WO2010028622A1 - Hochtemperaturwärmepumpe und verfahren zu deren regelung - Google Patents

Hochtemperaturwärmepumpe und verfahren zu deren regelung Download PDF

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WO2010028622A1
WO2010028622A1 PCT/DE2009/001210 DE2009001210W WO2010028622A1 WO 2010028622 A1 WO2010028622 A1 WO 2010028622A1 DE 2009001210 W DE2009001210 W DE 2009001210W WO 2010028622 A1 WO2010028622 A1 WO 2010028622A1
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temperature
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Eberhard Wobst
Steffen Oberländer
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Thermea. Energiesysteme Gmbh
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    • 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
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    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
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    • F25B2309/061—Compression machines, plants or systems characterised by the refrigerant being carbon dioxide with cycle highest pressure above the supercritical pressure
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    • F25B2339/00—Details of evaporators; Details of condensers
    • 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 0 C, which is operated with carbon dioxide as the 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 0 C and 73.6 bar. Since heat pumps are almost always used to generate higher temperatures, they are inevitably operated in the transcritical range.
  • a heat pump is 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 describes a heat pump in which, by overheating the refrigerant upstream of the suction side of the compressor, an increase in the temperature of the refrigerant at the outlet of the compressor is effected without the pressure of the refrigerant on the output side of the compressor being additionally increased.
  • the overheating should be achieved for example with a countercurrent heat exchanger.
  • the desired heating of water to 60-90 0 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.
  • the invention has for its object to provide a run with carbon dioxide as a refrigerant heat pump, which allows simultaneous control of the refrigerant superheating 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 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. - A -
  • control loop is also used to increase the hot water outlet temperature by raising the pressure.
  • the pressure is increased only so far that the required hot water outlet temperature is reached exactly.
  • a second application-related inner heat exchanger 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. On the water side, its inlet is connected via at least one 3-way valve to one of the water-side outlets of the gas cooler.
  • the second internal heat exchanger is preferably connected to the gas cooler water outlet side, the refrigerant side output is connected via the first inner heat exchanger to the refrigerant collector; This gas cooler produces the water with the lowest temperature level.
  • the refrigerant superheating on the influx of the refrigerant in the evaporator and the high pressure in the gas cooler controlled by the volume flow of carbon dioxide from the gas cooler in 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.
  • the actual value is 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 done by means of a 3-way valve with actuator and one by-pass and Passed less carbon dioxide past the first and the second internal heat exchanger.
  • 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 target temperature of the hot water is not reached, although the entire refrigerant flow is already passed through the first and the second heat exchanger and the volume flow of hot water through the second inner heat exchanger and the pressure in the gas cooler have reached their maximum control limits, then the last hot water volume flow reduced by the gas cooler.
  • 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.
  • Ts diagram temperature-entropy diagram
  • the cooling of the carbon dioxide in the gas cooler takes place along a curved line.
  • the resulting heating of the water takes place in the Ts-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 during the heat transfer process. Consequently, the more accurately the curved line of carbon dioxide is followed with a number n of straight 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 relatively 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 0 C sufficient. In this case, the flow temperature is regulated down in reverse order by means of the control circuits.
  • Fig. 1 system diagram of a heat pump with two gas coolers
  • Fig. 2 T-s diagram of the heat pump process of a heat pump with two gas coolers.
  • 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 tnwA2 (or tnwAi) is compared with a predetermined desired value, and the actuator 17. If the real temperature value of the water is higher than the setpoint value, the 3-way valve 18 is adjusted so that more carbon dioxide is led past the series connection of the first inner heat exchanger 4 and second inner heat exchanger 5 via the bypass 9. 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 to up to 150 c C.
  • the up to 150 0 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 ⁇ w A2 up to 145 ° C and hot gas in the gas cooler 3 with a temperature t ⁇ w A i of about 70 0 C generated becomes.
  • 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 at a fall below the setpoint increased by 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 incoming amount of water is regulated.
  • the controller 19 the current temperature value THW A2 is (or W A O measured and compared with the predetermined desired value. If the 3-way valves 18 and 24 are controlled already by means of the regulator 16 and the control valve 15 by the controller 13 to the control limit are, but the target value is not yet reached, the amount of water through the bypass 22 is increased by means of the 3-way valve 21.
  • control unit evaporator injection

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Abstract

Hochtemperaturwärmepumpe zur Erwärmung eines Fluids, vorzugsweise Wasser, auf ein Temperaturniveau bis zu 150°C, die mit Kohlendioxid als Kältemittel im transkritischen Bereich betrieben wird. Die Wärmepumpe besteht aus einem Verdampfer (6), mindestens zwei inneren Wärmeübertragern (4, 5), einem Verdichter (1), einem oder mehreren in Reihe geschalteten Gaskühlern (2, 3), einem Kältemittelsammler (7) und einem Kältemitteleinspritzventil (8). Zur Regelung des Hochdrucks in den Gaskühlern (2, 3) ist der Eingang des Kältemittelsammlers (7) über ein Regelventil (15) mit dem Austritt der Reihenschaltung der Gaskühler (2, 3) und der Ausgang des Kältemittelsammlers (7) mit dem Kältemitteleinspritzventil (8) verbunden. Durch eine Regelung der Kältemittelüberhitzung der Wärmepumpe über den Zustrom des Kältemittels in den Verdampfer (6) einerseits und des Hochdrucks in den Gaskühlern (2, 3) über den Volumenstrom des Kohlendioxids aus den Gaskühlem (2, 3) in den Kältemittelsammler (7) andererseits, sind sehr hohe Leistungszahlen erreichbar.

Description

Hochtemperaturwärmepumpe und Verfahren zu deren Regelung
Die Erfindung betrifft eine Hochtemperaturwärmepumpe zur Erwärmung eines Fluids, vorzugsweise Wasser, auf ein Temperaturniveau bis 1500C, 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 Propylen- ether, noch kann es mit Luft explosive Gemische bilden, wie z.B. Propan und Butan.
Der kritische Punkt des Kohlendioxids liegt bei 31 ,1 0C 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 60-900C 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.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mit Kohlendioxid als Kältemittel betriebene Wärmepumpe zu schaffen, die gleichzeitig eine Regelung der Kältemittel- überhitzung 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 3 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen und Verwendungen ergeben sich aus den Ansprüchen 2 sowie 4 bis 14.
Ausgegangen wird von einer Hochtemperaturwärmepumpe zur Erwärmung eines Fluids auf Temperaturen bis zu 1500C, die mit Kohlendioxid als Kältemittel im transkritischen Bereich betrieben wird. Dabei ist vorgesehen, als Fluid vorzugsweise Wasser einzusetzen, das auf Temperaturen von 100 bis 1300C 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. - A -
Erfindungsgemäß wird der Regelkreis auch dazu genutzt, die Heißwasseraustritts- temperatur 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 anwendungsbezoge- ner 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. Wasserseitig ist sein Eingang über mindestens ein 3-Wege-Ventil mit einem der wasserseitigen Ausgänge der Gaskühler verbunden.
Da die Gaskühler das Wasser jeweils auf unterschiedliche Temperaturniveaus erwärmen und zur Vorerwärmung des Kohlendioxids kein hohes Temperaturniveau erforderlich ist, wird der zweite innere Wärmeübertrager bevorzugt 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 Unter- schreitung 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 Temperatumiveaus benötigt. In einer weiteren vorteilhaften Verwendung der erfindungsgemäßen Wärmepumpe mit n Gaskühlern wird das heiße Wasser mit n Temperatumiveaus 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 400C 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 tnwA2 (oder tnwAi) 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 150cC. Das bis zu 1500C 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 tπwA2 bis zu 145°C und im Gaskühler 3 heißes Wasser mit einer Temperatur tπwAi von ca. 700C 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 da- durch 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 einer 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. WAO 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 WAI (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 WA2 (bzw. WAO 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 tnwA3 nur geringfügig kleiner als die Temperatur tπwAi ist, wird dieses Wasser dem Wasser der Temperatur tHwAi 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.
Liste der verwendeten Bezugszeichen
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

Patentansprüche
1. Hochtemperaturwärmepumpe zur Erwärmung eines Fluids auf ein Temperaturniveau bis zu 1500C, 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, wobei der wasserseitige Eingang des zweiten inneren Wärmeübertragers (5) über mindestens ein Regelventil (24) mit einem der wasserseitigen Ausgänge der Gaskühler (2, 3) verbunden ist.
2. Hochtemperaturwärmepumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der wasserseitige Eingang des zweiten inneren Wärmeübertragers (5) mit dem wasserseitigen Ausgang desjenigen Gaskühlers (3) verbunden ist, dessen kältemittelseitiger Ausgang am ersten inneren Wärmeübertrager (4) angeschlossen ist.
3. 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.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Kältemitteleinspritzventil (8) ein druckgeregeltes thermostatisches Ventil eingesetzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, 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.
6. Verfahren nach Anspruch 3 bis 5, 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.
7. Verfahren nach Anspruch 6, 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 er- reicht wird, mittels eines 3-Wege-Ventils (24) mit Stellantrieb (23) der Volumenstrom des Heißwassers durch den zweiten inneren Wärmeübertrager (5) erhöht wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, 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.
9. Verfahren nach Anspruch 8, 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.
10. Verfahren nach Anspruch 9, 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.
11.Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Heißwasservolumenstrom durch die Gaskühler (2, 3) über die Drehzahl einer Wasserpumpe (11 ) des Wasserkreislaufs oder mittels eines Drosselventils, eingestellt wird.
12. 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 Strö- mungsweges in diesen Apparaten gezielt an die für den Wärmetransport erforderlichen Temperaturdifferenzen angepasst werden.
13. Verwendung der Wärmepumpe nach Anspruch 1 zur Energiespeicherung, wobei die Wärmepumpe n Gaskühler aufweist, die jeweils n Wärmeverbraucher auf unterschiedlichen Temperaturniveaus versorgen.
14. 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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