WO2023139167A1 - Wärmepumpe zur erzeugung von prozesswärme - Google Patents

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WO2023139167A1
WO2023139167A1 PCT/EP2023/051259 EP2023051259W WO2023139167A1 WO 2023139167 A1 WO2023139167 A1 WO 2023139167A1 EP 2023051259 W EP2023051259 W EP 2023051259W WO 2023139167 A1 WO2023139167 A1 WO 2023139167A1
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unit
fluid working
medium
heat
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PCT/EP2023/051259
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Tim HAMACHER
Andreas Mück
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SPH Sustainable Process Heat GmbH
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    • F25B40/00—Subcoolers, desuperheaters or superheaters
    • F25B40/02—Subcoolers

Definitions

  • the present invention relates to a heat pump for generating process heat and a system for generating process heat using the heat pump.
  • the present invention also relates to a method for generating process heat and a control device that can control or regulate a heat pump for carrying out the method.
  • Heat pump technology is well known. Heat pumps are used to absorb thermal energy from a first external medium (e.g. the ambient air or liquids) using mechanical work and, in addition to the drive energy used for the mechanical work, transfer it to a second external medium as useful energy or useful heat.
  • the second external medium is a medium to be heated.
  • the first external medium can be provided by liquids contained in the rock, for example.
  • warm exhaust gases or process liquids can also serve as the first external medium.
  • Heat pumps are currently used in particular for heating buildings. However, in the meantime applications have also become known in which heat pumps are used to generate the heat required for industrial processes. Steam generation, drying processes, sterilization processes, distillation processes, cooking processes or industrial heat distribution processes may be mentioned as exemplary industrial processes. Such processes sometimes require high process temperatures of well over 100 °C.
  • DE 10 2011 086 476 A1 discloses a high-temperature heat pump which has a fluid circuit for receiving thermal energy pouring through the fluid from a first reservoir using engineering work and for delivering thermal energy through the fluid to a second reservoir to heat the second reservoir.
  • the present invention is therefore based on the object of proposing an improved heat pump which offers high efficiency and a high overall thermal output and at the same time can be implemented with little effort.
  • a first aspect of the invention relates to a heat pump for generating process heat, comprising a closed working medium circuit which is designed to carry a fluid working medium in a circulation direction and in which the units mentioned under a) to d) are connected in series in the circulation direction in terms of fluid technology: a) an evaporation unit which is designed to transfer thermal energy from a first external medium to the fluid working medium and to convert the fluid working medium from a liquid aggregate state into a gaseous aggregate state; b) a compression unit which is designed to compress the fluid working medium in the gaseous state of aggregation with an increase in pressure and temperature; c) a condenser unit which is designed to transfer thermal energy from the compressed fluid working medium to a second external medium and to convert the compressed fluid working medium from the gaseous state of aggregation to the liquid state of aggregation; and d) an expansion unit which is designed to expand the compressed fluid working medium in the liquid state of aggregation with a reduction in pressure and temperature.
  • a heat exchanger unit is fluidically integrated in the working medium circuit between the condenser unit and the expansion unit and is designed to transfer thermal energy from the compressed fluid working medium in the liquid state to a third external medium.
  • a heat pump in which two heat sinks are present.
  • a spatially limited area for example a body, is referred to as a heat sink, which does not release the thermal energy stored in it or supplied to it to an adjacent medium in a non-recoverable manner.
  • the two heat sinks are provided by the condenser unit and the heat exchanger unit: when the heat pump is used as intended, thermal energy is released in the condenser unit as a result of a phase change of the working medium from the gaseous to the liquid state of aggregation during condensation.
  • This energy also referred to as heat in thermodynamics, is given off to the second external medium that is adjacent to the condenser unit or when it flows through it.
  • the transferred heat cannot be retrieved (first heat sink) and is available in the second external medium as useful or process heat. Furthermore, when the heat pump is used as intended, thermal energy is transferred from the liquefied working medium to the third external medium which is adjacent to the heat exchanger unit or when it flows through it. Since the third external medium is intended to have a lower temperature than the working medium, this heat cannot be retrieved either (second heat sink) and is available in the third external medium as additional useful or process heat.
  • the heat pump of the invention thus offers the advantage that after the condensation still contained in the hot liquid working fluid heat at the Heat exchanger unit is also available as useful heat.
  • the useful heat obtained at the condenser unit can first be used to directly generate steam with the second external medium and the useful heat additionally obtained at the heat exchanger unit can be used to generate steam or to heat a liquid.
  • the heat pump of the invention is particularly suitable for generating process heat for processes that take place at different temperature levels.
  • the second external medium can preferably be used for a process at a higher temperature level and the third external medium for a process at a relatively lower temperature level.
  • a liquid state of aggregation can also be referred to as liquid working medium and a gaseous state of aggregation to be gaseous or vaporous working medium
  • parts or residues of gaseous working medium can be contained in the liquid working medium and vice versa.
  • Permissible tolerances in this regard result from the generally known functional principle of a heat pump and the technical teaching disclosed here.
  • the evaporation unit, the condenser unit and the heat exchanger unit can preferably each comprise a heat exchanger or be designed as such.
  • the external medium that corresponds to it can preferably flow through each of these units.
  • the closed working medium circuit of the heat pump is preferably filled with the fluid working medium.
  • the compression unit serves to compress or compress the gaseous working medium while increasing the pressure and temperature.
  • the compression unit can therefore also be referred to as a compressor.
  • the gaseous working medium is brought from a lower to a higher pressure level in the compression unit by performing mechanical work, with the compression simultaneously leading to a rise in temperature in the working medium.
  • the compression unit can preferably include a drive for providing the mechanical work. This can preferably be an electric motor that converts electrical energy into mechanical work.
  • the compression unit is preferably designed to drive the circulation of the working medium.
  • the working medium evaporated in the evaporation unit can, for example, be sucked in by the compression unit, compressed and discharged under pressure.
  • the driving force of the working medium circulation comprises a suction force on an inlet side of the compression unit and a pressure force on an outlet side.
  • compression units in heat pumps include, for example, reciprocating, rotary piston, screw, turbo, vane, rotary piston or scroll compressors.
  • Reciprocating compressors are preferably considered for the heat pump according to the invention, in particular reciprocating compressors with a plurality of piston-cylinder units.
  • the expansion unit can preferably include an expansion valve, which can also be referred to as a throttle or throttle valve. From a physical point of view, the expansion unit represents a flow resistance for the working fluid, which expands as it flows through the expansion unit.
  • the heat exchanger unit includes a supercooling unit.
  • the sub-cooling unit is designed to cool the liquefied working medium in thermal interaction with the third external medium. Any fractions or residues of gaseous working medium can also post-condense.
  • the supercooling unit leads to a significantly improved utilization of the heat stored in the working medium or residual heat after the condenser unit.
  • a control element is provided, which is designed to set the power at the heat exchanger unit.
  • the control element can be used, for example, to adjust the volume flow of the third external medium through the heat exchanger unit.
  • the control element or another control element can also be used to adjust the volume flow of the working medium through the heat exchanger unit.
  • the heat transfer from the working medium to the third external medium is regulated with the control element.
  • the operation of the heat pump of the invention can thus be optimally adjusted to the internal processes of the heat pump on the one hand and the processes implemented with the third external medium on the other hand.
  • a working fluid collection unit is provided fluidically between the condenser unit and the heat exchanger unit, which is designed to separate the fluid working fluid in the liquid aggregate state from the fluid working fluid still present in the gaseous aggregate state and forward fluid working materials in the liquid state in the direction of the heat exchanger unit.
  • the residues of gaseous working medium mentioned above can be separated. These can also be fed back to the condenser unit, for example.
  • the working fluid collection unit can be designed to separate lubricant or oil residues (for example from the compression unit) from the working fluid.
  • a heat recovery unit is fluidically provided in the working medium circuit and designed to transfer thermal energy from the compressed fluid working medium in the liquid aggregate state when it flows from the condenser unit in the direction of the expansion unit to the fluid working medium in the gaseous aggregate state when it flows from the evaporation unit in the direction of the compression unit.
  • the heat recovery unit preferably includes a heat exchanger, which can also preferably include a recuperator or suction gas heat exchanger.
  • suction gas heat exchanger implies that it is arranged between the evaporation unit and the compression unit and that gaseous or vaporous working medium flowing through the suction gas heat exchanger is sucked in the direction of the compression unit.
  • control element can be used to adjust the temperature level of the liquid working medium after it has passed through the heat exchanger unit so that it is sufficiently above the temperature level of the vaporized working medium which enters the heat recovery unit on the way to the compression unit. This ensures ensures that the liquid working medium is always hot enough to transfer heat to the vaporous working medium.
  • the supply of the third external medium can be reduced or blocked with the control element during the start-up phase of the heat pump, so that the liquid working fluid retains its heat for the subcooling process at the heat recovery unit.
  • a vapor line section of the working fluid circuit arranged between the evaporation unit and the compression unit and a liquid line section of the working fluid circuit arranged between the condenser unit and the expansion unit are preferably routed through the heat recovery unit.
  • the liquid line section is particularly preferably arranged between the working medium collection unit and the expansion unit.
  • the liquid line section is particularly preferably arranged between the heat exchanger unit and the expansion unit.
  • Another aspect of the invention relates to a system for generating process heat comprising:
  • a fluid working medium which is located in a closed working medium circuit of the heat pump
  • any unit that can contain or provide the corresponding medium can be considered as a reservoir for the external media.
  • a heat source that contains the medium can be considered as a reservoir for the first external medium.
  • An example would be the ground, which can contain warm liquids.
  • reservoirs from industrial processes that contain, for example, warm exhaust gases or warm process liquids also come into consideration.
  • interfaces of processes in which the useful heat of the heat pump is to be used can be considered as reservoirs for the second and third external medium.
  • Steam-powered power or heat processes could be mentioned here as examples, for example the operation of a steam flask, drying processes, sterilization processes, distillation processes, cooking processes or industrial heat distribution processes.
  • the external media can be the same or different.
  • the second and third medium can also come from the same or different reservoirs.
  • the first external medium and/or the second external medium and/or the third external medium can preferably comprise water or be water. Water can also exist as water vapor.
  • Fluid substances or mixtures of substances are suitable as fluid working media which, due to their thermodynamic properties, evaporate at a relatively low temperature and can be raised to a higher temperature by compression.
  • Hydrocarbons HC working medium
  • hydrofluoroolefins HFO working medium
  • hydrochlorofluoroolefins HCFO working medium
  • Substances with a GWP value (Global Warming Potential) of less than 25 are particularly suitable for HFO working fluids.
  • the control device can be designed to carry out both open-loop and closed-loop control processes.
  • control and regulation.
  • the expert is general it goes without saying that he can provide measuring means as well as signal line or signal processing means as required in the heat pump or the system of the invention. This can be necessary, for example, to implement control processes or for pure control functions.
  • Exemplary important measured variables for the regulation and control of the heat pump include temperatures and pressures.
  • the control device is preferably operatively connected to an energy supply unit or integrated with it.
  • the energy supply unit can supply electrical energy, for example, in order to supply an electric motor of the compression unit, for example.
  • the control device in turn can, for example, control a speed of the compression unit.
  • the control device can also control or control other elements of the system of the invention, for example the regulating organ, the expansion unit or other elements such as valves or sensors.
  • the heat exchanger unit in particular as a supercooling unit, can also have a separate control with similar functional options. It is also possible to subordinate this separate control to the control unit described above.
  • centralized or decentralized control architectures can be used. This also applies in the context of the external processes in which (geothermal) heat is to be obtained with the heat pump or the generated (industrial) useful heat is to be used, so that the heat pump or the system can be embedded in these processes in terms of control technology.
  • control processes in the system according to the invention are preferably designed to ensure that a sufficient quantity of gaseous working medium is always taken up in the compression unit and that it does not unintentionally transition into the liquid phase during compression.
  • control processes are preferably designed in such a way that the heat exchanger unit, in particular as a supercooling unit, only transfers so much heat to the third external medium that the temperature level at the heat recirculation unit is still sufficiently high.
  • Another aspect of the invention relates to a method for generating process heat in which a fluid working medium is guided in a circulation direction in a closed working medium circuit and in which the steps mentioned under a) to d) are run through sequentially in the circulation direction: a) transfer of thermal energy from a first external medium to the fluid working medium and transfer of the fluid working medium from a liquid state of aggregation to a gaseous state of aggregation; b) Compression of the fluid working medium in the gaseous state of aggregation with an increase in pressure and temperature; c) Transfer of thermal energy from the compressed fluid working medium to a second external medium and conversion of the compressed fluid working medium from the gaseous state of aggregation to the liquid state of aggregation; and d) expansion of the compressed fluid working medium in the liquid state of aggregation with pressure and temperature reduction.
  • steps c) and d) a transfer of thermal energy from the compressed fluid working medium in the liquid state of aggregation to a third external medium takes place (step c")-
  • a heat pump and/or a system according to the invention according to the present disclosure can preferably be used.
  • the compressed fluid working medium in the liquid state of aggregation is supercooled during the transfer of the thermal energy to the third external medium.
  • the power for transferring the thermal energy from the compressed fluid working medium in the liquid state of aggregation to the third external medium is adjusted.
  • the power is preferably controlled, particularly preferably regulated.
  • step c) after step c) and before the fluid working medium transfers the thermal energy to the third external medium, the fluid working medium in the liquid state of aggregation is separated from the fluid working medium that is still present in the gaseous state of aggregation and the fluid working medium is passed on to transfer the thermal energy to the third external medium (step c′)-
  • thermal energy is transferred from the compressed fluid working medium in the liquid state of aggregation to the fluid working medium in the gaseous state of aggregation, which is located between steps a) and b) (step a')-
  • the temperature of the first external medium is below the temperature of the second and third external medium. Nevertheless, the temperature of the first external medium must be above the temperature of the working medium vaporized in step a), preferably so far above that the working medium can be efficiently vaporized by the thermal energy supplied by the first external medium.
  • useful heat outputs of more than 250 kW can be provided, in particular even up to 5 MW.
  • a further aspect of the invention relates to a control device designed and set up for controlling or regulating a heat pump according to the invention and/or a system according to the invention for carrying out a method according to the invention according to the present disclosure.
  • FIG. 1 shows a system for generating process heat
  • Figure 2 shows a T-H diagram of a method for generating process heat.
  • FIG. 1 shows a system 10 according to the invention for generating process heat, which comprises a heat pump 12 according to the invention.
  • the heat pump 12 is represented within the system 10 by its system boundaries.
  • the heat pump 12 for generating process heat includes a closed working medium circuit 14 which is designed to conduct a fluid working medium 16 in a circulation direction 18 .
  • the system 10 includes the fluid working medium 16 which is located in the closed working medium circuit 14 of the heat pump 12 .
  • the working medium circuit 14 comprises a) an evaporation unit 20, which is designed to transfer thermal energy from a first external medium 22 to the fluid working medium 16 and to convert the fluid working medium 16 from a liquid state of aggregation 24 into a gaseous state of aggregation 26.
  • the system 10 comprises a reservoir 28 of the first external medium 22 which is fluidically connected to the evaporation unit 20 of the heat pump 12 .
  • the working medium circuit 14 also includes b) a compression unit 30 which is designed to compress the fluid working medium 16 in the gaseous state of aggregation 26 with an increase in pressure and temperature.
  • the working medium circuit 14 also includes c) a condenser unit 32, which is designed to transfer thermal energy from the compressed fluid working medium 16 to a second external medium 34 and to convert the compressed fluid working medium 16 from the gaseous state of aggregation 26 into the liquid state of aggregation 24.
  • the system 10 comprises a reservoir 36 of the second external medium 34 which is fluidically connected to the condenser unit 32 of the heat pump 12 .
  • the working medium circuit 14 also includes d) an expansion unit 38 which is designed to expand the compressed fluid working medium 16 in the liquid aggregate state 24 with a reduction in pressure and temperature.
  • a heat exchanger unit 40 is fluidically integrated in working medium circuit 14 between condenser unit 32 and expansion unit 38, which is designed to transfer thermal energy from compressed fluid working medium 16 in liquid aggregate state 24 to a third external medium 42.
  • the heat exchanger unit 40 preferably comprises a supercooling unit 44.
  • the system 10 includes a reservoir 46 of the third external medium 42 which is fluidly connected to the heat exchanger unit 40 of the heat pump 12 .
  • the heat pump 12 preferably has a control element 48 .
  • the control element 48 is designed to set the power at the heat exchanger unit 40 .
  • the control element 48 can be designed as a valve which adjusts a volume flow of the third external medium 42 through the heat exchanger unit 40 .
  • a working medium collection unit 50 is provided fluidically between the condenser unit 32 and the heat exchanger unit 40, which is designed to separate the fluid working medium 16 in the liquid state of aggregation 24 from any remaining residues of fluid working medium 16 in the gaseous state of aggregation 26 and to move the fluid working medium 16 in the liquid state of aggregation 24 in the direction of the heat exchanger unit 40 forward.
  • a heat recirculation unit 52 is preferably provided and designed in terms of fluid technology in the working medium circuit 14 in such a way that thermal energy is transferred from the compressed fluid working medium 16 in the liquid state of aggregation 24, when this flows from the condenser unit 32 in the direction of the expansion unit 38, to the fluid working medium 16 can be transmitted in the gaseous state of aggregation 26 when it flows from the evaporation unit 20 to the compression unit 30 .
  • control unit 54 which is operatively connected at least to the compression unit 30 of the heat pump 12.
  • the control unit 54 is designed and set up to control or regulate the heat pump 12 in order to carry out a method according to the invention for generating process heat.
  • control unit 54 also controls control element 48 via corresponding signals 56.
  • the first 22, second 34 and third 42 external medium are each water.
  • the fluid working medium 16 is guided in the circulation direction 18 in the working medium circuit 14 .
  • the steps mentioned under a) to d) are carried out sequentially in the circulation direction 18:
  • step a thermal energy is transferred from the first external medium 22 to the fluid working medium 16 and the fluid working medium 16 is converted from the liquid state of aggregation 24 to the gaseous state of aggregation 26.
  • This is achieved, for example, using the evaporation unit 20 shown in Figure 1. It can be seen from FIG. 2 that the enthalpy H of the working medium 16 rises sharply while the temperature T remains constant.
  • thermal energy is transferred from compressed fluid working medium 16 in the liquid state of aggregation 24 to the fluid working medium 16 in the gaseous state of aggregation 26, which is located between step a) that has just been passed and the following step b).
  • the transfer of the thermal energy is achieved, for example, using the heat recovery unit 52 shown in FIG. It can be seen from FIG. 2 that the enthalpy H as well as the temperature T increase in step a′).
  • step b) which now follows, the fluid working medium 16 is compressed in the gaseous aggregate state 26 with an increase in pressure and temperature.
  • the compression is achieved by using the compression unit 30 shown in FIG. It can be seen from FIG. 2 that the enthalpy H and the temperature T rise sharply in the process.
  • a step c) thermal energy is then transferred from the compressed fluid working medium 16 to a second external medium 34 and the compressed fluid working medium 16 is converted from the gaseous state of aggregation 26 into the liquid state of aggregation 24.
  • This is achieved, for example, by using the condenser unit 32 shown in Figure 1. It can be seen from FIG. 2 that the enthalpy H and the temperature T drop at the beginning of step c). After that, the temperature T remains constant during step c) and the enthalpy H drops sharply in the condensation process.
  • step c' which takes place after step c), but before step c"), which will be explained later.
  • step c' the fluid working medium 16 in the liquid state of aggregation 24 is separated from the fluid working medium 16 that is still present in the gaseous state of aggregation 26, if this is still present.
  • the fluid working medium 16 is then passed on 2 shows that the enthalpy H and the temperature T remain constant in step c′).
  • Step c" is also provided, which takes place between steps c) and d).
  • thermal energy is transferred from the compressed fluid working medium 16 in the liquid state 24 to a third external medium 42. This is achieved, for example, using the heat exchanger unit 40 shown in Figure 1.
  • the enthalpy H and the temperature T in step c" drop.
  • the compressed fluid working medium 16 is supercooled in the process.
  • the heat exchanger unit 40 is, for example, a supercooling unit 44.
  • the process of supercooling or the heat output for transferring the thermal energy from the compressed fluid working medium 16 to the third external medium 42 is set in the present example via the control element 48 shown in Figure 1, which is again controlled and controlled by the control unit 54 as an example.
  • Step a′) now follows on the side of the working medium 16 in the liquid state of aggregation 24 which, as described at the outset, ties in between steps c) and d).
  • the compressed fluid working medium 16 leaving the heat exchanger unit 40 in the liquid state 24 transfers thermal energy in the heat recovery unit 52 to the fluid working medium 16 in the gaseous state 26, which is currently between steps a) and b).
  • Figure 2 shows that the enthalpy H as well as the temperature ? drop in step a').
  • step d) which now follows, the compressed fluid working medium 16 in the liquid state of aggregation 24 is expanded with a reduction in pressure and temperature. This is achieved by using the expansion unit 38 shown in FIG. It can be seen from Figure 2 that the enthalpy H remains constant while the temperature ? falls sharply.
  • the temperature 58 of the first external medium 22 was between 20 °C and 150 °C
  • the temperature 64 of the second external medium 34 was between 50 °C and 250 °C
  • the temperature 74 of the third external medium 42 was between 40 °C and 200 °C.
  • R1233zd was used as the working medium 16 in the heat pump 12 .
  • the temperature 58 of the first external medium 22 was measured in °C at the inlet 60 into the evaporation unit 20 and at the outlet 62 therefrom. Furthermore, the temperature 64 of the second external medium 34 was measured in °C at the inlet 66 into the evaporation unit 32 and at the outlet 68 from it. The temperature 74 of the third external medium 42 in °C was also measured at the inlet 70 and outlet 72 of the heat exchanger unit 40 . In the tests I and III, which were carried out conventionally, the fields for 70 and 72 are therefore empty, since no heat exchanger unit 40 was present.
  • the table also shows: the thermal output 76 transmitted to the condenser unit 32, the thermal output 78 transmitted to the heat exchanger unit 40 (therefore empty for experiments I and III), the thermal output 80 transmitted to the evaporation unit 20 and the work output 82 transmitted via the compression unit 30, here as an example as electrical drive power. All outputs are shown in kW.
  • the table also shows: the COP value 84 determined in the test, the theoretically achievable COP value 86 and the ratio of COP value 84 / theoretically achievable COP value 86, which is also referred to as quality 88.
  • the COP value 84 is also referred to as the coefficient of performance and indicates the total heat output 76+78 in relation to the drive power 82 required for this.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmepumpe (12) zur Erzeugung von Prozesswärme und ein System (10) mit der Wärmepumpe (12). Es ist vorgesehen, dass an der Wärmepumpe (12) wenigstens zwei Wärmesenken (32; 40; 44) vorhanden sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Erzeugung von Prozesswärme und ein Steuergerät (54) zur Steuerung der Wärmepumpe (12) in dem Verfahren.

Description

Wärmepumpe zur Erzeugung von Prozesswärme
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmepumpe zur Erzeugung von Prozesswärme sowie ein System zur Erzeugung von Prozesswärme mit der Wärmepumpe. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Erzeugung von Prozesswärme und ein Steuergerät, das eine Wärmepumpe zur Durchführung des Verfahrens steuern oder regeln kann.
Die Technologie von Wärmepumpen ist allgemein bekannt. So werden Wärmepumpen dazu eingesetzt, unter Aufwendung von mechanischer Arbeit thermische Energie aus einem ersten externen Medium (z.B. der Umgebungsluft oder Flüssigkeiten) aufzunehmen und in Addition mit der, für die mechanische Arbeit aufgewendeten, Antriebsenergie als Nutzenergie oder Nutzwärme auf ein zweites externes Medium zu übertragen. Das zweite externe Medium stellt dabei ein zu beheizendes Medium dar. Bei der Implementierung einer solchen Wärmepumpe in einem System zur Erzeugung von Nutz- bzw. Prozesswärme, beispielsweise in einer Erdwärmeanlage, kann das erste externe Medium bspw. von im Erdgestein enthaltenen Flüssigkeiten bereitgestellt werden. In Industrieprozessen können beispielsweise auch warme Abgase oder Prozessflüssigkeiten als erstes externes Medium dienen.
Derzeit werden Wärmepumpen insbesondere zum Beheizen von Gebäuden eingesetzt. Jedoch sind derweil auch Anwendungen bekannt geworden, in denen Wärmepumpen zur Erzeugung von für industrielle Prozesse benötigter Wärme genutzt werden. Als beispielhafte industrielle Verfahren seien Dampferzeugung, Trocknungsvorgänge, Sterilisationsprozesse, Destillationsprozesse, Kochprozesse oder industrielle Wärmeverteilungsvorgänge genannt. Solche Verfahren erfordern eine mitunter hohe Prozesstemperaturen von weit über 100 °C.
Zugleich werden im industriellen Kontext hohe Anforderungen an die Effizienz und die erreichbare thermische Gesamtleistung der Wärmepumpe gestellt. Auch ein geringer Aufwand bzw. geringe Kosten für die Wärmepumpe als solche stellen eine wichtige Anforderung in der Industrie dar.
Aus der DE 10 2011 086 476 Al ist beispielsweise eine Hochtemperaturwärmepumpe bekannt, die einen Fluidkreislauf zum Aufnehmen von thermischer Ener- gie durch das Fluid aus einem ersten Reservoir unter Aufwendung von technischer Arbeit und zur Abgabe von thermischer Energie durch das Fluid an ein zweites Reservoir zum Heizen des zweiten Reservoirs aufweist.
Eine weitere Hochtemperaturwärmepumpe ist in der DE 10 2012 015 647 Al beschrieben, welche zusammengesetzt ist aus einem Verdichter, einem Quellen- und einem Nutzwärmeübertrager, einem inneren Wärmeübertrager sowie einem Regelventil und Hilfsaggregaten.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Wärmepumpe vorzuschlagen, die eine hohe Effizienz sowie eine hohe thermische Gesamtleistung bietet und zugleich mit geringem Aufwand realisierbar ist.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche 1, 6, 8 und 15 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merkmalen und weiterhin aus der vorliegenden Offenbarung als Ganzes.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Wärmepumpe zur Erzeugung von Prozesswärme umfassend einen geschlossenen Arbeitsmittel-Kreislauf der dazu ausgebildet ist, ein fluides Arbeitsmittel in einer Zirkulationsrichtung zu führen und in welchem die unter a) bis d) genannten Einheiten in der Zirkulationsrichtung fluidtechnisch in Reihe geschaltet sind: a) eine Verdampfungseinheit die dazu ausgebildet ist, thermische Energie von einem ersten externen Medium an das fluide Arbeitsmittel zu übertragen und das fluide Arbeitsmittel von einem flüssigen Aggregatszustand in einen gasförmigen Aggregatszustand zu überführen; b) eine Verdichtungseinheit die dazu ausgebildet ist, das fluide Arbeitsmittel im gasförmigen Aggregatszustand unter Druck- und Temperaturerhöhung zu verdichten; c) eine Kondensatoreinheit die dazu ausgebildet ist, thermische Energie von dem verdichteten fluiden Arbeitsmittel an ein zweites externes Medium zu übertragen und das verdichtete fluide Arbeitsmittel von dem gasförmigen Aggregatszustand in den flüssigen Aggregatszustand zu überführen; und d) eine Expansionseinheit die dazu ausgebildet ist, das verdichtete fluide Arbeitsmittel im flüssigen Aggregatszustand unter Druck- und Temperaturverringerung zu entspannen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass fluidtechnisch zwischen der Kondensatoreinheit und der Expansionseinheit eine Wärmeübertragereinheit im Arbeitsmittel-Kreislauf integriert ist, die dazu ausgebildet ist, thermische Energie von dem verdichteten fluiden Arbeitsmittel im flüssigen Aggregatszustand an ein drittes externes Medium zu übertragen.
Mit anderen Worten ausgedrückt wird also eine Wärmepumpe bereitgestellt, bei der zwei Wärmesenken vorhanden sind. Als Wärmesenke wird ein räumlich begrenzter Bereich, beispielsweise ein Körper, bezeichnet, der in ihm gespeicherte oder ihm zugeführte thermische Energie an ein angrenzendes Medium nicht rückholbar abgibt. Die zwei Wärmesenken werden bei der erfindungsgemäßen Wärmepumpe durch die Kondensatoreinheit und die Wärmeübertragereinheit bereitgestellt: So wird beim bestimmungsgemäßen Gebrauch der Wärmepumpe in der Kondensatoreinheit thermische Energie frei, infolge eines Phasenwechsels des Arbeitsmittels vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatszustand beim Kondensieren. Diese in der Thermodynamik auch als Wärme bezeichnete Energie wird an das zweite externe Medium abgegeben, das an die Kondensatoreinheit angrenzt bzw. wenn es diese durchströmt. Da das zweite externe Medium bestimmungsgemäß eine geringere Temperatur hat als das Arbeitsmittel, kann die übertragene Wärme nicht zurückgeholt werden (erste Wärmesenke) und steht im zweiten externen Medium als Nutz- bzw. Prozesswärme zur Verfügung. Ferner wird beim bestimmungsgemäßen Gebrauch der Wärmepumpe thermische Energie von dem verflüssigten Arbeitsmittel an das dritte externe Medium übertragen, das an die Wärmeübertragereinheit angrenzt bzw. wenn es diese durchströmt. Da das dritte externe Medium bestimmungsgemäß eine geringere Temperatur hat als das Arbeitsmittel, kann auch diese Wärme nicht zurückgeholt werden (zweite Wärmesenke) und steht im dritten externen Medium als zusätzliche Nutz- bzw. Prozesswärme zur Verfügung.
Die Wärmepumpe der Erfindung bietet somit den Vorteil, dass die nach der Kondensation noch in dem heißen flüssigen Arbeitsmittel enthaltene Wärme an der Wärmeübertragereinheit zusätzlich als Nutzwärme zur Verfügung steht. Beispielsweise kann die an der Kondensatoreinheit gewonnene Nutzwärme zunächst zur direkten Dampferzeugung mit dem zweiten externen Medium genutzt werden und die an der Wärmeübertragereinheit zusätzlich gewonnene Nutzwärme kann zur Erzeugung von Dampf oder zur Erhitzung einer Flüssigkeit genutzt werden. Die Wärmepumpe der Erfindung eignet sich besonders gut zur Erzeugung von Prozesswärme für Prozesse, die auf unterschiedlichen Temperaturniveaus ablaufen. Hierbei kann das zweite externe Medium bevorzugt für einen Prozess auf höherem Temperaturniveau verwendet werden und das dritte externe Medium für einen Prozess auf relativ geringerem Temperaturniveau.
Durch all dies wird die über die Verdichtungseinheit zugeführte Energie, beispielsweise elektrische Energie, besser zur Gewinnung von Nutzwärme ausgebeutet. Dies erhöht die Effizienz der erfindungsgemäßen Wärmepumpe signifikant und ermöglicht insgesamt eine hohe Nutzwärmeleistung. Zugleich wird die technische Komplexität der erfindungsgemäßen Wärmepumpe geringgehalten, was den Aufwand reduziert. Dies gilt auch für die nachträglich Modifikation einer konventionellen Wärmepumpe ohne die erfindungsgemäße Wärmeübertragereinheit. Aus alle dem ergibt sich ein äußerst gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis.
Zu den verwendeten Begrifflichkeiten sei angemerkt, dass „fluidtechnisch in Reihe" funktional auszulegen ist. Das bedeutet, die betreffenden Einheiten können, müssen aber nicht direkt miteinander verbunden sein. Sie werden jedoch von dem Arbeitsmittel nacheinander durchlaufen. Bezüglich der genannten Aggregatszustände des Arbeitsmittels kann bei einem flüssigen Aggregatzustand auch von flüssigem Arbeitsmittel und bei einem gasförmigen Aggregatszustand auch von gasförmigem bzw. dampfförmigem Arbeitsmittel gesprochen werden. Grundsätzlich gilt gemäß dem fachmännischen Verständnis, dass diese Aggregatszustände nicht immer in Reinform vorliegen. So können in flüssigem Arbeitsmittel Anteile oder Reste von gasförmigem Arbeitsmittel enthalten sein sowie umgekehrt. Zulässige Toleranzen diesbezüglich ergeben sich aus dem allgemein bekannten Funktionsprinzip einer Wärmepumpe und der vorliegend offenbarten technischen Lehre. Die Verdampfungseinheit, die Kondensatoreinheit und die Wärmeübertragereinheit können vorzugsweise jeweils einen Wärmeübertrager umfassen oder als solche ausgebildet sein. Jede dieser Einheiten kann vorzugsweise von dem mit ihr korrespondierenden externen Medium durchströmt werden.
Vorzugsweise ist der geschlossenen Arbeitsmittel-Kreislauf der Wärmepumpe mit dem fluiden Arbeitsmittel befüllt.
Die Verdichtungseinheit dient der Verdichtung bzw. Komprimierung des gasförmigen Arbeitsmittels unter Erhöhung des Drucks und der Temperatur. Die Verdichtungseinheit kann demnach auch als Kompressor bezeichnet werden. Das gasförmige Arbeitsmittel wird in der Verdichtungseinheit durch Verrichtung von mechanischer Arbeit von einem geringeren auf ein höheres Druckniveau gebracht, wobei die Kompression gleichzeitig zu einem Temperaturanstieg im Arbeitsmittel führt. Hierzu kann die Verdichtungseinheit vorzugsweise einen Antrieb zur Bereitstellung der mechanischen Arbeit umfassen. Dabei kann es sich bevorzugt um einen Elektromotor handeln, der elektrische Energie in mechanische Arbeit wandelt.
Die Verdichtungseinheit ist vorzugsweise dazu ausgebildet, die Zirkulation des Arbeitsmittels anzutreiben. Das in der Verdampfungseinheit verdampfte Arbeitsmittel kann beispielsweise durch die Verdichtungseinheit angesaugt, verdichtet und unter Druck ausgegeben werden. Die Triebkraft der Arbeitsmittel-Zirkulation umfasst in diesem Beispiel an einer Eingangsseite der Verdichtungseinheit eine Saugkraft und an einer Ausgangsseite eine Druckkraft.
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Varianten von Verdichtungseinheiten in Wärmepumpen bekannt. Diese umfassen beispielsweise Hubkolben-, Rollkolben-, Schrauben-, Turbo-, Flügelzellen-, Drehkolben- oder Scrollverdichter. Für die erfindungsgemäß Wärmepumpe kommen vorzugsweise Hubkolbenverdichter in Betracht, insbesondere Hubkolbenverdichter mit einer Mehrzahl von Kolben-Zylindereinheiten. Solche Verdichter bieten beim Einsatz in Hochtemperaturwärmepumpen mit großen Druckdifferenzen eine besonders hohe Energieeffizienz sowie mechanische Stabilität. Die Expansionseinheit kann bevorzugt ein Expansionsventil umfassen, welches auch als Drossel oder Drosselventil bezeichnet werden kann. Die Expansionseinheit stellt aus physikalischer Sicht einen Strömungswiderstand für das Arbeitsmittel dar, welches sich beim Durchströmen der Expansionseinheit entspannt.
In bevorzugter Ausgestaltung der Wärmepumpe der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmeübertragereinheit eine Unterkühlungseinheit umfasst. Die Unterkühlungseinheit ist dazu ausgebildet, das verflüssigte Arbeitsmittel in thermischer Wechselwirkung mit dem dritten externen Medium abzukühlen. Dabei können auch etwaige Anteile oder Reste gasförmigen Arbeitsmittels nachkondensieren.
Die Unterkühlungseinheit führt zu einer deutlich verbesserten Ausnutzung der im Arbeitsmittel gespeicherten Wärme bzw. Restwärme nach der Kondensatoreinheit.
In bevorzugter Ausgestaltung der Wärmepumpe der Erfindung ist ein Regelorgan vorgesehen, das dazu ausgebildet ist, die Leistung an der Wärmeübertragereinheit einzustellen. Das Regelorgan kann beispielsweise der Einstellung des Volumenstroms des dritten externe Mediums durch die Wärmeübertragereinheit dienen. Auch kann das Regelorgan oder auch ein weiteres Regelorgan der Einstellung des Volumenstroms des Arbeitsmittels durch die Wärmeübertragereinheit dienen.
Grundsätzlich wird mit dem Regelorgan die Wärmeübertragung vom Arbeitsmittel an das dritte externe Medium reguliert. Somit kann der Betrieb der Wärmepumpe der Erfindung optimal auf die internen Abläufe der Wärmepumpe einerseits und den mit dem dritten externen Medium realisierten Prozesse andererseits eingestellt werden.
In bevorzugter Ausgestaltung der Wärmepumpe der Erfindung ist vorgesehen, dass fluidtechnisch zwischen der Kondensatoreinheit und der Wärmeübertragereinheit eine Arbeitsmittel-Sammeleinheit vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, das fluide Arbeitsmittel im flüssigen Aggregatszustand von noch vorhandenem fluiden Arbeitsmittel im gasförmigen Aggregatszustand zu trennen und das fluide Arbeitsmittel im flüssigen Aggregatszustand in Richtung der Wärmeübertragereinheit weiterzuleiten.
Auf diese Weise können beispielsweise die oben angesprochenen Reste von gasförmigem Arbeitsmittel abgeschieden werden. Diese können beispielsweise auch erneut der Kondensatoreinheit zugeführt werden. Ferner kann die Arbeitsmittel- Sammeleinheit dazu ausgebildet sein, Schmiermittel- bzw. Ölrückstände (bspw. von der Verdichtungseinheit) von dem Arbeitsmittel abzuscheiden.
In bevorzugter Ausgestaltung der Wärmepumpe der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Wärmerückführungseinheit fluidtechnisch derart im Arbeitsmittel- Kreislauf vorgesehen und ausgebildet ist, thermische Energie von dem verdichteten fluiden Arbeitsmittel im flüssigen Aggregatszustand, wenn dieses von der Kondensatoreinheit in Richtung der Expansionseinheit strömt, an das fluide Arbeitsmittel im gasförmigen Aggregatszustand zu übertragen, wenn diese von der Verdampfungseinheit in Richtung der Verdichtungseinheit strömt.
Auf diese Weise kann zusätzlich Wärme aus dem Wärmepumpenprozess an das verdampfte Arbeitsmittel rückgeführt werden.
Die Wärmerückführungseinheit umfasst vorzugsweise einen Wärmeübertrager, der weiterhin bevorzugt einen Rekuperator oder Sauggaswärmeübertrager umfassen kann. Der Begriff des Sauggaswärmeübertragers impliziert, dass dieser zwischen der Verdampfungseinheit und der Verdichtungseinheit angeordnet ist und dass durch den Sauggaswärmeübertrager strömendes gas- bzw. dampfförmiges Arbeitsmittel in Richtung der Verdichtungseinheit gesogen wird.
Es ergibt sich ein besonders vorteilhafter synergetischer Effekt zwischen der Wärmerückführungseinheit und dem zuvor beschriebenen Regelorgan der Wärmeübertragereinheit. Das Regelorgan kann nämlich dazu verwendet werden, das Temperaturniveau des flüssigen Arbeitsmittels nach dem Durchlaufen der Wärmeübertragereinheit so einzustellen, dass es hinreichend oberhalb des Temperaturniveaus des verdampften Arbeitsmittels liegt, welches auf dem Weg zur Verdichtungseinheit in die Wärmerückführungseinheit eintritt. Somit wird sicherge- stellt, dass das flüssige Arbeitsmittel stets noch heiß genug ist, um Wärme an das dampfförmige Arbeitsmittel zu übertragen.
Dies ist auch besonders vorteilhaft für das Hochfahren der Wärmepumpe, solange der Arbeitsmittel-Kreislauf noch nicht vollständig auf Betriebstemperatur erwärmt ist. Um beispielsweise eine Überhitzung des verdampften Arbeitsmittels in der Wärmerückführungseinheit sicherzustellen, kann während der Anlaufphase der Wärmepumpe die Zufuhr des dritten externen Mediums mit dem Regelorgan reduziert oder gesperrt werden, damit das flüssige Arbeitsmittel seine Wärme für den Prozess der Unterkühlung an der Wärmerückführungseinheit behält.
Zur Integration der Wärmerückführungseinheit sind vorzugsweise ein zwischen der Verdampfungseinheit und der Verdichtungseinheit angeordneter Dampfleitungsabschnitt des Arbeitsmittel-Kreislaufs und ein zwischen der Kondensatoreinheit und der Expansionseinheit angeordneter Flüssigkeitsleitungsabschnitt des Arbeitsmittel-Kreislaufs durch die Wärmerückführungseinheit geführt. Besonders bevorzugt ist der Flüssigkeitsleitungsabschnitt zwischen der Arbeitsmittel-Sammeleinheit und der Expansionseinheit angeordnet. Besonders bevorzugt ist der Flüssigkeitsleitungsabschnitt zwischen der Wärmeübertragereinheit und der Expansionseinheit angeordnet.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein System zur Erzeugung von Prozesswärme umfassend:
- eine erfindungsgemäße Wärmepumpe gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- ein fluides Arbeitsmittel, das sich in einem geschlossenen Arbeitsmittel- Kreislauf der Wärmepumpe befindet;
- ein Reservoir eines ersten externen Mediums, das fluidtechnisch mit einer Verdampfungseinheit der Wärmepumpe verbunden ist;
- ein Reservoir eines zweiten externen Mediums, das fluidtechnisch mit einer Kondensatoreinheit der Wärmepumpe verbunden ist;
- ein Reservoir eines dritten externen Mediums, das fluidtechnisch mit einer Wärmeübertragereinheit der Wärmepumpe verbunden ist; und
- ein Steuergerät, das zumindest mit einer Verdichtungseinheit der Wärmepumpe wirkverbunden ist. Als Reservoir der externen Medien kommt grundsätzlich jede Einheit in Betracht, die das entsprechende Medium enthalten bzw. bereitstellen kann. Insbesondere kommt als Reservoir des ersten externen Mediums eine Wärmequelle in Betracht, die das Medium enthält. Als Beispiel wäre hier der Erdboden zu nennen, der warme Flüssigkeiten enthalten kann. Es kommen aber auch Reservoire aus Industrieprozessen in Betracht, die beispielsweise warme Abgase oder warme Prozessflüssigkeiten enthalten. Als Reservoir des zweiten und dritten externen Mediums kommen grundsätzlich Schnittstellen von Prozessen in Betracht, in denen die Nutzwärme der Wärmepumpe verwendet werden soll. Als Beispiele wären hier dampfbetriebene Kraft- oder Wärmeprozesse zu nennen, beispielsweise der Betrieb eines Dampfkolbens, Trocknungsvorgänge, Sterilisationsprozesse, Destillationsprozesse, Kochprozesse oder industrielle Wärmeverteilungsvorgänge.
Die externen Medien können gleich oder unterschiedlich sein. Auch können das zweite und dritte Medium aus demselben oder unterschiedlichen Reservoiren stammen.
Bevorzugt können das erste externe Medium und/oder das zweite externe Medium und/oder das dritte externe Medium Wasser umfassen oder Wasser sein. Wasser kann auch als Wasserdampf vorliegen.
Als fluides Arbeitsmittel eignen sich fluide Stoffe oder Stoffgemische, die aufgrund ihrer thermodynamischen Eigenschaften bei relativ geringer Temperatur verdampfen und sich durch Verdichtung (Kompression) auf eine höhere Temperatur anheben lassen. Als in der erfindungsgemäßen Wärmepumpe zum Einsatz kommende Arbeitsmittel eignen sich insbesondere Kohlenwasserstoffe (HC Arbeitsmittel), Hydrofluoro-Olefine (HFO Arbeitsmittel) oder Hydrochlo- ro-Fluoroolefine (HCFO Arbeitsmittel). Bei den HFO Arbeitsmitteln eignen sich insbesondere jene Stoffe mit einem GWP-Wert (Global Warming Potential) von weniger als 25. Vorzugsweise kommen R1336mzz-Z, R1336mzz-E, R1233zd, R1224yd, Butan, Pentan oder ähnliche Stoffe als Arbeitsmittel in Betracht.
Das Steuergerät kann ausgebildet sein, sowohl Steuerungs- als auch Regelungsvorgänge auszuführen. Zur Vereinfachung wird hierin nicht scharf zwischen den Begriffen „Steuerung" und „Regelung" unterschieden. Dem Fachmann ist generell selbstverständlich, dass er Messmittel sowie Signalleitungs- oder Signalverarbeitungsmittel nach Bedarf in der Wärmepumpe bzw. dem System der Erfindung vorsehen kann. Dies kann beispielsweise zur Realisierung von Regelungsvorgängen oder auch für reine Kontrollfunktionen erforderlich sein. Exemplarische wichtige Messgrößen zur Regelung und Kontrolle der Wärmepumpe umfassen Temperaturen und Drücke.
Das Steuergerät ist vorzugsweise mit einer Energieversorgungseinheit wirkver- bunden oder mit dieser integriert. Die Energieversorgungseinheit kann beispielsweise elektrische Energie liefern, um beispielsweise einen Elektromotor der Verdichtungseinheit zur versorgen. Das Steuergerät wiederum kann beispielsweise eine Drehzahl der Verdichtungseinheit steuern. Das Steuergerät kann aber auch andere Elemente des Systems der Erfindung steuern oder kontrollieren, beispielsweise das Regelorgan, die Expansionseinheit oder weitere Elemente wie etwa Ventile oder Sensoren.
Die Wärmeübertragereinheit, insbesondere als Unterkühlungseinheit, kann auch eine separate Steuerung mit ähnlichen Funktionsmöglichkeiten aufweisen. Es ist auch möglich, diese separate Steuerung dem oben beschriebenen Steuergerät unterzuordnen. Grundsätzlich kann auf zentrale oder dezentrale Steuerungsarchitekturen zurückgegriffen werden. Dies gilt auch im Kontext mit den externen Prozessen, in denen mit der Wärmepumpe (Erd-)Wärme bezogen oder die erzeugte (industrielle) Nutzwärme eingesetzt werden soll, sodass die Wärmepumpe bzw. das System steuerungstechnisch in diese Prozesse eingebettet werden kann.
Die Steuerungsvorgänge im erfindungsgemäßen System sind vorzugsweise dahingehend ausgelegt, dass in der Verdichtungseinheit stets die Aufnahme einer ausreichenden Menge gasförmigen Arbeitsmittels sichergestellt ist und es während der Kompression nicht ungewollt in die flüssige Phase übergeht. Zudem sind die Steuerungsvorgänge vorzugsweise dahingehend ausgelegt, dass die Wärmeübertragereinheit, insbesondere als Unterkühlungseinheit, nur so viel Wärme an das dritte externe Medium überträgt, dass an der Wärmerückführungseinheit noch ein ausreichend hohes Temperaturniveau vorliegt. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Prozesswärme in dem in einem geschlossenen Arbeitsmittel-Kreislauf ein fluides Arbeitsmittel in einer Zirkulationsrichtung geführt wird und in welchem die unter a) bis d) genannten Schritte in der Zirkulationsrichtung sequentiell durchlaufen werden: a) Übertragung von thermischer Energie von einem ersten externen Medium an das fluide Arbeitsmittel und Überführung des fluiden Arbeitsmittels von einem flüssigen Aggregatszustand in einen gasförmigen Aggregatszustand; b) Verdichtung des fluiden Arbeitsmittels im gasförmigen Aggregatszustand unter Druck- und Temperaturerhöhung; c) Übertragung von thermischer Energie von dem verdichteten fluiden Arbeitsmittel an ein zweites externes Medium und Überführung des verdichteten fluiden Arbeitsmittels von dem gasförmigen Aggregatszustand in den flüssigen Aggregatszustand; und d) Entspannung des verdichteten fluiden Arbeitsmittels im flüssigen Aggregatszustand unter Druck- und Temperaturverringerung.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zwischen den Schritten c) und d) eine Übertragung thermischer Energie von dem verdichteten fluiden Arbeitsmittel im flüssigen Aggregatszustand an ein drittes externes Medium erfolgt (Schritt c")-
In dem Verfahren der Erfindung können vorzugsweise eine erfindungsgemäße Wärmepumpe und/oder ein erfindungsgemäßes System gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet werden.
Mit Hinblick auf mögliche Ausgestaltungen oder den Betrieb der erfindungsgemäßen Wärmepumpe bzw. des erfindungsgemäßen Systems wird angemerkt, dass alle in der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens offenbarten Merkmale mit Vorrichtungsbezug (bspw. Struktur, Eigenschaften, mögliche Prozessparameter) auch als eigenständige mögliche Merkmale der Wärmepumpe bzw. des Systems offenbart werden. Analog werden etwaige in Bezug auf die erfindungsgemäße Wärmepumpe oder das erfindungsgemäße System offenbarten Merkmale mit Verfahrensbezug (bspw. Prozessparameter, Schrittfolgen, Effekte, verwendete Mittel) auch als eigenständige Merkmale möglicher Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens offenbart. Mit Hinblick auf die oben genannten Verfahrensschritte bezieht sich „sequentiell" auf eine Betrachtung eines über das Verfahren hinweg verfolgten Volumenelements des fluiden Arbeitsmittels. Die Schritte laufen bevorzugt natürlich kontinuierlich und parallel zueinander ab, während das fluide Arbeitsmittel durch den Arbeitsmittel- Kreislauf zirkuliert.
In bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung ist vorgesehen, dass das verdichtete fluide Arbeitsmittel im flüssigen Aggregatszustand bei der Übertragung der thermischen Energie an das dritte externe Medium unterkühlt wird.
In bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leistung zur Übertragung der thermischen Energie von dem verdichteten fluiden Arbeitsmittel im flüssigen Aggregatszustand an das dritte externe Medium eingestellt wird. Vorzugsweise wird die Leistung gesteuert, besonders bevorzugt geregelt.
In bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung ist vorgesehen, dass nach Schritt c) und bevor das fluide Arbeitsmittel die thermische Energie an das dritte externe Medium überträgt eine Trennung des fluiden Arbeitsmittels im flüssigem Aggregatszustand von noch vorhandenem fluiden Arbeitsmittel im gasförmigen Aggregatszustand erfolgt und eine Weiterleitung des fluiden Arbeitsmittels zur Übertragung der thermischen Energie an das dritte externe Medium erfolgt (Schritt c')-
In bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen den Schritten c) und d) thermische Energie von dem verdichteten fluiden Arbeitsmittel im flüssigen Aggregatszustand an das fluide Arbeitsmittel im gasförmigen Aggregatszustand übertragen wird, welches sich zwischen den Schritten a) und b) befindet (Schritt a')-
In bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens eines der folgenden Temperaturniveaus erreicht wird:
- Temperatur des ersten externen Mediums zwischen 20 °C und 150 °C;
- Temperatur des zweiten externen Mediums zwischen 50 °C und 250 °C;
- Temperatur des dritten externen Mediums zwischen 40 °C und 200 °C. Wichtig ist, dass die Temperatur des ersten externen Mediums unterhalb der Temperatur des zweiten und dritten externen Mediums liegt. Gleichwohl muss die Temperatur des ersten externen Mediums oberhalb der Temperatur des in Schritt a) verdampften Arbeitsmittels liegen, vorzugsweise so weit oberhalb, dass das Arbeitsmittel effizient durch die vom ersten externen Medium gelieferte Wärmeenergie verdampft werden kann.
Innerhalb der genannten Temperaturniveaus können Nutzwärmeleistungen von mehr als 250 kW bereitgestellt werden, insbesondere sogar bis zu 5 MW.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Steuergerät, ausgebildet und eingerichtet zur Steuerung oder Regelung einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe und/oder eines erfindungsgemäßen Systems zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung.
Grundsätzlich gilt, dass alle Merkmale, die hierin mit Bezug auf eine bestimmte Ausführungsform offenbart werden, auch mit anderen Ausführungsformen der Erfindung kombinierbar sind. Dies gilt insbesondere auch auszugsweise für einzelne Merkmale, solange hierin nicht explizit darauf hingewiesen wird, dass zwischen bestimmten Merkmalen ein untrennbarer funktional-technischer Zusammenhang besteht, der zur Ausführung der Erfindung beibehalten werden muss.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und schematischen Zeichnungen exemplarisch erläutert. Hierbei zeigen:
Figur 1 ein System zur Erzeugung von Prozesswärme; und
Figur 2 ein T-H-Diagramm eines Verfahrens zur Erzeugung von Prozesswärme.
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes System 10 zur Erzeugung von Prozesswärme, das eine erfindungsgemäße Wärmepumpe 12 umfasst. Die Wärmepumpe 12 ist innerhalb des Systems 10 durch ihre Systemgrenzen dargestellt. Die Wärmepumpe 12 zur Erzeugung von Prozesswärme umfasst einen geschlossenen Arbeitsmittel-Kreislauf 14 der dazu ausgebildet ist, ein fluides Arbeitsmittel 16 in einer Zirkulationsrichtung 18 zu führen. Das System 10 umfasst das fluide Arbeitsmittel 16, welches sich in dem geschlossenen Arbeitsmittel-Kreislauf 14 der Wärmepumpe 12 befindet.
In dem Arbeitsmittel-Kreislauf 14 sind die unter a) bis d) genannten Einheiten in der Zirkulationsrichtung 18 fluidtechnisch in Reihe geschaltet:
Der Arbeitsmittel-Kreislauf 14 umfasst a) eine Verdampfungseinheit 20, die dazu ausgebildet ist, thermische Energie von einem ersten externen Medium 22 an das fluides Arbeitsmittel 16 zu übertragen und das fluide Arbeitsmittel 16 von einem flüssigen Aggregatszustand 24 in einen gasförmigen Aggregatszustand 26 zu überführen.
Das System 10 umfasst hierzu ein Reservoir 28 des ersten externen Mediums 22, das fluidtechnisch mit der Verdampfungseinheit 20 der Wärmepumpe 12 verbunden ist.
Der Arbeitsmittel-Kreislauf 14 umfasst weiterhin b) eine Verdichtungseinheit 30, die dazu ausgebildet ist, das fluide Arbeitsmittel 16 im gasförmigen Aggregatszustand 26 unter Druck- und Temperaturerhöhung zu verdichten.
Der Arbeitsmittel-Kreislauf 14 umfasst weiterhin c) eine Kondensatoreinheit 32, die dazu ausgebildet ist, thermische Energie von dem verdichteten fluiden Arbeitsmittel 16 an ein zweites externes Medium 34 zu übertragen und das verdichtete fluide Arbeitsmittel 16 von dem gasförmigen Aggregatszustand 26 in den flüssigen Aggregatszustand 24 zu überführen.
Das System 10 umfasst hierzu ein Reservoir 36 des zweiten externen Mediums 34, das fluidtechnisch mit der Kondensatoreinheit 32 der Wärmepumpe 12 verbunden ist. Der Arbeitsmittel-Kreislauf 14 umfasst weiterhin d) eine Expansionseinheit 38, die dazu ausgebildet ist, das verdichtete fluide Arbeitsmittel 16 im flüssigen Aggregatszustand 24 unter Druck- und Temperaturverringerung zu entspannen.
In der Wärmepumpe 12 ist vorgesehen, dass fluidtechnisch zwischen der Kondensatoreinheit 32 und der Expansionseinheit 38 eine Wärmeübertragereinheit 40 im Arbeitsmittel-Kreislauf 14 integriert ist, die dazu ausgebildet ist, thermische Energie von dem verdichteten fluiden Arbeitsmittel 16 im flüssigen Aggregatszustand 24 an ein drittes externes Medium 42 zu übertragen. Bevorzugt umfasst die Wärmeübertragereinheit 40 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Unterkühlungseinheit 44.
Das System 10 umfasst ein Reservoir 46 des dritten externen Mediums 42, das fluidtechnisch mit der Wärmeübertragereinheit 40 der Wärmepumpe 12 verbunden ist.
Bevorzugt weist die Wärmepumpe 12 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Regelorgan 48 auf. Das Regelorgan 48 ist dazu ausgebildet, die Leistung an der Wärmeübertragereinheit 40 einzustellen. Beispielsweise kann das Regelorgan 48 als Ventil ausgebildet sein, welches einen Volumenstrom des dritten externen Mediums 42 durch die Wärmeübertragereinheit 40 einstellt.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist bevorzugt vorgesehen, dass fluidtechnisch zwischen der Kondensatoreinheit 32 und der Wärmeübertragereinheit 40 eine Arbeitsmittel-Sammeleinheit 50 vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, das fluide Arbeitsmittel 16 im flüssigem Aggregatszustand 24 von gegebenenfalls noch vorhandenen Resten fluiden Arbeitsmittels 16 im gasförmigen Aggregatszustand 26 zu trennen und das fluide Arbeitsmittel 16 im flüssigen Aggregatszustand 24 in Richtung der Wärmeübertragereinheit 40 weiterzuleiten.
Weiterhin bevorzugt ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Wärmerückführungseinheit 52 fluidtechnisch derart im Arbeitsmittel-Kreislauf 14 vorgesehen und ausgebildet, dass thermische Energie von dem verdichteten fluiden Arbeitsmittel 16 im flüssigen Aggregatszustand 24, wenn dieses von der Kondensatoreinheit 32 in Richtung der Expansionseinheit 38 strömt, an das fluide Arbeits- mittel 16 im gasförmigen Aggregatszustand 26 übertragbar ist, wenn diese von der Verdampfungseinheit 20 zur Verdichtungseinheit 30 strömt.
Zum Betrieb der Wärmepumpe 12 umfasst das System 10 ein Steuergerät 54, das zumindest mit der Verdichtungseinheit 30 der Wärmepumpe 12 wirkverbun- den ist. Das Steuergerät 54 ist ausgebildet und eingerichtet zur Steuerung oder Regelung der Wärmepumpe 12, um ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erzeugung von Prozesswärme durchzuführen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel steuert das Steuergerät 54 weiterhin auch das Regelorgan 48 über entsprechende Signale 56.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von Prozesswärme wird nun anhand eines zugehörigen T-H-Diagramms erläutert, das in Figur 2 gezeigt ist. Es sei angemerkt, dass das Verfahren aus rein illustrativen Gründen unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel des Systems 10 aus Figur 1 erläutert wird. Es ist jedoch grundsätzlich auch mit anderen, als den darin exemplarisch beschriebenen technischen Mitteln ausführbar, sofern diese Mittel eine Durchführung der im Folgenden erläuterten Schritte ermöglichen:
Rein exemplarisch handelt es sich in diesem Ausführungsbeispiel bei dem ersten 22, zweiten 34 und dritten 42 externe Medium jeweils um Wasser.
In dem Verfahren zur Erzeugung von Prozesswärme wird das fluide Arbeitsmittel 16 in der Zirkulationsrichtung 18 in dem Arbeitsmittel-Kreislauf 14 geführt. Hierbei werden die unter a) bis d) genannten Schritte in der Zirkulationsrichtung 18 sequentiell durchlaufen:
Zunächst erfolgt in einem Schritt a) eine Übertragung von thermischer Energie von dem ersten externen Medium 22 an das fluide Arbeitsmittel 16 und eine Überführung des fluiden Arbeitsmittels 16 von dem flüssigen Aggregatszustand 24 in den gasförmigen Aggregatszustand 26. Dies wird exemplarisch unter Verwendung der in Figur 1 dargestellten Verdampfungseinheit 20 erreicht. Aus Figur 2 ist ersichtlich, dass die Enthalpie H des Arbeitsmittels 16 hierbei stark ansteigt, während die Temperatur T konstant bleibt. Optional wird nun in diesem Beispiel in einem Schritt a') mit Arbeitsmittel 16 im gasförmigen Aggregatszustand 26, der parallel zwischen den später noch erklärten Schritten c) und d) anknüpft, thermische Energie von verdichtetem fluiden Arbeitsmittel 16 im flüssigen Aggregatszustand 24 an das fluide Arbeitsmittel 16 im gasförmigen Aggregatszustand 26 übertragen, welches sich gerade zwischen dem soeben durchlaufenden Schritt a) und dem folgenden Schritt b) befindet. Die Übertragung der thermischen Energie wird exemplarisch unter Verwendung der in Figur 1 dargestellten Wärmerückführungseinheit 52 erreicht. Aus Figur 2 ist ersichtlich, dass die Enthalpie H wie auch die Temperatur T in Schritt a') ansteigen.
Im nun folgenden Schritt b) erfolgt eine Verdichtung des fluiden Arbeitsmittels 16 im gasförmigen Aggregatszustand 26 unter Druck- und Temperaturerhöhung. Die Verdichtung wird exemplarisch unter Verwendung der in Figur 1 dargestellten Verdichtungseinheit 30 erreicht. Aus Figur 2 ist ersichtlich, dass die Enthalpie H wie auch die Temperatur T hierbei stark ansteigen.
In einem Schritt c) erfolgt dann eine Übertragung von thermischer Energie von dem verdichteten fluiden Arbeitsmittel 16 an ein zweites externes Medium 34 und eine Überführung des verdichteten fluiden Arbeitsmittels 16 von dem gasförmigen Aggregatszustand 26 in den flüssigen Aggregatszustand 24. Dies wird exemplarisch unter Verwendung der in Figur 1 dargestellten Kondensatoreinheit 32 erreicht. Aus Figur 2 ist ersichtlich, dass die Enthalpie H wie auch die Temperatur T zu Beginn von Schritt c) abfallen. Danach bleibt die Temperatur T während Schritt c) konstant und die Enthalpie H sinkt im Kondensationsprozess stark ab.
Nun folgt ein optionaler Schritt c'), der nach Schritt c) erfolgt jedoch vor dem später noch erklärten Schritt c")- In Schritt c') erfolgt eine Trennung des fluiden Arbeitsmittels 16 im flüssigem Aggregatszustand 24 von noch vorhandenem fluiden Arbeitsmittel 16 im gasförmigen Aggregatszustand 26, sofern dieses noch vorhanden ist. Danach erfolgt eine Weiterleitung des fluiden Arbeitsmittels 16. All dies wird exemplarisch unter Verwendung der in Figur 1 dargestellten Arbeitsmittel-Sammeleinheit 50 erreicht. Aus Figur 2 ist ersichtlich, dass die Enthalpie H wie auch die Temperatur T in Schritt c') konstant bleiben. Es ist weiterhin ein Schritt c") vorgesehen, der zwischen den Schritten c) und d) erfolgt. Hierbei findet eine Übertragung thermischer Energie von dem verdichteten fluiden Arbeitsmittel 16 im flüssigen Aggregatszustand 24 an ein drittes externes Medium 42 statt. Dies wird exemplarisch unter Verwendung der in Figur 1 dargestellten Wärmeübertragereinheit 40 erreicht. Aus Figur 2 ist ersichtlich, dass die Enthalpie H wie auch die Temperatur T in Schritt c") absinken. In diesem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das verdichtete fluide Arbeitsmittel 16 dabei unterkühlt wird. Insofern handelt es sich bei der Wärmeübertragereinheit 40 exemplarisch um eine Unterkühlungseinheit 44. Der Prozess der Unterkühlung bzw. die Wärmeleistung zur Übertragung der thermischen Energie von dem verdichteten fluiden Arbeitsmittel 16 an das dritte externe Medium 42 wird im vorliegenden Beispiel über das in Figur 1 gezeigte Regelorgan 48 eingestellt, das wieder exemplarisch von dem Steuergerät 54 kontrolliert und gesteuert wird.
Es folgt nun der Schritt a') auf der Seite des Arbeitsmittels 16 im flüssigen Aggregatszustand 24, der wie eingangs beschrieben zwischen den Schritten c) und d) anknüpft. Das die Wärmeübertragereinheit 40 im flüssigen Aggregatszustand 24 verlassende verdichtete fluide Arbeitsmittel 16 überträgt hier thermische Energie in der Wärmerückführungseinheit 52 an das fluide Arbeitsmittel 16 im gasförmigen Aggregatszustand 26, welches sich gerade zwischen den Schritten a) und b) befindet. Aus Figur 2 ist ersichtlich, dass die Enthalpie H wie auch die Temperatur ? in Schritt a') absinken.
Im nun folgenden Schritt d) erfolgt eine Entspannung des verdichteten fluiden Arbeitsmittels 16 im flüssigen Aggregatszustand 24 unter Druck- und Temperaturverringerung. Dies wird exemplarisch unter Verwendung der in Figur 1 dargestellten Expansionseinheit 38 erreicht. Aus Figur 2 ist ersichtlich, dass die Enthalpie H hierbei konstant bleibt, während die Temperatur ? stark absinkt.
Basierend auf dem beschriebenen Ausführungsbeispiel des Verfahrens sind konkrete Versuche durch die Anmelderin durchgeführt worden, deren Ergebnisse in der untenstehenden Tabelle zusammengefasst sind. Die Versuche I und III wurden mit konventionellen Systemen zur Erzeugung von Prozesswärme durchgeführt, deren Wärmepumpe nicht über eine zweite Wärmesenke verfügen. Die Versuche II (korrespondiert mit I) und VI (korrespondiert mit III) wurden mit dem erfindungsgemäßen Systemen 10 zur Erzeugung von Prozesswärme durchgeführt, wie in Figur 1 beschrieben.
In den Versuchen lag die Temperatur 58 des ersten externen Mediums 22 zwischen 20 °C und 150 °C, die Temperatur 64 des zweiten externen Mediums 34 zwischen 50 °C und 250 °C und die Temperatur 74 des dritten externen Mediums 42 zwischen 40 °C und 200 °C. Als Arbeitsmittel 16 wurde in der Wärmepumpe 12 jeweils R1233zd verwendet.
Im Betrieb der Wärmepumpe wurde jeweils die Temperatur 58 des ersten externen Mediums 22 beim Eintritt 60 in die Verdampfungseinheit 20 sowie beim Austritt 62 aus dieser in °C gemessen. Ferner wurde die Temperatur 64 des zweiten externen Mediums 34 beim Eintritt 66 in die Verdampfungseinheit 32 sowie beim Austritt 68 aus dieser in °C gemessen. Am Eintritt 70 und Austritt 72 der Wärmeübertragereinheit 40 wurde auch die Temperatur 74 des dritten externen Mediums 42 in °C gemessen. In den konventionell durchgeführten Versuchen I und III sind die Felder zu 70 und 72 folglich leer, da keine Wärmeübertragereinheit 40 vorhanden war. In der Tabelle sind weiterhin dargestellt: die an der Kondensatoreinheit 32 übertragene Wärmeleistung 76, die an der Wärmeübertragereinheit 40 übertragene Wärmeleistung 78 (folglich leer für Versuche I und III), die an der Verdampfungseinheit 20 übertragene Wärmeleistung 80 und die über die Verdichtungseinheit 30, hier exemplarisch als elektrische Antriebsleistung, übertragene Arbeitsleistung 82. Alle Leistungen sind in kW dargestellt. Schließlich zeigt die Tabelle noch: den im Versuch ermittelten COP-Wert 84, den theoretisch erreichbaren COP-Wert 86 und das Verhältnis aus COP-Wert 84 / theoretisch erreichbarem COP-Wert 86, welches auch als Qualität 88 bezeichnet wird. Der COP-Wert 84 wird bekanntermaßen auch als Leistungszahl bezeichnet und gibt die Gesamtwärmeleistung 76+78 bezogen auf die dazu erforderlichen Antriebsleistung 82 an.
Figure imgf000021_0001
Figure imgf000022_0001
Ein Vergleich der Versuche I und II sowie III und IV zeigt deutlich, dass in den Versuchen II und IV unter erfindungsgemäßer Durchführung des Verfahrens zur Erzeugung von Prozesswärme mit dem erfindungsgemäßen System sowohl der COP-Wert 84, als auch die Qualität 88 signifikant gegenüber den konventionellen Versuchen I und III gesteigert werden konnte.
Bezugszeichenliste
10 System
12 Wärmepumpe
14 Arbeitsmittel- Kreislauf
16 fluides Arbeitsmittel
18 Zirkulationsrichtung
20 Verdampfungseinheit
22 erstes externes Medium
24 flüssiger Aggregatszustand
26 gasförmiger Aggregatszustand
28 Reservoir
30 Verdichtungseinheit
32 Kondensatoreinheit
34 zweites externes Medium
36 Reservoir
38 Expansionseinheit
40 Wärmeübertragereinheit
42 drittes externes Medium
44 Unterkühlungseinheit
46 Reservoir
48 Regelorgan
50 Arbeitsmittel-Sammeleinheit
52 Wärmerückführungseinheit
54 Steuergerät
56 Signal
58 Temperatur
60 Eintritt
62 Austritt
64 Temperatur
66 Eintritt
68 Austritt
70 Eintritt
72 Austritt Temperatur Wärmeleistung Wärmeleistung Wärmeleistung Arbeitsleistung/Antriebsleistung COP-Wert theoretischer COP-Wert Qualität

Claims

Patentansprüche Wärmepumpe (12) zur Erzeugung von Prozesswärme umfassend einen geschlossenen Arbeitsmittel-Kreislauf (14) der dazu ausgebildet ist, ein fluides Arbeitsmittel (16) in einer Zirkulationsrichtung (18) zu führen und in welchem die unter a) bis d) genannten Einheiten in der Zirkulationsrichtung (18) fluidtechnisch in Reihe geschaltet sind: a) eine Verdampfungseinheit (20) die dazu ausgebildet ist, thermische Energie von einem ersten externen Medium (22) an das fluide Arbeitsmittel (16) zu übertragen und das fluide Arbeitsmittel (16) von einem flüssigen Aggregatszustand (24) in einen gasförmigen Aggregatszustand (26) zu überführen; b) eine Verdichtungseinheit (30) die dazu ausgebildet ist, das fluide Arbeitsmittel (16) im gasförmigen Aggregatszustand (26) unter Druck- und Temperaturerhöhung zu verdichten; c) eine Kondensatoreinheit (32) die dazu ausgebildet ist, thermische Energie von dem verdichteten fluiden Arbeitsmittel (16) an ein zweites externes Medium (34) zu übertragen und das verdichtete fluide Arbeitsmittel (16) von dem gasförmigen Aggregatszustand (26) in den flüssigen Aggregatszustand (24) zu überführen; und d) eine Expansionseinheit (38) die dazu ausgebildet ist, das verdichtete fluide Arbeitsmittel (16) im flüssigen Aggregatszustand (24) unter Druck- und Temperaturverringerung zu entspannen, dadurch gekennzeichnet, dass fluidtechnisch zwischen der Kondensatoreinheit (32) und der Expansionseinheit (38) eine Wärmeübertragereinheit (40; 44) im Arbeitsmittel-Kreislauf (14) integriert ist, die dazu ausgebildet ist, thermische Energie von dem verdichteten fluiden Arbeitsmittel (16) im flüssigen Aggregatszustand (24) an ein drittes externes Medium (42) zu übertragen. Wärmepumpe (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragereinheit (40) eine Unterkühlungseinheit (44) umfasst. Wärmepumpe (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regelorgan (48) vorgesehen ist, das dazu aus- gebildet ist, die Leistung (78) an der Wärmeübertragereinheit (40; 44) einzustellen. Wärmepumpe (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass fluidtechnisch zwischen der Kondensatoreinheit (32) und der Wärmeübertragereinheit (40; 44) eine Arbeitsmittel-
Sammeleinheit (50) vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, das fluide Arbeitsmittel (16) im flüssigem Aggregatszustand (24) von noch vorhandenem fluiden Arbeitsmittel (16) im gasförmigen Aggregatszustand (26) zu trennen und das fluide Arbeitsmittel (16) im flüssigen Aggregatszustand (24) in Richtung (18) der Wärmeübertragereinheit (40; 44) weiterzuleiten. Wärmepumpe (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmerückführungseinheit (52) fluidtechnisch derart im Arbeitsmittel-Kreislauf (14) vorgesehen und ausgebildet ist, thermische Energie von dem verdichteten fluiden Arbeitsmittel (16) im flüssigen Aggregatszustand (24), wenn dieses von der Kondensatoreinheit (32) in Richtung (18) der Expansionseinheit (38) strömt, an das fluide Arbeitsmittel (16) im gasförmigen Aggregatszustand (26) zu übertragen, wenn diese von der Verdampfungseinheit (20) in Richtung (18) der Verdichtungseinheit (30) strömt. System (10) zur Erzeugung von Prozesswärme umfassend:
- eine Wärmepumpe (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche;
- ein fluides Arbeitsmittel (16), das sich in einem geschlossenen Arbeitsmittel-Kreislauf (14) der Wärmepumpe (12) befindet;
- ein Reservoir (28) eines ersten externen Mediums (22), das fluidtechnisch mit einer Verdampfungseinheit (20) der Wärmepumpe (12) verbunden ist;
- ein Reservoir (36) eines zweiten externen Mediums (34), das fluidtechnisch mit einer Kondensatoreinheit (32) der Wärmepumpe (12) verbunden ist;
- ein Reservoir (46) eines dritten externen Mediums (42), das fluidtechnisch mit einer Wärmeübertragereinheit (40; 44) der Wärmepumpe (12) verbunden ist; und - ein Steuergerät (54), das zumindest mit einer Verdichtungseinheit (30) der Wärmepumpe (12) Wirkverbunden ist. System (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste externe Medium (22) und/oder das zweite externe Medium (34) und/oder das dritte externe Medium (42) Wasser umfasst oder Wasser ist. Verfahren zur Erzeugung von Prozesswärme in dem in einem geschlossenen Arbeitsmittel-Kreislauf (14) ein fluides Arbeitsmittel (16) in einer Zirkulationsrichtung (18) geführt wird und in welchem die unter a) bis d) genannten Schritte in der Zirkulationsrichtung (18) sequentiell durchlaufen werden: a) Übertragung von thermischer Energie von einem ersten externen Medium (22) an das fluide Arbeitsmittel (16) und Überführung des fluiden Arbeitsmittels (16) von einem flüssigen Aggregatszustand (24) in einen gasförmigen Aggregatszustand (26); b) Verdichtung des fluiden Arbeitsmittels (16) im gasförmigen Aggregatszustand (26) unter Druck- und Temperaturerhöhung; c) Übertragung von thermischer Energie von dem verdichteten fluiden Arbeitsmittel (16) an ein zweites externes Medium (34) und Überführung des verdichteten fluiden Arbeitsmittels (16) von dem gasförmigen Aggregatszustand (26) in den flüssigen Aggregatszustand (24); und d) Entspannung des verdichteten fluiden Arbeitsmittels (16) im flüssigen Aggregatszustand (24) unter Druck- und Temperaturverringerung, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Schritten c) und d) eine Übertragung thermischer Energie von dem verdichteten fluiden Arbeitsmittel (16) im flüssigen Aggregatszustand (24) an ein drittes externes Medium (42) erfolgt (Schritt c")- Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das verdichtete fluide Arbeitsmittel (16) im flüssigen Aggregatszustand (24) bei der Übertragung der thermischen Energie an das dritte externe Medium (42) unterkühlt wird. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung (78) zur Übertragung der thermischen Energie von dem verdichteten fluiden Arbeitsmittel (16) im flüssigen Aggregatszustand (24) an das dritte externe Medium (42) eingestellt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt c) und bevor das fluide Arbeitsmittel (16) die thermische Energie an das dritte externe Medium (42) überträgt eine Trennung des fluiden Arbeitsmittels im flüssigem Aggregatszustand (24) von noch vorhandenem fluiden Arbeitsmittel (16) im gasförmigen Aggregatszustand (26) erfolgt und eine Weiterleitung des fluiden Arbeitsmittels (16) zur Übertragung der thermischen Energie an das dritte externe Medium (42) erfolgt (Schritt c')- Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Schritten c) und d) thermische Energie von dem verdichteten fluiden Arbeitsmittel (16) im flüssigen Aggregatszustand (24) an das fluide Arbeitsmittel (16) im gasförmigen Aggregatszustand (26) übertragen wird, welches sich zwischen den Schritten a) und b) befindet (Schritt a')- Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der folgenden Temperaturniveaus erreicht wird:
- Temperatur (58) des ersten externen Mediums (22) zwischen 20 °C und 150 °C;
- Temperatur (64) des zweiten externen Mediums (34) zwischen 50 °C und 250 °C;
- Temperatur (74) des dritten externen Mediums (42) zwischen 40 °C und 200 °C. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmepumpe (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und/oder ein System (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 7 verwendet wird. Steuergerät (54) ausgebildet und eingerichtet zur Steuerung oder Regelung einer Wärmepumpe (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und/oder eines Systems (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 7 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 14.
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