WO2024078669A1

WO2024078669A1 - Wärmepumpenvorrichtung zum energieeffizienten erzeugen einer prozesswärme, trocknervorrichtung zum trocknen eines zu trocknenden gutes und verfahren zum betreiben einer wärmepumpenvorrichtung

Info

Publication number: WO2024078669A1
Application number: PCT/DE2023/200208
Authority: WO
Inventors: Bernd Feuerriegel
Original assignee: Lübbers FTS GmbH
Priority date: 2022-10-14
Filing date: 2023-10-06
Publication date: 2024-04-18
Also published as: DE102022127011A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpenvorrichtung zum energieeffizienten Erzeugen einer Prozesswärme mit einem Kreisprozessfluid, einem Verdampfer und mindestens einem Verdichter, wobei die Wärmepumpenvorrichtung einen ersten Mischseparator in einer zweiten Druckstufe aufweist, wobei der erste Mischseparator einen ersten Anschluss zum Eintritt von dampfförmigen Kreisprozessfluid, einen zweiten Anschluss zum Eintritt von kondensiertem Kreisprozessfluid und einen dritten Anschluss zum Austritt von dampfförmigen Kreisprozessfluid aufweist und dem Mischseparator ein zweiter Verdichter nachgeschaltet ist, sodass austretendes dampfförmiges Kreisprozessfluid in dem zweiten Verdichter von der zweiten Druckstufe auf eine erste Druckstufe verdichtbar ist und jenes in einem Wärmeübertrager zum Übertragen von Prozesswärme auf mindestens eine zuordenbare Wärmesenke kondensierte Kreisprozessfluid in den ersten Mischseparator der zweiten Druckstufe zurückführbar ist, wobei gleichzeitig dampfförmiges Kreisprozessfluid aus dem ersten Verdichter in den Mischseparator einleitbar ist, und der mindestens erste Mischseparator einen vierten Anschluss zum Austritt von kondensierten Kreisprozessfluid aufweist, sodass das austretende kondensierte Kreisprozessfluid direkt oder indirekt in den Verdampfer zurückführbar und/oder dem mindestens zweiten Verdichter zuführbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Trocknervorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpenvorrichtung.

Description

Wärmepumpenvorrichtung zum energieef fi zienten Erzeugen einer Prozesswärme , Trocknervorrichtung zum Trocknen eines zu trocknenden Gutes und Verfahren zum Betreiben einer

Wärmepumpenvorrichtung

[ 01 ] Die Erfindung betri f ft eine Wärmepumpenvorrichtung zum energieef fi zienten Erzeugen einer Prozesswärme , wobei die Wärmepumpenvorrichtung eine wärmeaufnehmende Seite , eine wärmeabgebende Seite , ein Kreisprozess fluid und einen Verdampfer auf der wärmeaufnehmenden Seite aufweist , und der Wärmepumpenvorrichtung auf der wärmeabgebenden Seite ein Wärmeübertrager und mindestens eine Wärmesenke und auf der wärmeaufnehmenden Seite mindestens eine Wärmequelle zuordenbar sind, wobei mittels des Verdampfers flüs siges Kreisprozess fluid durch Wärmezufuhr von der zuordenbaren Wärmequelle indirekt behei zbar und auf einer Druckstufe des Verdampfers verdampfbar ist , und die Wärmepumpenvorrichtung mindestens einen dem Verdampfer nachgeschalteten ersten Verdichter aufweist , wobei mittels des mindestens ersten Verdichters dampf förmiges Kreisprozess fluid von der Druckstufe des Verdampfers auf eine zweite Druckstufe verdichtbar ist . Des Weiteren betri f ft die Erfindung eine Trocknervorrichtung zum Trocknen eines zu trocknenden Gutes mittels eines erhitzten Prozessgasstroms und ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpenvorrichtung .

[ 02 ] Im Zuge der Energiewende und durch die aktuelle Kri se in der Erdgasversorgung rücken Wärmepumpen-Prozesse in den Fokus der Prozesswärme-Erzeugung . Während die Wärmeabgabe zur Wohnraumbehei zung auf niedrigem Temperaturniveau erfolgt , benötigen industrielle Behei zungsprozesse oftmals deutlich höhere Temperaturen . Beispielsweise benötigen industrielle Trocknungsprozesse große Wärmemengen von teilweise mehreren MW auf hohem Temperaturniveau von deutlich über 100 ° C, oftmals über 200 ° C, und stellen insgesamt einen der größten Emittenten an Treibhausgasen im Industriesektor dar, weil die hohen Temperaturen bisher üblicherweise durch Verbrennungsprozesse von festen, flüssigen oder gas förmigen Brennstof fen auf Kohlenstof fbasis erzeugt werden .

[ 03 ] Bei der Erzeugung von Prozesswärme durch Verbrennungsprozesse oder elektrisch betriebene Erhitzer wird ein Primärenergieeinsatz etwa in Höhe der zu erzeugenden Prozesswärmeleistung benötigt . Zur Dekarbonisierung der Industrie kann und sollte also der Primärenergieeinsatz zur Prozesswärmeerzeugung drastisch reduziert werden, indem die bisher zur Erreichung von Temperaturen über 120 ° C bis über 200 ° C erforderlichen Verbrennungsprozesse weitestgehend durch geeignete hochef fi ziente Hochtemperatur-Wärmepumpen mit elektrischem Antrieb substituiert werden .

[ 04 ] Generell lassen sich Wärmepumpen-Prozesse zur Erzeugung von Prozesswärme durch die Hei zleistungs zi f fer COPh als Quotient der Wärmeleistung bezogen auf die Antriebsleistung, die erforderlichen Temperaturen der wärmeaufnehmenden Seite , die erreichbaren Temperaturen der wärmeabgebenden Seite und den daraus resultierenden Temperaturhub zwischen Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe charakterisieren . Bisher scheiterte die Entwicklung von wirtschaftlichen Hochtemperatur-Wärmepumpen mit einer Wärmeabgabe oberhalb beispielsweise 200 ° C am zu geringen Temperaturhub, da aufgrund thermodynamischer Zusammenhänge im Kreisprozess die Hei zleistungs zi f fer mit steigendem Temperaturhub sinkt . Bislang sind daher für den Betrieb bekannter Kreisprozesse hohe Wärmequellen-Temperaturen auf der wärmeaufnehmenden Seite erforderlich, die an sich bereits hochwertige Wärmequellen mit entsprechend unwirtschaftlich hohem Preis darstellen oder gar nicht als Abwärmequellen verfügbar sind, sondern hergestellt werden müssten .

[ 05 ] Die Wertigkeit von Prozesswärme wird üblicherweise nach der Höhe ihres Temperaturniveaus bemessen . In einem Wärmepumpen-Kreisprozess wird das Temperaturniveau der abgegebenen Prozesswärme typischerweise durch Verdichtung des Kreisprozess fluides erreicht . Die spezi fische Antriebsarbeit für die Verdichtung entspricht der Aufwendung, also der Vernichtung, von spezi fischer Exergie . Die Höhe der spezi fischen Exergievernichtung korrel iert wiederum mit dem mindestens auf zubringenden Verdichtungsdruck, der überwunden werden muss , damit das Kreisprozess fluid die erforderliche Temperatur erreicht , damit Prozesswärme bei der höchsten Senkentemperatur übertragen werden kann .

[ 06 ] Je höher also die höchste erforderliche Senkentemperatur zur Übertragung von Prozesswärme ist , desto mehr spezi fische Exergie wird vernichtet und desto höherwertiger ist die erzeugte Prozesswärme . Dementsprechend ist also zur Erzeugung von minderwertigerer Prozesswärme weniger spezifische Exergievernichtung erforderlich als für höherwertigere Prozesswärme.

[07] Wärmepumpen-Prozesse lassen sich generell einteilen in Kreisprozesse ohne Phasenübergang eines Kreisprozessgases und solche mit Phasenübergang eines Kreisprozessfluids von flüssig nach gasförmig in einem Verdampfer auf der wärmeaufnehmenden Seite, deren Phasenübergang von gasförmig zu flüssig entweder durch Kondensation in einem Kondensator oder durch transkritische Abkühlung in Gaskühlern erfolgt.

[08] Bekannte Hochtemperatur-Wärmepumpen ohne Phasenübergang des stets gasförmigen Kreisprozessgases, wie beispielsweise Rotationswärmepumpen des österreichischen Unternehmens ecop Technologies GmbH aus AT-4531 Neuhofen an der Krems (www.ecop.at) , die auf einem linkslaufenden Joule- Prozess basieren, können zwar immerhin Senkentemperaturen von 150°C mit relativ hohen Heizleistungsziffern von etwa 4 beheizen, erreichen aber nur einen sehr geringen Temperaturhub von etwa 55 K und sind bauartbedingt in der maximalen Wärmeleistung je Wärmepumpe begrenzt. Eine mehrstufige Anordnung solcher Wärmepumpen zur Überwindung eines insgesamt höheren Temperaturhubs ist prinzipiell möglich, scheitert dabei aber aufgrund deutlich höherer Antriebsleistung bei gleichbleibender Wärmeleistung an deutlich verringerten Heizleistungsziffern und der damit einhergehenden geringen Wirtschaftlichkeit sowie der bauartbedingten Begrenzung der aufnehmbaren und abzugebenden Wärmeleistung . [ 09 ] Bei Wärmepumpen-Kreisprozessen mit einem Phasenübergang des Kreisprozess fluides durch Verdampfung wird unterschieden zwischen Wärmepumpen einerseits mit Kondensation des Kreisprozess fluides auf der wärmeabgebenden Seite und andererseits transkritisch betriebenen Wärmepumpen mit der Wärmeabgabe des Kreisprozess fluides in Gaskühlern bei überkritischem Druck, beispielsweise mit Kohlenstof fdioxid ( CO2 ) als Kreisprozess fluid . Wesentlicher Unterschied zwischen beiden Kreisprozess-Arten mit Phasenübergang des Kreisprozess fluides ist , dass transkritisch betriebene Wärmepumpen die Wärmeleistung über einen erweiterten Temperaturbereich übertragen und nicht auf einem festen Temperaturplateau, wie es beim Kondensationsbetrieb der Fall ist .

[ 10 ] Transkritisch betriebene C02-Wärmepumpen konnten in j üngerer Vergangenheit bereits bis zu Senkentemperaturen von etwa 120 ° C gebaut werden, wie beispielsweise in EP 2 321 589 Bl beschrieben ist . Bei transkritisch betriebenen Wärmepumpen ist zwar kein Kondensationsdruck zu erreichen, weil keine eigentliche Kondensation in einem Kondensator stattfindet . Dennoch muss ein entsprechend hoher Verdichtungsdruck auf einen Druck oberhalb des kritischen Punktes des Kreisprozess fluides für die Wärmeübertragung in einem Gaskühler vom überkritischen Kreisprozess fluid auf diej enige zu versorgende Wärmesenke mit der höchsten Temperatur erreicht werden, indem mechanische Arbeit für die Verdichtung bis auf den entsprechenden überkritischen Druck der wärmeabgebenden Seite aufgewendet wird . [ 11 ] Ein Vorteil von transkritisch betriebenen Wärmepumpen mit überkritisch betriebenen Gaskühlern besteht darin, dass sich das Kreisprozess fluid im Gaskühler nur höchstens auf eine Temperatur oberhalb der Eintrittstemperatur der Wärmesenke abkühlen kann und anschließend noch einen Teil seiner spezi fischen Wärme besitzt , was möglicherweise noch zur Prozesswärmeversorgung minderwertigerer Wärmesenken ausreicht . Hierdurch ist zwar mechanische Arbeit zur Überschreitung der höchsten Senkentemperatur auf zuwenden, aber für die nachfolgende Versorgung einer minderwertigeren Wärmesenke wäre keine zusätzliche mechanische Verdichtung erforderlich .

[ 12 ] Dieser Vorteil von transkritisch betriebenen Wärmepumpen ist j edoch gleichzeitig ein erheblicher Nachteil , da das sukzessive Abkühlen des überkritischen Kreisprozess fluides durch Wärmeübertragung im Gaskühler voraussetzt , dass die j eweilige Wärmesenke trotz dieses sukzessiven Temperaturverlusts des Kreisprozess fluides noch ausreichend Prozesswärme übertragen bekommt , denn hierzu müssen die Eintritts- und Austrittstemperatur der j eweiligen Wärmesenke ausreichend tief liegen . Wenn dieses nicht gegeben ist , und somit die tiefste Senkentemperatur immer noch zu hoch liegt , um das überkritische Kreisprozess fluid auf Temperaturen weit genug unterhalb des kritischen Punktes abzukühlen, wird der transkritische Prozess unwirtschaftlich oder sogar unmöglich, da dann der Verdampfer auf der wärmeaufnehmenden Niederdruckseite des transkritischen Kreisprozesses häufig nicht korrekt betrieben werden kann . [ 13 ] Ein weiterer wesentlicher Nachteil von transkritisch betriebenen Wärmepumpen mit dem Kältemittel CO2 für das Ziel , Senkentemperaturen von deutlich über 120 ° C mit Prozesswärme versorgen zu können, besteht in den hohen Kompressionsdrücken von dann deutlich über 120 bar in Kombination mit der hohen CCh-Austrittstemperatur von deutlich über 130 ° C, welches die Konstruktion der gezwungenermaßen ölgeschmierten Kolben- oder Schraubenverdichter bezüglich Material festigkeiten und Temperaturbeständigkeit des Öls vor bisher ungelöste technische Probleme stellt . Allein die Tatsache , dass die Verdichter ölgeschmiert sein müssen, weil die Reibungskräfte bei den hohen Drücken viel zu hoch für eine öl freie Kompression sind, erfordert ein funktionierendes Ölmanagement , damit nachfolgende Aggregate , beispielsweise Gaskühler und Verdampfer, durch den im Kreisprozess fluid mitgetragenen Ölanteil in ihrer Wirksamkeit nicht beeinträchtigt werden .

[ 14 ] Ein zusätzlicher Nachteil von bekannten Wärmepumpen mit Kältemitteln wie CO2 , NH3 sowie Kohlenwasserstof fen ist deren Einschränkung bei der Behei zung auf der wärmeaufnehmenden Seite von Wärmequellen deutlich oberhalb 30-40 ° C . Falls dieses technisch aufwändig ermöglicht wird, dann ist j eweils der technisch erreichbare Temperaturhub so gering, dass auf der wärmeabgebenden Seite keine Hochtemperatur zur Prozesswärmeübertragung auf eine Wärmesenke von über 200 ° C erreichbar ist .

[ 15 ] In einem Wärmepumpen-Kreisprozess mit Kondensation des

Kreisprozess fluides muss die herzustellende Kondensationstemperatur zur Wärmeübertragung ausreichend höher liegen als die Temperatur derj enigen zu versorgenden Wärmesenke mit der höchsten Senkentemperatur . Die höchste erforderliche Senkentemperatur und die Auswahl des Kreisprozess fluides bezüglich dessen druckabhängiger Kondensationstemperatur bestimmen also den erforderlichen Druck im Kondensator, also dem Wärmeübertrager der Wärmesenke , in dem eine Wärmeabgabe des Wärmepumpen- Kreisprozesses stattfindet , wobei der Kondensationsdruck gewöhnlich durch Verdichtung des Kreisprozess fluides mittels mechanischer Arbeit , also der Vernichtung von Exergie , erreicht werden muss .

[ 16 ] Die aktuelle Entwicklung neuer Wärmepumpen mit Kondensation eines Kreisprozess fluides konzentriert sich seit längerem auf die Untersuchung von geeigneten Kreisprozess fluiden hinsichtlich der Erreichung einer möglichst hohen Kondensationstemperatur bei möglichst niedrigem Kondensationsdruck auf der wärmeabgebenden Seite sowie gleichzeitig einem hohen Verdampfungsdruck bei möglichst niedriger Verdampfungstemperatur auf der wärmeaufnehmenden Seite .

[ 17 ] Jedoch weisen viele als Kreisprozess fluid geeignete Fluide , auch Kältemittel genannt , die diesen Eigenschaften möglichst nahekommen, in der Regel eine sehr schlechte Umweltverträglichkeit bezüglich Klimaschädlichkeit , Ozonabbau, Brennbarkeit oder Toxi zität auf . Daher wird vermehrt auf natürliche Kältemittel wie CO2 , NH3 sowie minderschädliche , aber brennbare Kohlenwasserstof fe gesetzt . Allerdings bleibt fest zustellen, dass bei quasi allen aktuell von der EU-Kommission noch zugelassenen Kältemitteln starke bis sehr starke Restriktionen bezüglich der Höhe der maximalen Senkentemperatur und bezüglich des erreichbaren Temperaturhubs bestehen.

[18] Hierzu zählen beispielsweise Industrie-Wärmepumpen mit dem natürlichen Kältemittel NH3, welche in der Regel mit Kondensation des Kreisprozessfluides betrieben und in der Vergangenheit bereits als Hochtemperatur-Wärmepumpen bezeichnet wurden, wenn die maximal mögliche Senkentemperatur beispielsweise bei 80-90°C lag. Dieses ist auf den kritischen Punkt von NH3 zurückzuführen, der bei 132,35°C und 113,53 bar liegt, womit Temperaturen von 80- 90°C bereits kurz unterhalb des kritischen Punktes anzusiedeln sind. Bei 200°C liegt also NH3 bereits überkritisch vor und wäre nicht mehr kondensierbar, sondern nur noch in einem transkritischen Prozess unter sehr hohen Drücken einsetzbar.

[19] Durch den relativ niedrigen kritischen Punkt von NH3 ist für dessen Kondensation beispielsweise bei 100°C bereits ein Druck von über 62,55 bar zu überwinden. Dieses hohe Druckniveau bedarf einer hohen spezifischen Verdichterarbeit und erhöht die Betriebskosten für die Verdichtung. Zusätzlich macht es sowohl die Konstruktion der ölgeschmierten Verdichter als auch die Konstruktion von Wärmeübertragern aufwändig und teuer. Darüber hinaus beträgt die spezifische Kondensationsenthalpie von NH3 bei 100°C nur 715,7 kJ/kg, wodurch die resultierenden Heizleistungsziffern auf unwirtschaftlich tiefem Niveau liegen. Auch ist ein Temperaturniveau von 100°C für viele industrielle Prozesse nicht ausreichend.

[20] Bei CO2 liegt der kritische Punkt noch tiefer, nämlich bei 31,06°C und 73,83 bar, sodass CO2 bereits oberhalb 31,06°C außerhalb des Zweiphasengebietes nicht mehr kondensierbar, sondern nur noch in einem transkritischen Prozess oberhalb des kritischen Drucks zur Wärmeübertragung einsetzbar ist. Aufgrund der hohen aufzuwendenden Drücke gelten bei der Konstruktion und dem Betrieb ähnlich starke Restriktionen wie bei NH3.

[21] Vorgenannte Kreisprozessfluide liegen bei Normbedingungen gasförmig vor und sind aufgrund hoher Dampfdrücke beispielsweise bei 0°C von 34,85 bar bei CO2 sowie 4,29 bar bei NH3 sehr gut zur Erzeugung von Prozesskälte geeignet, welches deren gute Eignung als Kältemittel hervorhebt. Für beide Fluide vorteilhaft ist deren relativ niedriges spezifisches Volumen beispielsweise bei einer Verdampfungstemperatur von 54 °C, welches für NH3 bei 57 1/kg und für CO2 bei 5, 6 1/kg liegt. Dieses ermöglicht selbst bei hohen Verdampfungsleistungen noch relativ geringe Apparategrößen. Im überkritischen Bereich liegen die spezifischen Volumina beider Fluide sogar unter 10-20 1/kg, welches sehr vorteilhaft für die Baugrößen von Wärmeübertragern ist, allerdings kommt hier wieder der hohe überkritische Druck zum Tragen, welcher die Konstruktion von Apparaten aufwändig macht.

[22] Der Einsatz von Wasserdampf als Kreisprozessfluid ist insbesondere in der Kraf twerkstechnik als rechtslaufender Kraftprozess zur Stromerzeugung bereits bekannt , während elektrisch angetriebene Wärmepumpen mit Wasserdampf als Kreisprozess fluid in einem linkslaufenden Arbeitsprozess bisher nicht als solche benannt sind . Werden j edoch aktuell sogenannte Wasser-Wärmepumpen besprochen, dann sind in der Regel Wärmepumpen gemeint , die zumindest auf der wärmeabgebenden Seite einen Wasserstrom erwärmen und möglicherweise auch auf der wärmeaufnehmenden Seite einen Wasserstrom abkühlen, aber deren Kreisprozess fluid ist j edoch nicht Wasser, sondern ein anderes Fluid .

[ 23 ] Weitläufig bekannt als eine Art Wärmepumpe , j edoch in der Regel nicht in Form eines herkömmlichen Kreisprozesses aufgebaut , ist die Verdichtung von Wasserdampf beispielsweise mittels der häufig eingesetzten Brüdenverdichtung zur Anhebung der Kondensationstemperatur von Wasserdampf , um diesen dadurch für eine Wärmeübertragung auf häufig geringfügig höherem Temperaturniveau verfügbar zu machen, wie es beispielsweise bei modernen Verdampfungsprozessen mit mechanischer Brüdenverdichtung der Fall ist . Hierbei werden mit einem niedrigen Temperaturhub von wenigen Kelvin durchaus sehr hohe rechnerische Hei zleistungs zi f fern erreicht , die teilweise deutlich über 20 liegen . Jedoch ist dieses eine irreführende Bewertung, da es sich eben nicht um einen für Wärmepumpen typischen linkslaufenden Kreisprozess handelt , der stof flich geschlossen ist . Ohnehin ist für einen höheren Temperaturhub von über 10-20 Kelvin in der Regel ein mehrstufiger Aufbau erforderlich, durch den die insgesamt erreichbare Hei zleistungs zi f fer deutlich sinkt . [ 24 ] Verdichter für Wasserdampf werden in verschiedenen Bauweisen als Strömungsmaschinen, beispielsweise einerseits in Form von Radial-Gebläsen für geringe Verdichtungsraten unter 2 und hohe Volumenströme bei geringen Enddrücken unter 5 bar oder andererseits als Turbo-Kompressoren für mittlere Verdichtungsraten bis etwa 3 und höheren Enddrücken bis etwa 20 bar gebaut , sowie auch als Verdrängermaschinen in der Bauform von Rotationskolbenverdichtern für hohe Volumenströme bei mittleren Verdichtungsraten oder Kolbenmaschinen für hohe Verdichtungsraten bis 6 und besonders hohe Enddrücke bis über 70 bar .

[ 25 ] Beispielsweise beschreibt das Unternehmen Spilling Technologies GmbH in Hamburg (www . spilling . de ) solche Kolben-Dampfkompressoren für hohe Austrittsdrücke bis 70 bar, die j edoch aufgrund der Bauweise generell keinen Vakuumdampf unter 100 ° C ansaugen können, sondern ausschließlich Dampf deutlich über Atmosphärendruck . Mittlerweile werden diese Kolben-Dampfkompressoren bis zu einer Druckstufe von etwa 40 bar in einer Bauweise und einer Begrenzung auf eine Dampf temperatur von etwa 250 ° C sogar ohne Ölschmierung der Kolben hergestellt . Um dieses zu erreichen, wird dem angesaugten Dampf ström j eweils vor dem Eintritt in die Zylinder zum Abbau der Überhitzung im Verdichter eine definierte Menge Wasser eingespritzt , sodass vor der Verdichtung übersättigter Nassdampf mit einem Dampfanteil XD und gleichzeitig einem flüssigen Anteil ( 1 - XD) entsteht , wobei dessen flüssiger Anteil während der Verdichtung für ausreichende Schmierung der Kolben sorgt und durch die Temperaturerhöhung während der polytropen Verdichtung verdampft, sodass im Austritt des Verdichters idealerweise gesättigter Dampf ohne nennenswerte Überhitzung vorliegt .

[26] Das Unternehmen Piller Blowers & Compressors GmbH in Moringen (www.piller.de) beschreibt Dampfverdichter in Ventilator-Bauweise, welche zur Brüdenverdichtung im Vakuumbereich eingesetzt werden und aktuell bis zu Austrittsdrücken von 5 bar Überdruck gebaut werden. Zur Erreichung eines höheren Temperaturhubs werden diese mehrstufig in Reihe geschaltet. Aufgrund der temperaturabhängigen Materialfestigkeit der Verdichter- Laufräder ist es bei den für die Verdichtung erforderlichen hohen Umfangsgeschwindigkeiten erforderlich, dem angesaugten Dampfstrom vor dem Eintritt in das Verdichterlaufrad eine definierte Menge Wasser zur Kühlung einzuspritzen.

[27] Ebenso beschreibt das Unternehmen Boldrocchi Group S.r.l. in Biassono, Italien (www.boldrocchigroup.com) Dampfgebläse und Turbokompressoren in Ventilator-Bauweise für Kompressionsverhältnisse zwischen etwa 1, 2-3,0 und Enddrücke bis 100 bar sowie mehrstufige Anordnungen verschiedener Verdichter zur Erreichung eines höheren Temperaturhubs. Auch die Boldrocchi Group beschreibt die Übersättigung von Dampf mit eingespritztem Wasser vor dem Eintritt in das Verdichterlaufrad zum Abbau der Überhitzung im Verdichter.

[28] Der Vorteil einer Nassdampfverdichtung liegt in der durchgängigen Kühlung während der Verdichtung durch den verdampfenden flüssigen Anteil. Ebenso erfolgt die Verdichtung durch die kompensierte Überhitzung bei insgesamt niedrigeren Temperaturen, als es bei trockenem, überhitztem Dampf der Fall wäre , wodurch das spezi fische Volumen während der Nassdampfverdichtung gegenüber einer ungekühlten Verdichtung trockenen Dampfes im Überhitzungsgebiet geringer ist , was die Baugröße der Verdichter bei gleichem Massenstrom reduziert .

[ 29 ] Ein Nachteil einer Kompression von Nassdampf ist j edoch, dass zusätzlich zum Massedurchfluss des dampf förmigen Dampfanteils XD auch der vor der Verdichtung eingespritzte Massedurchfluss an flüssigem Wasser ( 1 - XD) , der während der Verdichtung verdampft , im Verdichterlaufrad auf die hohe Umfangsgeschwindigkeit beschleunigt und auf den Austrittsdruck verdichtet werden muss . Zusätzlich erfährt dieser zu Sattdampf verdampfende Wasseranteil des Nassdampfs innerhalb des Verdichterlaufrades eine Vergrößerung seines spezi fischen Volumens um einen dreistelligen Faktor und durch den zunehmenden Volumenstrom eine entsprechende Beschleunigung, welches auf den Massenstrom bezogen zu einem höheren spezi fischen Antriebs-Drehmoment führt .

[ 30 ] Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der Wasseranteil des Nassdampfs flüssig in das Verdichterlaufrad eintritt und als Tropfen auf die Laufrad-Struktur trif ft , was zu stärkerer mechanischer Beanspruchung der Oberflächen und höherer Fluidreibung innerhalb des Verdichterlaufrades führt . [ 31 ] Zusätzlich muss das eingespritzte Wasser aufbereitet oder zumindest entkalkt sein, um Kalkablagerungen im Verdichter zu vermeiden .

[ 32 ] Insbesondere bei einer mehrstufigen Verdichtungs- Anordnung zur Lieferung eines Sattdampf-Massenstroms am Austritt der letzten Verdichterstufe muss j ede der Verdichterstufen j eweils den aus der vorhergehenden Stufe austretenden Sattdampf-Massenstrom und zusätzlich den in der j eweiligen Stufe eingespritzten Wasser-Massenstrom verdichten, welcher für den Abbau der Überhitzung erforderlich ist .

[ 33 ] Das Zusammenwirken dieser Nachteile erhöht insgesamt die spezi fische Antriebsleistung der Verdichtung bezogen auf den gelieferten Sattdampf-Massenstrom .

[ 34 ] Ein weiterer, wesentlicher Nachteil der bekannten Brüdenverdichtung oder Dampf kompression zur Bereitstellung von höherwertigem Dampf unter Nutzung von Niedertemperatur- Abwärme zwischen 60- 80 ° C beispielsweise in Form von Vakuumdampf liegt darin, dass der kondensierte Dampf bei der Übertragung von Kondensationswärme auf eine Wärmesenke einer hohen Senkentemperatur, also das flüssige Dampf kondensat , noch eine deutlich zu hohe Temperatur hat , um in einem stof flich geschlossenen Kreisprozess mittels der gleichen Niedertemperatur-Abwärmequelle zwischen 60- 80 ° C erneut verdampft werden zu können . Somit fehlt bei der bekannten Brüdenverdichtung neben dem Aufbau eines stof flich geschlossenen Kreisprozesses , der als Wärmepumpen- Kreisprozess bezeichnet werden könnte , die erforderliche Kühlung des kondensierten Kreisprozess fluids auf die

Verdampfungstemperatur der wärmeaufnehmenden

Niederdruckseite .

[ 35 ] Hinzu kommt , dass industrielle Pro zesse häufig mehrere Wärmesenken haben, welche mit Prozesswärme zu versorgen sind und diese oftmals sogar auf unterschiedlichen Temperaturniveaus liegen . Zu einer gekoppelten Versorgung derart unterschiedlicher Wärmesenken mit einem gemeinsamen Wärmepumpen-Prozess im Kondensationsbetrieb muss dessen Auslegung ebenfalls nach der Versorgung derj enigen höchstwertigen Wärmesenke erfolgen, welche die höchste erforderliche Senkentemperatur hat .

[ 36 ] Ein typisches Beispiel für industrielle Prozesse mit einem hohen Prozesswärmebedarf von teilweise mehreren Megawatt bis zu einem Hochtemperaturniveau von über 200 ° C sind großtechnische Trocknungsprozesse , beispielsweise Sprühtrocknungsprozesse zur Erzeugung von Pulvern . Bei solchen Sprühtrocknungsprozessen entstehen durch große Durchflüsse von verbrauchtem, mit Wasserdampf angereichertem Prozessgas in der Regel große Abwärmeleistungen, die in ähnlicher Größenordnung wie der Wärmebedarf für die Behei zung des Trocknungsprozesses liegen . Jedoch fällt diese Abwärme prozessbedingt durchgängig auf niedrigem Temperaturniveau an, beispielsweise zwischen 60- 80 ° C .

[ 37 ] Wenn eine Behei zung mit Prozesswärme bei einer hohen Senkentemperatur von beispielsweise über 200 ° C erfolgen soll , dann können herkömmliche Wärmepumpen nur dann eine hohe Hei zleistungs zi f fer erreichen, wenn dem Wärmepumpen- Kreisprozess entsprechend viel Wärme auf der Niedertemperaturseite zugeführt wird und der technisch erreichbare Temperaturhub nicht geringer ist als die Dif ferenz zwischen der höchsten erforderlichen Senkentemperatur und dem niedrigsten verfügbaren Temperaturniveau der Niedertemperatur-Wärmequelle .

[ 38 ] Um Niedertemperatur-Abwärmeströme von einem in der Industrie häufig auftretenden Temperaturniveau zwischen 60- 80 ° C mittels einer Wärmepumpentechnologie mit einer wirtschaftlich sinnvollen Hei zleistungs zi f fer von deutlich über 2 bis idealerweise über beispielsweise 3 bis 5 aufwerten und insgesamt als hochwertige Prozesswärme auf einem durchgängig hohen Temperaturniveau von über 200 °C nutzbar machen zu können, wäre ein Temperaturhub von mindestens 120- 140 Kelvin vonnöten . Eine Wärmepumpentechnologie , die einen solchen Wärmepumpen-Kreisprozess ermöglicht , ist bi sher nicht verfügbar .

[ 39 ] Aus der DE 10 2013 008 080 Al ist eine Anordnung für eine Kälte-Wärmekopplung mit einem Kältekreislauf und einem Wärmepumpenkreislauf als zwei linksläufige Kaltdampfprozesse bekannt , welche über einen gemeinsamen Zwischendrucktank thermisch miteinander verbunden sind, wobei der Kältekreislauf einen Verdampfer zum Verdampfen eines Kältemittels und damit Generieren einer Kälteleistung, einen Kälteverdichter und ein Drosselventil aufweist und der Wärmepumpenkreislauf einen Wärmepumpenverdichter zur Druckerhöhung des Kältemitteldampfes , einen Verflüs siger zum Verflüssigen des Kältemittels und ein Wärmepumpen- Drosselventil zur Druckabsenkung des Kältemittels auf

Zwischendruckniveau aufweist .

[ 40 ] US 2012 / 0116594 Al of fenbart ein Pumpensystem zum Temperaturmanagement , bei dem ein Überschalle j ektor anstelle eines herkömmlichen Kompressors eingesetzt wird . In diesem System wird ein aus dem Verdampfer kommender Strom mit einem Teil eines Stroms aus einem Verdichter in dem Ej ektor gemischt und in einen Abscheider geleitet . Ein anderer Strom nach dem Verdichter wird in einem Kondensator kondensiert und durch ein Expansionsventil auf die Zwischenbedingungen des Abscheiders expandiert . Eine Flüssigphase des Abscheiders expandiert durch ein Expansionsventil auf die Bedingungen des Verdampfers , an dessen Ausgang der Dampf vom Ej ektor angesaugt wird .

[ 41 ] EP 2 317 251 Al beschreibt eine zweistufige Kompressions-Wärmepumpenkreislaufeinrichtung mit NH3 als Wärmeträgermedium . Auf der stromabwärtigen Seite eines Ölabscheiders ist ein Kondensator angeordnet gefolgt von einer ersten Kühleinrichtung, welche mit einem Zwischenkühler verbunden ist . Die flüssige Phase aus dem Zwischenkühler wird in eine zweite Kühleinrichtung und einen Verdampfer geleitet , und über einen Kompressor der niedrigeren Stufe in den Zwischenkühler zurückgeführt . Die Dampfphase aus dem Zwischenkühler gelangt in einen Hochstufenkompressor verbunden mit dem Ölabscheider, um den im gas förmigen Wärmeübertragungsmedium enthaltenen Ölanteil aus dem für den Hochstufenkompressor verwendeten Schmieröl abzutrennen . Das abgetrennte Schmieröl wird über eine Rückführleitung zur Gaseinlassseite des Hochstufenkompressors oder des Kompressors der niedrigeren Stufe zurückgeführt .

[ 42 ] CN 1 13 251 698 A betri f ft ein mehrstufiges

Kompressions-Wärmepumpensystem für die Rückgewinnung von Abwärme in Kraftwerken mit einem Hochdruckkompressor, einem Mitteldruckkompressor und einem Niederdruckkompressor, wobei auf der Niederdruckstufe ein Verdampfer und ein Gas-Flüssig- Abscheider vor dem Niederdruckkompressor angeordnet sind, welcher in einen ersten Zwischenkühler fördert . Ein Ausgang des ersten Zwischenkühlers ist mit dem Mitteldruckkompressor verbunden, welcher wiederum in einen zweiten Zwischenkühler fördert . Von dem zweiten Zwischenkühler wird der Auslass über den Hochdruckkompressor in einen Kondensator gegeben und über dessen Auslass und einen Flüssig-Zwischenspeicher schrittweise über Drosselventile j eweils in den einzelnen Druckstufen wieder zurückgeführt .

[ 43 ] Aufgabe der Erfindung ist es , den Stand der Technik zu verbessern .

[ 44 ] Gelöst wird die Aufgabe durch eine Wärmepumpenvorrichtung zum energieef fi zienten Erzeugen einer Prozesswärme , wobei die Wärmepumpenvorrichtung eine wärmeaufnehmende Seite , eine wärmeabgebende Seite , ein Kreisprozess fluid und einen Verdampfer auf der wärmeaufnehmenden Seite aufweist , und der Wärmepumpenvorrichtung auf der wärmeabgebenden Seite mindestens ein Wärmeübertrager und mindestens eine Wärmesenke und auf der wärmeaufnehmenden Seite mindestens eine Wärmequelle zuordenbar sind, wobei mittels des Verdampfers flüssiges Kreisprozess fluid durch Wärme zufuhr von der zuordenbaren Wärmequelle indirekt behei zbar und auf einer Druckstufe des Verdampfers verdampfbar ist, und die Wärmepumpenvorrichtung mindestens einen dem Verdampfer nachgeschalteten ersten Verdichter aufweist , wobei mittels des mindestens ersten Verdichters dampf förmiges Kreisprozess fluid von der Druckstufe des Verdampfers auf eine zweite Druckstufe verdichtbar ist , und die Wärmepumpenvorrichtung mindestens einen ersten Mischseparator in der zweiten Druckstufe aufweist , wobei der mindestens erste Mischseparator einen ersten Anschluss zum Eintritt von dampf förmigem Kreisprozess fluid, einen zweiten Anschluss zum Eintritt von kondensiertem Kreisprozess fluid, einen dritten Anschluss zum Austritt von dampf förmigem Kreisprozess fluid und optional einen vierten Anschluss zum Austritt von kondensiertem Kreisprozess fluid aufwei st und dem Mischseparator mindestens ein zweiter Verdichter nachgeschaltet ist , sodass aus dem dritten Anschlus s austretendes dampf förmiges Kreisprozess fluid in dem mindestens zweiten Verdichter von der zweiten Druckstufe auf eine erste Druckstufe verdichtbar ist und mittels des mindestens einen zugeordneten Wärmeübertragers von dem dampf förmigen Kreisprozess fluid der ersten Druckstufe indirekt Prozesswärme auf die mindestens eine zuordenbare Wärmesenke übertragbar ist und j enes in dem mindestens einen Wärmeübertrager kondensiertes Kreisprozess fluid über den zweiten Anschluss in den mindestens ersten Mischseparator der zweiten Druckstufe zurückführbar ist , wobei gleichzeitig dampf förmiges Kreisprozess fluid aus dem mindestens ersten Verdichter über den ersten Anschluss in den Mischseparator einleitbar ist, wobei der mindestens erste Mischseparator den vierten Anschluss zum Austritt von kondensiertem Kreisprozessfluid aufweist, sodass das austretende kondensierte Kreisprozessfluid direkt oder indirekt in den Verdampfer zurückführbar und/oder dem mindestens zweiten Verdichter zuführbar ist.

[45] Somit wird eine Hochtemperaturwärmepumpe bereitgestellt, bei welcher bei Anordnung des mindestens einen Mischseparators in der zweiten Druckstufe mittels des mindestens einen Wärmeübertragers der ersten Druckstufe Prozesswärme in einem Temperaturbereich von circa 100 °C bis 250 °C auf der wärmeabgebenden Seite abgebbar ist.

[46] Hierzu kann der vierte Anschluss des mindestens ersten Mischseparator mittels mindestens einer Rohrleitung direkt oder indirekt mit dem Verdampfer und/oder den mindestens zweiten Verdichter verbunden sein.

[47] Es ist besonders vorteilhaft, dass die Wärmepumpenvorrichtung insbesondere bevorzugt mit Wasser als natürliches und vollständig umweltverträgliches Kreisprozessfluid betreibbar ist.

[48] Wasser liegt bei Normbedingungen flüssig und weist den Vorteil eines hohen kritischen Druckes von 221,2 bar und der hohen kritischen Temperatur von 374,15°C auf, wodurch im Zweiphasengebiet beispielsweise bei einem vergleichsweise niedrigen Druck von 16 bar und bei bereits über 201 °C Kondensationstemperatur eine hohe Kondensationsenthalpie von 1.933 kJ/kg für eine Wärmeübertragung auf eine Wärmesenke nutzbar ist, während im Vergleich die spezifische Kondensationsenthalpie von NH3 bei nur 100°C und bereits 62,55 bar lediglich 715,7 kJ/kg beträgt.

[49] Somit wird eine Wärmepumpenvorrichtung mit einem Wärmepumpenkreisprozesses bereitgestellt, welcher auf einem Kreisprozess mit mindestens drei Druckstufen mit unterschiedlich hohen Drücken basiert, mit

- mindestens einer ersten Druckstufe mit einem Druck des dampfförmigen Kreisprozessfluids, welcher dem höchsten Kondensationsdruck des Kreisprozessfluids im Kreisprozess auf dessen wärmeabgebender Seite entspricht, sodass die Kondensationstemperatur des Kreisprozessfluids so weit oberhalb der höchsten erforderlichen Senkentemperatur der höchstwertigen zu versorgenden Wärmesenke liegt, dass dieses zur Wärmeübertragung vom kondensierenden Kreisprozessfluid auf die höchstwertige Wärmesenke ausreicht,

- sowie mindestens einer zweiten Druckstufe, in welcher der mindestens eine Mischseparator angeordnet ist und welche einen Druck des dampfförmigen Kreisprozessfluids aufweist, welcher tiefer liegt als derjenige der ersten Druckstufe und höher liegt als derjenige Verdampfungsdruck des Kreisprozessfluids im Verdampfer, und

- mindestens einer untersten Druckstufe mit einem Druck des dampfförmigen Kreisprozessfluids entsprechend dem Verdampfungsdruck im Verdampfer, welche dem niedrigsten Kondensationsdruck des Kreisprozessfluids innerhalb des Kreisprozesses der Wärmepumpenvorrichtung entspricht. [ 50 ] Ein wesentlicher Gedanke der Erf indung beruht darauf , dass eine Reduzierung der Vernichtung von spezi fischer Exergie bei der insgesamt auf zuwendenden spezi fischen Verdichterarbeit bezogen auf die spezi fische nutzbare Prozesswärme auf dem Temperaturniveau der j eweils höchsten erforderlichen Senkentemperatur erfolgt . Dies wird erreicht durch sukzessive Enthalpienutzung von kondensiertem Kreisprozess fluid, nachdem dessen Kondensationsenthalpie auf dem Kondensationsdruck einer ersten Druckstufe als Prozesswärme für eine Wärmesenke der höchsten erforderlichen Senkentemperatur nutzbar gemacht und im kondensierten Kreisprozess fluid dieser ersten Druckstufe enthaltene Enthalpie teilweise dem dampf förmigen Kreisprozess f luid zumindest einer zweiten Druckstufe in mindestens einem Mischseparator im Verdichtungsstrang zugeführt wird . Beim Übergang des mit etwa der Kondensationstemperatur des kondensierten Kreisprozess fluids der ersten Druckstufe in dem mindestens einen Mischseparator einer zweiten, also einer niedrigeren, Druckstufe mit niedrigerer Kondensationstemperatur kühlt sich das flüssige Kreisprozess fluid auf die Kondensationstemperatur der niedrigeren Druckstufe ab und einen Teil seiner Enthalpie wird zur Verdampfung eines Teils des flüssigen Kreisprozess fluids genutzt . Dieser verdampfte Antei l wird dem bereits dampf förmigen Durchfluss an Kreisprozess fluid im Verdichtungsstrang auf dieser niedrigeren Druckstufe ohne Verdichterarbeit zugeführt , wodurch die auf dieser Druckstufe verfügbare Kondensationsenthalpie des auf dieser Druckstufe verfügbaren dampf förmigen Kreisprozess fluids erhöht wird, während die bis zu dieser Druckstufe aufzuwendende Verdichterarbeit konstant bleibt. Dadurch wird die Heizleistungsziffer erhöht und die Energieeffizienz gesteigert .

[51] Folgendes Begriffliche sei erläutert:

[52] Eine „Wärmepumpenvorrichtung" ist insbesondere eine Maschine, welche unter Aufwendung von technischer Arbeit thermische Energie aus einem Reservoir und/oder einer Wärmequelle mit niedriger Temperatur aufnimmt und zusammen mit einer Antriebsenergie als Nutzwärme auf ein zu beheizendes System und/oder eine Wärmesenke mit höherer Temperatur überträgt. Eine Wärmepumpenvorrichtung ist insbesondere derart eingerichtet, um einen Wärmepumpenkreisprozess an einem Kreisprozessfluid durchzuführen mit dem Ziel, Prozesswärme an eine Wärmesenke zu übertragen, indem Wärme von einer verfügbaren Wärmequelle mit niedriger Temperatur aufgenommen wird und die aufgenommene Wärme durch Temperaturerhöhung mittels mechanischer Arbeit auf mindestens eine für die Wärmesenke höchste erforderliche Senkentemperatur aufgewertet wird.

[53] Ein „Wärmepumpenkreisprozess" ist insbesondere ein Kreislaufprozess, bei dem eine abgeschlossene Stoffmenge eines Kreisprozessfluids insbesondere durch Wärmezufuhr seitens eines Reservoirs und/oder einer Wärmequelle bei einem niedrigen Druck verdampft wird, anschließend dampfförmiges Kreisprozessfluid insbesondere durch Verrichtung von mechanischer Arbeit oder durch andere Prozesse, wie beispielsweise Mischung mit dampfförmigem Kreisprozessfluid eines höheren Drucks in einem Mischseparator, oder eine Kombination daraus , auf einen hohen Druck verdichtet wird und dabei eine höhere Temperatur annimmt , anschließend durch Wärmeentzug seitens einer Wärmesenke bei diesem hohen Druck zumindest abgekühlt oder auch kondensiert wird und anschließend zumindest durch Drosselung oder auch Wärmeentzug wieder auf einen niedrigen Druck vor der Verdampfung gebracht wird .

[ 54 ] Ein „Kreisprozess fluid" ist insbesondere ein Fluid, welches bei bestimmten physikalischen Zustandsbedingungen insbesondere einerseits entweder flüssig, gas förmig oder beides zugleich vorliegt , wobei letzteres als sogenanntes Zweiphasenzustand bezeichnet wird, dessen Darstellung in Zustandsdiagrammen innerhalb des sogenannten Zweiphasengebietes zwischen Siedelinie und Kondensationslinie erfolgt , oder andererseits überkritisch vorliegt , welches Zustandsbedingungen außerhalb des Zweiphasengebietes beschreibt , also entweder ein Druck höher als der kritische Druck des Fluides oder eine Temperatur höher als die kritische Temperatur des Fluides . Zudem kann eine Menge an flüssigem oder dampf förmigem Kreispro zess fluid einer beliebigen Druckstufe für anderweitige thermische oder stof fliche Verwertung aus dem Kreisprozess pro Zeiteinheit entnommen werden und dem Kreisprozess zeitgleich wieder die gleiche Menge an flüssigem oder dampf förmigem Kreisprozess fluid an anderer Stelle in der gleichen Zeiteinheit zugeführt werden . Dieses kann beispielsweise dampf förmiges Kreisprozess fluid sein, welches für einen externen Prozess als Hei zmedium oder Treibdampf verwendet und an anderer Stelle beispielsweise flüssig als kondensiertes Kreisprozess fluid zurück in den Kreisprozess eingespeist wird . Ebenso ist eine Entnahmestelle realisierbar, an welcher insbesondere sporadisch oder kontinuierlich Kreisprozess fluid für Reinigungs zwecke entnommen und gereinigtes Kreisprozess fluid an einer weiteren Einspeisestelle wieder in den Kreisprozess eingeleitet wird, um die Qualität des Kreisprozess fluids und dessen Füllstand innerhalb der Wärmepumpenvorrichtung zu kontrollieren und/oder einzustellen .

[ 55 ] Eine „Prozesswärme" ist insbesondere eine mittels zumindest eines Wärmeübertragers der ersten Druckstufe an eine Wärmesenke oder auch mittels eines weiteren Wärmeübertragers einer weiteren Druckstufe an eine weitere Wärmesenke abgegebene Wärme .

[ 56 ] Eine „Wärmesenke" ist insbesondere ein Reservoir und/oder ein Durchfluss mit einem Zulauf und einem Ablauf eines Fluids oder Wärmeträgermedium, dessen Temperatur angehoben werden soll von einer Eingangstemperatur des Zulaufs auf eine Ausgangstemperatur des Ablaufs , wobei die zu erreichende Zieltemperatur für die Ausgangstemperatur des Ablaufs der Wärmesenke die „höchste erforderliche Senkentemperatur" einer Wärmesenke ist . Eine Wärmesenke kann ein Wärmeträgermedium sein, welches erhitzt wird für den Zweck des Erwärmens eines anderen Fluides und/oder Stof fstroms insbesondere in einer externen Vorrichtung außerhalb der Wärmepumpenvorrichtung, sodass beispielsweise in einem Wärmeübertrager ein Wärmeträgermedium erhitzt wird, welches dazu verwendet wird, einen externen Prozess in einer anderen Vorrichtung zu behei zen, beispielsweise einen Trockner oder dessen Hil fsmedien oder dessen Trocknungsgut . Auch kann die Wärmesenke ein Prozessgasstrom sein, welcher in einer Trocknungsvorrichtung zum Trocknen eines feuchten Materials erhitzt wird, damit anschließend mit dem Prozessgasstrom ein Trocknungsprozess betrieben wird, indem das erhitzte Prozessgas Wärme an ein feuchtes Material und somit ein Trocknungsgut überträgt , darin enthaltene Feuchtigkeit verdampft und möglicherweise auch vom Trocknungsgut entfernt wird .

[ 57 ] Eine „Wärmequelle" ist insbesondere ein Reservoir, dessen Temperatur genutzt werden kann, um Wärme und/oder Abwärme auf ein Kreisprozess fluid zu übertragen . Bei einer Wärmequelle kann es sich auch um einen Durchfluss mit einem Zulauf und einem Ablauf eines Fluids oder Wärmeträgermediums handeln, dessen Temperatur von einer höchsten verfügbaren Temperatur, also der niedrigste verfügbaren Quellentemperatur, gesenkt werden kann von einer Eingangstemperatur des Zulaufs auf eine Ausgangstemperatur des Ablaufs , wobei insbesondere eine Zieltemperatur für die Wärmeübertragung in einem Verdampfer die „niedrigste mögliche Quellentemperatur" des Ablaufs einer Wärmequelle ist . Eine Wärmequelle kann auch ein Abwärmestrom sein, welcher genutzt wird, um den Verdampfer der Wärmepumpenvorrichtung zu behei zen, um den Kreisprozess mit ausreichend Wärme auf niedriger Druckstufe des Kreisprozess fluids zu versorgen, damit ausreichend Prozesswärme in zumindest einem Wärmeübertrager bereitzustellen ist . Ebenso kann eine Wärmequelle ein Prozessgasstrom sein, welcher aus einer Trocknungsvorrichtung nach dem Trocknen eines feuchten Materials austritt , also Abwärme , und der Wärmeinhalt des Prozessgasstroms zur Wärmerückgewinnung über einen Wärmeübertrager der Wärmequelle genutzt wird, um den Verdampfer der Wärmepumpenvorrichtung zu behei zen, wobei Trocknungsvorrichtungen häufig einen hohen Wärmeverlust über einen Prozessgasstrom haben können, der aus einer Trocknungsvorrichtung nach dem Trocknen eines feuchten Materials austritt und sich im Allgemeinen etwa auf die Höhe des Prozesswärmebedarfs der Trocknungsanlage beläuft , j edoch regelmäßig auf deutlich niedrigerem Temperaturniveau verfügbar ist und daher möglicherweise zur Behei zung des Verdampfers der Wärmepumpenvorrichtung einsetzbar i st . Eine Wärmequelle kann auch eine wärmeabgebende Seite , beispielsweise Abwärme , einer zur Erzeugung von Prozesskälte verwendeten Kälteanlage sein, deren abgegebene Wärme genutzt wird, um den Verdampfer der Wärmepumpenvorrichtung zu behei zen . Auch kann eine Wärmequelle eine wärmeabgebende Seite einer zur Erzeugung von Prozesskälte verwendeten Kälteanlage oder Wärmepumpe sein, deren abgegebene Wärme in einem Wärmeübertrager der Wärmequelle genutzt wird, um indirekt den Verdampfer der Wärmepumpenvorrichtung zu behei zen . Bei Kälteanlagen, welche häufig intermittierenden Betrieb haben und dadurch Schwankungen in der Wärmeabgabe unterliegen, kann insbesondere für einen Ausgleich zusätzlich eine möglichst konstante Wärmeversorgung zur Behei zung des Verdampfers der Wärmepumpenvorrichtung bereitgestellt werden . Ein solcher Ausgleich ist insbesondere realisierbar in Form einer Kombination aus verschiedenen Abwärmeströmen, beispielsweise Abwärme aus einem Prozessgasstrom in Kombination mit Abwärme aus einer Kälteanlage oder Wärmepumpe oder mit weiterer Abwärme .

[ 58 ] Als „Abwärme" wird insbesondere eine Wärmequelle bezeichnet , deren Wärme auf einem so niedrigen Temperaurniveau verfügbar ist , dass insbesondere in der Nähe der Wärmequelle keine Wärmsenke mit einer darunterliegenden höchsten erforderlichen Senkentemperatur zur Nutzung dieser Wärme als Prozesswärme vorliegt oder genutzt werden kann, oder wenn diese Wärme nur noch mit einem ökonomisch nicht mehr vertretbaren Aufwand als Prozesswärme genutzt werden könnte .

[ 59 ] Eine „Hei zleistungs zi f fer" mit der Kurzbezeichnung COPh ( aus dem Englischen „Coef ficient of Performance - heat" ) ist insbesondere der Quotient aus nutzbarer Prozesswärme pro Zeiteinheit bezogen auf die aufgewendete mechanische Arbeit pro Zeiteinheit und stellt insbesondere für eine Wärmepumpenvorrichtung eine Kennzahl für die Energieef fi zienz einer Erzeugung von Prozesswärme dar .

[ 60 ] Ein "Wärmeübertrager" ist insbesondere eine Vorrichtung, in welcher thermische Energie , also Wärme , von einem Stof fstrom höherer Temperatur auf einen anderen Stof fstrom niedrigerer Temperatur übertragen wird, wobei die Stof fströme räumlich und stof fl ich durch eine Wand des Wärmeübertragers voneinander getrennt sind . Vorzugsweise handelt es sich bei einem Wärmeübertrager um einen indirekten Wärmeübertrager . Bei einem der Stof f ströme , welche einen Wärmeübertrager durchströmen, kann es sich beispielsweise um das Kreisprozess fluid oder einen Zulauf oder Ablauf eines Fluids oder Wärmeträgermediums einer Wärmesenke oder Wärmequelle handeln. Die Wärmepumpenvorrichtung kann auch zwei oder mehrere Wärmeübertrager auf der wärmeaufnehmenden Seite und/oder wärmeabgebenden Seite aufweisen.

[61] Ein „Verdampfer" ist insbesondere eine Vorrichtung oder ein Apparat, in welcher oder welchem ein flüssiges Kreisprozessfluid seine Zustandsform von flüssig zu gasförmig durch insbesondere indirekte Wärmeübertragung seitens einer Wärmequelle ändert und somit einen „Phasenübergang" von flüssig zu gasförmig vollzieht, wobei der gasförmige Zustand eines Kreisprozessfluids im Allgemeinen als „Dampf" und die Zustandsform als „dampfförmig" bezeichnet wird, wenn es sich um einen Kreisprozess handelt, bei dem zumindest ein Phasenübergang zwischen zwei Zustandsformen stattfindet, wohingegen ein gasförmiger Zustand verdeutlicht, dass kein Phasenübergang stattfindet. Ein Verdampfer ist insbesondere in der niedrigsten und/oder untersten Druckstufe des Kreisprozesses angeordnet .

[62] Ein „Verdichter" (auch Kompressor genannt) ist insbesondere eine Vorrichtung oder ein Apparat zur Verdichtung und/oder Druckerhöhung eines kompressiblen Fluids, beispielsweise eines dampfförmigen Kreisprozessfluids, insbesondere mit dem Ziel, eine höhere Druckstufe zu erreichen, um dadurch die Kondensationstemperatur des dampfförmigen Kreisprozessfluids anzuheben. Dies wird auch als „Aufwerten" des Wärmeinhalts des dampfförmigen Kreisprozessfluids zur Nutzung als eine „höherwertige" Prozesswärme bezeichnet. Ein Verdichter ist insbesondere in der Bauweise einer Strömungsmaschine ausgebildet , wie beispielsweise einem Axialgebläse , einem Radialgebläse , einem Turbokompressor oder einer Turbine . Auch kann ein Verdichter in der Bauweise einer Verdrängermaschine ausgebildet sein, wie beispielsweise einem Kolbenkompressor, einem Rotationskolbenkompressor oder einem Schraubenkompressor . Bei einem Verdichter kann es sich um einen thermischen Verdichter, wie beispielsweise einer Vakuumdampf Strahlpumpe , handeln, in welchem dampf förmiges Kreisprozess fluid einer zweiten oder ersten Druckstufe eingesetzt wird als Treibdampf , welcher im thermischen Verdichter hohe Geschwindigkeiten erreicht und dadurch einen Saugdampf in Form von dampf förmigem Kreisprozess fluid mit einem Druck niedriger als der des Treibdampfes ansaugt , wobei sich Treibdampf und Saugdampf anschließend zu einem Mischdampf mischen mit dem Druck einer Druckstufe , die einen höheren Druck als der Saugdampf und einen niedrigeren Druck als der Treibdampf aufweist .

[ 63 ] Ein „Verdichtungsstrang" ist insbesondere eine Folge von Verdichtungsvorgängen von dampf förmigem Kreisprozess fluid in mindestens zwei direkt oder indirekt nacheinander verbundenen Verdichtern unabhängig von der Bauart mit dem Ziel der Verdichtung des dampf förmigen Kreisprozess fluids von zumindest einer niedrigeren Druckstufe auf zumindest eine höhere Druckstufe .

[ 64 ] Eine „Überhitzung" ist insbesondere eine

Zustandsbedingung eines dampf förmigen Kreisprozess fluids , dessen Temperatur oberhalb der j enigen Kondensationstemperatur liegt, welche mit dessen vorherrschendem Druck und/oder Druckstufe korreliert und weitläufig vereinfacht als Temperaturdifferenz in Kelvin ausgedrückt wird. Dagegen wird als Grad der Überhitzung richtigerweise die Differenz der spezifischen Enthalpie des dampfförmigen Kreisprozessfluids zur spezifischen Sattdampf- Enthalpie in kJ/kg bei dem vorherrschenden Druck verstanden.

[65] Eine „Druckstufe" ist insbesondere zu verstehen als ein Synonym für einen erreichten Gesamtdruck im Austritt eines Verdichters unabhängig von der Bauform nach einer Verdichtung von dampfförmigem Kreisprozessfluid zur besonderen Kenntlichmachung, dass es sich in einer Wärmepumpenvorrichtung um eine stufenweise Verdichtung von dampfförmigem Kreisprozessfluid handelt. Damit einher geht die korrespondierende Siede- und Kondensationstemperatur des Kreisprozessfluids bei dem Druck dieser Druckstufe.

[66] Eine „erste Druckstufe" ist insbesondere zu verstehen als diejenige Druckstufe mit dem höchsten Kondensationsdruck des Kreisprozessfluids innerhalb der Wärmepumpenvorrichtung, der erforderlich ist, um diejenige Wärmesenke mit der höchsten erforderlichen Senkentemperatur durch Kondensation mit Prozesswärme versorgen zu können, beispielsweise in einem Druckbereich zwischen etwa 1 bar für Prozesswärme von etwa 100°C bis etwa 40 bar für Prozesswärme von etwa 250°C.

[67] Eine „Druckstufe eines Verdampfers" ist insbesondere zu verstehen als diejenige Druckstufe, mit der ein Verdampfer der Wärmepumpenvorrichtung betrieben wird, um flüssiges Kreisprozessfluid unter Wärmezufuhr von einer Wärmequelle zu verdampfen, beispielsweise in einem Druckbereich zwischen etwa 40 hPa bei einer niedrigsten Quellentemperatur von etwa 30 ° C bis etwa 1 , 4 bar bei einer niedrigsten Quellentemperatur von etwa 110 ° C .

[ 68 ] Eine „zweite Druckstufe" ist insbesondere zu verstehen als eine Druckstufe unterhalb einer ersten Druckstufe sowie oberhalb der Druckstufe eines Verdampfers . In der zweiten Druckstufe ist insbesondere der mindestens eine Mischseparator angeordnet .

[ 69 ] Eine „dritte Druckstufe" ist insbesondere zu verstehen als eine Druckstufe unterhalb einer zweiten Druckstufe sowie oberhalb der Druckstufe eines Verdampfers . Eine „vierte Druckstufe" ist insbesondere zu verstehen als eine Druckstufe unterhalb einer dritten Druckstufe sowie oberhalb der Druckstufe eines Verdampfers . Eine „fünfte , sechste , siebte und optional weitere Druckstufe" ist insbesondere analog zu verstehen . Die Bezeichnung der Druckstufen dient insbesondere zur Unterscheidung des j eweiligen vorliegenden Druckes und stellt keine festgelegte Reihenfolge da .

[ 70 ] Ein „Mischseparator" ist insbesondere eine Vorrichtung, welche j eweils einer spezi fischen Druckstufe mit einem Druck oberhalb der Druckstufe eines Verdampfers und kleiner und/oder gleich der ersten Druckstufe zugeordnet wird, wobei ein Mischseparator ein Volumen einschließt und zumindest einen Anschluss für den Eintritt für dampf förmiges Kreisprozess fluid der zugeordneten Druckstufe , einen Anschluss für den Eintritt für flüssiges Kreisprozess fluid und einen Anschluss für den Austritt für dampf förmiges Kreisprozess fluid der zugeordneten Druckstufe aufweist . Eine wesentliche Funktion eines Mischseparators ist insbesondere die Sättigung eines Durchflusses von dampf förmigem, überhitztem Kreisprozess fluid nach einer Verdichtung durch Mischen mit flüssigem Kreisprozess fluid . Auch kann eine weitere Funktion eines Mischseparators die Entspannung und Spontanverdampfung von flüssigem Kreisprozess fluid, beispielsweise aus einer höheren Druckstufe , sein, wenn dessen Temperatur höher ist als die korrelierende Kondensationstemperatur der zugeordneten Druckstufe des Mischseparators .

[ 71 ] Erfindungsgemäß weist der mindestens erste Mischseparator den vierten Anschluss zum Austritt von kondensiertem Kreisprozess fluid auf , sodass das austretende kondensierte Kreisprozess fluid direkt oder indirekt in den Verdampfer zurückführbar und/oder dem mindestens zweiten Verdichter zuführbar ist .

[ 72 ] Dadurch kann zumindest der erste Mischseparator den Anschluss für den Austritt für flüssiges Kreisprozess fluid der dem Mischseparator zugeordneten Druckstufe aufweisen, durch welchen möglicherweise überschüssiges flüssiges Kreisprozess fluid austritt , welches nicht zur Sättigung von an einem Anschluss für den Eintritt überhitzt in den Mischseparator eintretendem dampf förmigem Kreisprozess fluid benötigt oder verbraucht wird oder welches nicht durch Spontanverdampfung beim Eintritt in den Mischseparator verdampft , und welches dann mit der korrespondierenden Kondensationstemperatur der betref fenden zugeordneten Druckstufe des Mischseparators aus diesem austritt . [ 73 ] Das aus dem zumindest ersten Mischseparator austretende flüssige Kreisprozess fluid kann über einen Kondensatabscheider in den Verdampfer zurückgeführt werden . Auch kann ein Teilstrom des flüssigen Kreisprozess f luides über eine Kondensatpumpe und/oder ein Regelventil dem zweiten Verdichter zugeführt werden . Dadurch kann das aus dem zumindest ersten Mischseparator austretende flüssige Kreisprozess fluid zur Erzeugung von Nassdampf verwendet werden .

[ 74 ] Um eine Schnittstelle zu mindestens einer Wärmesenke bereitzustellen, weist die Wärmepumpenvorrichtung den mindestens einen der ersten Druckstufe zugeordneten Wärmeübertrager und/oder einen der zweiten Druckstufe zugeordneten Wärmeübertrager und/oder einen einer unterhalb der zweiten Druckstufe zugeordneten Wärmeübertrager auf der wärmeabgebenden Seite aufweist .

[ 75 ] In einer weiteren Aus führungs form kann die Wärmepumpenvorrichtung die mindestens eine Wärmequelle und/oder die mindestens eine Wärmesenke aufweisen .

[ 76 ] Um einen anpassbaren mehrstufigen, modularen Aufbau bereitzustellen und eine Unterteilung der Verdichtung zu realisieren, weist die Wärmepumpenvorrichtung einen zweiten Mischseparator, einen dritten Mischseparator, einen vierten Mischseparator und/oder optional weitere Mischseparatoren auf , wobei dem j eweiligen Mischseparator j eweils ein weiterer Verdichter vorgeschaltet ist . [ 77 ] Somit können zwei oder mehrere Mischseparatoren zwischen dem Verdampfer und der ersten Druckstufe , insbesondere in Reihe verschaltet , angeordnet sein .

[ 78 ] Durch einen mehrstufigen Aufbau und die Unterteilung der Verdichtung des dampf förmigen Kreisprozess fluids in mehrere Verdichtungsschritte auf einzelne Druckstufen, also vom tiefsten Druck des Kreisprozesses einer Druckstufe in einem Verdampfer bis zum höchsten erforderlichen Druck der ersten Druckstufe , welche aufeinander aufbauen, kann der gewünschte Temperaturhub zwischen tiefster verfügbarer Wärmequellen- und/oder Abwärmetemperatur und höchster erforderlicher Senkentemperatur sehr variabel konfiguriert werden . Dadurch ist das pro Verdichtungsschritt erforderliche Druckverhältnis reduziert , also der Quotient aus erreichtem Verdichtungsdruck bezogen auf den Eintrittsdruck vor einer Verdichtung, wodurch die Überhitzung des verdichteten Kreisprozess fluids , herkömmlich ausgedrückt in Kelvin oberhalb der Kondensationstemperatur bei dem erreichten Verdichtungsdruck, deutlich geringer ist als bei einer einstufigen Verdichtung vom tiefsten bis zum höchsten Druck im Kreisprozess . Somit werden sehr hohe Enddrücke erreichbar, welche j e nach Auswahl des Kreisprozess fluids und der Lage von dessen kritischem Punkt und Zweiphasengebiet entsprechend hohe Kondensationstemperaturen und Kondensationsenthalpien für die Übertragung von Prozesswärme auf eine Wärmesenke ermöglichen . Somit sind insbesondere mit Wasser als Kreisprozess fluid Kondensationsbedingungen beispiel sweise bei nur 40 bar bis immerhin etwa 250 ° C möglich . [ 79 ] Durch die variabel skalierbare Wärmepumpenvorrichtung und den in weiten Grenzen konfigurierbaren Aufbau der Wärmepumpenvorrichtung kann der Einsatzbereich unter Beibehaltung der Nutzung von Abwärme mit Temperaturen unterhalb 60 ° C bis 80 ° C für die Erzeugung von Prozesswärme auf ein Temperaturniveau von bis zu 250 ° C mit einem Temperaturhub von annähernd 200 Kelvin bei Hei zleistungs zi f fern von über 2 , 5 erweitert werden, wobei Prozesswärme auch gleichzeitig auf mehreren unterschiedlich hohen Temperaturniveaus zwischen beispielsweise 100 °C und 250 ° C abgegeben werden kann .

[ 80 ] Dieser mehrstufige Aufbau ist aus mehreren Gründen vorteilhaft . Zum einen kann die Überhitzung bei der Verdichtung reduziert werden, welches zwar keinen thermischen Vorteil darstellt , j edoch beispielsweise bei Hochdruck-Verdichtern nach dem Verdrängerprinzip eine Schmierung von Kolben oder anderen Gleitflächen von Verdrängerkörpern überflüssig machen kann und somit eine öl freie Aus führung der Verdichter und eine vereinfachte Konstruktion ermöglicht sowie das Anwendungsgebiet auf hygienischen Dampf erweitert .

[ 81 ] Zum anderen können Verzweigungen im Kreisprozess geschaf fen werden, die eine Nut zung von Prozesswärme auf unterschiedlichen Temperaturniveaus ermöglicht , indem nicht nur höchstwertige Prozesswärme für die höchste erforderliche Senkentemperatur erzeugt wird, sondern auch Wärmesenken mit einer niedrigeren erforderlichen Senkentemperatur gezielt mit dafür erzeugter Prozesswärme einer niederwertigeren Kondensationstemperatur des Kreisprozess fluids auf einer zweiten, dritten, vierten und/oder weiteren Druckstufe versorgt werden . Dies reduziert die Vernichtung von spezi fischer Exergie insgesamt , da für niederwertigere Prozesswärme weniger spezi fische Verdichtungsarbeit aufgebracht werden muss als für eine höchstwertige Prozesswärme . Durch einen Aufbau mit mehr als drei Druckstufen und einer getrennten Erzeugung von verschiedenwertiger Prozesswärme auf unterschiedlichen Temperaturniveaus wird insgesamt die Hei zleistungs zi f fer des Wärmepumpenprozesses erhöht .

[ 82 ] Somit ist die Erzeugung von annähernd gesättigtem Dampf einer höchsten Druckstufe durch Einleitung von flüssigem Kreisprozess fluid einer tieferen Druckstufe entweder vor dem höchsten Verdichter, sodass dieser als Nassdampf-Verdichter arbeitet , oder nach dem höchsten Verdichter, z . B . wenn noch ein weiterer Mischseparator der höchsten Druckstufe folgt , ermöglicht . Hierbei kann ein flüssiges Kondensat aus einer beliebigen Druckstufe der niedrigeren Druckstufen (und somit nicht nur aus der untersten Stufe oberhalb des Verdampfers ) zum Sättigen des verdichteten Dampfes der höchsten Druckstufe verwendet werden .

[ 83 ] In einer weiteren Aus führungs form der Wärmepumpenvorrichtung ist oder sind ein Mischseparator oder sind zwei oder mehrere Mischseparatoren dem ersten Mischseparator vorgeschaltet , wobei das dampf förmige Kreisprozess fluid des j eweils vorgeschalteten Mischseparators über einen j eweiligen nachgeschalteten Verdichter dem nachfolgenden Mischseparator zuführbar ist und/oder das flüssige Kreisprozess fluid aus dem j eweiligen nachgeschalteten Mischseparator mit einem höheren Druck und/oder einer höheren Temperatur als in dem vorgeschalteten Mischseparator in den vorgeschalteten Mischseparator zurückführbar ist .

[ 84 ] Dadurch wird eine Wärmepumpenvorrichtung bereitgestellt , bei der dampf förmiges Kreisprozess f luid zumindest einer zweiten, dritten, vierten und/oder weiteren Druckstufe in zumindest einem Wärmeübertrager einer zumindest zweiten Wärmesenke kondensiert und indirekt Wärme an diese überträgt , wobei ein auf dieser zweiten, dritten, vierten und/oder weiteren Druckstufe im Wärmeübertrager einer zweiten oder weiteren Wärmesenke kondensiertes Kreisprozess fluid in einen Mischseparator einer j eweils niedrigeren Druckstufe , also einer dritten, vierten, fünften und/oder weiteren Druckstufe , mit einem Druck unterhalb des desj enigen Drucks des im Wärmeübertrager kondensierenden Kreisprozess fluids eintritt .

[ 85 ] Somit wird mittels der Wärmepumpenvorrichtung ein erweiterter Wärmepumpenkreisprozesses ermöglicht , welcher auf einem Kreisprozess mit mindestens vier Druckstufen mit unterschiedlich hohen Drücken basiert , also mindestens einer ersten, mindestens einer zweiten, mindestens einer dritten Druckstufe und mindestens einer niedrigsten Druckstufe des Wärmepumpenkreisprozesses auf dem Druck eines Verdampfers , wobei die Wärmepumpenvorrichtung einfach skalierbar und variabel konfigurierbar ist , indem dieses um weitere Druckstufen, also eine vierte , fünfte , sechste und/oder nachfolgende Druckstufe mit entsprechenden Mischseparatoren und Verdichtern ergänzt , aufgebaut werden kann, um den insgesamt erreichbaren Temperaturhub nach Bedarf anzupassen .

[ 86 ] Bei der Wärmepumpenvorrichtung mit einer stufenweisen Verdichtung wird das dampf förmige Kreisprozess fluid aus einem Mischseparator einer Druckstufe pro Verdichtungsschritt auf eine j eweils höhere Druckstufe verdichtet und dabei aufgrund einer polytrop verlaufenden Verdichtung überhitzt . Die Überhitzung, welche nach einer Verdichtung und anschließend im Anschluss für den Eintritt in einen einer Druckstufe zugeordneten Mischseparator im dampf förmigen Kreisprozess fluid vorliegt , wird genutzt , um flüssiges Kreisprozess fluid, welches über einen Anschluss für den Eintritt in den j eweiligen Mischseparator der durch vorgeschaltete Verdichtung erreichten Druckstufe eintritt , anteilig zu verdampfen . Dieser verdampfte Anteil wird dem bereits dampf förmigen Durchfluss an Kreisprozess fluid im Verdichtungsstrang auf dieser Druckstufe ohne Verdichterarbeit zugeführt , wodurch die auf dieser Druckstufe insgesamt verfügbare Kondensationsenthalpie des später als Prozesswärme verfügbaren dampf förmigen Kreisprozess fluids erhöht wird, während die Verdichterarbeit bis dahin konstant bleibt . Dadurch wird die Hei zleistungs zi f fer erhöht .

[ 87 ] Ein weiterer Vorteil der Wärmepumpenvorrichtung mit stufenweiser Verdichtung ist die Verwendung von Kreisprozess fluid zum Abbau der aufgrund einer Verdichtung auftretenden Überhitzung, da das Kreisprozess fluid an sich bereits für die Erstbefüllung der Wärmepumpenvorrichtung einmalig aufbereitet oder zumindest entkalkt wurde und wegen des geschlossenen Kreisprozesses wiederverwendet wird, womit ein kontinuierlicher Wasserverbrauch durch eine Einspritzung von Leitungswasser oder anderem kalkhaltigen Wasser sowie die dabei unvermeidbaren Kalkablagerungen gegenüber dem Stand der Technik vollständig vermieden werden .

[ 88 ] Ein weiterer Vorteil der Wärmepumpenvorrichtung mit stufenweiser Verdichtung ist die stufenweise Abkühlung von kondensiertem Kreisprozess fluid zur Vollendung des Kreisprozesses durch Entspannung in j eweils niedrigeren Druckstufen unter vollständiger Ausnutzung der darin enthaltenen Enthalpie , wobei letztere zur zusätzlichen Verdampfung von flüssigem Kreisprozess fluid j eweils als zusätzlicher Sattdampf-Anteil dem Dampfmassenstrom der j eweils niedrigeren Druckstufe ohne Verdichterarbeit hinzugefügt wird . Dadurch wird die Hei zleistungs zi f fer nochmals erhöht .

[ 89 ] Ein weiterer Vorteil der Wärmepumpenvorrichtung mit stufenweiser Abkühlung von kondensiertem Kreisprozess fluid in einzelnen Druckstufen ist die während der stufenweisen Verdichtung im Verdichtungsstrang entlang des Druckanstiegs deutlich ansteigende Menge an dampf förmigem Kreisprozess fluid, wodurch erheblich weniger flüssiges Kreisprozess fluid im Verdampfer verdampft werden muss , als zur Behei zung von Wärmesenken zur Kondensation bereitgestellt werden muss . Dadurch muss nur ein deutlich geringerer Massendurchfluss an dampf förmigem Kreisprozess fluid durch den Verdampfer transportiert und in den Verdichtern der niedrigeren Druckstufen des Verdichterstrangs nacheinander verdichtet werden, welche aufgrund des großen spezi fischen Volumens des dampf förmigen Kreisprozess fluids bei niedrigem Druck typischerweise die größten Baugrößen aufweisen . Dadurch wird die Baugröße dieser Vorrichtungen ohne Leistungseinbußen erheblich reduziert .

[ 90 ] Zur Verbesserung der Rückführung des in mindestens einem Wärmeübertrager kondensierten Kreisprozess fluids aus der ersten und/oder weiteren Druckstufe ist oder sind dem mindestens einen Wärmeübertrager j eweils ein Kondensatabscheider und/oder dem zweiten Wärmeübertrager j eweils ein Kondensatabscheider und/oder weiteren Wärmeübertragern j eweils ein Kondensatabscheider zum Rückführen von kondensiertem Kreisprozess fluid aus der ersten Druckstufe in den ersten Mi schseparator und/oder von kondensiertem Kreisprozess fluid aus der zweiten oder einer dritten Druckstufe in einen vorgeschalteten Mischkondensator, insbesondere einer j eweils niedrigeren Druckstufe , nachgeschaltet .

[ 91 ] In einer weiteren Aus führungs form der Wärmepumpenvorrichtung ist oder sind nach dem vierten Anschluss zum Austritt von kondensiertem Kreisprozess fluid des ersten Mischseparators , eines vorgeschalteten Mischseparators und/oder des j eweiligen Mischseparators ein Kondensatabscheider zum Zurückführen des kondensierten Kreisprozess fluids in den j eweils vorgeschalteten Mischseparator oder in den Verdampfer angeordnet .

[ 92 ] Um Mischdampf einer Druckstufe zu erzeugen und dazu

Saugdampf aus einer niedrigeren Druckstufe oder der Druckstufe des Verdampfers anzusaugen, ist der erste

Verdichter als thermischer Verdichter ausgebildet , sodass mittels des thermischen Verdichters das dampf förmige Kreisprozess fluid der ersten Druckstufe als Treibdampf mit dem dampf förmigen Kreisprozess fluid aus dem Verdampfer als Saugdampf mischbar und als verdichteter Mischdampf dem ersten Mischseparator oder dem ersten vorgeschalteten Mischseparator zuführbar ist .

[ 93 ] Demgemäß ist ein dem Mischseparator der j eweiligen Druckstufe vorgeschalteter Verdichter als thermischer Verdichter ausgebildet , sodass mittels des thermischen Verdichters das dampf förmige Kreisprozess fluid einer höheren Druckstufe als Treibdampf mit dem dampf förmigen Kreisprozess fluid einer niedrigeren Druckstufe als Saugdampf mischbar und als verdichteter Mischdampf dem Mischseparator dieser Druckstufe zuführbar ist .

[ 94 ] In dem thermischen Verdichter kann insbesondere ein Strom oder Teilstrom dampf förmiges Kreisprozess fluid einer ersten oder einer weiteren Druckstufe als Treibdampf eingesetzt werden, welcher im thermischen Verdichter hohe Geschwindigkeiten erreicht und dadurch aufgrund von Venturi- oder Coanda-Ef f ekten einen Saugdampf in Form von dampf förmigem Kreisprozess fluid mit einem Druck niedriger als der des Treibdampfes ansaugt , wobei sich Treibdampf und Saugdampf anschließend zu einem Mischdampf mischen mit einem Druck einer Druckstufe , der höher ist als der Druck des Saugdampfes und niedriger ist als der Druck des Treibdampfes . [ 95 ] In einer weiteren Aus führungs form der Wärmepumpenvorrichtung ist vor dem thermischen Verdichter ein weiterer Verdichter in der ersten Druckstufe oder der zweiten Druckstufe oder einer weiteren Druckstufe angeordnet , sodass das verdichtete dampf förmige Kreisprozess fluid, insbesondere das aus der ersten Druckstufe stammende und auf den Druck einer Treibdampf- Druckstufe weiter verdichtete dampf förmige Kreisprozess fluid, als Treibdampf verwendbar ist .

[ 96 ] Um eine Nassdampfverdichtung oder eine trockene Verdichtung zu realisieren, ist ein weiterer Mischseparator dem ersten Mischseparator in der zweiten Druckstufe nachgeschaltet , wobei der weitere Mischseparator in der ersten Druckstufe angeordnet ist .

[ 97 ] Der nachgeschaltete Mischseparator in der ersten Druckstufe kann einen nachgeschalteten Verdichter aufweisen oder dieser kann frei von einem Verdichter

[ 98 ] In einer weiteren Aus führungs form weist die Wärmepumpenvorrichtung eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung zum Steuern und/oder Regeln von Komponenten der Wärmepumpenvorrichtung und optional der mindestens einen Wärmequelle und/oder der mindestens einen Wärmesenke auf .

[ 99 ] Dadurch wird das Steuern und/oder Regeln der Wärmepumpenvorrichtung und dessen Prozesswärmelieferung im Hinblick auf möglichst hohe Energieef fi zienz aufgrund möglichst geringer Antriebsleistung durch Regelung von Drücken und Temperaturen einzelner Druckstufen mittels Regelung von Verdichtern und Regelung der Hei zleistung der Wärmequelle sowie Regelung von Durchflüssen an kondensiertem Kreisprozess fluid im Eintritt zu einzelnen Mischseparatoren und/oder Verdichtern ermöglicht . Somit kann zumindest ein in der Wärmepumpenvorrichtung enthaltener oder daran angeschlossener Teilprozess oder auch der Gesamtprozess der Wärmepumpenvorrichtung durch zumindest eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung kontrolliert und geregelt werden .

[ 100 ] Um das kondensierte Kreisprozess fluid in Form von Tröpfchen dem j eweiligen Mischseparator zurückzuführen, weist der zweite Anschluss zum Eintritt von kondensiertem Kreisprozess fluid eine Versprüheinrichtung zum Versprühen des in den ersten Mischseparator oder den j eweiligen Mischseparator eintretenden, flüssigen Kreisprozess fluids auf .

[ 101 ] Bei einer Versprüheinrichtung kann es sich beispielsweise um eine Sprühdüse handeln . Dadurch wird das eintretende flüssige Kreisprozess fluid unter Aufbau eines Druckverlustes in Form von Tröpfchen in den Mischseparator eingesprüht , wobei ein Teil des am zweiten Anschluss für den Eintritt von flüssigem Kreisprozess fluid j e nach dessen Temperatur verdampft und eine Überhitzung des an dem ersten Anschluss eintretenden dampf förmigen Kreisprozess fluids reduziert wird .

[ 102 ] In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Trocknervorrichtung zum Trocknen eines zu trocknenden Gutes mittels eines erhitzten Prozessgasstroms , wobei die Trocknervorrichtung eine zuvor beschriebene Wärmepumpenvorrichtung aufweist , sodass auf der wärmeabgebenden Seite der Wärmepumpenvorrichtung der Prozessgasstrom als Wärmesenke erhitzbar ist.

[103] Somit kann Prozesswärme auf einem hohen Temperaturniveau von bis zu 250°C zum Erhitzen eines Prozessgasstroms der Trocknervorrichtung genutzt werden.

[104] In einem zusätzlichen Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpenvorrichtung zum energieeffizienten Erzeugen einer Prozesswärme, insbesondere in einem Temperaturbereich zwischen 100 °C und 250 °C, mittels einer zuvor beschriebenen Wärmepumpenvorrichtung, mit folgenden Schritten:

- Beheizen eines flüssigen Kreisprozessfluids durch indirekte Wärmezufuhr von einer Wärmequelle und Verdampfen des flüssigen Kreisprozessfluids in einem Verdampfer auf einer Druckstufe des Verdampfers,

- Verdichten des dampfförmigen Kreisprozessfluids mittels eines ersten Verdichters auf eine zweite Druckstufe,

- Zuführen des verdichteten dampfförmigen

Kreisprozessfluids in mindestens einem Mischseparator einer zweiten Druckstufe,

- Zuführen des aus dem mindestens einem Mischseparator austretenden dampfförmigen Kreisprozessfluids in mindestens einem zweiten Verdichter und Verdichten des dampfförmigen Kreisprozessfluid von der zweiten Druckstufe auf eine erste Druckstufe, - Übertragen einer Prozesswärme von dem verdichteten, dampf förmigen Kreisprozess fluid der ersten Druckstufe auf mindestens eine zuordenbare Wärmesenke ,

- und optional Rückführen des kondensierten Kreisprozess fluids der ersten Druckstufe in den mindestens einen Mischseparator .

[ 105 ] In einer weiteren Ausgestaltungs form des Verfahrens wird oder werden als Kreisprozess fluid Wasser, ein Alkohol und/oder eine wasserlösliche organische Substanz verwendet .

[ 106 ] Bevorzugt wird die Wärmepumpenvorrichtung mit Wasser ( chemische Formel H2O) als natürliches und vollständig umweltverträgliches Kreisprozess fluid betrieben . Ebenso kann die Wärmepumpenvorrichtung auch mit einem Alkohol und/oder einer wässrigen Lösung eines Alkohols als Kreisprozess fluid betrieben werden . Ebenso kann auch eine wässrige Lösung einer wasserlöslichen organischen Substanz und/oder eines oder mehrerer organischen Stof fe als Kreisprozess fluid verwendet werden . Ebenso ist eine beliebige Kombination aus Wasser, Alkohol und/oder wasserlöslicher organischer Substanz als Kreisprozess fluid verwendbar .

[ 107 ] Als Alkohol kann beispielsweise Methanol , Ethanol , Propanol und als organische Substanz ein Ester und/oder ein Ether eingesetzt werden .

[ 108 ] In einer weiteren Ausgestaltungs form des Verfahrens , kann in einem aus dem mindestens einen Mischseparator austretenden Strom des kondensierten Kreisprozess fluids , insbesondere einer Druckstufe höher als die Druckstufe des Verdampfers , mittels einer Kondensatpumpe eine Druckerhöhung durchgeführt werden, anschließend dieser Strom einem Strom flüssigen Kreisprozess fluids , welches zuvor in einem Wärmeübertrager einer Wärmequelle indirekt erwärmt wurde , zugemischt werden und die gemischten Ströme können zur indirekten Behei zung des Verdampfers verwendet werden, bevor insbesondere der zugemischte Strom wieder in den Verdampfer zurückgeführt wird .

[ 109 ] In einer weiteren Aus führungs form des Verfahrens wird in einem aus dem mindestens einen Mischseparator austretenden Strom des kondensierten Kreisprozess fluids mittels zumindest einer Kondensatpumpe eine Druckerhöhung durchgeführt , abschließend dieser Strom in dampf förmiges Kreisprozess fluid aus dem mindestens einen Mischseparator zur Erzeugung von Kreisprozess fluid-Nassdampf eingeleitet , bevor der Kreisprozess fluid-Nassdampf in dem nachgeschalteten Verdichter auf die erste Druckstufe verdichtet wird .

[ 110 ] Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Aus führungsbeispielen erläutert . Es zeigen

Figur 1 eine stark schematische Darstel lung einer

Wärmepumpenvorrichtung mit einem Verdampfer, einem ersten Verdichter, einem Mischseparator einer zweiten Druckstufe , einem zweiten Verdichter und einem Wärmeübertrager einer ersten Druckstufe , Figur 2 eine stark schematische Darstel lung einer

Alternative der in Fig . 1 gezeigten Wärmepumpenvorrichtung mit einer Behei zung eines Verdampfers über einen Kreislauf durch einen Wärmeübertrager einer Wärmequelle ,

Figur 3 eine stark schematische Darstel lung einer

Alternative der in Fig . 2 gezeigten Wärmepumpenvorrichtung mit einem zusätzlichen Mischseparator nach einer Verdichtung auf eine erste Druckstufe ,

Figur 4 eine stark schematische Darstel lung einer

Alternative der in Figur 3 gezeigten Wärmepumpenvorrichtung und einem mit Treibdampf aus einer ersten Druckstufe versorgten thermischen Verdichter zur Verdichtung von dampf förmigem

Kreisprozess fluid von der Druckstufe des Verdampfers auf eine zweite Druckstufe ,

Figur 5 eine stark schematische Darstellung einer

Alternative der in Fig . 4 gezeigten Wärmepumpenvorrichtung und einem mit Treibdampf aus einer Treibdampf-Druckstufe versorgten thermischen Verdichter zur Verdichtung von dampf förmigem

Figur 6 eine stark schematische Darstel lung einer weiteren Alternative der in Fig . 3 gezeigten Wärmepumpenvorrichtung mit einer zusätzlichen dritten Druckstufe ,

Figur 7 eine stark schematische Darstel lung einer

Alternative der in Fig . 6 gezeigten Wärmepumpenvorrichtung mit einer zusätzlichen Übertragung von Prozesswärme einer zweiten Druckstufe in einem Wärmeübertrager einer zweiten Wärmesenke , Figur 8 eine stark schematische Darstel lung einer weiteren Alternative der in Fig . 6 gezeigten Wärmepumpenvorrichtung mit einer zusätzlichen vierten Druckstufe ,

Figur 9 eine stark schematische Darstel lung einer

Alternative der in Fig . 8 gezeigten Wärmepumpenvorrichtung mit einem mit Treibdampf aus einer Treibdampf-Druckstufe versorgten thermischen Verdichter zur Verdichtung von dampf förmigem

Kreisprozess fluid von der Druckstufe des Verdampfers auf eine vierte Druckstufe ,

Figur 10 eine stark schematische Darstel lung einer weiteren Alternative der in Fig . 8 gezeigten Wärmepumpenvorrichtung mit einer zusätzlichen Übertragung von Prozesswärme einer zweiten Druckstufe in einem Wärmeübertrager einer zweiten Wärmesenke , Figur 11 eine stark schematische Darstel lung einer

Alternative der in Fig . 10 gezeigten Wärmepumpenvorrichtung mit einer Übertragung von Prozesswärme einer dritten anstelle einer zweiten Druckstufe in einem Wärmeübertrager einer zweiten Wärmesenke , und

Figur 12 eine schematische Darstellung eines

Mischseparators einer

Wärmepumpenvorrichtung .

[ 111 ] Eine in Figur 1 gezeigte Wärmepumpenvorrichtung 1 weist einen Verdampfer 200 mit einer Behei zung über einen Zulauf 14 und einen Ablauf 15 einer Wärmequelle , einen Verdichter 401 von der Druckstufe des Verdampfers 200 auf eine zweite Druckstufe , einen Mischseparator 400 einer zweiten Druckstufe , einen Verdichter 501 von einer zweiten auf eine erste Druckstufe , einen Wärmeübertrager 520 einer ersten Wärmesenke zur Übertragung von Prozesswärme einer ersten Druckstufe sowie einen Zulauf 10 und einen Ablauf 11 einer Trocknervorrichtung 5 als Wärmesenke auf . Die Wärmepumpenvorrichtung 1 weist eine Steuerungs- und Regelungseinheit 2 zum Steuern und Regeln der Funktionen und Komponenten der Wärmepumpenvorrichtung 1 auf .

[ 112 ] Der Mischseparator 400 der zweiten Druckstufe weist einen Anschluss 406 für den Eintritt von dampfförmigen Kreisprozess fluid, einen Anschluss 407 für den Eintritt von flüssigen Kreisprozess fluid, einen Anschluss 408 für den Austritt 408 von dampf förmigen Kreisprozess fluid und einen Anschluss 409 für den Austritt von flüssiges Kreisprozess fluid auf . In dem Anschluss 407 für den Eintritt von flüssigem Kreisprozess fluid ist eine Versprüheinrichtung zum Versprühen des flüssigen Kreisprozess fluids integriert , um das eintretende flüssige Kreisprozess fluid unter Aufbau eines Druckverlustes in Form von Tröpfchen in den Mischseparator 400 einzusprühen, wobei ein Teil des am Anschluss 407 eintretenden flüssigen Kreisprozess fluids j e nach dessen Temperatur verdampft und dabei eine Überhitzung des am Anschluss 406 eintretenden dampf förmigen Kreisprozess fluids reduziert wird .

[ 113 ] Beim niedrigsten Druck des Kreisprozesses im Verdampfer 200 , üblicherweise ein Teilvakuum unterhalb Atmosphärendruck, und gleichzeitig bei den niedrigsten Temperaturen des Kreisprozesses , wird aus einem Mischseparator 400 der zweiten Druckstufe zurückgeführtes flüssiges Kreisprozess fluid mittels Zulauf 14 und Ablauf 15 von einer Wärmequelle behei zt und verdampft und anschließend dampf förmiges Kreisprozess fluid als trockener Dampf von der Druckstufe des Verdampfers in einem Verdichter 401 auf eine zweite Druckstufe verdichtet und tritt überhitzt in den Mischseparator 400 der zweiten Druckstufe ein .

[ 114 ] Aus dem Mischseparator 400 tritt dampf förmiges Kreisprozess fluid als trockener Dampf einer zweiten Druckstufe aus und wird vor einer Verdichtung in einem Verdichter 501 über eine Kondensatpumpe 250 mit eingespritztem Kondensat und somit flüssigem Kreisprozess fluid soweit übersättigt und dadurch in Nassdampf mit einem Anteil flüssigen Kreisprozess fluids überführt , dass während der anschließenden Verdichtung auf eine erste Druckstufe im Verdichter 501 dieser flüssige Anteil verdampft und aus dem Verdichter 501 trockengesättigtes dampf förmiges Kreisprozess fluid einer ersten Druckstufe austritt . In einem Wärmeübertrager 520 einer Wärmesenke wird Prozesswärme auf der Kondensationstemperatur einer ersten Druckstufe vom dampf förmigen Kreisprozess fluid an die Wärmesenke mit einem Zulauf 10 und einem Ablauf 11 übertragen, wobei das Kreisprozess fluid kondensiert . Flüssiges Kreisprozess fluid tritt mit annähernd Kondensationstemperatur und auf einer ersten Druckstufe über einen Kondensatabscheider 522 aus dem Wärmeübertrager 520 aus und wird in den Mischseparator 400 der zweiten Druckstufe eingeleitet , wobei es sich auf dessen zweite Druckstufe entspannt und sich auf dessen Kondensationstemperatur der zweiten Druckstufe abkühlt . Dabei verdampft ein Teil des flüssig eingeleiteten Kreisprozess fluids aus dem Wärmeübertrager 520 und bildet dampf förmiges Kreisprozess fluid auf der zweiten Druckstufe . Ein weiterer flüssig eingeleiteter Teil des eingeleiteten Kreisprozess fluids aus dem Wärmeübertrager 520 verdampft durch den Grad der Überhitzung des aus dem Verdichter 401 in den Mischseparator 400 überhitzt eintretenden dampf förmigen Kreisprozess fluids . Der restliche flüssig in den Mischseparator 400 eingeleitete Teil des eingeleiteten Kreisprozess fluids aus dem Wärmeübertrager 520 gilt als überschüssiges flüssiges Kreisprozess fluid und tritt mit dem Druck und der Kondensationstemperatur der zweiten Druckstufe aus dem Mischseparator 400 aus , bevor es wieder in den Verdampfer 200 eingeleitet wird . [ 115 ] In einer in Figur 2 gezeigten Alternative weist eine Wärmepumpenvorrichtung 1 eine indirekte Behei zung des Verdampfers 200 über einen Kreislauf durch einen Wärmeübertrager 220 einer Wärmequelle ( 14 , 15 ) auf , wobei im Unterschied zur Darstellung in Figur 1 ein Durchfluss kondensierten Kreisprozess fluids aus einem Mischseparator 400 einer zweiten Druckstufe in einen Durchfluss flüssigen Kreisprozess fluids , welches zuvor in dem Wärmeübertrager 220 der Wärmequelle indirekt erwärmt wurde , eingeleitet wird und die Mischung beider Durchflüsse zur indirekten Behei zung eines Verdampfers 200 verwendet wird . Zur Überwindung einer Druckdi f ferenz vom Austritt aus der zweiten Druckstufe zum Kreislauf mit einer Umlaufpumpe 222 wird eine Kondensatpumpe 201 eingesetzt .

[ 116 ] Weiterhin ist die in Figur 2 gezeigte Wärmepumpenvorrichtung 1 im Unterschied zur Darstellung in Figur 1 ausgebildet , um ein auf einer zweiten Druckstufe kondensiertes Kreisprozess fluid aus einem Mischseparator 400 einer zweiten Druckstufe in dampf förmiges Kreisprozess fluid aus einer zweiten Druckstufe zur Erzeugung von Kreisprozess fluid-Nassdampf einzuleiten, bevor dieser Nassdampf in einem Verdichter 501 auf eine erste Druckstufe verdichtet wird . Dabei fördert eine Kondensatpumpe 201 diej enige Menge kondensiertes Kreisprozess fluid, welches aus dem Mischkondensator 400 der nächsthöheren Druckstufe oberhalb der Druckstufe des Verdampfers 200 austritt . Gleichzeitig stellt eine Kondensatpumpe 201 einen ausreichenden Einspritzdruck von flüssigem Kreispro zess fluid einer zweiten Druckstufe vor einer Verdichtung 501 auf eine erste Druckstufe bereit . Ansonsten wird die in Figur 2 gezeigte Wärmepumpenvorrichtung 1 wie oben beschrieben betrieben .

[ 117 ] Eine in Figur 3 gezeigte Alternative einer Wärmepumpenvorrichtung 1 weist im Unterschied zur Darstellung in Figur 2 auf , dass dampf förmiges Kreisprozess fluid nach einer Verdichtung 501 von einer zweiten Druckstufe auf eine erste Druckstufe sowie kondensiertes Kreisprozess fluid einer zweiten Druckstufe gleichzeitig in einen Mischseparator 500 einer ersten Druckstufe eingeleitet werden, um eine Überhitzung des dampf förmigen Kreisprozess fluids bei einer Verdichtung ohne vorige Einspritzung von flüssigem Kreisprozess fluid abzubauen und gesättigten Dampf auf einer ersten Druckstufe am Austritt 508 aus dem Mischseparator 500 bereitzustellen .

[ 118 ] In einer minimalen Aus führung der Wärmepumpenvorrichtung 1 mit mindestens drei Druckstufen gemäß Fig . 1 , Fig . 2 oder Fig . 3 und dem bevorzugten Einsatz von Wasser als Kreisprozess fluid kann der Verdampfer 200 unter Nutzung von Abwärme mit Temperaturen von beispielsweise 60- 80 ° C bei einer Verdampfungstemperatur von beispielsweise 54 ° C betrieben werden, welches einem Verdampfungsdruck des Kreisprozess fluids von 150 hPa entspricht . Dieser Verdampfungsdruck definiert die Betriebsbedingungen einer wärmeaufnehmenden Seite des Kreisprozesses und entspricht dem niedrigsten Kondensationsdruck des Kreisprozess fluids innerhalb des Kreisprozesses , welches gleichzeitig der niedrigsten Druckstufe der Wärmepumpenvorrichtung 1 entspricht . [119] Ausgehend von dieser niedrigsten Druckstufe im Verdampfer 200 wird das dampfförmige Kreisprozessfluid, beispielsweise Wasser, in zumindest einem Verdichter 401 auf eine zweite Druckstufe verdichtet. Der Druck der zweiten Druckstufe richtet sich nach dem erreichbaren Kompressionsverhältnis des gewählten Verdichters 401, welches beispielsweise in einem Bereich von 1, 2-6,0 liegen kann. Je nach Verdichterbauweise findet während der Verdichtung eine unterschiedlich starke Erwärmung des dampfförmigen Kreisprozessfluids statt.

[120] Ausgehend von einem Verdampfungsdruck des Kreisprozessfluids im Verdampfer 200 von 150 hPa und einem Kompressionsverhältnis im Verdichter 401 von beispielsweise 3,0 würde der Druck der zweiten Druckstufe rechnerisch bei 450 hPa liegen. Für das Kreisprozessfluid Wasser läge die mit 450 hPa korrespondierende Siede- und Kondensationstemperatur der zweiten Druckstufe bei 78,7°C.

[121] Vergleicht man diese beiden Druckstufen (150 hPa; 54,0°C) und (450 hPa; 78,7°C) beispielsweise mit einer isentropen Verdichtung mit n = K = 1,333 von einer Verdampfer- Druckstufe (150 hPa; 54,0°C) auf eine zweite Druckstufe mit 450 hPa, was einem Verdichtungsverhältnis von 3,0 entspricht, dann läge die Temperatur nach der isentropen Verdichtung bei Tv2 = 157, 4 °C, was gegenüber der korrespondierenden Kondensationstemperatur der zweiten Druckstufe von TD2 = 78, 7 °C eine Überhitzung von Tv2 - TD2 = 157, 4°C - 78,7°C = 78,7 K darstellt. [122] Diese positive Temperaturdifferenz von 78,7 K macht es möglich, dass eine Wärmeübertragung von einem auf eine Druckstufe pv2 verdichteten und dadurch überhitzen Dampf auf solch flüssiges Kreisprozessfluid möglich ist, dessen Temperatur höchstens der korrespondierenden Siedetemperatur TD2 der Druckstufe pD2 entspricht.

[123] Dieser Umstand wird genutzt, um die aus der Verdichtung auf eine Druckstufe stammende Überhitzungs- Enthalpie zur Verdampfung von flüssigem Kreisprozessfluid der gleichen Druckstufe zu übertragen und somit auf dieser Druckstufe einen höheren Anteil an dampfförmigem Kreisprozessfluid zu generieren, ohne dass dieser zusätzliche dampfförmige Anteil durch die Verrichtung von mechanischer Arbeit, also der Vernichtung von Exergie, auf diese Druckstufe verdichtet werden muss.

[124] Dieses wird erreicht, indem das in einem Verdichter 401 auf eine zweite Druckstufe verdichtete dampfförmige Kreisprozessfluid an einem Anschluss 406 für den Eintritt von dampfförmigen Kreisprozessfluid in den Mischseparator 400 der zweiten Druckstufe eintritt und dort in direkten Kontakt gebracht wird mit flüssigem Kreisprozessfluid der zweiten Druckstufe, welches sich in dem Mischseparator 400 der zweiten Druckstufe befindet.

[125] Innerhalb des Mischseparators 400 der zweiten Druckstufe bildet sich durch den direkten Kontakt von dampfförmigem und flüssigem Kreisprozessfluid und aufgrund von schnell ablaufenden Wärme- und Stoffübergangsvorgängen durch gleichzeitige Kondensation von dampfförmigem und Verdampfung von flüssigem Kreisprozessfluid ein quasistationäres Gleichgewicht, welches beispielsweise durch einen Zykloneffekt unterstützt wird, um dampfförmiges Kreisprozessfluid von flüssigem zu separieren und gleichzeitig an voneinander getrennten Anschlüssen 408, 409 aus dem Mischseparator 400 der zweiten Druckstufe separat austreten zu lassen, insbesondere dampfförmiges Kreisprozessfluid an zumindest dem Anschluss 408 und flüssiges Kreisprozessfluid an zumindest dem Anschluss 409.

[126] Dasjenige dampfförmige Kreisprozessfluid, welches an zumindest einem Anschluss 408 des Mischseparators 400 der zweiten Druckstufe austritt, wird anschließend in zumindest einem Verdichter 501 von der zweiten auf eine erste Druckstufe verdichtet, wobei dampfförmiges Kreisprozessfluid dieser ersten Druckstufe die wärmeabgebenden Seite der Wärmepumpenvorrichtung 1 durchläuft und dabei in einem Wärmeübertrager 520 indirekt Prozesswärme auf zumindest eine Wärmesenke (10, 11) überträgt und dabei kondensiert.

[127] Die Übertragung von Prozesswärme der Wärmepumpenvorrichtung 1 erfolgt demnach zumindest durch Kondensation des dampfförmigen Kreisprozessfluids bei dem Kondensationsdruck der ersten Druckstufe und der damit korrespondierenden Kondensationstemperatur . Der Druck der ersten Druckstufe richtet sich nach dem erreichbaren Kompressionsverhältnis des gewählten Verdichters 501, welches beispielsweise in einem Bereich von 1, 2-6,0 liegen kann . [128] Ausgehend von einem Druck einer zweiten Druckstufe von 450 hPa und einem Kompressionsverhältnis im Verdichter 501 von beispielsweise 4,0 liegt der Druck der zweiten Druckstufe dann bei 1.800 hPa. Für das Kreisprozessfluid Wasser liegt die mit 1.800 hPa korrespondierende Siede- und Kondensationstemperatur der zweiten Druckstufe demnach bei 116, 9°C.

[129] Bei der Übertragung von Prozesswärme auf der wärmeabgebenden Seite der Wärmepumpenvorrichtung 1 kondensiert dampfförmiges Kreisprozessfluid der ersten Druckstufe bei 116, 9°C in zumindest einem Wärmeübertrager 520 der Wärmesenke (10, 11) , wobei kondensiertes Kreisprozessfluid der ersten Druckstufe aus dem Wärmeübertrager 520 mit einer Temperatur, die nicht wesentlich unterhalb der korrespondierenden Kondensationstemperatur der ersten Druckstufe liegt, austritt und an zumindest einem Anschluss 407 in einen Mischseparator 400 einer zweiten Druckstufe eintritt, wobei die korrespondierende Siede- und Kondensationstemperatur der zweiten Druckstufe mit etwa 78,7°C deutlich unterhalb der korrespondierende Siede- und Kondensationstemperatur der ersten Druckstufe von etwa 116, 9°C liegt.

[130] Durch diese Temperaturdifferenz beim Eintritt des kondensierten Kreisprozessfluids der ersten Druckstufe in den Mischseparator 400 der zweiten Druckstufe, deren Druck wie beschrieben um den Kehrwert des Verdichtungsverhältnisses des Verdichters 501 niedriger liegt als der Druck der ersten Druckstufe, kann eine Spontanverdampfung eines weiteren Anteils an flüssigem Kreisprozessfluid auftreten.

[131] Bei solch einer Spontanverdampfung kann die überschüssige Enthalpie des mit höherer Temperatur eintretenden flüssigen Kreisprozessfluids bis zur Abkühlung auf die korrespondierende Siede- und Kondensationstemperatur der zweiten Druckstufe als Verdampfungsenthalpie genutzt werden. Bei der beschriebenen Temperaturdifferenz von 116, 9°C - 78,7°C = 38,2 K und einer angenommenen spezifischen Wärmekapazität von 4,186 kJ/kg -K des flüssigen Kreisprozessfluids wird zur isobaren Verdampfung bei dem Druck der zweiten Druckstufe von 450 hPa eine spezifische Verdampfungsenthalpie von etwa 2.313 kJ/kg benötigt. Bezogen auf den Massendurchfluss des vom kondensiertem Kreisprozessfluids der ersten Druckstufe an den Anschluss 407 für den Eintritt in den Mischseparator 400 der zweiten Druckstufe eintretenden flüssigen Kreisprozessfluids ergibt sich aus dem Verhältnis der spezifischen Enthalpien ein Massenverhältnis von (4,186 kJ/kg -K • 38,2 K) / (2.313 kJ/kg) = 0,069 kg/kg an zusätzlich verdampftem Kreisprozessfluid, ohne dass dieser zusätzliche dampfförmige Anteil in einer vorangegangenen Verdichtung, wie beispielsweise in einem Verdichter 401, durch Aufbringung von mechanischer Arbeit auf die zweite Druckstufe verdichtet werden musste.

[132] Derjenige Anteil an flüssigem Kreisprozessfluid, der an einem Anschluss 407 in den Mischseparator 400 der zweiten Druckstufe eintritt und nicht zum Abbau einer Überhitzung oder durch Spontanverdampfung verdampft wird, wird als überschüssiger Anteil an flüssigem Kreisprozessfluid der zweiten Druckstufe bezeichnet und tritt an zumindest dem Anschluss 409 aus dem Mischseparator 400 aus, von wo aus eine Weiterleitung zumindest eines Anteils direkt oder indirekt in den Verdampfer 200 erfolgt.

[133] Im Folgenden soll die zuvor beschriebene Minimalkonfiguration einer Wärmepumpenvorrichtung 1 gemäß den Figuren 1 bis 3 mit dem Kreisprozessfluid Wasser hinsichtlich der erreichbaren Heizleistungsziffer COPh und der somit erreichbaren Energieeffizienz beschrieben werden.

[134] Die zur ersten Druckstufe (1.800 hPa; 116, 9°C) korrespondierende spezifische Kondensationsenthalpie beträgt 2.213 kJ/kg als Maß für die bei der korrespondierenden Kondensationstemperatur von 116, 9°C auf der wärmeabgebenden Seite der Wärmepumpenvorrichtung 1 auf eine Wärmesenke (10, 11) übertragbare Prozesswärme. Für eine Prozesswärmeübertragung von 1 MW Leistung ist demnach ein Massenstrom an im Wärmeübertrager 520 kondensierendem Kreisprozessfluid der ersten Druckstufe von 1.628 kg/h erforderlich, welcher anschließend als flüssiges Kreisprozessfluid mit etwa 116, 9°C an einem Anschluss 407 in den Mischseparator 400 der zweiten Druckstufe eintritt.

[135] Zur Lieferung von 1.628 kg/h dampfförmigem Kreisprozessfluid der ersten Druckstufe ist eine Verdichtung mittels des Verdichters 501 von einer zweiten Druckstufe (450 hPa; 78,7°C) auf die erste Druckstufe (1.800 hPa; 116, 9°C) erforderlich. Prinzipiell kann zwischen einer trockenen Verdichtung und einer Nassdampfverdichtung unterschieden werden. Bei der Nassdampfverdichtung gemäß Fig. 1 oder Fig. 2 entspricht der austretende Massenstrom bereits dem erforderlichen Liefermassenstrom von 1.628 kg/h dampfförmigem Kreisprozessfluids der ersten Druckstufe, da exakt so viel flüssiges Kreisprozessfluid im Eintritt des Verdichters 501 versprüht wird, dass dadurch die während der Verdichtung entstehende Überhitzung abgebaut wird. Bei einer trockenen Verdichtung müsste die Überhitzung der Verdichtung in dem anschließenden Mischseparator 500 der ersten Druckstufe gemäß Fig. 3 abgebaut werden, indem rund 138 kg/h flüssiges Kreisprozessfluid aus dem Mischseparator 400 der zweiten Druckstufe in den Mischseparator 500 der ersten Druckstufe eingesprüht und aufgrund der Überhitzung des im Verdichter 501 trocken verdichteten Dampfes verdampft werden. Diese 138 kg/h flüssiges Kreisprozessfluid brauchen also nicht im Verdichter 501 durch Aufbringung von mechanischer Arbeit auf die erste Druckstufe verdichtet zu werden. Das bedeutet, dass der Massenstrom durch den Verdichter 501 lediglich 1.628 kg/h - 138 kg/h = 1.490 kg/h betragen muss. Die elektrische Leistungsaufnahme des Verdichters 501 beträgt rund 131, 6 kW.

[136] Diese im Verdichter 501 zu verdichtenden 1.490 kg/h treten aus dem Anschluss 408 des Mischseparators 400 der zweiten Druckstufe aus. Über den Anschluss 407 des Mischseparators 400 treten die im Wärmeübertrager 520 kondensierten 1.628 kg/h flüssiges Kreisprozessfluid der ersten Druckstufe ein, von denen rund 0,069 kg/kg durch Spontanverdampfung verdampfen, also werden rund 112 kg/h dampfförmiges Kreisprozessfluid der zweiten Druckstufe durch Spontanverdampfung gebildet. Von den verbleibenden rund 1.516 kg/h flüssiges Kreisprozessfluid im Mischseparator 400 werden rund 87 kg/h zum Abbau der Überhitzung aus der Verdichtung auf die zweite Druckstufe benötigt, sodass der Massenstrom dampfförmiges Kreisprozessfluid im Verdichter 401 rund 1.490 kg/h - 112 kg/h - 87 kg/h = 1.291 kg/h betragen muss. Die elektrische Leistungsaufnahme des Verdichters 401 beträgt rund 81,5 kW.

[137] Diese im Verdichter 401 zu verdichtenden 1.291 kg/h dampfförmiges Kreisprozessfluid treten aus dem Verdampfer 200 aus und werden dort zuvor auf der Druckstufe (150 hPa; 54,0°C) des Verdampfers 200 mittels indirekter Beheizung durch eine Leistung von rund 848 kW verdampft. Diese Heizleistung setzt sich zusammen aus rund 34 kW Wärmerückgewinnung aus dem am Anschluss 409 für den Austritt des aus dem Mischseparators 400 austretenden flüssigen Kreisprozessfluids sowie rund 811 kW Abwärme aus einer

Wärmequelle (14, 15) .

[138] In der Alternative der Wärmepumpenvorrichtung 1 in einer Minimalkonfiguration mit nur wenigen Hauptkomponenten gemäß Fig. 3 wird für die Verdichtung von dampfförmigem Kreisprozessfluid in den Verdichtern (401, 501) sowie für diverse Pumpen (201, 222, 251) für flüssiges Kreisprozessfluid zur Lieferung von 1.000 kW Prozesswärme insgesamt eine elektrische Leistungsaufnahme von rund 131, 6 kW + 81,5 kW + 1,9 kW = 215 kW aufgewendet. Damit beträgt die Heizleistungsziffer COPh = 4, 65 bei einem Temperaturhub von 116, 9°C - 60°C = 56,9 K. [ 139 ] Eine in den Figuren 1 bis 11 gezeigte Verdichtung mittels der entsprechenden Verdichter 301 , 311 , 401 , 501 , 601 innerhalb der j eweiligen Alternative der erfindungsgemäßen Wärmepumpenvorrichtung 1 stellt verallgemeinert dar, dass eine Verdichtung mittels der entsprechenden Verdichter 301 , 311 , 401 , 501 , 601 von dampf förmigem Kreisprozess fluid durch die Verrichtung von mechanischer Arbeit entweder in einem Verdichter in der Bauweise einer Strömungsmaschine erfolgt , wie beispielsweise einem Axialgebläse , einem Radialgebläse , einem Turbokompressor oder einer Turbine , oder dass die Verdichtung von dampf förmigem Kreisprozess fluid durch die Verrichtung von mechanischer Arbeit in einem Verdichter in der Bauweise einer Verdrängermaschine erfolgt , wie beispielsweise einem Kolbenkompressor, einem Rotationskolbenkompressor oder einem Schraubenkompressor .

[ 140 ] Eine in Figur 4 gezeigte Alternative der Wärmepumpenvorrichtung 1 weist im Unterschied zur Figur 3 auf , dass die Verdichtung mittels eines Verdichters 401 von dampf förmigem Kreisprozess fluid in einem thermischen Verdichter, wie beispielsweise einer Vakuumdampf Strahlpumpe , erfolgt , in welcher dampf förmiges Kreisprozess fluid einer ersten Druckstufe eingesetzt wird als Treibdampf , der durch thermische Verdichtung hohe Geschwindigkeiten erreicht und dadurch aufgrund von Venturi- oder Coanda-Ef f ekten einen Saugdampf in Form von dampf förmigem Kreisprozess fluid mit einem Druck niedriger als der des Treibdampfes ansaugt , wobei sich Treibdampf und Saugdampf anschließend zu einem Mischdampf mischen mit dem Druck einer zweiten Druckstufe , die einen höheren Druck hat als der Saugdampf und einen niedrigeren Druck als der Treibdampf .

[ 141 ] Eine in Figur 5 gezeigte Alternative der Wärmepumpenvorrichtung 1 weist im Unterschied zur Figur 4 auf , dass dampf förmiges Kreisprozess fluid von einer ersten Druckstufe in einem Verdichter 601 weiter verdichtet wird und dieses verdichtete dampf förmige Kreisprozess fluid eingesetzt wird als Treibdampf , der in einer thermischen Verdichtung hohe Geschwindigkeiten erreicht und dadurch aufgrund von Venturi- oder Coanda-Ef f ekten einen Saugdampf in Form von dampf förmigem Kreispro zess fluid mit einem Druck niedriger als der des Treibdampfes ansaugt , wobei sich Treibdampf und Saugdampf anschließend zu einem Mischdampf mischen mit dem Druck einer zweiten Druckstufe , die einen höheren Druck hat als der Saugdampf und einen niedrigeren Druck als der Treibdampf . Zusätzlich ist in Figur 5 dargestellt , dass ein auf der zweiten Druckstufe kondensiertes Kreisprozess fluid aus dem Mischseparator 400 einer zweiten Druckstufe in dampf förmiges Kreisprozess fluid aus einer ersten Druckstufe zur Erzeugung von Kreisprozess fluid-Nassdampf eingeleitet wird, bevor dieser Nassdampf in dem Verdichter 601 auf eine Treibdampf- Druckstufe verdichtet wird . Gleichzeitig stellt eine Kondensatpumpe 260 einen ausreichenden Einspritzdruck von flüssigem Kreisprozess fluid einer zweiten Druckstufe vor der Verdichtung mittels des Verdichter 601 auf eine Treibdampf- Druckstufe bereit .

[ 142 ] Eine in Figur 6 gezeigte Alternative der Wärmepumpenvorrichtung 1 weist im Unterschied zur Figur 3 auf, dass eine weitere dritte Druckstufe mit den einem Mischseparator 300 und einem Verdichter 301 hinzugefügt wurde und flüssiges Kreisprozessfluid aus einem Mischseparator (400, 500) einer zweiten oder ersten Druckstufe eingeleitet wird in den weiteren Mischseparator (300, 400) einer zweiten Druckstufe, deren Druck und Temperatur niedriger sind als derjenige Druck und diejenige Temperatur des eingeleiteten flüssigen Kreisprozessfluids. Dabei fördert eine Kondensatpumpe 201 diejenige Menge kondensiertes Kreisprozessfluid, welches in diesem Fall und im Unterschied zur Darstellung in den Figuren 1 bis 5 aus dem Mischkondensator 300 der nächsthöheren Druckstufe oberhalb der Druckstufe des Verdampfers 200 austritt. Gleichzeitig kann eine Verdichtung von einer niedrigen auf eine zweite Druckstufe entweder in dem Verdichter 301 in der Bauweise einer Strömungsmaschine oder Verdrängermaschine erfolgen, oder aber analog der Darstellung in Figur 4 oder Figur 5 in der Bauweise eines thermischen Verdichters.

[143] In einer weiteren Alternative einer

Wärmepumpenvorrichtung 1 kann die Leistungsziffer vergrößert werden, indem bei gleichem Temperaturhub eine Erhöhung der Anzahl Druckstufen auf beispielsweise mindestens 4 Druckstufen gemäß Fig. 6 durchgeführt wird. Wird beispielsweise statt einer ersten Druckstufe (1.800 hPa; 116, 9°C) , einer zweiten Druckstufe (450 hPa; 78,7°C) und einer Druckstufe des Verdampfers 200 (150 hPa; 54,0°C) ähnlich der Darstellungen in den Figuren 1 bis 3 die Abstufung verkleinert auf beispielsweise eine erste Druckstufe (1.800 hPa; 116, 9°C) , eine zweite Druckstufe (450 hPa; 78,7°C) , eine dritte Druckstufe (225 hPa; 62, 6°C) und eine Druckstufe des Verdampfers 200 (150 hPa; 54,0°C) , so ergibt sich eine Heizleistungsziffer COPh = 4,71 bei einem Temperaturhub von 116, 9°C - 60°C = 56,9 K, da sich durch geringere Unterschiede zwischen den Drücken der Druckstufen insgesamt mehr Exergie aus dem kondensierten Kreisprozessfluid höherer Stufen zurückgewinnen lässt.

[144] In einer weiteren Alternative einer Wärmepumpenvorrichtung 1 kann der Temperaturhub vergrößert werden, indem bei gleichbleibender Anzahl Druckstufen wie beispielsweise gemäß Fig. 6 die Verdichtungsverhältnisse einzelner Verdichter (301, 401, 501) vergrößert werden. Wird beispielsweise eine erste Druckstufe (4.044 hPa; 144, 0°C) , eine zweite Druckstufe (674 hPa; 88,9°C) , eine dritte Druckstufe (225 hPa; 62, 6°C) und eine Druckstufe des Verdampfers 200 (150 hPa; 54,0°C) eingerichtet, so ergibt sich eine Heizleistungsziffer COPh = 3,44 bei einem Temperaturhub von 144, 0°C - 60°C = 84,0 K.

[145] In einer weiteren Alternative einer Wärmepumpenvorrichtung 1 kann die Leistungsziffer vergrößert werden, indem bei gleichem Temperaturhub und gleicher Anzahl Druckstufen von beispielsweise mindestens vier Druckstufen gemäß Fig. 6 eine Aufteilung der Übertragung von Prozesswärme auf eine erste und eine zweite Wärmesenke mit unterschiedlichen Senkentemperaturen gemäß Fig. 7 durchgeführt wird. Wird sämtliche Prozesswärme auf einer einheitlichen Senkentemperatur gemäß Fig. 6 übertragen, kann beispielsweise eine Heizleistungsziffer COPh = 3,44 bei einem Temperaturhub von 84,0 K erreicht werden. [ 146 ] Bei einer Auftei lung der Prozesswärme gemäß einer weiteren Alternative der Wärmepumpenvorrichtung 1 gemäß Fig . 7 derart , dass etwa die Häl fte auf einer ersten Druckstufe und die andere Häl fte auf einer zweiten Druckstufe mittels der Wärmeübertrager 420 , 520 übertragen wird, kann beispielsweise eine Hei zleistungs zi f fer von immerhin COPh = 4 , 35 erreicht werden, ohne dass der maximale Temperaturhub von 84 , 0 K verringert werden muss .

[ 147 ] Eine in Figur 8 gezeigte Alternative der Wärmepumpenvorrichtung 1 weist im Unterschied zur Darstellung in Figur 6 auf , dass eine weitere Druckstufe mit einem Mischseparator 310 , einem Verdichter 311 und einem Kondensatabscheider 312 als dritte Druckstufe hinzugefügt wurde , wodurch die dritte Druckstufe aus Figur 6 zu einer vierten Druckstufe wurde , und flüssiges Kreisprozes s fluid aus einem Mischseparator 400 einer zweiten Druckstufe in den zur dritten Druckstufe zugeordneten Mischseparator 310 eingeleitet wird, dessen Druck und Temperatur niedriger sind als derj enige Druck und diej enige Temperatur des eingeleiteten flüssigen Kreisprozess fluids der darüberliegenden Druckstufe .

[ 148 ] Eine in Figur 9 gezeigte Alternative der Wärmepumpenvorrichtung weist im Unterschied zur Darstellung in Figur 8 auf , dass eine Verdichtung von einer Druckstufe des Verdampfers 200 auf eine vierte Druckstufe in einem Verdichter 301 auch in der Bauweise eines thermischen Verdichters erfolgen kann, wie analog der Darstellung in Figur 4 oder Figur 5 dargestellt ist und sinngemäß auch für Verdichtungsvorgänge zwischen anderen Druckstufen gilt . [ 149 ] Anhand der in den Figuren 1 bis 9 gezeigten Analogien wird deutlich, dass eine erfindungsgemäße Wärmepumpenvorrichtung 1 im Hinblick auf die Anzahl der aufgebauten Druckstufen einschließlich der erforderlichen Komponenten und Vorrichtungen pro Druckstufe sowie im Hinblick auf die Auswahl der Bauweise von Verdichtern grundsätzlich variabel erfolgen kann . Beispielsweise kann auch von einer zweiten Druckstufe ausgehend eine Verdichtung mittels einer Verdichters 601 von dampf förmigem Kreisprozess fluid zu Treibdampf erfolgen, wie in Figur 9 gezeigt , indem dampf förmiges Kreisprozess fluid aus einem Mischseparator 400 einer zweiten Druckstufe entnommen und als Treibdampf in einem Verdichter 601 verdichtet für den Betrieb einer Dampfstrahl-Vakuumpumpe genutzt wird, mit welcher dampf förmiges Kreisprozess fluid einer beliebigen tieferen Druckstufe oder, wie in Figur 9 gezeigt, aus dem Verdampfer 200 auf eine vierte Druckstufe verdichtet wird .

[ 150 ] Eine in Figur 10 gezeigte Alternative der Wärmepumpenvorrichtung 1 weist im Unterschied zur Darstellung in Figur 8 auf , dass dampf förmiges Kreisprozess fluid einer zweiten Druckstufe in zumindest einem Wärmeübertrager 420 einer Wärmesenke mit zumindest einem Zulauf 12 und zumindest einem Ablauf 13 kondensiert und indirekt Wärme an diese überträgt , wobei ein auf einer zweiten Druckstufe im Wärmeübertrager 420 der Wärmesenke kondensiertes Kreisprozess fluid in einen Mischseparator 310 einer dritten Druckstufe mit einem Druck unterhalb des desj enigen Drucks des im Wärmeübertrager 420 kondensierenden Kreisprozess fluids über zumindest einen Anschluss 317 eintritt .

[ 151 ] Eine in Figur 11 gezeigte Alternative der Wärmepumpenvorrichtung 1 weist im Unterschied zur Darstellung in Figur 10 auf , dass dampf förmiges Kreisprozess fluid einer dritten Druckstufe in zumindest einem Wärmeübertrager 420 einer Wärmesenke mit zumindest einem Zulauf 12 und zumindest einem Ablauf 13 kondensiert und indirekt Wärme an diese überträgt , wobei ein auf einer dritten Druckstufe im Wärmeübertrager einer Wärmesenke kondensiertes Kreisprozess fluid in einen Mischseparator 300 einer vierten Druckstufe mit einem Druck unterhalb des desj enigen Drucks des im Wärmeübertrager 420 kondensierenden Kreisprozess fluids über zumindest einen Anschluss 307 eintritt .

[ 152 ] Anhand der Darstellungen in den Figuren 10 und 11 wird gezeigt , dass zumindest ein zweites Temperaturniveau für eine weitere Prozesswärme-Übertragung auf zumindest eine weitere Wärmesenke in Höhe der Kondensationstemperatur einer zweiten oder dritten Druckstufe in zumindest einem Wärmeübertrager 420 einer Wärmesenke mit mindestens einem Zulauf 12 und mindestens einem Ablauf 13 bereitgestellt wird . Hierdurch wird erreicht , dass eine Prozesswärme-Übertragung auf zumindest einem zweiten Temperaturniveau bereits eine Prozesswärme-Versorgung bis zu einer Temperatur nahe der Kondensationstemperatur j ener zweiten oder dritten Druckstufe ermöglicht , wobei bis dahin auch nur diej enige mechanische Arbeit für die Verdichtung bis zu j ener zweiten oder dritten Druckstufe auf zuwenden ist . [153] Für eine verbleibende Prozesswärme-Übertragung bis zu einer Temperatur nahe der Kondensationstemperatur einer ersten Druckstufe wäre dann nur noch diejenige Differenz an mechanischer Arbeit für die Verdichtung von der schon erreichten zweiten oder dritten Druckstufe bis zu jener ersten Druckstufe aufzuwenden, jedoch mit deutlich geringerem spezifischen Prozesswärmebedarf und geringerer spezifischer mechanischer Arbeit für die Verdichtung. Durch solch eine Stufung in der Bereitstellung von Prozesswärme kann die spezifische Exergievernichtung bezogen auf die insgesamt übertragene Prozesswärme zusätzlich vorteilhaft verringert werden, was die gesamte Heizleistungsziffer nochmals erhöht.

[154] In einer nicht gezeigten Alternative einer Wärmepumpenvorrichtung 1 mit einer weiteren Unterteilung auf mindestens 7 Druckstufen, also einer ersten Druckstufe (15.550 hPa; 200, 0°C) , einer zweiten (3.390 hPa; 142, 6°C) , einer dritten (1.300 hPa; 107, 0°C) , einer vierten (441 hPa; 78,2°C) , einer fünften (260 hPa; 65,8°C) , einer sechsten (180 hPa; 57,7°C) sowie einer Druckstufe des Verdampfers 200 (150 hPa; 54,0°C) ist über einen Temperaturhub von bereits 200, 0°C - 60°C = 140,0 K immerhin eine Heizleistungsziffer COPh = 2,48 erreichbar. Auch hierbei kann die Leistungsziffer vergrößert werden, indem bei gleichem Temperaturhub und gleicher Anzahl Druckstufen eine Aufteilung der Übertragung von Prozesswärme durchgeführt wird. Erfolgt die Aufteilung derart, dass etwa die Hälfte der Prozesswärme auf der ersten Druckstufe (15.550 hPa; 200, 0°C) und die andere Hälfte auf der dritten Druckstufe (1.300 hPa; 107, 0°C) bereitgestellt wird, so erhöht sich dadurch die Heizleistungsziffer um rund +40% auf über COPh = 3,40.

[155] Zur Bereitstellung von Prozesswärme ist definitionsgemäß eine elektrische Leistungsaufnahme in Höhe des Produkts aus Prozesswärme und dem Kehrwert der Heizleistungsziffer vonnöten. Das bedeutet, dass mit einer Wärmepumpenvorrichtung 1 für eine Bereitstellung von Prozesswärme auf einem Temperaturniveau von beispielsweise 200°C lediglich eine elektrische Leistungsaufnahme von weniger als 0,3 kWel/kW Prozesswärme erforderlich ist, welches einer Einsparung von über 70% Primärenergieeinsatz und 100% Reduzierung fossiler Prozesswärmeerzeugung mittels der Wärmepumpenvorrichtung 1 gleichkommt.

[156] Die Wärmepumpenvorrichtungen 1 weisen eine hohe Energieeffizienz auf und sind flexibel, modular erweiterbar und an unterschiedlichste Anforderungen bezüglich erforderlicher Senkentemperaturen und/oder anderer Parameter anpassbar .

Bezugs zeichenliste

1 Wärmepumpenvorrichtung

2 Steuerungs- und Regeleinheit

5 Trocknervorrichtung

10 Zulauf einer ersten Wärmesenke

11 Ablauf einer ersten Wärmesenke

12 Zulauf einer zweiten Wärmesenke

13 Ablauf einer zweiten Wärmesenke

14 Zulauf einer Wärmequelle

15 Ablauf einer Wärmequelle

200 Verdampfer

201 Kondensatpumpe

202 Regelventil

220 Wärmeübertrager einer Wärmequelle

222 Umlaufpumpe

250 Kondensatpumpe zum Einsprühen vor einem Verdichter

251 Kondensatpumpe zum Einsprühen in einen Mischseparator

252 Regelventil

260 Kondensatpumpe zum Einsprühen vor einem

Treibdampfverdichter

300 Mischseparator einer dritten Druckstufe

301 Verdichter auf den Druck einer dritten Druckstufe

306 Anschluss für den Eintritt von dampf förmigem

Kreisprozess fluid

307 Anschluss für den Eintritt von kondensiertem

Kreisprozess fluid

308 Anschluss für den Austritt von dampf förmigem

Kreisprozess fluid

309 Anschluss für den Austritt von kondensiertem

Kreisprozess fluid Mischseparator einer weiteren Druckstufe Verdichter auf den Druck einer weiteren Druckstufe Kondensatabscheider einer weiteren Druckstufe Anschluss für den Eintritt von dampf förmigem Kreisprozess fluid Anschluss für den Eintritt von kondensiertem Kreisprozess fluid Anschluss für den Austritt von dampf förmigem Kreisprozess fluid Anschluss für den Austritt von kondensiertem Kreisprozess fluid Wärmeübertrager einer Wärmesenke einer dritten Druckstufe Kondensatabscheider eines Wärmeübertragers einer dritten Druckstufe Mischseparator einer zweiten Druckstufe Verdichter auf den Druck einer zweiten Druckstufe Kondensatabscheider einer zweiten Druckstufe Anschluss für den Eintritt von dampf förmigem Kreisprozess fluid Anschluss für den Eintritt von kondensiertem Kreisprozess fluid Anschluss für den Austritt von dampf förmigem Kreisprozess fluid Anschluss für den Austritt von kondensiertem Kreisprozess fluid Wärmeübertrager einer Wärmesenke einer zweiten Druckstufe Kondensatabscheider eines Wärmeübertragers einer zweiten Druckstufe 500 Mischseparator einer ersten Druckstufe

501 Verdichter auf den Druck einer ersten Druckstufe

502 Kondensatabscheider einer ersten Druckstufe

506 Anschluss für den Eintritt von dampf förmigem Kreisprozess fluid

507 Anschluss für den Eintritt von kondensiertem Kreisprozess fluid

508 Anschluss für den Austritt von dampf förmigem Kreisprozess fluid 509 Anschluss für den Austritt von kondensiertem

Kreisprozess fluid

520 Wärmeübertrager einer Wärmesenke einer ersten Druckstufe

522 Kondensatabscheider eines Wärmeübertragers einer ersten Druckstufe

601 Verdichter zur Erzeugung von Treibdampf

Claims

Patentansprüche :

1. Wärmepumpenvorrichtung (1) zum energieeffizienten Erzeugen einer Prozesswärme, wobei die Wärmepumpenvorrichtung (1) eine wärmeaufnehmende Seite, eine wärmeabgebende Seite, ein Kreisprozessfluid und einen Verdampfer (200) auf der wärmeaufnehmenden Seite aufweist, und der Wärmepumpenvorrichtung (1) auf der wärmeabgebenden Seite mindestens ein Wärmeübertrager (520) und mindestens eine Wärmesenke (10, 11) und auf der wärmeaufnehmenden Seite mindestens eine Wärmequelle (14, 15) zuordenbar sind, wobei mittels des Verdampfers (200) flüssiges Kreisprozessfluid durch Wärmezufuhr von der zuordenbaren Wärmequelle (14, 15) indirekt beheizbar und auf einer Druckstufe des Verdampfers (200) verdampfbar ist, und die Wärmepumpenvorrichtung (1) mindestens einen dem Verdampfer (200) nachgeschalteten ersten Verdichter (401) aufweist, wobei mittels des mindestens ersten Verdichters (401) dampfförmiges Kreisprozessfluid von der Druckstufe des Verdampfers (200) auf eine zweite Druckstufe verdichtbar ist, und die Wärmepumpenvorrichtung (1) mindestens einen ersten Mischseparator (400) in der zweiten Druckstufe aufweist, wobei der mindestens erste Mischseparator (400) einen ersten Anschluss (406) zum Eintritt von dampfförmigen Kreisprozessfluid, einen zweiten Anschluss (407) zum Eintritt von kondensiertem Kreisprozessfluid, einen dritten Anschluss (408) zum Austritt von dampfförmigen Kreisprozessfluid und optional einen vierten Anschluss (409) zum Austritt von kondensiertem Kreisprozessfluid aufweist und dem Mischseparator (400) mindestens ein zweiter Verdichter (501) nachgeschaltet ist, sodass aus dem dritten Anschluss (408) austretendes dampfförmiges Kreisprozessfluid in dem mindestens zweiten Verdichter (501) von der zweiten Druckstufe auf eine erste Druckstufe verdichtbar ist und mittels des mindestens einen zugeordneten Wärmeübertragers (520) von dem dampfförmigen Kreisprozessfluid der ersten Druckstufe indirekt Prozesswärme auf die mindestens eine zuordenbare Wärmesenke (10, 11) übertragbar ist und jenes in dem mindestens einen Wärmeübertrager (520) kondensierte Kreisprozessfluid über den zweiten Anschluss (407) in den mindestens ersten Mischseparator (400) der zweiten Druckstufe zurückführbar ist, wobei gleichzeitig dampfförmiges Kreisprozessfluid aus dem mindestens ersten Verdichter (401) über den ersten Anschluss (406) in den Mischseparator (400) einleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens erste Mischseparator (400) den vierten Anschluss (409) zum Austritt von kondensiertem Kreisprozessfluid aufweist, sodass das austretende kondensierte Kreisprozessfluid direkt oder indirekt in den Verdampfer (200) zurückführbar und/oder dem mindestens zweiten Verdichter (501) zuführbar ist . Wärmepumpenvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpenvorrichtung (1) den mindestens einen der ersten Druckstufe zugeordneten Wärmeübertrager (520) und/oder einen der zweiten Druckstufe zugeordneten Wärmeübertrager (420) und/oder einen einer unterhalb der zweiten Druckstufe zugeordneten Wärmeübertrager (320) auf der wärmeabgebenden Seite aufweist . Wärmepumpenvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpenvorrichtung (1) die mindestens eine Wärmequelle (14, 15) und/oder die mindestens eine Wärmesenke (10, 11) aufweist . Wärmepumpenvorrichtung (1) nach einem der vorherigen

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die

Wärmepumpenvorrichtung (1) einen zweiten Mischseparator, einen dritten Mischseparator, einen vierten Mischseparator und/oder optional weitere Mischseparatoren (300, 310) aufweist, wobei dem jeweiligen Mischseparator (300, 310) jeweils ein weiterer Verdichter (301, 311) vorgeschaltet ist . Wärmepumpenvorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mischseparator oder zwei oder mehrere Mischseparatoren (300, 310) dem ersten

Mischseparator (400) vorgeschaltet ist oder sind, wobei das dampfförmige Kreisprozessfluid des jeweils vorgeschalteten Mischseparators (300, 310) über einen jeweiligen nachgeschalteten Verdichter (311, 401) dem nachfolgenden Mischseparator (310, 400) zuführbar ist und/oder das flüssige Kreisprozessfluid aus dem jeweils nachgeschalteten Mischseparator (310, 400) mit einem höheren Druck und/oder einer höheren Temperatur als in dem vorgeschalteten Mischseparator (300, 310) in den vorgeschalteten

Mischseparator (300, 310) zurückführbar ist. Wärmepumpenvorrichtung (1) nach einem der vorherigen

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem mindestens einen Wärmeübertrager (520) jeweils ein Kondensatabscheider (522) und/oder dem zweiten Wärmeübertrager (420) jeweils ein Kondensatabscheider (422) und/oder weiteren Wärmeübertrager (320) jeweils ein Kondensatabscheider (322) zum Rückführen von kondensiertem Kreisprozessfluid aus der ersten Druckstufe in den ersten Mischseparator (400) und/oder von kondensiertem Kreisprozessfluid aus der zweiten oder einer dritten Druckstufe in einen vorgeschalteten Mischkondensator (300, 310) nachgeschaltet ist . Wärmepumpenvorrichtung (1) nach einem der vorherigen

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem vierten

Anschluss (409) zum Austritt von kondensiertem Kreisprozessfluid des ersten Mischseparators, eines vorgeschalteten Mischseparators und/oder des jeweiligen Mischseparators (300, 310, 400, 500) ein Kondensatabscheider (312, 402, 502) zum Zurückführen des kondensierten Kreisprozessfluids in den jeweils vorgeschalteten Mischseparator (300, 310, 400) oder in den Verdampfer (200) angeordnet ist oder sind. Wärmepumpenvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Mischseparator (500) dem ersten Mischseparator (400) in der zweiten Druckstufe nachgeschaltet ist, wobei der weitere Mischseparator (500) in der ersten Druckstufe angeordnet. Wärmepumpenvorrichtung (1) nach einem der vorherigen

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpenvorrichtung (1) eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (2) zum Steuern und/oder Regeln von Komponenten der Wärmepumpenvorrichtung (1) und optional der mindestens einen Wärmequelle (14, 15) und/oder der mindestens einen Wärmesenke (10, 11) aufweist. Wärmepumpenvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Anschluss (407) zum Eintritt von kondensiertem Kreisprozessfluid eine Versprüheinrichtung zum Versprühen des in den ersten Mischseparator oder den jeweiligen Mischseparator eintretenden, flüssigen Kreisprozessfluids aufweist . Trocknervorrichtung zum Trocknen eines zu trocknenden Gutes mittels eines erhitzten Prozessgasstroms, wobei die Trocknervorrichtung eine Wärmepumpenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 aufweist, sodass auf der wärmeabgebenden Seite der Wärmepumpenvorrichtung (1) der Prozessgasstrom als Wärmesenke (10, 11) erhitzbar ist. Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpenvorrichtung (1) zum energieeffizienten Erzeugen einer Prozesswärme, insbesondere in einem Temperaturbereich zwischen 100°C und 250°C, mittels einer Wärmepumpenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit folgenden Schritten:

- Beheizen eines flüssigen Kreisprozessfluids durch indirekte Wärmezufuhr von einer Wärmequelle (14, 15) und Verdampfen des flüssigen Kreisprozessfluid in einem Verdampfer (200) auf einer Druckstufe des Verdampfers (200) ,

- Verdichten des dampfförmigen Kreisprozessfluids mittels eines ersten Verdichters (301, 401) auf eine zweite

Druckstufe,

- Zuführen des verdichteten dampfförmigen

Kreisprozessfluids in mindestens einem Mischseparator (400) einer zweiten Druckstufe,

- Zuführen des aus dem mindestens einem Mischseparator (400) austretenden dampfförmigen Kreisprozessfluids in mindestens einem zweiten Verdichter (501) und Verdichten des dampfförmigen Kreisprozessfluid von der zweiten Druckstufe auf eine erste Druckstufe,

- Übertragen einer Prozesswärme von dem verdichteten, dampfförmigen Kreisprozessfluid der ersten Druckstufe auf mindestens eine zuordenbare Wärmesenke (10, 11) ,

- und optional Rückführen des kondensierten Kreisprozessfluids der ersten Druckstufe in den mindestens einen Mischseparator (400) . Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Kreisprozessfluid Wasser, ein Alkohol und/oder eine wasserlösliche organische Substanz verwendet wird oder werden . Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass in einem aus dem Mischseparator (300, 400) austretenden Strom des kondensierten Kreisprozessfluids mittels einer Kondensatpumpe (201) eine Druckerhöhung durchgeführt wird, anschließend dieser Strom mit einem Strom flüssigen Kreisprozessfluids, welches zuvor in einem Wärmeübertrager (220) einer Wärmequelle (14, 15) indirekt erwärmt wurde, gemischt wird und die gemischten Ströme zur indirekten Beheizung des Verdampfers (200) verwendet werden. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem aus dem mindestens einen Mischseparator (300, 400) austretenden Strom des kondensierten Kreisprozessfluids mittels zumindest einer Kondensatpumpe (201) eine Druckerhöhung durchgeführt wird, anschließend dieser Strom in dampfförmiges Kreisprozessfluid aus dem mindestens einem Mischseparator (400) zur Erzeugung von Kreisprozessfluid-Nassdampf eingeleitet wird, bevor der Kreisprozessfluid-Nassdampf in dem nachgeschalteten Verdichter (501) auf die erste Druckstufe verdichtet wird.