DE102007027725A1

DE102007027725A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Nutz-Wärme und/oder Nutz-Kälte

Info

Publication number: DE102007027725A1
Application number: DE200710027725
Authority: DE
Inventors: Franz Seidl
Original assignee: Wolf GmbH
Current assignee: Wolf GmbH
Priority date: 2007-06-15
Filing date: 2007-06-15
Publication date: 2008-12-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Nutz-Wärme und/oder Nutz-Kälte sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Um zu erreichen, dass bei einer Wärme- und Kälteerzeugungsanlage ein höherer Wirkungsgrad und eine größere Wärme- und Kälteleistung erzielt werden können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die gesamte angesaugte Luft (3) im Kompressionslaufrad (4) einer Wärmepumpe (70) verdichtet und erwärmt und in einem Wärmetauscher (6) unter Abgabe von Nutzwärme gekühlt wird, dass aber nur ein Teilstrom (7) der Luft (6a) dem Expansionslaufrad (8) der Wärmepumpe (70) zur Expansion und Abkühlung und dann einem Kälteverbraucher als Nutzkälte zugeführt wird und dass der andere Teilstrom (10) dem Kompressionslaufrad (11) der Antriebsturbine (60) zugeführt wird und dort in einer zweiten Stufe wesentlich höher komprimiert und erwärmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Nutz-Wärme und/oder Nutz-Kälte mit einer Wärme- und Kälteerzeugungsanlage, welche nach dem Wärmepumpenprinzip arbeitet und eine mit Brennstoff und Luft betriebene Antriebsturbine und eine mit Luft als Arbeitsmittel im offenen Kreislauf betriebene Turbo-Wärmepumpe aufweist. Die Erfindung betrifft des weiteren eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung von Nutz-Wärme und/oder Nutz-Kälte. Insbesondere geht es um die Realisierung einer nach dem Wärmepumpenprinzip arbeitenden Wärme- und Kälteerzeugungsanlage, bei welcher durch Verbrennung eines Brennstoffs gleichzeitig sowohl Wärme- als auch Kälte-Energie erzeugt werden kann.
Häufig werden Wärmeerzeugungsanlagen mit der Erzeugung von elektrischer Energie kombiniert. Diese bekannten Verbundanlagen haben den Vorteil eines sehr hohen Gesamtwirkungsgrades, weil die „Abfallwärme" bei der Stromerzeugung noch für Heizzwecke genutzt werden kann. Sie sind allerdings in den meisten Fällen nur in größeren Einheiten wirtschaftlich einsetzbar.
Derartige Wärmeerzeugungsanlagen, die mit Erzeugung von elektrischer Energie kombiniert sind, nutzen die Brennstoffwärme nahezu 100%-ig aus. Für sehr große Leistungen, z. B. für Wärmekraftwerke mit Fernwärmeerzeugung werden vorzugsweise Turbo-Maschinen eingesetzt. Auch bei den von Kolbenmaschinen angetriebenen Blockheizkraftwerken werden häufig größere Einheiten eingesetzt, die Strom erzeugen und zum Teil ganze Straßenzüge mit Fernwärme versorgen können.
In neuerer Zeit sind auch mit Kolbenmaschinen ausgestattete Blockheizkraftwerke kleinerer Leistung bekannt geworden, wie sie etwa für Einfamilienhäuser geeignet erscheinen. Solche mit Kolbenmaschinen ausgestatteten Blockheizkraftwerke kleinerer Leistung sind aufwändig in der Herstellung und erfordern einen hohen Aufwand bei Geräuschisolierung und Wartung. Zusätzlicher Aufwand ist für die Einspeisung des erzeugten Stroms in das Stromnetz erforderlich. Von großem Nachteil ist auch, dass die Zeiten des Strombedarfs und die Zeiten des Wärmebedarfs häufig nicht zusammenfallen, so dass die hohe Energie-Ausnutzung von fast 100% nicht erreicht werden kann.
Aus der Druckschrift DE 28 18 543 A1 ist eine Anlage zur Wärme-Erzeugung bekannt, die durch den Einsatz einer Kleinst-Turbo-Antriebsmaschine und einer Kleinst-Turbo-Wärmepumpe auch für kleine Anlagen, z. B. für Einfamilienhäuser, geeignet erscheinen. Hier wird die mechanische Antriebsleistung der Turbo-Antriebsmaschine nicht zur Stromerzeugung genutzt, sondern zum Antrieb einer Turbo-Wärmepumpe. Durch diese Turbo-Wärmepumpe wird Wärmeenergie aus der Umgebung auf ein höheres für Heizzwecke geeignetes Temperaturniveau angehoben. Auf Stromerzeugung mit den damit verbundenen Nachteilen wird verzichtet. Auch auf die Nutzung der beim Wärmepumpenbetrieb anfallenden Kälteenergie wird verzichtet.
Um auch den hohen Aufwand bei Herstellung, Geräuschisolierung und Wartung beim Antrieb mit Kolbenmaschinen zu vermeiden, wird der Einsatz einer Kleinst-Turbo-Antriebsmaschine und einer Kleinst-Turbo-Wärmepumpe vorgeschlagen.
Turbo-Maschinen für sehr kleine Leistungen, wie sie beispielsweise in der Druckschrift DE 28 18 543 A1 vorgeschlagen werden, haben relativ niedrige Wirkungsgrade.
Ursache hierfür ist unter anderem auch das verhältnismäßig geringe Verdichtungsverhältnis des Arbeitsmediums Luft, das bei einer 1-stufigen Verdichtung in einem einzigen Kompressions-Laufrad erreicht werden kann. Der Wirkungsgrad von thermischen Kraft-Maschinen (Verbrennungs-Motoren, Gasturbinen ...) hängt ganz wesentlich vom Verdichtungsverhältnis, dem Verhältnis aus Ansaugvolumen zum Kompressionsvolumen, ab. Je höher dieses Verdichtungsverhältnis ist, desto höher ist im allgemeinen auch der Wirkungsgrad. Bekanntlich haben Dieselmotoren ein sehr hohes Verdichtungsverhältnis und auch einen sehr hohen Wirkungsgrad, der wiederum einen sehr niedrigen Kraftstoffverbrauch zur Folge hat.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung von Nutz-Wärme und/oder Nutz-Kälte und eine Wärme- und Kälteerzeugungsanlage mit Turbo-Antrieb und Turbo-Wärmepumpe auch für kleinere und mittlere Leistungen anzugeben, bei der ein wesentlich höheres Verdichtungsverhältnis und dadurch ein höherer Wirkungsgrad des Turbo-Antriebs und somit bei gleichem Brennstoff-Einsatz eine größere Wärme- und Kälteleistung erreicht wird und bei der auch die erzeugte Kälteenergie sinnvoll genutzt werden kann.
Hinsichtlich des Verfahrens wird zur Lösung dieser Aufgabe ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, wobei bei diesem Verfahren zunächst Umgebungsluft mit der Turbo-Wärmepumpe angesaugt wird, wobei während des Ansaugens der Umgebungsluft diese in einem Kompressionslaufrad der Wärmepumpe verdichtet und erwärmt und eine komprimierte und erwärmte Luft erzeugt wird. Anschließend wird die im Kompressionslaufrad der Wärmepumpe verdichtete und erwärmte Luft in einem Wärmetauscher unter Abgabe von Nutzwärme, die einem Verbraucher zugeführt wird, abgekühlt. Danach wird die in dem Wärmetauscher abgekühlte Luft in einen ersten Teilstrom und in einen zweiten Teilstrom aufgeteilt, wobei der erste Teilstrom zu einem Expansionslaufrad der Wärmepumpe zugeführt wird, welcher dann in dem Expansionslaufrad der Wärmepumpe expandiert und abkühlt. Der abgekühlte und expandierte erste Teilstrom wird dann einem Kälteverbraucher als Nutzkälte zugeführt wird. Andererseits wird der zweite Teilstrom zu einem Kompressionslaufrad der Antriebsturbine zugeführt, wobei danach der zweite Teilstrom der im Kompressionslaufrad der Wärmepumpe verdichteten und erwärmten Luft in einer zweiten Stufe der Antriebsturbine im Vergleich zu der während des Ansaugens der Umgebungsluft im Kompressionslaufrad der Wärmepumpe verdichteten und erwärmten Luft wesentlich höher komprimiert und erwärmt wird.
Vorzugsweise wird die mit der Turbo-Wärmepumpe anzusaugende Umgebungsluft in einem offenen Kreislauf ohne Vorwärmung oder Vorkühlung der Umgebung mit Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck entnommen.
Denkbar wäre es aber auch, dass die Luft in einem offenen Kreislauf der Umgebung mit Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck entnommen wird, wobei die Umgebungsluft in einem Wärmetauscher durch Abgas aus der Antriebsturbine oder durch die Abluft einer Klimaanlage oder einer anderen geeigneten Wärmequelle vorgewärmt wird.
Schließlich wäre es ferner denkbar, dass die Luft in einem offenen Kreislauf der Umgebung mit Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck entnommen wird, wobei die Umgebungsluft in einem Wärmetauscher durch Grundwasser, vorzugsweise Brunnenwasser, oder durch die gekühlte Abluft einer Klimaanlage oder einer anderen geeigneten Kältequelle vorgekühlt wird.
Vorzugsweise wird die im Wärmetauscher abgeführte Wärme dem Verbraucher für Heizzwecke zugeführt.
In einer bevorzugten Realisierung des Verfahrens wird die in dem Wärmetauscher abgekühlten Luft durch einen verstellbaren Strömungsverteiler in die beiden Teilströme und derart aufgeteilt, dass die Aufteilung der abgekühlten Luft veränderbar ist.
Besonders bevorzugt wird der erste Teilstrom im Expansionslaufrad auf etwa Umgebungsdruck entspannt und dadurch unter die Umgebungstemperatur abgekühlt, wobei die dadurch entstehende kalte Abluft für Kühlzwecke genutzt wird.
Andererseits ist es bevorzugt, dass durch die Expansion des ersten Teilstroms im Expansionslaufrad mit dem Expansionslaufrad mechanische Antriebsenergie erzeugt wird, die auf eine gemeinsame Welle zum Antrieb der Kompressionslaufräder der Wärmepumpe und der Antriebsturbine, sowie vorzugsweise zum Antrieb eines mit der gemeinsamen Welle verbundenen Starter-Generators übertragen wird.
Im Hinblick auf die zweite Stufe der Antriebsturbine ist es bevorzugt, dass der zweite Teilstrom der in dem Wärmetauscher abgekühlten Luft in der zweiten Stufe der Antriebsturbine in einem zu der zweiten Stufe gehörenden Wärmetauscher Abgaswärme aufnimmt und/oder in einer Brennkammer Brennstoffwärme aufnimmt.
Ferner ist es denkbar, dass die in der zweiten Stufe der Antriebsturbine komprimierte und erwärmte Luft zu einem Expansionslaufrad der Antriebsturbine zugeführt wird, wobei eine Expansion und Abkühlung der in der zweiten Stufe der Antriebsturbine komprimierten und erwärmten Luft in dem Expansionslaufrad der Antriebsturbine erfolgt, und wobei durch die Expansion der in der zweiten Stufe der Antriebsturbine komprimierten und erwärmten Luft in dem Expansionslaufrad der Antriebsturbine mechanische Antriebsenergie erzeugt wird, die auf eine gemeinsame Welle zum Antrieb der Kompressionslaufräder der Wärmepumpe und der Antriebsturbine, sowie vorzugsweise zum Antrieb eines mit der gemeinsamen Welle verbundenen Starter-Generators übertragen wird.
Schließlich ist es bevorzugt, dass die durch Expansion und Abkühlung in dem Expansionslaufrad der Antriebsturbine vorzugsweise auf nahezu Umgebungsdruck entspannte und auf eine niedrige Temperatur gesenkte Luft als Abgasstrom einem zu der zweiten Stufe der Antriebsturbine gehörenden Wärmetauscher zum Vorwärmen des zweiten Teilstroms der im Kompressionslaufrad der Wärmepumpe verdichteten und erwärmten Luft in der zweiten Stufe der Antriebsturbine zugeführt wird.
Auch ist es denkbar, dass die durch Expansion und Abkühlung in dem Expansionslaufrad der Antriebsturbine vorzugsweise auf nahezu Umgebungsdruck entspannte und auf eine niedrige Temperatur gesenkte Luft als Abgasstrom einem Wärmetauscher zum Übertragen der Abgaswärme auf Heizungswasser oder einen anderen Wärmeträger zugeführt wird, wobei das erwärmte Heizungswasser oder der erwärmte andere Wärmeträger zum Vorwärmen der angesaugten Umgebungsluft verwendet wird.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird zur Lösung der zugrundeliegenden Aufgabe eine nach dem Wärmepumpenprinzip arbeitende Wärme- und Kälteerzeugungsanlage vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist: eine mit Luft als Arbeitsmittel im offenen Kreislauf betriebene Turbo-Wärmepumpe, welche ein Kompressionslaufrad und ein stromabwärts hiervon liegendes Expansionslaufrad aufweist, wobei die Wärmepumpe ausgelegt ist, Umgebungsluft anzusaugen und die angesaugte Umgebungsluft in dem Kompressionslaufrad der Wärmepumpe zu verdichten und zu erwärmen und eine komprimierte und erwärmte Luft zu erzeugen; einen ersten Wärmetauscher, welcher stromabwärts von dem Kompressionslaufrad der Wärmepumpe und stromaufwärts von dem Expansionslaufrad der Wärmepumpe angeordnet ist und mit einem ersten Ausgang der Wärmepumpe derart in Fluidkommunikation steht, dass eine im Kompressionslaufrad der Wärmepumpe komprimierte und erwärmte Luft dem ersten Wärmetauscher zugeführt wird; einen Strömungsverteiler, welcher stromabwärts von dem ersten Wärmetauscher angeordnet ist und mit dem Ausgang des ersten Wärmetauschers in Fluidkommunikation steht, wobei der Strömungsverteiler ausgelegt ist, eine in dem ersten Wärmetauscher abgekühlte Luft in einen ersten Teilstrom und in einen zweiten Teilstrom aufzuteilen, und wobei der Strömungsverteiler einen mit der Wärmepumpe verbundenen ersten Ausgang zum Zuführen des ersten Teilstroms zu dem Expansionslaufrad der Wärmepumpe und einen zweiten Ausgang zum Bereitstellen des zweiten Teilstroms aufweist; und eine stromabwärts des Strömungsverteilers angeordnete und mit Brennstoff und Luft betriebene Antriebsturbine, welche ein Kompressionslaufrad und ein stromabwärts hiervon liegendes Expansionslaufrad aufweist, wobei die Antriebsturbine derart mit dem Strömungsverteiler verbunden ist, dass der am zweiten Ausgang des Strömungsverteilers bereitgestellte zweite Teilstrom zunächst dem Kompressionslaufrad der Antriebsturbine und dann einer zweiten Stufe der Antriebsturbine zugeführt wird, wobei die Kompressionslaufräder und die Expansionslaufräder der Wärmepumpe und der Antriebsturbine über eine gemeinsame Welle miteinander wirkverbunden sind.
In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung ferner einen Starter-Motor aufweist, wobei die Kompressionslaufräder und die Expansionslaufräder der Wärmepumpe und der Antriebsturbine über die gemeinsame Welle mit der Welle des Starter-Motors drehverbunden sind.
Im Hinblick auf den Starter-Motor ist bevorzugt, dass der Starter-Motor und die Vorrichtung derart ausgelegt sind, dass die Inbetriebnahme der Vorrichtung durch kurzzeitiges Einschalten des Starter-Motors erfolgt und bei Betrieb der Vorrichtung keine Leistungsabgabe des Starter-Motors erforderlich ist.
Andererseits ist es auch denkbar, dass der Starter-Motor als Starter-Generator ausgelegt ist und mit kleiner Leistung zum Aufladen eines Stromspeichers, beispielsweise eines Akkumulators, und/oder mit kleiner Leistung zum Antrieb einer oder mehrerer Heizungspumpen geeignet ist.
Grundsätzlich sollte die Vorrichtung redundant aufgebaut sein und auch bei Strom-Ausfall durch Umschalten auf Akkubetrieb voll funktionsfähig bleiben.
In einer bevorzugten Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist diese ferner einen zweiten Wärmetauscher auf, welcher stromaufwärts des Kompressionslaufrades der Wärmepumpe angeordnet und ausgelegt ist, die von der Wärmepumpe angesaugte Umgebungsluft durch Abgas aus der Antriebsturbine oder durch die Abluft einer Klimaanlage oder einer anderen geeigneten Wärmequelle vorzuwärmen oder die von der Wärmepumpe angesaugte Umgebungsluft durch Grundwasser, vorzugsweise Brunnenwasser, oder durch die gekühlte Abluft einer Klimaanlage oder einer anderen geeigneten Kältequelle vorzukühlen.
Noch bevorzugter weist die zweite Stufe der Antriebsturbine einen dritten Wärmetauscher auf, welcher ausgelegt ist, an den zweiten Teilstrom der in dem ersten Wärmetauscher abgekühlten Luft Abgaswärme abzugeben.
Ferner ist es denkbar, dass die zweite Stufe der Antriebsturbine eine Brennkammer aufweist, welche ausgelegt ist, an den zweiten Teilstrom der in dem ersten Wärmetauscher abgekühlten Luft Brennstoffwärme abzugeben.
Besonders bevorzugt wird die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Zentral-Klimaanlage zur Erwärmung und Kühlung von Luft verwendet. Andererseits ist es auch denkbar, die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Zentral-Klimaanlage zur Kühlung von Luft einzusetzen, wobei der dem Expansionslaufrad der Wärmepumpe zugeführte ersten Teilstrom nach seiner Expansion und Abkühlung in dem Expansionslaufrad der Wärmepumpe als kalter Abluftstrom in der Zentral-Klimaanlage zur Kühlung von Luft ohne zusätzlichen Wärmetauscher direkt mit der zu kühlenden Luft vermischt wird. Selbstverständlich ist es aber auch denkbar die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Zentral-Klimaanlage zur Erwärmung von Luft zu verwenden, wobei in der Zentral-Klimaanlage ohne Zwischenschaltung eines Warmwasserkreislaufs die zu erwärmende Luft ganz oder teilweise durch den ersten Wärmetauscher und/oder einen vierten Wärmetauscher geführt und dabei erwärmt wird, wobei die durch Expansion und Abkühlung in dem Expansionslaufrad der Antriebsturbine vorzugsweise auf nahezu Umgebungsdruck entspannte und auf eine niedrige Temperatur gesenkte Luft als Abgasstrom dem vierten Wärmetauscher zum Übertragen der Abgaswärme auf die zu erwärmende Luft zugeführt wird.
Insbesondere ist es bevorzugt, die erfindungsgemäße Vorrichtung als "Back-System" zur Unterstützung einer Solar-Kältemaschine einzusetzen, wenn die Sonnen-Einstrahlung nicht ausreicht oder ganz fehlt. Andererseits kann die Vorrichtung aber auch als Kältemaschine verwendet werden, wobei die mit dem ersten Wärmetauscher bewirkte Rückkühlung der im Kompressionslaufrad der Wärmepumpe komprimierten und erwärmten Luft durch kaltes Brunnenwasser oder ein anderes kühles Wärmeträgermedium erfolgt.
Der Gesamtwirkungsgrad einer solchen Wärme- und Kälteerzeugungs-Anlage kann durch die gleichzeitige Nutzung der erzeugten Wärme- und Kälteenergie noch deutlich gesteigert werden.
Je nachdem, ob der Schwerpunkt der Betriebsweise dieser Wärme- und Kälteerzeugungsanlage auf der Bereitstellung von Wärme oder von Kälte liegt, soll die Anlage modifiziert oder umgeschaltet werden können.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
1 die Funktionsweise einer ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärme- und Kälteerzeugungsanlage;
2 die Funktionsweise einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärme- und Kälteerzeugungsanlage;
3 die Funktionsweise einer dritten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärme- und Kälteerzeugungsanlage;
4 die Funktionsweise einer vierten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärme- und Kälteerzeugungsanlage; und
5 die Funktionsweise einer fünften bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärme- und Kälteerzeugungsanlage.
In 1 ist das Grundprinzip der Wärme- und Kälteerzeugungsanlage nach der vorliegenden Erfindung dargestellt.
In der Turbo-Wärmepumpe (70) wird Umgebungsluft (3) mit Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck angesaugt, im Kompressions-Laufrad (4) der Turbo-Wärmepumpe (70) wird diese Umgebungsluft (3) komprimiert und dabei auf höhere Temperatur und höheren Druck gebracht. Anschließend wird diese komprimierte und erwärmte Umgebungsluft (5) im Wärmetauscher (6) unter Abgabe von Nutzwärme wieder teilweise zurückgekühlt.
Ein Teil (7) dieser vorverdichteten und zwischengekühlten Umgebungsluft wird dem Expansions-Laufrad (8) der Turbo-Wärmepumpe (70) zugeführt und dort unter Erzeugung von mechanischer Antriebsenergie auf etwa Umgebungsdruck entspannt und unter die Umgebungstemperatur abgekühlt. Die kalte Abluft (9) kann für Kühlzwecke eingesetzt werden. Die erzeugte mechanische Antriebsenergie wird auf die gemeinsame Welle (40) übertragen und dient dabei zur Unterstützung beim Antrieb der Kompressions-Laufräder (4) und (11).
Der zweite Teil (10) dieser vorverdichteten und zwischengekühlten Umgebungsluft wird dem Kompressions-Laufrad (11) der Antriebsturbine (60) zugeführt und dort auf einen wesentlich höheren Druck und auf eine höhere Temperatur gebracht.
Das Verdichtungsverhältnis wird also durch diese zweite Kompression erheblich gesteigert. Dies ist auch die Voraussetzung für eine deutliche Steigerung der im Expansions-Laufrad (17) der Antriebsturbine (60) erzeugten mechanischen Antriebsenergie, die auf die gemeinsame Welle (40) zum Antrieb der Kompressions-Laufräder (4) und (11) übertragen werden kann.
Einen zusätzlichen Vorteil in zweifacher Hinsicht bietet die Zwischenkühlung im Wärmetauscher (6):
Zum einen kann aus dem Wärmetauscher (6) Nutz-Wärme abgeführt werden, zum anderen wird durch die Zwischenkühlung die Kompressionsarbeit im Kompressions-Laufrad (11) verringert, wodurch für die Kompressionsarbeit im Kompressions-Laufrad (4) mehr Antriebsenergie übrig bleibt.
Dieses in 1 dargestellte Grundprinzip der Wärme- und Kälteerzeugungsanlage nach der ersten Ausführungsform kann durch geeignete Anordnung von zusätzlichen Wärmetauschern verbessert werden.
In den 2, 3, 4 und 5 sind solche Beispiele dargestellt. Bei allen vier Beispielen wird durch einen Wärmetauscher (13) vom Abgasstrom (18) nach dem Austritt aus dem Expansions-Laufrad (17) Wärme auf den Teilstrom (12) der zweifach komprimierten Luft übertragen. Dadurch vermindert sich die Brennstoffmenge, die zur Erwärmung der zweifach komprimierten Luft vor Eintritt in das Expansions-Laufrad (17) der Antriebsturbine (60) erforderlich ist.
Gemäß 2 und 3 ist nach dem Austritt des Abgasstroms aus dem Wärmetauscher (13) die Temperatur des Abgasstroms (18) noch relativ hoch, so dass im Wärmetauscher (20) Nutzwärme über einen Wärmeträger (Heizungswasser) an einen Verbraucher abgeführt werden kann.
Gemäß 3 enthält selbst nach dem Wärmetauscher (20) der Abgasstrom (21) noch eine gewisse Restwärme, die über den Wärmetauscher (2) zur Vorwärmung der angesaugten Umgebungsluft fast vollständig übertragen werden kann.
In 4 ist eine erfindungsgemäße Kälteerzeugungsanlage nach dem Wärmepumpenprinzip dargestellt, die weniger der Wärmeerzeugung als vielmehr der Kälteerzeugung dienen soll.
Der Wärmetauscher (6) zur Rückkühlung der im Kompressions-Laufrad (4) komprimierten und erwärmten Luft (5) ist wichtiger Bestandteil der Kälteerzeugungsanlage. Der Luftstrom (5) soll so weit wie möglich heruntergekühlt werden, um die Temperatur der kalten Abluft (9) noch weiter zu senken, also die Nutz-Kälte-Leistung zu vergrößern.
Vorteilhaft für eine Rückkühlung im Wärmetauscher (6) ist hier der Einsatz von kaltem Brunnenwasser oder Grundwasser (30) und (32). Außerdem wird auf die Vorwärmung der angesaugten Umgebungsluft (1b) verzichtet. Dadurch ist das Temperaturniveau in der ganzen Anlage niedriger und die Nutz-Kälte-Leistung größer.
5 zeigt eine erfindungsgemäße Kälteerzeugungsanlage, bei der gegenüber der 4 zusätzlich eine Vorkühlung der angesaugten Umgebungsluft (1b) mit Brunnenwasser oder Grundwasser (30) und (32) vorgesehen ist.
Besonders vorteilhaft ist eine Vorkühlung der angesaugten Umgebungsluft (1b), um die Kompressionsarbeit im Kompressions-Laufrad (4) zu reduzieren und den eingesaugten Luft-Massenstrom (1b) zu vergrößern. Durch diese Vorkühlung im Wärmetauscher (2) mit Brunnenwasser oder Grundwasser (30) und (32) wird das Temperaturniveau in der ganzen Anlage niedriger und die Nutz-Kälte-Leistung größer.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr sind jedwede Kombinationen der hierin offenbarten Einzelmerkmale denkbar.

1a: Ansaugluft ohne Vorwärmung oder Vorkühlung 1b Ansaugluft mit Vorwärmung oder Vorkühlung
2: Wärmetauscher
3: Lufteintritt in Kompressionslaufrad 4
4: Kompressionslaufrad der Turbowärmepumpe 70
5: Luftaustritt aus Kompressionslaufrad 4
6: Wärmetauscher
6a: im Wärmetauscher 6 komprimierter und zwischengekühlter Gesamt-Luftstrom
7: komprimierter und zwischengekühlter Teilstrom
8: Expansionslaufrad der Turbowärmepumpe 70
9: kalte Abluft (Nutzkälte)
10: komprimierter und zwischengekühlter Teilstrom
11: Kompressionslaufrad der Antriebsturbine 60
12: im Kompressionslaufrad 12 als zweiter Stufe komprimierter Teilstrom
13: Wärmetauscher
14: im Wärmetauscher 13 erwärmter Teilstrom
15: Brennkammer
15a: Brennstoff-Zufuhr
16: erhitzte Verbrennungsgase
17: Expansionslaufrad der Antriebsturbine 60
18: expandierte und teilweise gekühlte Turbinen-Abgase
19: im Wärmetauscher 13 weiter abgekühlte Turbinen-Abgase
20: Wärmetauscher zur Nutzwärme-Abgabe an einen Heizkreislauf
21: im Wärmetauscher 20 weiter abgekühlte Turbinen-Abgase
22: im Wärmetauscher weiter abgekühlte Turbinen-Abgase
23: Strömungs-Verteiler zur Aufteilung des Gesamt-Luftstroms 6a in zwei Teilströme
30: Wärme-aufnehmendes Medium aus Heizungsrücklauf oder Brunnen
31: im Wärmetauscher 6 erwärmtes Medium
32: im Wärmetauscher 20 erwärmtes Medium für Heizungsvorlauf oder Brunnen
40: gemeinsame Welle
50: Starter-Generator
60: Antriebsturbine
70: Turbo-Wärmepumpe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 2818543 A1 [0005, 0007]

Claims

Verfahren zur Erzeugung von Nutz-Wärme und/oder Nutz-Kälte mit einer Wärme- und Kälteerzeugungsanlage, welche nach dem Wärmepumpenprinzip arbeitet und eine mit Brennstoff und Luft betriebene Antriebsturbine (60) und eine mit Luft als Arbeitsmittel im offenen Kreislauf betriebene Turbo-Wärmepumpe (70) aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist: a) Ansaugen von Umgebungsluft (1a, 1b, 3) mit der Turbo-Wärmepumpe (70), wobei während des Ansaugens der Umgebungsluft (1a, 3) diese in einem Kompressionslaufrad (4) der Wärmepumpe (70) verdichtet und erwärmt und eine komprimierte und erwärmte Luft (5) erzeugt wird; b) Abkühlen der im Kompressionslaufrad (4) der Wärmepumpe (70) verdichteten und erwärmten Luft (5) in einem Wärmetauscher (6) unter Abgabe von Nutzwärme, die einem Verbraucher zugeführt wird; c) Aufteilen der in dem Wärmetauscher (6) abgekühlten Luft (6a) in einen ersten Teilstrom (7) und in einen zweiten Teilstrom (10); d) Zuführen des ersten Teilstroms (7) zu einem Expansionslaufrad (8) der Wärmepumpe (70) und Expansion und Abkühlung des ersten Teilstroms (7) in dem Expansionslaufrad (8) der Wärmepumpe (70), wobei anschließend der abgekühlte und expandierte erste Teilstrom (7) einem Kälteverbraucher als Nutzkälte (9) zugeführt wird; und e) Zuführen des zweiten Teilstroms (10) zu einem Kompressionslaufrad (11) der Antriebsturbine (60), wobei der zweite Teilstrom (10) der im Kompressionslaufrad (4) der Wärmepumpe (70) verdichteten und erwärmten Luft (5) in einer zweiten Stufe (11, 13, 15) der Antriebsturbine (60) im Vergleich zu der während des Ansaugens der Umgebungsluft (3) im Kompressionslaufrad (4) der Wärmepumpe (70) verdichteten und erwärmten Luft (5) wesentlich höher komprimiert und erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Verfahrensschritt a) die mit der Turbo-Wärmepumpe (60) anzusaugende Umgebungsluft (1a, 3) in einem offenen Kreislauf ohne Vorwärmung oder Vorkühlung der Umgebung mit Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Verfahrensschritt a) die Luft (1b, 3) in einem offenen Kreislauf der Umgebung mit Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck entnommen wird, und wobei der Verfahrensschritt a) ferner den Verfahrensschritt des Vorwärmens der Umgebungsluft (1b) in einem Wärmetauscher (2) durch Abgas (21) aus der Antriebsturbine (60) oder durch die Abluft einer Klimaanlage oder einer anderen geeigneten Wärmequelle aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Verfahrensschritt a) die Luft (1b, 3) in einem offenen Kreislauf der Umgebung mit Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck entnommen wird, und wobei der Verfahrensschritt a) ferner den Verfahrensschritt des Vorkühlens der Umgebungsluft (1a) in einem Wärmetauscher (2) durch Grundwasser, vorzugsweise Brunnenwasser, oder durch die gekühlte Abluft einer Klimaanlage oder einer anderen geeigneten Kältequelle aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Verfahrensschritt a) die Luft (1a) im Kompressionslaufrad (4) verdichtet und dadurch erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Verfahrensschritt b) die im Wärmetauscher (6) abgeführte Wärme dem Verbraucher für Heizzwecke zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Verfahrensschritt c) die in dem Wärmetauscher (6) abgekühlten Luft (6a) durch einen verstellbaren Strömungsverteiler (23) in die beiden Teilströme (7) und (10) derart aufgeteilt wird, dass die Aufteilung der abgekühlten Luft (6a) veränderbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Verfahrensschritt d) der erste Teilstrom (7) im Expansionslaufrad (8) auf etwa Umgebungsdruck entspannt und dadurch unter die Umgebungstemperatur abgekühlt wird, und wobei die dadurch entstehende kalte Abluft (9) für Kühlzwecke genutzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Verfahrensschritt d) durch die Expansion des ersten Teilstroms (7) im Expansionslaufrad (8) mit dem Expansionslaufrad (8) mechanische Antriebsenergie erzeugt wird, die auf eine gemeinsame Welle (40) zum Antrieb der Kompressionslaufräder (4, 11) der Wärmepumpe (4) und der Antriebsturbine (60), sowie vorzugsweise zum Antrieb eines mit der gemeinsamen Welle (40) verbundenen Starter-Generators (50) übertragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Verfahrensschritt e) der zweite Teilstrom (10) der in dem Wärmetauscher (6) abgekühlten Luft (6a) in der zweiten Stufe der Antriebsturbine (60) in einem zu der zweiten Stufe gehörenden Wärmetauscher (13) Abgaswärme aufnimmt und/oder in einer Brennkammer (15) Brennstoffwärme aufnimmt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches nach Verfahrensschritt e) die folgenden weiteren Verfahrensschritte aufweist: f) Zuführen der in der zweiten Stufe (11, 15) der Antriebsturbine (60) komprimierten und erwärmten Luft (16) zu einem Expansionslaufrad (17) der Antriebsturbine (60) und Expansion und Abkühlung der in der zweiten Stufe (11, 15) der Antriebsturbine (60) komprimierten und erwärmten Luft (16) in dem Expansionslaufrad (17) der Antriebsturbine (60), wobei durch die Expansion der in der zweiten Stufe (11, 15) der Antriebsturbine (60) komprimierten und erwärmten Luft (16) in dem Expansionslaufrad (17) der Antriebsturbine (60) mechanische Antriebsenergie erzeugt wird, die auf eine gemeinsame Welle (40) zum Antrieb der Kompressionslaufräder (4, 11) der Wärmepumpe (4) und der Antriebsturbine (60), sowie vorzugsweise zum Antrieb eines mit der gemeinsamen Welle (40) verbundenen Starter-Generators (50) übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei im Verfahrensschritt f) die durch Expansion und Abkühlung in dem Expansionslaufrad (17) der Antriebsturbine (60) vorzugsweise auf nahezu Umgebungsdruck entspannte und auf eine niedrige Temperatur gesenkte Luft als Abgasstrom (18) einem zu der zweiten Stufe (11, 13, 15) der Antriebsturbine (60) gehörenden Wärmetauscher (13) zum Vorwärmen des zweiten Teilstroms (10) der im Kompressionslaufrad (4) der Wärmepumpe (70) verdichteten und erwärmten Luft (5) in der zweiten Stufe (11, 13, 15) der Antriebsturbine (60) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei im Verfahrensschritt f) die durch Expansion und Abkühlung in dem Expansionslaufrad (17) der Antriebsturbine (60) vorzugsweise auf nahezu Umgebungsdruck entspannte und auf eine niedrige Temperatur gesenkte Luft als Abgasstrom (18) einem Wärmetauscher (20) zum Übertragen der Abgaswärme auf Heizungswasser (32) oder einen anderen Wärmeträger zugeführt wird, und wobei das erwärmte Heizungswasser (32) oder der erwärmte andere Wärmeträger im Verfahrensschritt a) zum Vorwärmen der angesaugten Umgebungsluft (1a, 1b, 3) verwendet wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere eine nach dem Wärmepumpenprinzip arbeitende Wärme- und Kälteerzeugungsanlage, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist: – eine mit Luft als Arbeitsmittel im offenen Kreislauf betriebene Turbo-Wärmepumpe (70), welche ein Kompressionslaufrad (4) und ein stromabwärts hiervon liegendes Expansionslaufrad (8) aufweist, wobei die Wärmepumpe (70) ausgelegt ist, Umgebungsluft (1a, 1b, 3) anzusaugen und die angesaugte Umgebungsluft (1a, 3) in dem Kompressionslaufrad (4) der Wärmepumpe (70) zu verdichten und zu erwärmen und eine komprimierte und erwärmte Luft (5) zu erzeugen; – einen ersten Wärmetauscher (6), welcher stromabwärts von dem Kompressionslaufrad (4) der Wärmepumpe (70) und stromaufwärts von dem Expansionslaufrad (8) der Wärmepumpe (70) angeordnet ist und mit einem ersten Ausgang (5) der Wärmepumpe (70) derart in Fluidkommunikation steht, dass eine im Kompressionslaufrad (4) der Wärmepumpe (70) komprimierte und erwärmte Luft (5) dem ersten Wärmetauscher (6) zugeführt wird; – einen Strömungsverteiler (23), welcher stromabwärts von dem ersten Wärmetauscher (6) angeordnet ist und mit dem Ausgang des ersten Wärmetauschers (6) in Fluidkommunikation steht, wobei der Strömungsverteiler (23) ausgelegt ist, eine in dem ersten Wärmetauscher (6) abgekühlte Luft (6a) in einen ersten Teilstrom (7) und in einen zweiten Teilstrom (10) aufzuteilen, und wobei der Strömungsverteiler (23) einen mit der Wärmepumpe (70) verbundenen ersten Ausgang zum Zuführen des ersten Teilstroms (7) zu dem Expansionslaufrad (8) der Wärmepumpe (70) und einen zweiten Ausgang zum Bereitstellen des zweiten Teilstroms (10) aufweist; und – eine stromabwärts des Strömungsverteilers (23) angeordnete und mit Brennstoff und Luft betriebene Antriebsturbine (60), welche ein Kompressionslaufrad (11) und ein stromabwärts hiervon liegendes Expansionslaufrad (17) aufweist, wobei die Antriebsturbine (60) derart mit dem Strömungsverteiler (23) verbunden ist, dass der am zweiten Ausgang des Strömungsverteilers (23) bereitgestellte zweite Teilstrom (10) zunächst dem Kompressionslaufrad (11) der Antriebsturbine (60) und dann einer zweiten Stufe (11, 13, 15) der Antriebsturbine (60) zugeführt wird, wobei die Kompressionslaufräder (4, 11) und die Expansionslaufräder (8, 17) der Wärmepumpe (70) und der Antriebsturbine (60) über eine gemeinsame Welle (40) miteinander wirkverbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Vorrichtung ferner einen Starter-Motor (50) aufweist, und wobei die Kompressionslaufräder (4, 11) und die Expansionslaufräder (8, 17) der Wärmepumpe (70) und der Antriebsturbine (60) über die gemeinsame Welle (40) mit der Welle des Starter-Motors (50) drehverbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Starter-Motor (50) und die Vorrichtung derart ausgelegt sind, dass die Inbetriebnahme der Vorrichtung durch kurzzeitiges Einschalten des Starter-Motors (50) erfolgt und bei Betrieb der Vorrichtung keine Leistungsabgabe des Starter-Motors (50) erforderlich ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, wobei der Starter-Motor (50) als Starter-Generator (50) ausgelegt ist und mit kleiner Leistung zum Aufladen eines Stromspeichers, beispielsweise eines Akkumulators, und/oder mit kleiner Leistung zum Antrieb einer oder mehrerer Heizungspumpen geeignet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die Vorrichtung redundant aufgebaut ist und auch bei Strom-Ausfall durch Umschalten auf Akkubetrieb voll funktionsfähig bleibt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei die Vorrichtung ferner einen zweiten Wärmetauscher (2) aufweist, welcher stromaufwärts des Kompressionslaufrades (4) der Wärmepumpe (70) angeordnet und ausgelegt ist, die von der Wärmepumpe (70) angesaugte Umgebungsluft (1b) durch Abgas (21) aus der Antriebsturbine (60) oder durch die Abluft einer Klimaanlage oder einer anderen geeigneten Wärmequelle vorzuwärmen oder die von der Wärmepumpe (70) angesaugte Umgebungsluft (1b) durch Grundwasser, vorzugsweise Brunnenwasser, oder durch die gekühlte Abluft einer Klimaanlage oder einer anderen geeigneten Kältequelle vorzukühlen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei die zweite Stufe (11, 13, 15) der Antriebsturbine (60) einen dritten Wärmetauscher (13) aufweist, welcher ausgelegt ist, an den zweiten Teilstrom (10) der in dem ersten Wärmetauscher (6) abgekühlten Luft (6a) Abgaswärme abzugeben.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, wobei die zweite Stufe (11, 13, 15) der Antriebsturbine (60) eine Brennkammer (15) aufweist, welche ausgelegt ist, an den zweiten Teilstrom (10) der in dem ersten Wärmetauscher (6) abgekühlten Luft (6a) Brennstoffwärme abzugeben.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21 in einer Zentral-Klimaanlage zur Erwärmung und Kühlung von Luft.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21 in einer Zentral-Klimaanlage zur Kühlung von Luft, wobei der dem Expansionslaufrad (8) der Wärmepumpe (70) zugeführte ersten Teilstrom (7) nach seiner Expansion und Abkühlung in dem Expansionslaufrad (8) der Wärmepumpe (70) als kalter Abluftstrom (9) in der Zentral-Klimaanlage zur Kühlung von Luft ohne zusätzlichen Wärmetauscher direkt mit der zu kühlenden Luft vermischt wird.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21 in einer Zentral-Klimaanlage zur Erwärmung von Luft, wobei in der Zentral-Klimaanlage ohne Zwischenschaltung eines Warmwasserkreislaufs die zu erwärmende Luft ganz oder teil weise durch den ersten Wärmetauscher (6) und/oder einen vierten Wärmetauscher (20) geführt und dabei erwärmt wird, wobei die durch Expansion und Abkühlung in dem Expansionslaufrad (17) der Antriebsturbine (60) vorzugsweise auf nahezu Umgebungsdruck entspannte und auf eine niedrige Temperatur gesenkte Luft als Abgasstrom (18) dem vierten Wärmetauscher (20) zum Übertragen der Abgaswärme auf die zu erwärmende Luft zugeführt wird.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21 als „Back-System" zur Unterstützung einer Solar-Kältemaschine, wenn die Sonnen-Einstrahlung nicht ausreicht oder ganz fehlt.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21 als Kältemaschine, wobei die mit dem ersten Wärmetauscher (6) bewirkte Rückkühlung der im Kompressionslaufrad (4) der Wärmepumpe (70) komprimierten und erwärmten Luft (5) durch kaltes Brunnenwasser oder ein anderes kühles Wärmeträgermedium erfolgt.