite Fluid entsprechend der Pfeil- richtung eines Pfeils 15 durch ein Expansionsventil 11 der zweiten Wärmepumpe 3 und wird dort expandiert. Im Anschluss daran nimmt das zweite Fluid mittels des Wärmeübertragers 19 wiederum Wärme auf und der Kreislauf der zweiten Wärmepumpe 3 ist somit geschlossen.
FIG. 2 zeigt schematisch in einem Diagramm unterschiedliche Verläufe volumetrischer Heizleistungen, wobei auf der Ordina- tenachse des Diagramms eine volumetrische Heizleistung 20 und auf der Abszissenachse eine Fluidtemperatur 21, welche der Kondensationstemperatur des Fluids entspricht, aufgetragen ist. In diesem Diagramm ist erkennbar, dass ein Heizleistungsverlauf 16, welcher dem Heizleistungsverlauf eines Flu¬ orketons namens NOVEC 524 entspricht für jeweils gleiche Fluidtemperaturen 21 höhere Werte aufweist, als ein Heizleis¬ tungsverlauf 17, welcher dem Heizleistungsverlauf eines Flu¬ orketons namens NOVEC 649 entspricht. Wie in dem Diagramm er¬ kennbar ist erstreckt sich weder der Heizleistungsverlauf 16 noch der Heizleistungsverlauf 17 über die gesamte Länge der Abszissenachse, auf welcher die Fluidtemperatur 21 aufgetra¬ gen ist. So wird der Heizleistungsverlauf 16 des Fluorketons NOVEC 524 durch das Erreichen eines kritischen Punktes 28 bei 148 °C und der Heizleistungsverlauf 17 des Fluorketons NOVEC 649 durch Erreichen eines kritischen Punktes 29 bei etwa 169 °C begrenzt. Ein Heizleistungsverlauf 18, welcher dem Heiz¬ leistungsverlauf von Wasser entspricht, weist zwar, wie im Diagramm erkennbar, für jeweils gleiche Fluidtemperaturen 21 im Vergleich zu den beiden Fluorketonen die geringste volumetrische Heizleistung 20 auf, jedoch ist Wasser über einen besonders weiten Bereich der Fluidtemperatur 21 einsetzbar, ohne dass dessen kritischer Punkt erreicht wird. Wie in FIG. 2 weiterhin erkennbar ist, liegt zwar der Heizleistungsverlauf 18 von Wasser bei Fluidtemperaturen unterhalb des kriti¬ schen Punktes 28 beziehungsweise des kritischen Punktes 29 unterhalb dem Heizleistungsverlauf 16 beziehungsweise des
Heizleistungsverlaufs 17 jedoch steigt der Heizleistungsverlauf 18 von Wasser bei hohen Fluidtemperaturen 21, auf größere Werte an, als sie mit dem Heizleistungsverlauf 16 und dem Heizleistungsverlauf 17 in Folge des jeweiligen Erreichens der jeweiligen kritischen Punkte 28 und 29 erreichbar sind. Es ist weiterhin erkennbar, dass mittels der Kaskadenwärme¬ pumpe 1 eine Wärmemenge mit einer Nutztemperatur von wenigs- tens 160 °C an die Wärmesenke 13 abgegeben werden kann, wenn das Fluorketon NOVEC 649 als erstes Fluid der ersten Wärme¬ pumpe 2 eingesetzt wird. Da ausgehend von der mittels des Wärmeübertragers 19 von diesem ersten Fluid auf das zweite Fluid übertragenen Wärmemenge bei einer Temperatur von bis zu 160 °C das zweite Fluid der zweiten Wärmepumpe 3 weiter er¬ wärmt wird, sind für die Temperatur der Nutzwärme sogar mehr als 160 °C mittels der zweiten Wärmepumpe 3 realisierbar.
Als Fluid für die erste Wärmepumpe 2 der Kaskadenwärmepumpe 1 kommen nur subkritisch betriebene Fluide in Frage, da die
Wärmeabgabe vom ersten Fluid auf das zweite Fluid mittels des Wärmeübertragers 19 isotherm erfolgen soll. Um eine isotherme Wärmeabgabe zu ermöglichen, wird das erste Fluid der ersten Wärmepumpe 2 bei einer Fluidtemperatur 21 betrieben, welche unterhalb der kritischen Temperatur des jeweiligen kritischen Punktes 28, 29 liegt. Je höher die volumetrische Heizleistung 20 eines Fluids einer der Wärmepumpe 2, 3 liegt, desto effi¬ zienter arbeitet die jeweilige Wärmepumpe 2, 3. Somit steigt auch deren theoretisch erreichbare Leistungszahl mit einer jeweiligen höheren volumetrischen Heizleistung 20 an.
Wie in Zusammenschau von FIG. 2 und FIG. 3 erkennbar ist, ist es besonders vorteilhaft, als erstes Fluid der ersten Wärme¬ pumpe 2 ein Fluorketon 26 wie beispielsweise NOVEC 524 zu verwenden. Dabei gilt es zu beachten, dass die Fluidtempera¬ tur 21, auf welche das Fluorketon 26 erwärmt wird, unterhalb der zugrunde liegenden kritischen Temperatur des kritischen Punktes 28 bleibt, um eine isotherme Wärmeabgabe mittels des Wärmeübertragers 19 an das zweite Fluid der zweiten Wärmepum- pe 3 zu ermöglichen. Als zweites Fluid der zweiten Wärmepumpe 3 wird exemplarisch Wasser 27 eingesetzt. Die in FIG. 3 in einem schematischen Schaubild dargestellte Kaskadenwärmepumpe 1 umfasst im Wesentlichen die in FIG. 1 bereits beschriebenen Komponenten, weshalb im Folgenden lediglich auf die Unterschiede eingegangen werden soll.
Anstatt des Kondensators 6 und des Verdampfers 8 umfasst der Wärmeübertrager 19 entsprechend FIG. 3 einen Hochtemperaturkondensator 22 der ersten Wärmepumpe 2 und einen Hochtemperaturverdampfer 23 der zweiten Wärmepumpe 3. Des Weiteren wird wie in FIG. 3 erkennbar zum Fördern des Wassers 27 anstatt des Verdichters 9 ein Flüssigkeitsringverdichter 24 eingesetzt. Mittels des Flüssigkeitsringverdichters 24 wird das Wasser 27, welches infolge einer Wärmezufuhr mittels des Hochtemperaturverdampfers zuvor verdampft wurde, nun verdich- tet und einem Hochtemperaturkondensator 25 zugeführt.
Aufgrund der besonders hohen volumetrischen Heizleistung des Fluorketons 26 von über 3000 kJ/m3 und somit deutlich über 1500 kJ/m3 wird eine Wärmemenge bei einer Fluidtemperatur 21 von 140 °C des Fluorketons 26, welche die kritische Tempera¬ tur des kritischen Punktes 28 nicht überschreitet, mittels des Hochtemperaturkondensators 22 der ersten Wärmepumpe 2 an den Hochtemperaturverdampfer 23 der zweiten Wärmepumpe 3 übertragen. Somit kann mittels des Hochtemperaturverdampfers 23 eine Wärmemenge mit besonders hoher Temperatur an das Was¬ ser 27 abgegeben werden, wobei infolgedessen auch eine Nutzwärmemenge mit besonders hoher Temperatur mittels des Hoch¬ temperaturkondensators 25 an die Wärmesenke 13 abgegeben wer¬ den kann. Wird das Wasser 27, welches als Fluid in der zwei- ten Wärmepumpe 3 geführt wird, von der mittels des
Wärmeübertragers 19 vom Fluorketon 26 auf das Wasser 27 über¬ tragenen Wärmemenge bei 140 °C auf eine Temperatur von bei¬ spielsweise 200 °C erwärmt, so entspricht dies einem Tempera¬ turhub von 60 °C des Wassers 27. Bei 200 °C beträgt der volu- metrische Heizwert 20 von Wasser 27 über 4000 kJ/m3, also ei¬ nem deutlich größeren Wert, als 1500 kJ/m3.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanordnung (1), bei welchem eine erste Wärmepumpe (2) von einem ersten Fluid (26) und eine zweite Wärmepumpe (3) von einem zweiten Fluid (27) durchströmt werden, und bei welchem Wärme mittels eines
Wärmeübertragers (19) von dem ersten Fluid (26) auf das zwei¬ te Fluid (27) übertragen wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
dem zweiten Fluid (27) bei einer Fluidtemperatur (21) von wenigstens 120 °C eine Nutzwärme entzogen wird, wobei die Nutz¬ wärme des zweiten Fluids (27) bei einer volumetrischen Heizleistung (20) des ersten Fluids (26) und des zweiten Fluids (27) von wenigstens 500 kJ/m3 abgegeben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
dem zweiten Fluid (27) die Nutzwärme bevorzugt bei einer Fluidtemperatur (21) von wenigstens 150 °C und besonders be- vorzugt von wenigstens 160 °C, entzogen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Wärmepumpe (2) von wenigstens einem Fluorketon als dem ersten Fluid (26) durchströmt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
als das zweite Fluid (27) Wasser oder wenigstens ein Fluorke- ton verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
als das erste Fluid (26) und das zweite Fluid (27) voneinan- der unterschiedliche Fluide verwendet werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärmeabgabe vom ersten Fluid (26) auf das zweite Fluid (27) weitgehend isotherm erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Nutzwärme des zweiten Fluids (27) bei einer volumetri- schen Heizleistung (20) des ersten Fluids (26) und des zwei- ten Fluids (27) von wenigstens 1000 kJ/m3, bevorzugt von we¬ nigstens 1200 kJ/m3 und besonders bevorzugt von wenigstens 1500 kJ/m3 abgegeben wird.
8. Wärmepumpenanordnung (1) mit wenigstens einer ersten, von einem ersten Fluid (26) durchströmten Wärmepumpe (2), und einer zweiten, von einem zweiten Fluid (27) durchströmten Wärmepumpe (3) , bei welcher Wärme mittels eines Wärmeübertragers (19) von dem ersten Fluid (26) auf das zweite Fluid (27) übertragbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
mittels des zweiten Fluids (27) bei einer Fluidtemperatur (21) von wenigstens 120 °C eine Nutzwärme übertragbar ist, wobei das erste Fluid (26) und das zweite Fluid (27) eine vo- lumetrische Heizleistung (20) von wenigstens 500 kJ/m3 auf- weisen.
9. Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
mittels einer wenigstens zweistufigen Kompression wenigstens ein Temperaturhub des ersten Fluids (26) und/oder des zweiten Fluids (27) steigerbar ist.
10. Wärmepumpenanordnung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass
mittels eines Flüssigkeitsringverdichters (24) das zweite Fluid (27) weitgehend isotherm verdichtbar ist.
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