JP2020507733A - ヒートポンプ設備の運転方法、ヒートポンプ設備、発電所、およびヒートポンプ設備を有する発電所 - Google Patents
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Abstract
本発明は、ヒートポンプ設備(1)の運転方法に関する。作動流体が、ヒートポンプ設備(1)の方向性を有する作動回路(100)内を循環し、作動流体が、圧縮機(20,…,25)により圧縮されて凝縮器(4)により凝縮され、作動流体の質量流が、第1および第2の蒸発器(31,32)への導入管の上流側で分配されて第1および第2の蒸発器(31,32)に並列に供給され、作動流体が、第1の蒸発器(31)において第1の蒸発圧力(411)で蒸発させられ、第2の蒸発器(32)において第1の蒸発圧力(411)に比べて低減された第2の蒸発圧力(412)で蒸発させられる。本発明によれば、第1の蒸発器(31)が、第1の熱源温度を有する第1の熱源(41)と熱的に結合され、第2の蒸発器(32)が、第1の熱源温度に比べて低い第2の熱源温度を有する第2の熱源(42)と熱的に結合される。
Description
本発明は、ヒートポンプ設備の運転方法、少なくとも2つの蒸発器を有するヒートポンプ設備、ならびに本発明によるヒートポンプ設備を有する発電所、特にガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所(独語:Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk、略してGuD-Kraftwerk)に関する。
ヒートポンプでは、作動流体が方向性を有する作動回路においてヒートポンプ内を循環する作動流体の蒸発によって、作動流体の蒸発によって、熱源から熱エネルギー、即ち熱が吸収されてヒートシンクに放出される。その際に、吸収された熱エネルギーは、圧縮機により、高められた圧力レベルにもち込まれ、次に、蒸発温度に比べて高められた凝縮温度において凝縮される。作動流体の蒸発温度と凝縮温度との間の定量的な差(温度行程)が大きいほど、ヒートポンプの効率が低い。ヒートポンプの効率は、成績係数(英語:Coefficient of Performance;COP)により測定され、その成績係数は、理想上、カルノーサイクルの効率の逆数によって与えられている。
例えば、蒸発温度が40℃で、温度行程が100Kである場合に、成績係数は4.13である。この場合に、140℃の凝縮温度において作動流体の凝縮が生じる。
それゆえヒートポンプの高い効率を達成するためには、蒸発温度、即ち、作動流体の蒸発が行われる温度が、できるだけ高くなければならない。さらに、熱源から作動流体への熱エネルギーの伝達は、熱源の温度と蒸発温度との間のできるだけ少ない温度差において行われるのが有利である。
特に、公知のヒートポンプまたは公知のヒートポンプ設備により、温度調節された多数のさまざまの熱源を、それらの熱容量に関して、効率的に利用することは、通常できない。従って、従来技術によれば、このような熱源の熱の大部分は利用されないままである。
温度調節されたさまざまの熱源の熱利用が上述のように十分でない理由は、従来技術に基づいて使用されるヒートポンプが、熱源(熱源側)から熱を吸収する際に、温度グライドを全く持たないことにある。即ち、ヒートポンプの作動流体の蒸発が、通常、等温的に生じ、従って蒸発温度の大幅な変化なしに生じることにある。
特許文献1から、本出願の請求項1のプリアンブル部による方法が公知である。
本発明の課題は、多数のさまざまの熱源からの熱獲得または熱回収を改善することにある。
この課題は、独立の請求項1の特徴事項を有する方法、独立の請求項13の特徴事項、ならびに独立の請求項19の特徴事項によって解決される。従属の請求項には、本発明の有利な実施形態および発展形態が記載されている。
本発明によるヒートポンプの運転方法では、作動流体が、ヒートポンプ設備の方向性を有する作動回路内を循環する。作動流体が、圧縮機により圧縮されて凝縮器により凝縮される。本発明によれば、作動流体の質量流が、少なくとも第1および第2の蒸発器への導入管の上流側で分配されて少なくとも第1および第2の蒸発器に並列に供給され、作動流体が、第1の蒸発器においては第1の蒸発圧力で蒸発し、第2の蒸発器においては第1の蒸発圧力と比べて低減された第2の蒸発圧力で蒸発する。
さらに、本発明によれば、第1の蒸発器が、第1の熱源温度を有する第1の熱源に熱的に結合され、第2の蒸発器が、第1の熱源温度と比べて低い第2の熱源温度を有する第2の熱源に熱的に結合される。
換言するならば、作動流体の質量流が、第1および第2の蒸発器への導入管の上流側で分配されて、第1の部分質量流が第1の蒸発器に導かれ、第2の部分質量流が第2の蒸発器に導かれる。
本発明によれば、作動流体の蒸発は、2つの並列の方法ステップにおいて行われ、即ち、作動流体の蒸発は、作動流体の質量流に関して並列接続された2つの蒸発器において行われる。この場合に、本発明によれば、第1の蒸発器は、第2の蒸発器と比べて高められた蒸発圧力を有する。第1の蒸発圧力と比べて低下した第2の蒸発圧力に基づいて、第2の蒸発器による作動流体の蒸発が、第1の蒸発器内の第1の蒸発温度と比べて低下した第2の蒸発温度において行われる。
第1の熱源が、第1の蒸発器へ導かれ、即ち第1の蒸発器と熱的に結合され、かつ第2の熱源が、第2の蒸発器に導かれ、即ち第2の蒸発器と熱的に結合される場合に、それらの熱源の熱エネルギーはカスケード状に使用される。従って、それぞれの蒸発温度、即ち、第1の蒸発器および/または第2の蒸発器において作動流体の蒸発が行われる温度は、それぞれの蒸発器と熱的に結合された熱源の熱源温度に適合させることができる。
換言するならば、本発明によれば、各蒸発器が異なる1つの熱源と熱的に結合される。この場合に、これらの蒸発器は、作動回路に関して並列接続されている。それによって、作動流体の複数段の、少なくとも2段の蒸発が異なる圧力レベルで行われる。
従って、本発明による複数段の、少なくとも2段の蒸発によって、ヒートポンプ設備の熱源側での温度グライドが可能にされる。それによって、さまざまに温度調節された複数の熱源(第1の熱源および第2の熱源)を、ヒートポンプ設備の効率を低下させることなく、効率的にヒートポンプ設備により熱的に利用することができる。換言するならば、本発明により、異なる温度レベルにある複数の熱源を効率的に結合することができる。
本発明によるヒートポンプ設備は、少なくとも1つの圧縮機と、1つの凝縮器と、少なくとも第1および第2の蒸発器とを含み、ヒートポンプ設備が、循環する作動流体のための方向性を有する作動回路を有する。本発明によれば、ヒートポンプ設備の前記作動回路が、作動流体の質量流を第1および第2の蒸発器への作動流体の導入管の上流側で分配して第1および第2の蒸発器に並列に供給するように構成されており、第1の蒸発器が第1の蒸発圧力を有し、第2の蒸発器が第1の蒸発圧力と比べて低い第2の蒸発圧力を有する。
さらに、本発明によれば、ヒートポンプ設備が少なくとも第1および第2の熱源を含み、第1の熱源が第1の熱源温度を有し、第2の熱源が第1の熱源温度に比べて低い第2の熱源温度を有し、第1の熱源が第1の蒸発器と熱的に結合され、第2の熱源が第2の蒸発器と熱的に結合されている。
本発明によるヒートポンプ設備により、熱源側に温度グライドを有するランキン−ヒートポンププロセスが可能にされる。さらに異なる温度レベルにある複数の熱源を効率的に1つのヒートポンプ回路に組み込むことができる。既述の本発明による方法と同様のかつ同等の利点がもたらされる。
本発明による発電所は、本発明によるヒートポンプ設備を有する。
本発明による方法および本発明によるヒートポンプ設備と同様のかつ同等の利点がもたらされる。
好ましくは、複数の熱源が、発電所における異なる温度に調節された排熱源として構成されているとよい。
本発明の有利な実施形態によれば、第1および第2の熱源として、発電所、特にガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所におけるそれぞれ1つの異なる排熱が使用される。
それによって、有利に、例えば発電所の運転によって発生する多くの発電所排熱を回収することができる。さらに、有利に、冷却装置を削減することができるので、投資コストを低減することができる。このことは、特にガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所にとって有利である。なぜならば、ガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所は、通常、多数のさまざまの排熱源を有するからである。
この場合に、第1の熱源として煙道ガスの排熱を使用し、第2の熱源として変圧器冷却の排熱を使用すると、格別に好適である。
その格別に好適である理由は、前述の熱源が通常は他の熱源に対して高い温度を有するからである。
本発明の有利な実施形態では、少なくとも、複数の熱源のうちの1つについて、煙道ガスの排熱、変圧器冷却の排熱、ギヤ冷却の排熱、モータ冷却の排熱、排熱回収ボイラのハウジングの凝縮装置冷却の排熱、ガスタービン防音カバーの排熱、発電機冷却の排熱および/または潤滑材供給の排熱が使用される。
有利なことに、それによって、発電所の多数の排熱源を熱エネルギー回収に利用することができる。それによって、発電所の効率が高められる。
本発明の有利な実施形態によれば、作動流体が、第1の蒸発器への導入管の上流側では第1の膨張弁に、第2の蒸発器への導入管の上流側では第2の膨張弁に、並列に供給される。
換言するならば、作動流体の緩和もしくは膨張は、第1および第2の膨張弁により、並列に行われることが好ましい。このために、作動流体の質量流が、第1および第2の蒸発器の上流側で、かつ第1および第2の膨張弁の上流側で、第1および第2の部分質量流に分配され、第1の部分質量流が第1の膨張弁へ導かれ、第2の部分質量流が第2の膨張弁へ導かれる。第1の膨張弁により作動流体が第1の蒸発圧力に至らしめられ、第2の膨張弁により作動流体が第2の蒸発圧力に至らしめられる。換言するならば、第1の膨張弁により第1の蒸発器における第1の蒸発圧力が調整され、第2の膨張弁により第2の蒸発器における蒸発圧力が調整される。
本発明の好ましい実施形態によれば、作動流体の圧縮のために第1および第2の圧縮機が使用され、第1の蒸発器から導き出された作動流体が第1の圧縮機に供給され、第2の蒸発器から導き出された作動流体が第2の圧縮機に供給される。
換言するならば、作動流体の圧縮は、既に述べた作動流体の蒸発と同様に、好ましくは並列に行われる。作動流体の部分質量流が分配されて第1および第2の膨張弁に導かれ、次に、第1および第2の蒸発器に供給され、そして第1および第2の蒸発器の下流側で、第1および第2の圧縮機の各入口に導入される。従って、作動流体の膨張、蒸発および圧縮が2つの部分質量流により並列に行われる。
第1の圧縮機および第2の圧縮機のために共通のモータ軸を使用することが格別に好適である。
それによって、圧縮の効率が高められる。
本発明の格別に好ましい実施形態によれば、圧縮のために共通の圧縮機が使用され、第1および第2の蒸発器から導き出された作動流体がその共通の圧縮機に供給される。
換言するならば、作動流体の圧縮は、1つの方法ステップ、即ち、共通の圧縮機において行われる。この場合に、共通の圧縮機と呼ばれるのは、第1および第2の蒸発器の部分質量流が作動流体の圧縮のために導入される1つの圧縮機である。それによって、ヒートポンプ設備の作動回路内において作動流体の効率的で好適な圧縮がもたらされる。
好ましくは、第1の蒸発器から導き出された作動流体が、前記共通の圧縮機への導入管の上流側で第1の逆止弁へ導かれ、第2の蒸発器から導き出された作動流体が、前記共通の圧縮機への導入管の上流側で第2の逆止弁へ導かれる。
それによって、有利に、第1および第2の蒸発器における異なる圧力レベルが(圧力−)逆戻りを招かないことが保証される。
格別に好ましくは、共通の圧縮機が、多段式のターボ圧縮機として構成されているとよい。この場合に、第1の蒸発器から導き出された作動流体が前記ターボ圧縮機の第1の圧縮機段に供給され、第2の蒸発器から導き出された作動流体が前記ターボ圧縮機の第2の圧縮機段に供給される。
従って、作動流体の複数の部分質量流が、ターボ圧縮機の圧縮機段を介して再び1つの質量流に纏められ。それによって、ターボ圧縮機内の作動流体の質量流は、圧縮機段から圧縮機段へと増加していく。有利なことに、それによって、質量流調節器の使用を省略することができる。というのは、質量流の調節をターボ圧縮機の圧縮機段により行うことができるからである。
本発明の好適な実施形態によれば、第1および/または第2の蒸発器から導き出された作動流体の部分質量流の調節が、前記共通の圧縮機への導入管の上流側で行われる。
それによって、特に共通の圧縮機を使用する場合に、作動流体は、第1および第2の蒸発器から吸い出されて、その共通の圧縮機に供給される。調節は質量流調節器により行うことができる。
本発明の有利な発展形態によれば、第1および第2の圧縮機または前記共通の圧縮機から導き出された作動流体が前記凝縮器へ導かれる。
換言するならば、作動流体の凝縮が、好ましくはヒートポンプ設備の作動回路内で1つの共通の凝縮器において行われる。
一般に、ヒートポンプ設備の作動回路は、第1の蒸発器から導き出された作動流体が第1の圧縮機へ導かれ、第2の圧縮機から導き出された作動流体が第2の圧縮機へ導かれるように構成されているとよい。さらに、ヒートポンプ設備の作動回路は、第1および第2の蒸発器から導き出された作動流体が前記共通の圧縮機へ導かれるように構成され、特に前記共通の圧縮機のために、1つの多段式のターボ圧縮機が設けられているとよい。
さらに、ヒートポンプ設備は、少なくとも1つの膨張弁か、1つの質量流および/または複数の質量流を調節するための少なくとも1つの質量流調節器か、それらのうちいずれか一方または両方を含むとよい。
以下に記載する実施例から、ならびに図面に基づいて、本発明の他の利点、特徴および詳細を明らかにする。
これらの図において、同種類の、同等のまたは同作用の要素には、同一の参照符号が付されている。
以下に示す全ての数値および/または温度値は、例示であって本発明の保護範囲を限定するものではない。さらに、蒸発器、圧縮機、膨張弁、逆止弁、熱源および/または他の要素は、例示であって本発明の保護範囲を限定するものではない。
全般的に、ヒートポンプ設備の方向性を有する作動回路に関しては、例えば、1つの凝縮器の下流側というような、あるいは一般的に言うと、ヒートポンプ設備の1つの要素の下流側または上流側というような、相対的な言い回しを理解するべきである。換言するならば、ヒートポンプ設備の作動回路は方向性を有し、その方向性に関して1つの要素の下流側または上流側で方法ステップが行われ得るということである。
図1には、ヒートポンプ設備1の接続図が概略的に示されている。ヒートポンプ設備1は、5つの蒸発器31,…,35と、5つの圧縮機21,…,25とを有する。さらに、ヒートポンプ設備1は、膨張弁51,…,55を有する。ヒートポンプ設備1の方向性を有する作動回路100内を循環する作動流体を凝縮させるために、凝縮器4が設けられている。5つの圧縮機21,…,25は、共通のモータ軸10上に配置されている。換言するならば、5つの圧縮機21,…,25は、1つのモータにより運転される。
5つの蒸発器31,…,35への作動流体の導入管の上流側で質量流が5つの部分質量流に分配され(参照符号102によって示されている)、各蒸発器31,…,35には、5つの部分質量流のうちの厳密に1つが供給される。
ヒートポンプ設備1の5つの蒸発器31,…,35のそれぞれは、それぞれに付設された熱源41,…,45に、それぞれ熱的に結合されている。例えば、第1の熱源41は、少なくとも部分的に煙道ガスの排熱であり、第2の熱源42は、少なくとも部分的に変圧器冷却の排熱であり、第3の熱源43は、少なくとも部分的に電動機冷却の排熱であり、第4の熱源44は、ギヤ冷却の排熱である。上述の排熱源は、通常、発電所、特にガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所において存在する。
その際に、例えば、90℃の熱源温度(その熱源の温度)を有する第1の熱源41は、第1の蒸発器31と熱的に接触する。その際に、第1の蒸発器31内の作動流体の少なくとも一部が、第1の熱源41から熱エネルギーを吸収して蒸発する。このような作動流体への熱エネルギー放出によって、第1の熱源41の温度は、例えば75℃に低下する。第2の熱源42は、80℃の熱源温度を有し、第2の蒸発器32と熱的に結合されている。第3の熱源43は、65℃の熱源温度を有し、第3の蒸発器33と熱的に結合されている。第4の熱源44は、55℃の熱源温度を有し、第4の蒸発器34と熱的に結合されている。他の第5の熱源45は、第5の蒸発器35と熱的に結合されている。従って、熱源41,…,45は、異なる温度もしくは異なる温度レベルを有する。
熱源41,…,45の熱エネルギーは、作動流体によって、理論上もっぱらその流体の蒸発によって吸収される(潜熱)。実際のヒートポンプ設備1においては、作動流体の付加的な僅かの、例えば5Kだけの温度上昇(熱伝達時の末端温度差)が生じ得る。
第1の蒸発器31による第1の熱源41の冷却後に、第1の熱源41は75℃の温度を有する。
第2の蒸発器32による第1の熱源42の冷却後に、第2の熱源42は65℃の温度を有する。同様に、第3、第4および第5の熱源43,44,45は、それらの熱源にそれぞれ付設された蒸発器33,34,35の下流側で、それぞれ低下させられた温度を有する。
従って、少なくとも5つの蒸発ステップ411,…,415において、作動流体の蒸発が生じ、その結果として熱源41,…,45からヒートポンプ設備1の作動流体への熱伝達が生じる。第1の蒸発器31における第1の蒸発ステップ411は70℃の蒸発温度を有し、第2の蒸発器32における第2の蒸発ステップ412は60℃の蒸発温度を有し、第3の蒸発器33における第3の蒸発ステップ413は50℃の蒸発温度を有し、第4の蒸発器34における第4の蒸発ステップ414は40℃の蒸発温度を有する。異なる圧力レベルおよび温度レベルでのマルチレベル蒸発によって、ヒートポンプ設備1の成績係数は、異なる温度に調節された熱源41,…,45の使用にも拘わらず向上する。
作動流体の収縮もしくは膨張のために、それぞれ1つの部分質量流内に、膨張弁51,…,55の少なくとも1つおよび圧縮機21,…,25の少なくとも1つが配置されている。
換言すると、作動流体の質量流が凝縮器4の下流側において5つの部分質量流に分配され(102)、第1の部分質量流は第1の膨張弁51へ案内され、第2の部分質量流は第2の膨張弁52へ案内され、第3の部分質量流は第3の膨張弁53へ案内され、第4の部分質量流は第4の膨張弁54へ案内され、最後に第5の部分質量流は第5の膨張弁55へ案内される。
膨張弁51,…,55の下流側において、部分質量流がそれぞれ蒸発器31,…,35のうちの1つに導かれ、引き続いてそれぞれ5つの圧縮機21,…,25のうちの1つへ導かれ、圧縮機21,…,25による作動流体の圧縮後に、それらの部分質量流は、再び、作動流体の共通の質量流に纏められて凝縮器4へ導かれ、それによって、ヒートポンプ設備1の作動流体の方向性を有する作動回路が閉じる。凝縮機4により、作動流体によって熱源41,…,45から吸収された熱エネルギーが、凝縮器4と熱的に結合されたヒートシンク14へ放出されるか、もしくは他の用途に提供される。換言するならば、ヒートシンク14は、熱負荷として構成されているとよい。
図2は、5つの蒸発器21,…,25と共通の圧縮機20とを有するヒートポンプ設備1の概略接続図を示す。さらに、ヒートポンプ設備1は、作動流体を凝縮し、その結果として熱をヒートシンク14へ放出するために、1つの凝縮器4を有する。
図1で既に説明したように、熱源41,…,45の熱エネルギーの少なくとも一部が、5つの並列接続された蒸発器31,…,35により、それらの5つの蒸発器31,…,35内の作動流体が少なくとも部分的に蒸発することによって作動流体へ伝達される。各熱源41,…,45ごとに、蒸発器31,…,35の1つが設けられている。
図1と違って、図2に示した実施例では、作動流体を圧縮するために、共通の圧縮機20が使用される。ここでは、5つの蒸発器31,…,35から出発した作動流体の部分質量流が、その共通の圧縮機20へ導かれるか、または、既にその共通の圧縮機20の上流側で再び作動流体の1つの共通の質量流に纏められ、共通の質量流がその共通の圧縮機20へ導かれる。
個々の蒸発器31,…,35内の異なる圧力レベルに起因する(圧力−)逆戻りを回避するために、個々の部分質量流は、それぞれ1つの逆止弁61,…,65を通して流れる。さらに、少なくとも4つの質量流調節器71,…,74により部分質量流を調節することが適切である。この場合に、質量流調節器71,…,74は、作動流体が5つの蒸発器31,…,35のそれぞれから吸い出されて共通の圧縮機20へ導かれることを保証する。
図3は本発明の格別に好ましい実施形態を示し、この実施形態ではヒートポンプ設備1がターボ圧縮機20として構成されている共通の圧縮機20を有する。
既に図1および/または図2で説明したように、ヒートポンプ設備1内を循環する作動流体の蒸発が、複数の並列の蒸発ステップ411,…,415において行われ、個々の蒸発ステップ411,…,415は、それぞれ蒸発器31,…,35により行われる。従って、個々の蒸発器31,…,35は、既に図1および/または図2に示したように、作動流体の質量流に関して並列に接続されている。(圧力)逆戻りを回避するために、ここでも、個々の部分質量流内に逆止弁61,…,65が設けられている。作動流体の緩和または膨張が、ここでも複数の膨張弁51,…,55により行われる。作動流体の質量流の部分質量流への分配は、既に図1および/または図2に示して説明したように、凝縮器4の下流側で行われる。
個々の部分質量流は、それぞれ、多段式のターボ圧縮機20の1つの圧縮機段201,…,205に導かれる。この場合に、個々の圧縮機段201,…,205への部分質量流の案内は、蒸発器31,…,35の下流側で、かつ逆止弁61,…,65の下流側で行われる。例えば、第1の蒸発器31から出発した第1の部分質量流は、第1の逆止弁61へ案内され、次にターボ圧縮機20の第1の圧縮機段201へ案内される。第2の蒸発器32から出発した第2の部分質量流は、第2の逆止弁62へ案内され、次にターボ圧縮機20の第2の圧縮機段202へ案内される。この場合に、圧縮機20の個々の圧縮機段201,…,205は、共通のモータ軸10上に配置されている。
図4には、本発明による方法の一実施形態の圧力−エンタルピ線図が示されている。
ここで、縦軸114には、ヒートポンプ設備1の作動回路内の作動流体のその都度における支配的な圧力pが示されている。横軸116には、圧力pに関連した、作動流体の比エンタルピhが示されている。
圧力−エンタルピ線図における相境界は、飽和液線124と飽和蒸気線126とによって決定されている。作動流体の蒸発は、図示の理想化された方法では、等温線112に沿って行われ、等温線112は、飽和液線124と飽和蒸気線126との間において、横軸116に対してほぼ平行に経過する。さらに、図4における線図は、複数の等エントロピ線110を示す。
ヒートポンプ設備1の凝縮器4から出発して、まず、ヒートシンクへの熱エネルギーの放出のもとで、作動流体の等温凝縮230が行われる。それによって、作動流体の状態2が状態3へ移行する。状態と呼ばれるのは、圧力−エンタルピ線図における作動流体の或る1つの点である。図示の実施例では、その凝縮230が130℃の凝縮温度において行われる。
それに引き続いて、圧力低下340(緩和340)が、例えば、作動流体の膨張または緩和により行われる。その際に、状態3が複数の状態4に移行する。作動流体の膨張または緩和340は、既に図1〜図3で説明したように並列的に行われる。
作動流体の蒸発は、蒸発ステップ411,…,415において、複数の並列に接続された蒸発器31,…,35により行われる。その際、蒸発ステップ411,…,415は、ほぼ等温で、もしくは理想的には等温で行われる。その結果として、作動流体の状態4は、蒸発411,…,415を介して複数の状態1に移行する。さらに、図示されている5つの蒸発ステップ411,…,415よりも多く設けられていてもよい。
続いて圧縮120、即ち、作動流体の圧力上昇が行われ、この圧力上昇が作動流体1の状態1を状態2に戻す。それによって、方向性を有する作動回路100が閉じられる。作動流体の圧縮120は、ここでも、並列の圧縮機21,…,25により、または共通の圧縮機20により行われる。
ヒートポンプ設備の作動流体としては、特に、従来技術において公知の全ての作動流体を使用することができる。さらに、次の物質群、即ち、1,1,1,2,2,4,5,5,5−ノナフルオロ−4−(トリフルオロメチル)−3−ペンタノン(商品名Novec(登録商標)649)、ペルフルオロメチルブタノン、1−クロロ−3,3,3−トリフルオロ−1−プロペン、cis−1,1,1,4,4,4−ヘキサフルオロ−2−ブテンおよび/またはシクロペンタンなる物質群のうち少なくとも1つを含む作動流体が好適である。特に、少なくとも1つのフルオロケトンを含む作動流体が好適である。
上述の作動流体の利点は、技術的な扱いやすさにある。それらの作動流体は、例えば不燃性または非常に低い地球温暖化係数の如き良好な環境適合性および安全特性において抜群である。一般に、物質ペルフルオロメチルブタノンは、フルオロケトンの物質群に属し、これに対してシクロペンタンは、シクロアルカンの物質群に属する。
本発明によれば、ヒートポンプ設備のための方法が提案され、この方法では少なくとも2つの蒸発器の並列接続によってランキン−ヒートポンププロセスが可能にされ、このランキン−ヒートポンププロセスは、異なる温度に調節された複数の熱源からの効率的な熱吸収を温度グライドにより可能にする。それによって、可能な限り効率的に異なる複数の熱源、特に異なる複数の排熱源を利用することができる。ヒートポンプ設備によって熱源から取り込まれる熱エネルギーは、少なくとも部分的に、ヒートポンプ設備による他の用途のために提供することができる。
さらに、本発明による方法の実行または実施を可能にする本発明によるヒートポンプ設備を提案する。本発明による発電所は、本発明によるヒートポンプ設備を含む。ヒートポンプ設備により、発電所の複数の異なる排熱源の熱エネルギーを回収して供給することができる。それによって、発電所の効率、特にガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所の効率が改善される。
本発明を細部にわたり好適な実施例によって詳しく例示し記述したが、本発明は開示された例によって制限されるものではなく、当業者は、本発明の権利保護範囲から逸脱ことなく、開示された例から別の変化形態を導き出すことができる。
Claims (20)
- 作動流体が、ヒートポンプ設備(1)の方向性を有する作動回路(100)内を循環し、
前記作動流体が、圧縮機(20,…,25)により圧縮されて凝縮器(4)により凝縮され、
前記作動流体の質量流が、第1および第2の蒸発器(31,32)への導入管の上流側で分配されて前記第1および第2の蒸発器(31,32)に並列に供給され、
前記作動流体が、前記第1の蒸発器(31)において第1の蒸発圧力(411)で蒸発させられ、
前記第2の蒸発器(32)において前記第1の蒸発圧力(411)に比べて低減された第2の蒸発圧力(412)で蒸発させられる、
ヒートポンプ設備(1)の運転方法において、
前記第1の蒸発器(31)が、第1の熱源温度を有する第1の熱源(41)と熱的に結合され、
前記第2の蒸発器(32)が、前記第1の熱源温度に比べて低い第2の熱源温度を有する第2の熱源(42)と熱的に結合されることを特徴とするヒートポンプ設備(1)の運転方法。 - 前記第1および第2の熱源(41,42)として、それぞれ、発電所、特にガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所の異なる排熱が使用される、請求項1記載の方法。
- 前記第1の熱源(41)として煙道ガスの排熱が使用され、
前記第2の熱源(42)として変圧器冷却の排熱が使用される、請求項2記載の方法。 - 前記熱源(41,42)の少なくとも1つのために、煙道ガス、変圧器冷却、伝動装置冷却、モータ冷却、排熱回収ボイラのハウジングの復水器冷却、ガスタービン防音カバー、発電機冷却および/または潤滑媒体供給の排熱が使用される、請求項2または3記載の方法。
- 前記作動流体が、前記第1の蒸発器(31)への導入管の上流側では第1の膨張弁(51)に、
前記第2の蒸発器(32)への導入管の上流側では第2の膨張弁(52)に、並列に供給される請求項1から4のいずれか1項に記載の方法。 - 圧縮(120)のために第1および第2の圧縮機(21,22)が使用され、
前記第1の蒸発器(31)から導き出された作動流体が前記第1の圧縮機(21)に供給され、
前記第2の蒸発器(32)から導き出された作動流体が前記第2の圧縮機(22)に供給される、請求項1から5のいずれか1項に記載の方法。 - 前記第1および第2の圧縮機(21,22)のために共通のモータ軸(10)が使用される、請求項6記載の方法
- 圧縮(120)のために共通の圧縮機(20)が使用され、前記第1および第2の蒸発器(31,32)から導き出された作動流体が前記共通の圧縮機(20)に供給される、請求項1から5のいずれか1項に記載の方法。
- 前記第1の蒸発器(31)から導き出された作動流体が、前記共通の圧縮機(20)への導入管の上流側で第1の逆止弁(61)へ導かれ、
前記第2の蒸発器(32)から導き出された作動流体が、前記共通の圧縮機(20)への導入管の上流側で第2の逆止弁(62)へ導かれる、請求項8記載の方法。 - 前記共通の圧縮機(20)として多段式のターボ圧縮機(20)が使用され、
前記第1の蒸発器(31)から導き出された作動流体が前記ターボ圧縮機(20)の第1の圧縮機段(201)に供給され、
前記第2の蒸発器(32)から導き出された作動流体が前記ターボ圧縮機(20)の第2の圧縮機段(202)に供給される、請求項8または9記載の方法。 - 前記第1および/または第2の蒸発器(31,32)から導き出された作動流体の部分質量流(71,72)の調節が、前記共通の圧縮機(20)への導入管の上流側で行われる、請求項8から10のいずれか1項に記載の方法。
- 前記第1および第2の圧縮機(21,22)または前記共通の圧縮機(20)から導き出された作動流体が前記凝縮器(4)へ導かれる、請求項6から11のいずれか1項に記載の方法。
- 少なくとも1つの圧縮機(20,…,25)と、凝縮器(4)と、少なくとも第1および第2の蒸発器(31…,25)とを含むヒートポンプ設備(1)であって、前記ヒートポンプ設備(1)が、
循環する作動流体のための方向性を有する作動回路(100)を有し、
前記作動回路(100)が、前記作動流体の質量流を第1および第2の蒸発器(31,32)への作動流体の導入管の上流側で分配して前記第1および第2の蒸発器(31,32)に並列に供給するように構成されており、
前記第1の蒸発器(31)が第1の蒸発圧力(411)を有し、前記第2の蒸発器(32)が第1の蒸発圧力(411)に比べて低い第2の蒸発圧力(412)を有する、
ヒートポンプ設備(1)において、
前記ヒートポンプ設備(1)が少なくとも第1および第2の熱源(41,42)を含み、
前記第1の熱源(41)が第1の熱源温度を有し、前記第2の熱源(42)が第1の熱源温度に比べて低い第2の熱源温度を有し、
前記第1の熱源(41)が前記第1の蒸発器(31)と熱的に結合され、前記第2の熱源(42)が前記第2の蒸発器(32)と熱的に結合されていることを特徴とするヒートポンプ設備(1)。 - 第1および第2の圧縮機(21,22)を有しており、
前記第1の蒸発器(31)から導き出される作動流体を前記第1の圧縮機(21)に導き、
前記第2の蒸発器(32)から導き出される作動流体を前記第2の圧縮機(22)に導くように、前記ヒートポンプ設備(1)の前記作動回路(100)が構成されている、請求項13記載のヒートポンプ設備(1)。 - 前記第1および第2の圧縮機(31,32)が、共通のモータ軸(10)を有することを特徴とする請求項14記載のヒートポンプ設備(1)。
- 共通の圧縮機(20)を有しており、
前記第1および第2の蒸発器(31,32)から導き出される作動流体を前記共通の圧縮機(20)へ導くように、前記ヒートポンプ設備(1)の前記作動回路(100)が構成されている、請求項13記載のヒートポンプ設備(1)。 - 前記共通の圧縮機(20)が多段式のターボ圧縮機(20)として構成されていることを特徴とする請求項16記載のヒートポンプ設備(1)。
- 少なくとも1つの膨張弁(51,…,55)および/または少なくとも1つの質量流調節器(71,…,74)を有する、請求項13から17のいずれか1項に記載のヒートポンプ設備(1)。
- 発電所、特にガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所が、請求項13から18のいずれか1項に記載のヒートポンプ設備(1)を有することを特徴とする発電所、特にガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所。
- 前記熱源が異なる温度に調節された発電所排熱源として構成されていることを特徴とする請求項19記載の発電所。
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