DE102017202227A1 - Method for operating a heat pump system, heat pump system and power plant with a heat pump system - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanlage (1) vorgeschlagen, bei dem ein Arbeitsfluid innerhalb eines gerichteten Arbeitskreislaufes (100) der Wärmepumpenanlage (1) zirkuliert, bei dem das Arbeitsfluid mittels eines Verdichters (20,...,25) verdichtet und mittels eines Verflüssigers (4) verflüssigt wird, bei dem ein Massenstrom des Arbeitsfluids vor der Zuleitung zu einem ersten und zweiten Verdampfer (31, 32) aufgeteilt (102) und dem ersten und zweiten Verdampfer (31, 32) parallel zugeführt wird und bei dem das Arbeitsfluid bei einem ersten Verdampfungsdruck (411) im ersten Verdampfer (31) und bei einem gegenüber dem ersten Verdampfungsdruck (411) verringerten zweiten Verdampfungsdruck (412) im zweiten Verdampfer (32) verdampft wird. Erfindungsgemäß wird der erste Verdampfer (31) thermisch mit einer ersten Wärmequelle (41) mit einer ersten Wärmequellentemperatur und der zweite Verdampfer (32) thermisch mit einer zweiten Wärmequelle (42), die eine gegenüber der ersten Wärmequellentemperatur geringere zweite Wärmequellentemperatur aufweist, gekoppelt.Die Erfindung betrifft weiterhin eine Wärmepumpenanlage (1) sowie ein Kraftwerk, welches eine erfindungsgemäße Wärmepumpenanlage umfasst.The invention relates to a method for operating a heat pump system (1), in which a working fluid circulates within a directed working circuit (100) of the heat pump system (1), in which the working fluid is compressed by means of a compressor (20, ..., 25) and a condenser (4) is liquefied, in which a mass flow of the working fluid before the supply line to a first and second evaporator (31, 32) divided (102) and the first and second evaporator (31, 32) is supplied in parallel and wherein the Working fluid at a first evaporation pressure (411) in the first evaporator (31) and at a relation to the first evaporation pressure (411) reduced second evaporation pressure (412) in the second evaporator (32) is evaporated. According to the invention, the first evaporator (31) is thermally coupled to a first heat source (41) having a first heat source temperature and the second evaporator (32) is thermally coupled to a second heat source (42) having a lower second heat source temperature than the first heat source temperature The invention further relates to a heat pump system (1) and a power plant, which comprises a heat pump system according to the invention.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanlage, eine Wärmepumpenanlage mit wenigstens zwei Verdampfern sowie ein Kraftwerk, insbesondere eines Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk (abgekürzt: GuD-Kraftwerk) mit einer erfindungsgemäßen Wärmepumpenanlage.The invention relates to a method for operating a heat pump system, a heat pump system with at least two evaporators and a power plant, in particular a gas-and-steam combined cycle power plant (abbreviated: CCPP) with a heat pump system according to the invention.
In Wärmepumpen wird durch die Verdampfung eines Arbeitsfluids, welches Arbeitsfluid innerhalb der Wärmepumpe in einem gerichteten Arbeitskreislauf zirkuliert, durch die Verdampfung des Arbeitsfluids, thermische Energie, das heißt Wärme, von einer Wärmequelle aufgenommen und an eine Wärmesenke abgegeben. Hierbei wird die aufgenommene thermische Energie mittels eines Verdichters auf ein erhöhtes Druckniveau gebracht und anschließend bei einer im Vergleich zu einer Verdampfungstemperatur erhöhten Verflüssigungstemperatur verflüssigt. Je größer die betragsmäßige Differenz (Temperaturhub) zwischen der Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur des Arbeitsfluids, desto niedriger ist die Effizienz der Wärmepumpe. Die Effizienz einer Wärmepumpe wird mittels einer Leistungszahl (eng. Coefficient of Performance; COP) gemessen, wobei die Leistungszahl bestenfalls durch den reziproken Wirkungsgrad eines Carnot-Prozesses gegeben ist.In heat pumps is absorbed by the evaporation of a working fluid, which circulates working fluid within the heat pump in a directed working cycle, by the evaporation of the working fluid, thermal energy, that is heat, taken from a heat source and delivered to a heat sink. In this case, the absorbed thermal energy is brought by means of a compressor to an elevated pressure level and then liquefied at an increased compared to an evaporation temperature condensing temperature. The greater the difference in magnitude (temperature swing) between the evaporating and condensing temperature of the working fluid, the lower the efficiency of the heat pump. The efficiency of a heat pump is measured by means of a Coefficient of Performance (COP), which is best given by the reciprocal efficiency of a Carnot process.
Liegt beispielsweise eine Verdampfungstemperatur von 40 °C sowie ein Temperaturhub von 100 K vor, so beträgt die Leistungszahl 4,13. Hierbei erfolgt die Verflüssigung des Arbeitsfluids bei einer Verflüssigungstemperatur von 140 °C.For example, if there is an evaporation temperature of 40 ° C and a temperature of 100 K, the coefficient of performance is 4.13. Here, the liquefaction of the working fluid takes place at a liquefaction temperature of 140 ° C.
Um folglich eine hohe Effizienz der Wärmepumpe zu erreichen, sollte die Verdampfungstemperatur, das heißt die Temperatur, bei der die Verdampfung des Arbeitsfluids erfolgt, möglichst hoch sein. Ferner ist es von Vorteil, wenn die Übertragung der thermischen Energie von der Wärmequelle auf das Arbeitsfluid bei einer möglichst geringen Differenz zwischen der Temperatur der Wärmequelle und der Verdampfungstemperatur erfolgt.Consequently, in order to achieve a high efficiency of the heat pump, the evaporation temperature, that is, the temperature at which the evaporation of the working fluid takes place, should be as high as possible. Furthermore, it is advantageous if the transmission of the thermal energy from the heat source to the working fluid takes place with the smallest possible difference between the temperature of the heat source and the evaporation temperature.
Insbesondere können mittels einer bekannten Wärmepumpe oder einer bekannten Wärmepumpenanlage eine Mehrzahl von verschieden temperierten Wärmequellen typischerweise nicht effizient bezüglich ihres Wärmeinhaltes genutzt werden. Der größte Teil der Wärme solcher Wärmequellen bleibt daher nach dem Stand der Technik ungenutzt.In particular, by means of a known heat pump or a known heat pump system, a plurality of different temperature-controlled heat sources can not typically be used efficiently with respect to their heat content. The majority of the heat of such heat sources therefore remains unused in the prior art.
Ein Grund für die genannte ungenügende thermische Nutzung von verschieden temperierten Wärmequellen ist, dass nach dem Stand der Technik verwendete Wärmepumpen keinen Temperaturgleit bei der Wärmeaufnahme von den Wärmequellen (Wärmequellenseite) aufweisen. Das heißt, dass die Verdampfung des Arbeitsfluids der Wärmepumpe typischerweise isotherm und somit ohne signifikante Änderung der Verdampfungstemperatur erfolgt.One reason for the said inadequate thermal utilization of heat sources of different temperature is that heat pumps used in the prior art have no temperature slippage in the heat absorption from the heat sources (heat source side). That is, the evaporation of the working fluid of the heat pump is typically isothermal and thus without any significant change in the evaporation temperature.
Aus der
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wärmegewinnung oder Wärmerückgewinnung aus einer Mehrzahl verschiedener Wärmequellen zu verbessern.The present invention has for its object to improve the heat recovery or heat recovery from a plurality of different heat sources.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1, durch eine Wärmepumpenanlage mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 13 sowie durch ein Kraftwerk mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 19 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.The object is achieved by a method having the features of
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanlage zirkuliert ein Arbeitsfluid innerhalb eines gerichteten Arbeitskreislaufes der Wärmepumpenanlage. Das Arbeitsfluid wird mittels eines Verdichters verdichtet und mittels eines Verflüssigers verflüssigt. Erfindungsgemäß wird ein Massenstrom des Arbeitsfluids vor der Zuleitung zu wenigstens einem ersten und zweiten Verdampfer aufgeteilt und wenigstens dem ersten und zweiten Verdampfer parallel zugeführt, wobei das Arbeitsfluid bei einem ersten Verdampfungsdruck im ersten Verdampfer und bei einem gegenüber dem ersten Verdampfungsdruck verringerten zweiten Verdampfungsdruck im zweiten Verdampfer verdampft.In the method according to the invention for operating a heat pump system, a working fluid circulates within a directed working cycle of the heat pump system. The working fluid is compressed by means of a compressor and liquefied by means of a condenser. According to the invention, a mass flow of the working fluid is split before the feed line to at least a first and second evaporator and fed in parallel to at least the first and second evaporator, wherein the working fluid at a first evaporation pressure in the first evaporator and at a second evaporation pressure in the second evaporator reduced compared to the first evaporation pressure evaporated.
Weiterhin wird erfindungsgemäß der erste Verdampfer thermisch mit einer ersten Wärmequelle mit einer ersten Wärmequellentemperatur und der zweite Verdampfer thermisch mit einer zweiten Wärmequelle, die eine gegenüber der ersten Wärmequellentemperatur geringere zweite Wärmequellentemperatur aufweist, gekoppelt.Furthermore, according to the invention, the first evaporator is thermally coupled to a first heat source having a first heat source temperature and the second evaporator is thermally coupled to a second heat source having a lower second heat source temperature than the first heat source temperature.
Mit anderen Worten wird der Massenstrom des Arbeitsfluids vor der Zuleitung zum ersten und zweiten Verdampfer wenigstens in einen ersten und zweiten Teilmassenstrom aufgeteilt, wobei der erste Teilmassenstrom zum ersten und der zweite Teilmassenstrom zum zweiten Verdampfer geleitet.In other words, the mass flow of the working fluid is divided before the supply line to the first and second evaporator at least in a first and second partial mass flow, wherein the first partial mass flow to the first and the second partial mass flow directed to the second evaporator.
Erfindungsgemäß erfolgt die Verdampfung des Arbeitsfluids in zwei parallelen Verfahrensschritten, das heißt die Verdampfung des Arbeitsfluids erfolgt in zwei bezüglich des Massenstromes des Arbeitsfluids parallel geschalteten Verdampfern. Hierbei weist erfindungsgemäß der erste Verdampfer einen gegenüber dem zweiten Verdampfer vergrößerten Verdampfungsdruck auf. Aufgrund des gegenüber dem ersten Verdampfungsdruck verringerten zweiten Verdampfungsdruckes erfolgt die Verdampfung des Arbeitsfluids mittels des zweiten Verdampfers bei einer zweiten Verdampfungstemperatur, die gegenüber einer ersten Verdampfungstemperatur im ersten Verdampfer verringert ist.According to the invention, the evaporation of the working fluid is carried out in two parallel process steps, that is, the evaporation of the working fluid takes place in two with respect to the mass flow of the working fluid connected in parallel evaporators. Here, according to the invention, the first evaporator has a relation to the second evaporator increased evaporation pressure on. Due to the second evaporation pressure, which is lower than the first evaporation pressure, the evaporation of the working fluid by means of the second evaporator takes place at a second evaporation temperature, which is reduced compared to a first evaporation temperature in the first evaporator.
Wird die erste Wärmequelle zum ersten Verdampfer geführt, das heißt mit diesem thermisch gekoppelt, und die zweite Wärmequelle zum zweiten Verdampfer geführt, das heißt mit diesem thermisch gekoppelt, so wird die thermische Energie der Wärmequellen kaskadenartig verwendet. Die Wärmequellen werden folglich in Reihe mit den Verdampfern thermisch gekoppelt, wobei die Temperatur der Wärmequellen (Wärmequellentemperatur) sich in Reihe der Verdampfer verringert. Es kann somit die jeweilige Verdampfungstemperatur, das heißt die Temperatur bei der die Verdampfung des Arbeitsfluids im ersten und/oder zweiten Verdampfer erfolgt, an die Wärmequellentemperatur der mit dem jeweiligen Verdampfer thermisch gekoppelten Wärmequelle angepasst werden.If the first heat source is conducted to the first evaporator, that is to say thermally coupled thereto, and the second heat source is led to the second evaporator, that is to say thermally coupled thereto, then the thermal energy of the heat sources is used in cascade. The heat sources are thus thermally coupled in series with the evaporators, with the temperature of the heat sources (heat source temperature) decreasing in series with the evaporators. It is therefore possible for the respective evaporation temperature, that is to say the temperature at which the evaporation of the working fluid in the first and / or second evaporator takes place, to be adapted to the heat source temperature of the heat source thermally coupled to the respective evaporator.
Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß jeder Verdampfer mit einer verschiedenen Wärmequelle thermisch gekoppelt. Die Verdampfer sind hierbei bezüglich des Arbeitskreislaufes parallel geschaltet. Dadurch erfolgt eine mehrstufige, wenigstens zweistufige Verdampfung des Arbeitsfluids auf unterschiedlichen Druckniveaus.In other words, according to the invention, each evaporator is thermally coupled to a different heat source. The evaporators are connected in parallel with respect to the working cycle. This results in a multi-stage, at least two-stage evaporation of the working fluid at different pressure levels.
Durch die erfindungsgemäße mehrstufige, wenigstens zweistufige Verdampfung, wird folglich ein Temperaturgleit auf der Wärmequellenseite der Wärmepumpenanlage ermöglicht. Dadurch kann eine Mehrzahl von verschieden temperierten Wärmequellen (erste und zweite Wärmequelle) effizient mit der Wärmepumpenanlage thermisch genutzt werden, ohne die Effizienz der Wärmepumpenanlage zu verringern. Mit anderen Worten wird es mit der vorliegenden Erfindung möglich eine Mehrzahl von Wärmequellen auf verschiedenen Temperaturniveaus effizient einzubinden.As a result of the multistage, at least two-stage evaporation according to the invention, a temperature sliding on the heat source side of the heat pump system is consequently made possible. As a result, a plurality of different temperature-controlled heat sources (first and second heat source) can be efficiently used thermally with the heat pump system, without reducing the efficiency of the heat pump system. In other words, with the present invention, it becomes possible to efficiently integrate a plurality of heat sources at different temperature levels.
Die erfindungsgemäße Wärmepumpenanlage umfasst wenigstens einen Verdichter, einen Verflüssiger und wenigstens einen ersten und zweiten Verdampfer, wobei die Wärmepumpenanlage einen gerichteten Arbeitskreislauf für ein zirkulierendes Arbeitsfluid aufweist. Erfindungsgemäß ist der Arbeitskreislauf der Wärmepumpenanlage dazu ausgelegt, einen Massenstrom des Arbeitsfluids vor einer Zuleitung des Arbeitsfluids zum ersten und zweiten Verdampfer aufzuteilen und parallel dem ersten und zweiten Verdampfer zuzuführen, wobei der erste Verdampfer einen ersten Verdampfungsdruck und der zweite Verdampfer einen gegenüber dem ersten Verdampfungsdruck geringeren zweiten Verdampfungsdruck aufweist.The heat pump system according to the invention comprises at least one compressor, a condenser and at least one first and second evaporator, wherein the heat pump system has a directed working circuit for a circulating working fluid. According to the invention, the working cycle of the heat pump system is designed to divide a mass flow of the working fluid upstream of a supply line of the working fluid to the first and second evaporators and to supply them in parallel to the first and second evaporators, wherein the first evaporator has a first evaporation pressure and the second evaporator has a lower pressure than the first evaporation pressure having second evaporation pressure.
Weiterhin umfasst die Wärmepumpenanlage erfindungsgemäß wenigstens eine erste und zweite Wärmequelle, wobei die erste Wärmequelle eine erste Wärmequellentemperatur und die zweite Wärmequelle eine gegenüber der ersten Wärmequellentemperatur geringere zweite Wärmequellentemperatur aufweist, und die erste Wärmequelle thermisch mit dem ersten Verdampfer und die zweite Wärmequelle thermisch mit dem zweiten Verdampfer gekoppelt ist.According to the invention, the heat pump installation further comprises at least one first and second heat source, the first heat source having a first heat source temperature and the second heat source having a second heat source temperature lower than the first heat source temperature, and the first heat source thermally with the first evaporator and the second heat source thermally with the second Evaporator is coupled.
Mittels der erfindungsgemäßen Wärmepumpenanlage wird ein Rankine-Wärmepumpenprozess ermöglicht, welcher einen Temperaturgleit auf der Wärmequellenseite aufweist. Ferner können Wärmequellen auf verschiedenen Temperaturniveaus effizient in einen Wärmepumpenkreislauf eingebunden werden. Es ergeben sich zum bereits genannten erfindungsgemäßen Verfahren gleichartige und gleichwertige Vorteile.By means of the heat pump system according to the invention, a Rankine heat pump process is made possible which has a temperature slide on the heat source side. Furthermore, heat sources at different temperature levels can be efficiently integrated into a heat pump cycle. There are similar and the same advantages to the already mentioned inventive method.
Das erfindungsgemäße Kraftwerk umfasst eine Wärmepumpenanlage gemäß der vorliegenden Erfindung.The power plant according to the invention comprises a heat pump system according to the present invention.
Es ergeben sich zum erfindungsgemäßen Verfahren und zur erfindungsgemäßen Wärmepumpenanlage gleichartige und gleichwertige Vorteile.There are similar and equivalent advantages to the process of the invention and the heat pump system according to the invention.
Bevorzugt sind die Wärmequellen als verschieden temperierte Abwärmequellen des Kraftwerkes ausgebildet sind.Preferably, the heat sources are designed as different temperature-controlled waste heat sources of the power plant.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als erste und zweite Wärmequelle jeweils eine verschiedene Abwärme eines Kraftwerkes, insbesondere eines Gas-und-Dampf-Kombikraftwerks (GuD-Kraftwerk), verwendet.According to an advantageous embodiment of the invention is used as the first and second heat source in each case a different waste heat of a power plant, in particular a gas and steam combined cycle power plant (combined cycle power plant).
Dadurch kann vorteilhafterweise mehr Abwärme des Kraftwerkes, welche beispielsweise durch den Betrieb des Kraftwerkes anfällt, rückgewonnen werden. Weiterhin können vorteilhafterweise Kühlvorrichtung eingespart werden, sodass sich niedrigere Investitionskosten ergeben. Dies ist insbesondere für ein Gas-und-Dampf-Kombinationskraftwerk von Vorteil, da dieses typischerweise eine Mehrzahl von verschiedenen Abwärmequellen aufweist.This can advantageously more waste heat of the power plant, which is obtained for example by the operation of the power plant, be recovered. Furthermore, advantageously cooling device can be saved, resulting in lower investment costs. This is particularly advantageous for a gas and steam combined cycle power plant, as it typically has a plurality of different waste heat sources.
Hierbei ist es besonders bevorzugt, wenn als erste Wärmequelle eine Abwärme eines Rauchgases und als zweite Wärmequelle eine Abwärme einer Transformatorkühlung verwendet wird.In this case, it is particularly preferred if waste heat of a flue gas is used as the first heat source and waste heat of a transformer cooling is used as the second heat source.
Das ist deshalb der Fall, da die genannten Wärmequellen typischerweise eine in Bezug auf weitere Abwärmequellen hohe Temperatur aufweisen.This is the case because the said heat sources typically have a high temperature with respect to other waste heat sources.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird wenigstens für eine der Wärmequellen eine Abwärme eines Rauchgases, einer Transformatorkühlung, einer Getriebekühlung, einer Motorkühlung, einer Kondensatorkühlung einer Einhausung eines Abhitzedampferzeugers, einer Gasturbinen-Schallhaube, einer Generatorkühlung und/oder einer Schmiermediumversorgung verwendet. In an advantageous embodiment of the invention, at least for one of the heat sources waste heat of a flue gas, transformer cooling, transmission cooling, engine cooling, condenser cooling a housing of a heat recovery steam generator, a gas turbine acoustic hood, a generator cooling and / or a lubricating medium supply is used.
Vorteilhafterweise kann dadurch eine Vielzahl von Abwärmequellen eines Kraftwerkes zur Rückgewinnung thermischer Energie verwendet werden. Dadurch wird die Effizienz des Kraftwerkes erhöht.Advantageously, a plurality of waste heat sources of a power plant for recovering thermal energy can thereby be used. This increases the efficiency of the power plant.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Arbeitsfluid vor der Zuleitung zum ersten Verdampfer einem ersten Expansionsventil und vor der Zuleitung zum zweiten Verdampfer einem zweiten Expansionsventil parallel zugeführt.According to an advantageous embodiment of the invention, the working fluid is supplied in parallel to the supply line to the first evaporator a first expansion valve and before the supply line to the second evaporator a second expansion valve.
Mit anderen Worten findet eine Entspannung beziehungsweise eine Expansion des Arbeitsfluids mittels des ersten und zweiten Expansionsventils bevorzugt parallel statt. Hierzu wird der Massenstrom des Arbeitsfluids vor dem ersten und zweiten Verdampfer und vor dem ersten und zweiten Expansionsventil in einen ersten und zweiten Teilmassenstrom aufgeteilt, wobei der erste Teilmassenstrom zum ersten und der zweite Teilmassenstrom zum zweiten Expansionsventil geleitet wird. Mittels des ersten und zweiten Expansionsventils wird das Arbeitsfluid auf den ersten und zweiten Verdampfungsdruck gebracht. Mit anderen Worten wird mittels des ersten Expansionsventils der erste Verdampfungsdruck im ersten Verdampfer und mittels des zweiten Expansionsventils der zweite Verdampfungsdruck im zweiten Verdampfer eingestellt.In other words, a relaxation or expansion of the working fluid by means of the first and second expansion valve preferably takes place in parallel. For this purpose, the mass flow of the working fluid before the first and second evaporator and before the first and second expansion valve is divided into a first and second partial mass flow, wherein the first partial mass flow to the first and the second partial mass flow to the second expansion valve is passed. By means of the first and second expansion valve, the working fluid is brought to the first and second evaporation pressure. In other words, by means of the first expansion valve the first evaporation pressure in the first evaporator and by means of the second expansion valve the second evaporation pressure in the second evaporator is set.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird zum Verdichten des Arbeitsfluids ein erster und ein zweiter Verdichter verwendet, wobei das aus dem ersten Verdampfer ausgeleitete Arbeitsfluid dem ersten Verdichter und das aus dem zweiten Verdampfer ausgeleitete Arbeitsfluid dem zweiten Verdichter zugeführt wird.According to a preferred embodiment of the invention, a first and a second compressor is used to compress the working fluid, wherein the working fluid discharged from the first evaporator is supplied to the first compressor and the working fluid discharged from the second evaporator to the second compressor.
Mit anderen Worten erfolgt die Verdichtung des Arbeitsfluids, wie bereits die Verdampfung des Arbeitsfluids, bevorzugt parallel. Der Massenstrom des Arbeitsfluids wird aufgeteilt, zu einem ersten und zweiten Expansionsventils geleitet, anschließend einem ersten und zweiten Verdampfer zugeführt und nach dem ersten und zweiten Verdampfer in den jeweiligen Eingang des ersten und zweiten Verdichters eingeleitet. Folglich erfolgen die Expansion, die Verdampfung und die Verdichtung des Arbeitsfluids mittels der zwei Teilmassenströme parallel.In other words, the compression of the working fluid, as already the evaporation of the working fluid, preferably in parallel. The mass flow of the working fluid is divided, passed to a first and second expansion valve, then fed to a first and second evaporator and introduced after the first and second evaporator in the respective input of the first and second compressor. Consequently, the expansion, evaporation and compression of the working fluid by means of the two partial mass flows occur in parallel.
Es ist besonders bevorzugt für den ersten und den zweiten Verdichter eine gemeinsame Motorwelle zu verwenden.It is particularly preferred for the first and the second compressor to use a common motor shaft.
Dadurch wird die Effizienz der Verdichtung gesteigert.This increases the efficiency of compaction.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird zur Verdichtung ein gemeinsamer Verdichter verwendet, wobei das aus dem ersten und zweiten Verdampfer ausgeleitete Arbeitsfluid dem gemeinsamen Verdichter zugeführt wird.According to a particularly preferred embodiment of the invention, a common compressor is used for compression, wherein the discharged from the first and second evaporator working fluid is supplied to the common compressor.
Mit anderen Worten erfolgt die Verdichtung des Arbeitsfluids in einem Verfahrensschritt, das heißt in einem gemeinsamen Verdichter. Als gemeinsamer Verdichter wird hierbei ein Verdichter bezeichnet, in welchem die Teilmassenströme des ersten und des zweiten Verdampfers zur Verdichtung des Arbeitsfluids eingeleitet werden. Dadurch ergibt sich eine effiziente und bevorzugte Verdichtung des Arbeitsfluids innerhalb des Arbeitskreislaufes der Wärmepumpenanlage.In other words, the compression of the working fluid takes place in one process step, that is, in a common compressor. As a common compressor in this case a compressor is referred to, in which the partial mass flows of the first and the second evaporator are introduced to compress the working fluid. This results in an efficient and preferred compression of the working fluid within the working cycle of the heat pump system.
Bevorzugt wird das aus dem ersten Verdampfer ausgeleitete Arbeitsfluid vor der Zuleitung zum gemeinsamen Verdichter zu einem ersten Rückschlagventil und das aus dem zweiten Verdampfer ausgeleitete Arbeitsfluid vor der Zuleitung zum gemeinsamen Verdichter zu einem zweiten Rückschlagventil geleitet.Preferably, the working fluid discharged from the first evaporator is directed to a first check valve before the supply line to the common compressor, and the working fluid discharged from the second evaporator is led to a second check valve upstream of the supply line to the common compressor.
Dadurch wird vorteilhafterweise sichergestellt, dass die verschiedenen Druckniveaus im ersten und zweiten Verdampfer nicht zu einem (Druck-)Rückschlag führen.This advantageously ensures that the various pressure levels in the first and second evaporators do not lead to a (pressure) setback.
Besonders bevorzugt ist ein gemeinsamer Verdichter, der als mehrstufiger Turboverdichter ausgebildet ist. Hierbei wird das aus dem ersten Verdampfer ausgeleitete Arbeitsfluid einer ersten Verdichterstufe des Turboverdichters und das aus dem zweiten Verdampfer ausgeleitete Arbeitsfluid einer zweiten Verdichterstufe des Turboverdichters zugeführt.Particularly preferred is a common compressor, which is designed as a multi-stage turbocompressor. In this case, the working fluid discharged from the first evaporator is supplied to a first compressor stage of the turbocompressor and the working fluid discharged from the second evaporator to a second compressor stage of the turbocompressor.
Die Teilmassenströme des Arbeitsfluids werden somit über die Verdichterstufen des Turboverdichters wieder zu einem Massenstrom zusammengeführt. Dadurch steigt der Massenstrom des Arbeitsfluids innerhalb des Turboverdichters von Verdichterstufe zu Verdichterstufe an. Vorteilhafterweise kann dadurch auf eine Verwendung von Massenstromreglern verzichtet werden, da die Regelung des Massenstromes mittels der Verdichterstufen des Turboverdichters erfolgen kann.The partial mass flows of the working fluid are thus brought together again via the compressor stages of the turbocompressor to a mass flow. As a result, the mass flow of the working fluid inside the turbocompressor increases from the compressor stage to the compressor stage. Advantageously, can be dispensed with a use of mass flow controllers, since the control of the mass flow can be done by means of the compressor stages of the turbocompressor.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine Regelung eines Teilmassenstromes des vom ersten und/oder zweiten Verdampfer ausgeleiteten Arbeitsfluids vor der Zuleitung zum gemeinsamen Verdichter.According to an expedient embodiment of the invention, a control of a Part mass flow of the discharged from the first and / or second evaporator working fluid before the supply line to the common compressor.
Dadurch wird insbesondere bei Verwendung eines gemeinsamen Verdichters sichergestellt, dass das Arbeitsfluid aus dem ersten und zweiten Verdampfer abgesaugt und dem gemeinsamen Verdichter zugeführt wird. Die Regelung kann mittels Massenstromreglern erfolgen.This ensures, in particular when using a common compressor, that the working fluid is sucked out of the first and second evaporator and supplied to the common compressor. The regulation can be done by means of mass flow controllers.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das aus dem ersten und zweiten oder dem gemeinsamen Verdichter ausgeleitete Arbeitsfluid zum Verflüssiger geleitet.According to an advantageous embodiment of the invention, the discharged from the first and second or the common compressor working fluid is passed to the condenser.
Mit anderen Worten erfolgt die Verflüssigung des Arbeitsfluids vorteilhafterweise innerhalb des Arbeitskreislaufes der Wärmepumpenanlage in einem gemeinsamen Verflüssiger.In other words, the liquefaction of the working fluid is advantageously carried out within the working cycle of the heat pump system in a common condenser.
Generell kann der Arbeitskreislauf der Wärmepumpenanlage derart ausgebildet sein, dass das aus dem ersten Verdampfer ausgeleitete Arbeitsfluid zum ersten Verdichter und das aus dem zweiten Verdampfer ausgeleitete Arbeitsfluid zum zweiten Verdichter geleitet wird. Ferner kann der Arbeitskreislauf der Wärmepumpenanlage dazu ausgebildet sein, dass aus dem ersten und zweiten Verdampfer ausgeleitete Arbeitsfluid zum gemeinsamen Verdichter zu leiten, wobei insbesondere für den gemeinsamen Verdichter ein mehrstufiger Turboverdichter vorgesehen ist.In general, the working cycle of the heat pump system can be designed such that the working fluid discharged from the first evaporator is directed to the first compressor and the working fluid discharged from the second evaporator to the second compressor. Furthermore, the working cycle of the heat pump system can be designed to direct the working fluid discharged from the first and second evaporators to the common compressor, a multi-stage turbocompressor being provided in particular for the common compressor.
Weiterhin kann die Wärmepumpenanlage wenigstens ein Expansionsventil und/oder wenigstens einen Massenstromregler zur Regelung des Massenstromes und/oder zur Regelung der Teilmassenströme umfassen.Furthermore, the heat pump system may comprise at least one expansion valve and / or at least one mass flow controller for controlling the mass flow and / or for controlling the partial mass flows.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
-
1 ein schematisches Schaltbild einer Wärmepumpenanlage mit fünf Verdichtern, fünf Verdampfern und fünf verschiedenen Wärmequellen, wobei die Verdichter und die Verdampfer bezüglich eines Massenstromes eines Arbeitsfluids der Wärmepumpenanlage parallel geschaltet sind; -
2 ein schematisches Schaltbild einer Wärmepumpenanlage mit einem gemeinsamen Verdichter, fünf Verdampfern und fünf verschiedenen Wärmequellen, wobei die Verdampfer bezüglich eines Massenstromes eines Arbeitsfluids der Wärmepumpenanlage parallel geschaltet sind; -
3 ein weiteres schematisches Schaltbild einer Wärmepumpenanlage mit einem Turboverdichter, fünf Verdampfern und fünf verschiedenen Wärmequellen, wobei die Verdampfer bezüglich eines Massenstromes des Arbeitsfluids der Wärmepumpenanlage parallel geschaltet sind; und -
4 ein Druck-Enthalpie-Diagramm einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 a schematic diagram of a heat pump system with five compressors, five evaporators and five different heat sources, the compressor and the evaporator are connected in parallel with respect to a mass flow of a working fluid of the heat pump system; -
2 a schematic diagram of a heat pump system with a common compressor, five evaporators and five different heat sources, the evaporators are connected in parallel with respect to a mass flow of a working fluid of the heat pump system; -
3 a further schematic diagram of a heat pump system with a turbocompressor, five evaporators and five different heat sources, the evaporators are connected in parallel with respect to a mass flow of the working fluid of the heat pump system; and -
4 a pressure-enthalpy diagram of an embodiment of the method according to the invention.
Gleichartige, gleichwertige oder gleichwirkende Elemente können in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sein.Similar, equivalent or equivalent elements may be provided with the same reference numerals in the figures.
Alle im Folgenden angegebenen Zahlenwerte und/oder Temperaturwerte sind exemplarisch und schränken den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht ein. Weiterhin ist die explizit verwendete Anzahl von Verdampfern, Verdichtern, Expansionsventilen, Rückschlagventil, Wärmequellen und/oder weiteren Elementen exemplarisch und schränkt den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht ein.All numerical values and / or temperature values given below are exemplary and do not limit the scope of protection of the present invention. Furthermore, the explicitly used number of evaporators, compressors, expansion valves, check valve, heat sources and / or other elements is exemplary and does not limit the scope of the present invention.
Generell sind relative Begriffe, wie beispielsweise nach einem Verflüssiger oder allgemein nach oder vor einem Element einer Wärmepumpenanlage, bezüglich eines gerichteten Arbeitskreislaufes der Wärmepumpenanlage zu verstehen. Mit anderen Worten weist der Arbeitskreislauf der Wärmepumpenanlage eine Richtung auf, bezüglich welcher ein Verfahrensschritt nach oder vor einem Element erfolgen kann.In general, relative terms, such as for example after a condenser or generally after or before an element of a heat pump system, with respect to a directed working cycle of the heat pump system to understand. In other words, the working cycle of the heat pump system has a direction with respect to which a method step can take place after or in front of an element.
In
Vor der Zuleitung des Arbeitsfluids zu den fünf Verdampfern 31,...,35 wird der Massenstrom in fünf Teilmassenströme aufgeteilt (gekennzeichnet durch das Bezugszeichen
Jeder der fünf Verdampfer
Hierbei tritt beispielsweise die erste Wärmequelle
Die thermische Energie der Wärmequellen
Nach der Abkühlung der ersten Wärmequelle
Nach der Abkühlung der zweiten Wärmequelle
Die Verdampfung des Arbeitsfluids und somit die Wärmeübertragung von den Wärmequellen
Zur Entspannung beziehungsweise Expansion des Arbeitsfluids ist jeweils innerhalb eines Teilmassenstromes wenigstens eines der Expansionsventil
Mit anderen Worten wird der Massenstrom des Arbeitsfluids nach dem Verflüssiger
Nach den Expansionsventilen
Wie bereits unter
Im Gegensatz zu
Zur Vermeidung von (Druck-)Rückschlägen, aufgrund von unterschiedlichen Druckniveaus in den einzelnen Verdampfern 31,...,35, durchströmen die einzelnen Teilmassenströme jeweils ein Rückschlagventil
Wie bereits unter
Die einzelnen Teilmassenströme werden jeweils in eine Verdichterstufe
In
Hierbei zeigt die Ordinate
Eine Phasengrenze im Druck-Enthalpie-Diagramm ist durch eine Siedelinie
Ausgehend vom Verflüssiger
Daran anschließend erfolgt eine Verminderung
Die Verdampfung des Arbeitsfluids erfolgt in parallelen Verdampfungsschritten
Anschließend erfolgt eine Verdichtung
Als Arbeitsfluide der Wärmepumpenanlage können insbesondere alle nach dem Stand der Technik bekannten Arbeitsfluide verwendet werden. Weiterhin sind Arbeitsfluide, die wenigstens einen der Stoffe 1,1,1,2,2,4,5,5,5-Nonafluoro-4-(Trifluoromethyl)-3-Pentanone (Handelsname Novec™ 649), Perfluormethylbutanon, 1-Chloro-3,3,3-trifluoro-1-propene, Cis-1,1,1,4,4,4-hexafluoro-2-butene und/oder Cyclopentan umfassen, von Vorteil. Insbesondere Arbeitsfluide, die wenigstens ein Fluorketon umfassen, sind vorteilhaft.In particular, all working fluids known from the prior art can be used as working fluids of the heat pump system. Furthermore, working fluids containing at least one of 1,1,1,2,2,4,5,5,5-nonafluoro-4- (trifluoromethyl) -3-pentanones (trade name Novec ™ 649), perfluoromethylbutanone, 1-
Ein Vorteil der genannten Arbeitsfluide ist die technische Handhabbarkeit. Sie zeichnen sich durch eine gute Umweltverträglichkeit sowie durch ihre Sicherheitseigenschaften, wie beispielsweise keine Brennbarkeit oder ein sehr geringes Treibhauspotential aus. Allgemein sind die Stoffe Perfluormethylbutanon der Stoffgruppe der Fluorketone zuzuordnen, während Cyclopentan der Stoffgruppe der Cycloalkane zuzuordnen ist.An advantage of the said working fluids is the technical handling. They are characterized by good environmental compatibility and by their safety properties, such as no flammability or a very low global warming potential. In general, the substances perfluoromethyl butanone are assigned to the substance group of the fluoroketones, while cyclopentane is assigned to the substance group of the cycloalkanes.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren für eine Wärmepumpenanlage vorgeschlagen, bei dem durch eine Parallelschaltung von wenigstens zwei Verdampfern ein Rankine-Wärmepumpenprozess ermöglicht wird, der eine effiziente Wärmeaufnahme von einer Mehrzahl verschieden temperierter Wärmequellen mittels eines Temperaturgleits ermöglicht. Dadurch wird es möglich eine Mehrzahl von unterschiedlichen Wärmequellen, insbesondere eine Mehrzahl von unterschiedlichen Abwärmequellen, möglichst effizient zu nutzen. Die durch die Wärmepumpenanlage den Wärmequellen entzogenen thermische Energie kann wenigstens teilweise zur weiteren Verwendung durch die Wärmepumpenanlage bereitgestellt werden.According to the invention, a method for a heat pump system is proposed in which a Rankine heat pump process is made possible by a parallel connection of at least two evaporators, which enables efficient heat absorption from a plurality of different temperature controlled heat sources by means of a temperature track. This makes it possible to use a plurality of different heat sources, in particular a plurality of different waste heat sources, as efficiently as possible. The thermal energy withdrawn by the heat pump system from the heat sources may be at least partially provided for further use by the heat pump system.
Weiterhin wird eine erfindungsgemäße Wärmepumpenanlage vorgeschlagen, die die Ausführung oder Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht. Ein erfindungsgemäßes Kraftwerk umfasst eine erfindungsgemäße Wärmepumpenanlage. Mittels der Wärmepumpenanlage kann die thermische Energie einer Mehrzahl von verschiedenen Abwärmequellen des Kraftwerkes wenigstens teilweise rückgewonnen und bereitgestellt werden. Dadurch wird die Effizienz des Kraftwerkes, insbesondere eines GuD-Kraftwerkes, verbessert.Furthermore, a heat pump system according to the invention is proposed, which allows the execution or implementation of the method according to the invention. A power plant according to the invention comprises a heat pump system according to the invention. By means of the heat pump system, the thermal energy of a plurality of different waste heat sources of the power plant can be at least partially recovered and provided. As a result, the efficiency of the power plant, in particular a combined cycle power plant, improved.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.Although the invention has been further illustrated and described in detail by the preferred embodiments, the invention is not limited by the disclosed examples, or other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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