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Die vorliegende Erfindung betrifft Kühlsysteme, die Verwendung neuer Kältemittel darin sowie Kühlprozesse.
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Bei Kühlprozessen wie etwa der Absorptionskühlung oder der Kompressionskühlung wird die Wärme von der Wärmequelle an eine Wärmesenke abgeführt. Soll die Wärme der Wärmequelle an die Umgebung, das heißt die Umgebungsluft abgeführt werden, gibt es Temperaturobergrenzen für die Umgebungsluft, bei deren Überschreitung herkömmliche Kälteprozesse nicht mehr funktionieren. Die Kondensation in einem Kälteprozess etwa muss mit einem gewissen Abstand vom kritischen Punkt des jeweilig verwendeten Arbeitsmittels ablaufen. Ein bekanntes und bisher häufig eingesetztes Arbeitsmittel ist beispielsweise R134A (1,1,1,2-Tetrafluroethan). Dessen kritischer Punkt liegt bei 101°C. Um eine annehmbare Kühlleistung zu erreichen, sollte die Kondensationstemperatur einen Abstand von der kritischen Temperatur von 30 Kelvin nicht unterschreiten. Zur Vermeidung höherer Betriebsdrücke durch hohe Temperaturen des Arbeitsmittels werden Kondensationstemperaturen üblicherweise kleiner 50°C gewählt, welche bei Umgebungstemperaturen bereits über 40°C unter Berücksichtigung der erforderlichen Temperaturdifferenz in den Wärmetauschern problematisch und aufwendig sind. Sind wegen Wassermangel statt Nasskühltürme Luftwärmetauscher vorzusehen, ist die treibende Temperaturdifferenz im Luftwärmetauscher schnell zu gering, sind sehr große Wärmetauscherflächen oder zusätzlich sehr starke Lüfter zur Erhöhung des Wärmeübergangskoeffizienten notwendig und damit sind hohe Investitions- und Betriebskosten verbunden.
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Bei Absorptionskälteanlagen im Besonderen bedeuten hohe Umgebungstemperaturen, etwa zwischen 40°C und 60°C, dass sich ebenfalls die Temperatur für die Wärmeabfuhr vom Absorber und Kondensator erhöht auf über 60°C. Dadurch stiege der Druck in einer Absorptionskälteanlage, welche bedingt durch den gleichzeitigen Wärme- und Stoffaustausch aus großvolumigen Behältern besteht und daher kostenbedingt nicht für hohe Drücke ausgelegt ist. Bei einem Kältemittel-Absorber-Paar wie beispielsweise NH3-H2O würde der Druck bei 65°C auf 30 bar ansteigen. Zusätzlich ergeben sich durch die hohen Rückkühltemperaturen bei Absorptionskälteanlagen deutlich schlechtere Wärmeverhältnisse.
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Bisher werden für den Betrieb herkömmlicher Kälteanlagen in dem beschriebenen Temperaturgrenzbereich Rückkühlungen eingesetzt wie beispielsweise Nasskühltürme. Diese ermöglichen durch die Verdunstungskühlung die Kondensationstemperatur der Kälteanlage herabzusetzen, trotz der hohen Umgebungstemperatur. Der Einsatz von Nasskühltürmen ist aber mit hohem Wasserverbrauch und dementsprechenden Kosten verbunden. Gerade in Gegenden hoher Umgebungstemperaturen, wie etwa in Wüstengegenden, ist eine derartige Rückkühllösung weder ökonomisch noch ökologisch.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kühlsystem und einen Kühlprozess für Hochtemperaturumgebungen anzugeben.
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Das erfindungsgemäße Kühlsystem weist eine Kälteanlage und eine Hochtemperaturwärmepumpe auf, wobei die Kälteanlage und die Hochtemperaturwärmepumpe so miteinander gekoppelt sind, dass die Wärmeabgabe der Kälteanlage an den Verdampfer der Hochtemperaturwärmepumpe erfolgt. Insbesondere sind die Kälteanlage und die Hochtemperaturwärmepumpe kaskadenförmig zusammengeschaltet. Dies hat den Vorteil, dass die Kälteanlage bei normalen Betriebsbedingungen hinsichtlich Verdampfungs- und Kondensationstemperatur betrieben werden kann.
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Durch die Verbindung des Verdampfers der Hochtemperaturwärmepumpe mit dem Kondensator der Kälteanlage ist gewährleistet, dass die Hochtemperaturwärmepumpe den Temperaturhub über die Umgebungstemperatur vornimmt. Bei einer Umgebungstemperatur von etwa 60°C kann die Hochtemperaturwärmepumpe die Kondensationstemperatur auf etwa 80°C bis 120°C anheben. Dadurch wird eine hohe Temperaturdifferenz vom Kondensator der Hochtemperaturwärmepumpe gegenüber der Umgebungstemperatur erreicht. Dies wiederum ermöglicht die Wärmeabfuhr von der Hochtemperaturwärmepumpe durch eine relativ kleine Kühlfläche, zum Beispiel über einen kleinen Luftkühler.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Kälteanlage des Kühlsystems eine Kompressionskälteanlage. In diesem Fall wird der Verdampfer der Hochtemperaturwärmepumpe mit dem Kondensator dieser Kompressionskälteanlage so thermisch verbunden, dass Wärme vom Kondensator zum Verdampfer übertragen wird, um die Hochtemperaturwärmepumpe dem Temperaturhub gegenüber der Umgebungstemperatur vornehmen zu lassen.
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Alternativ dazu kann das Kühlsystem auch eine Kälteanlage umfassen, die eine Absorptionskälteanlage ist. In diesem Fall ist der Verdampfer der Hochtemperaturwärmepumpe mit dem Absorber und dem Kondensator der Absorptionskälteanlage thermisch verbunden, dass Wärme von Absorber und Kondensator zum Verdampfer übertragen wird. In einer vorteilhaften Ausführungsform des Kühlsystems mit Absorptionskälteanlage ist der Austreiber der Absorptionskälteanlage so ausgestaltet, Abwärme aufzunehmen und zur Desorption zu verwenden. Das Kühlsystem ist z.B. mit einer Turbine angeordnet und nutzt an dieser Stelle zumindest einen Teil deren Abwärme. Dies hat den Vorteil, dass die Abwärmetemperatur der Turbine zum Beispiel von ca. 90°C auf bis zu 80°C gesenkt werden kann. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Kühlsystem mit der Absorptionskälteanlage mit einem inneren Wärmetauscher ausgestattet, welcher den Austreiber der Absorptionskälteanlage so in einen Rückkühlkreislauf des Kondensators der Hochtemperaturwärmepumpe integriert, dass zumindest ein Teil der im Kondensator anfallenden Abwärme der Hochtemperaturwärmepumpe zur Desorption im Austreiber zurückgeführt werden kann. Diese Ausführungsform ist besonders geeignet bei Kondensationstemperaturen der Hochtemperaturwärmepumpe von über 90°C. Der Rückkühlkreislauf mit dem inneren Wärmetauscher hat den Vorteil, den Wirkungsgrad des Kühlsystems erheblich zu erhöhen. Beispielsweise können neben ein- auch zweistufige Absorptionskältemaschinen genutzt werden. Als Kältemittel-Absorber-Paare in den Absorptionskältemaschinen kommen beispielsweise NH3-H2O, H2O-LiBr oder auch Systeme auf Basis ionischer Flüssigkeiten in Frage.
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Vorteilhafterweise wird das Kühlsystem für die Vorkühlung von Turbineneingangsluft herangezogen. Dazu ist das Kühlsystem in einer Ausführungsform der Erfindung mit einer Turbine angeordnet. Dies kann beispielsweise eine Gasturbine eines Verbrennungskraftwerks sein. Insbesondere umfasst das Kühlsystem zur Vorkühlung von Turbineneingangsluft eine Kühleinrichtung, welche einen Verdampfer aufweist, der als Verdampfer für die Kälteanlage agiert oder der über einen Wärmetauscher mit dem Verdampfer der Kälteanlage gekoppelt ist. Beispielsweise kann die Kühleinrichtung auch eine Kühlwendel umfassen, welche die Wärme dann an den Verdampfer der Kälteanlage abführt. Insbesondere weist die Kühleinrichtung zur Vorkühlung der Turbineneingangsluft einen Lufteinlass und einen Luftauslass auf. Die Umgebungsluft kann dabei beispielsweise von 40°C bis 60°C auf ein deutlich niedrigeres Temperaturniveau, z.B. auf die ISO-Turbineneintrittstemperatur für Gasturbinen von 15°C abgekühlt werden, bevor sie in die Turbine strömt. Das erfindungsgemäße Kühlsystem zur Vorkühlung der Turbineneingangsluft hat damit den Vorteil bei hohen Umgebungstemperaturen und ohne Wasserverlust in Nasskühltürmen aus der Kombination einer Kälteanlage mit der Wärmeabführung durch eine Hochtemperaturwärmepumpe sehr effizient Kälteleistung in die Turbinenansaugluft einzubringen. Die bei hohen Umgebungstemperaturen deutlich reduzierte Leistung von Gasturbinen kann durch diese kombinierte Vorkühlung der Turbinenansaugluft vermieden werden. Eine Leistungssteigerung der Gasturbinen bis über die Nennleistung hinaus ist damit trotz hoher Umgebungstemperaturen und ohne Wasserverluste machbar.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Kühleinrichtung zur Vorkühlung der Turbineneingangsluft einen Behälter auf, der so mit der Kühleinrichtung angeordnet ist, dass bei der Luftvorkühlung kondensierendes Wasser aus der angesaugten Luft in diesem Behälter aufgefangen werden kann.
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Dies hat den Vorteil, dass gleichzeitig mit der Luftvorkühlung sauberes Wasser gewonnen werden kann. Dieses kann insbesondere für verschiedene alternative Rückkühlprozesse eingesetzt werden.
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Erfindungsgemäß werden in dem beschriebenen Kühlsystem Hochtemperaturkältemittel eingesetzt, welche kritische Punkte über 120°C, insbesondere über 140°C aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass mit sehr viel höheren Kondensationstemperaturen von etwa 90 bis zu 120°C gearbeitet werden kann, welche eine ausreichende Temperaturdifferenz zur Umgebung darstellen. Mit Hilfe des Einsatzes der Hochtemperaturkältemittel und dem erfindungsgemäßen Kühlsystem können Kosteneinsparungen beim Kondensator der Hochtemperaturwärmepumpe erreicht werden, darüber hinaus ist ein geringerer Platzbedarf für den Kondensator der Hochtemperaturwärmepumpe notwendig und auf Rückkühlsysteme wie z.B. Nasskühltürme kann vollständig verzichtet werden.
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Ein Beispiel für ein geeignetes Hochtemperaturkältemittel ist beispielsweise R245fa (1,1,1,3,3-Pentafluoropropan), welches einen kritischen Punkt bei 154°C aufweist. Weitere sehr vorteilhafte Hochtemperaturkältemittel für den Einsatz in dem erfindungsgemäßen Kühlsystem sind Fluorketone. Diese weisen noch zusätzliche Vorteile hinsichtlich ihrer guten Umweltverträglichkeit auf und haben den Vorteil weder brennbar noch toxisch zu sein. Bevorzugte Beispiele aus der Familie der Fluorketone sind Novec649 (Dodecafluoro-2-Methylpentan-3-one), welches einen kritischen Punkt bei 169°C hat und Novec524 (Decafluoro-3-Methylbutan-2-one mit einem kritischen Punkt bei 148°C.
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Bei dem erfindungsgemäßen Kühlprozess zur Vorkühlung von Turbineneingangsluft bei hohen Umgebungstemperaturen über 30°C, insbesondere über 38°C, typischerweise zwischen 40°C und 60°C, wird die Umgebungsluft so durch eine Kälteanlage oder durch eine externe Kühleinrichtung, die mit dieser Kälteanlage gekoppelt ist geleitet, dass der Umgebungsluft Wärme entzogen wird, bevor diese Luft als Turbineneingangsluft in die Turbine geleitet wird. Dabei erfolgt die Wärmeabgabe der Kälteanlage an den Verdampfer einer Hochtemperaturwärmepumpe. Der Vorteil des Einsatzes einer Absorptionskälteanlage in dem Kühlsystem besteht darin, dass die verfügbare Restwärme der Turbine, z.B. vom Abgas der Turbine oder von der flexiblen Restenergie der Elektrizität für den Antrieb, weiter genutzt werden kann.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in exemplarischer Weise mit Bezug auf die 1 bis 4 der angehängten Zeichnungen beschrieben:
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1 zeigt ein Fließbild für ein Kühlsystem mit Absorptionskälteanlage und Hochtemperaturwärmepumpe,
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2 zeigt ein Fließbild für ein Kühlsystem mit Kompressionskälteanlage und Hochtemperaturwärmepumpe,
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3 zeigt ein Fließbild für ein Kühlsystem mit Absorptionskälteanlage und Hochtemperaturwärmepumpe mit internem Wärmetauscher im Rückkühlkreislauf des Kondensators der Hochtemperaturwärmepumpe und
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4 zeigt ein Fließbild für eine Turbineneingangsluftvorkühlung.
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In der 1 ist auf der linken Seite zunächst die Vorkühlung 30 für die Turbineneingangsluft 32 gezeigt. Die Umgebungsluft 31 strömt mit einer Temperatur von beispielsweise 40°C in die Kühleinrichtung 33 und verlässt diese 32 mit einer Temperatur von beispielsweise 15°C mit der sie dann in die Turbine 60 weitergeleitet wird. Die Wärmeaufnahme QU1 aus der Umgebungsluft 31 ist mit einem Pfeil gekennzeichnet. Die Vorkühlung 30 ist beispielsweise ein Verdampfer 33 oder eine Kühleinrichtung 33, die mit dem Verdampfer 23 der Kälteanlage 20 thermisch gekoppelt ist. An die Vorkühlung 30 schließt sich die Kälteanlage 20 an, die in diesem Fall eine Absorptionskälteanlage ist. Diese weist einen Verdampfer 23, einen Austreiber 25 und einen Absorber 21 auf. Der Verdampfer 23 ist thermisch mit der Vorkühlung 30 verbunden. Der Absorber 21 oder auch der Kondensator 21 gibt seine Wärme QA an die rechts gezeigte Hochtemperaturwärmepumpe 10 ab. Der Austreiber 25 bezieht die notwendige Wärme QW für die Desorption beispielsweise aus dem Abgas der Turbine 60 oder sonstiger anfallender Abwärme der Turbine 60. Die Ankopplung der Hochtemperaturwärmepumpe 10 an die Absorptionskälteanlage 20 erfolgt über einen Wärmetauscher vom Absorber 21 zum Verdampfer 13 der Hochtemperaturwärmepumpe 10. Die Hochtemperaturwärmepumpe 10 weist weiterhin ein Expansionsventil 12, einen Kompressor 14, der über einen Motor 15 angetrieben wird, und einen Kondensator 11 auf. Dieser gibt seine Wärme QU2 beispielsweise über einen Kühlrippenkühlkörper 110 und darauf aufgesetzt einen Lüfter 111 an die Umgebung ab. Bei einer Umgebungstemperatur beispielsweise zwischen 40°C und 60°C beträgt die Kondensationstemperatur im Verflüssiger 11 der Hochtemperaturwärmepumpe 10 beispielsweise zwischen 70 °C und 100 °C, insbesondere zwischen 90°C und 120°C. Als Kältemittel-Absorber-Paar in der Absorptionskälteanlage 20 kommen beispielsweise NH3-H2O oder H2O-Lithiumbromidlösung infrage, wobei ersteres Paar die tieferen Temperaturen erreicht. In der Hochtemperaturwärmepumpe 10 werden bevorzugt Arbeitsmittel wie Novec649 oder Novec524 eingesetzt.
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Die 2 zeigt analog zur 1 den Aufbau des Kühlsystems, jedoch mit einer Kompressionskälteanlage 50 statt der Absorptionskälteanlage 20. Diese unterscheidet sich in ihren Bauteilen durch das Expansionsventil 22 und den Kompressor 54, der durch den Motor 55 angetrieben wird. Auch in diesem Fall wird die Wärme QA des Kondensators 51 der Kompressionskälteanlage 50 an den Verdampfer 13 der Hochtemperaturwärmepumpe 10 abgegeben. Die Kompressionskälteanlage 50 kann beispielsweise mit einem herkömmlichen Kältemittel R134A betrieben werden.
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In der 3 ist wieder ein Kühlsystem mit Absorptionskälteanlage 20 gezeigt mit dem grundsätzlichen Aufbau wie in 1. Dieses jedoch weist einen Rückkühlkreislauf 40 für den Kondensator 11 der Hochtemperaturwärmepumpe 10 auf. Dieser Rückkühlkreislauf 40 führt Wärme QW an den Austreiber 25 der Absorptionskälteanlage 20 über einen internen Wärmetauscher 254 ab. Somit gelingt es, zumindest einen Teil der am Kondensator 11 der Hochtemperaturwärmepumpe 10 anfallenden Abwärme QR an den Absorptionskühlprozess zurückzuführen.
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Beispielsweise vermindert der interne Wärmetauscher 254 die eingehende Temperatur um etwa 2°C bis zu 10°C, beispielsweise um 5°C, bevor der Rückkühlkreislauf 40 seine Wärme QU2 über einen Kühlkörper 41 mit Kühlrippen 410 und einen Lüfter 411 an die Umgebung abgibt. Die Eingangstemperatur Tin am internen Wärmetauscher 254 kann beispielsweise um die 90°C und die Ausgangstemperatur Tout um die 80°C liegen, bei einer Kondensationstemperatur der Hochtemperaturwärmepumpe 10 von etwa 90°C. Durch die vorherige Abkühlung durch den internen Wärmetauscher 254 kann das Kühl- und Abluftsystem 41 noch kleiner und günstiger ausfallen.
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Die 4 schließlich zeigt die Anordnung des Kühlsystems mit Kompressionskälteanlage 50 wie schon in 2 gezeigt mit einer Turbine 60. Die Turbine 60 ist beispielsweise Teil eines Verbrennungskraftwerks mit Verbrennungskammer 65. Die Abluft 66 der Turbine 60 wird beispielsweise an einen Dampfgenerator zur Wärmerückgewinnung (Heat Recovery Steam Generator) weitergeleitet. Bevor die Umgebungsluft 31 in die Turbine 60 einströmt, wird sie in der Vorkühlung 30 um mehrere Grad Celsius abgekühlt. In der 4 ist dazu eine Vorkühleinrichtung 30 mit einer Kühlwendel 35 gezeigt. Der Kühlkreislauf der Kühlwendel 35 umfasst eine Kühlmittelpumpe 34, die das Kühlmittel an den Verdampfer 53 der Kälteanlage 50 führt. Zusätzlich ist eine Auffangvorrichtung 36 gezeigt, mittels der Kondenswasser aus der Umgebungsluft 31, das beim Abkühlen der Luft auskondensiert, aufgefangen wird. Die einströmende Umgebungsluft 31 hat neben einer höheren Temperatur auch einen höheren Wassergehalt φ als die in die Turbine 60 einströmende Luft 32.
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Die Hochtemperaturwärmepumpe 10 weist wiederum einen Verflüssiger 11 auf, dessen Wärme zunächst an einen Rückkühlkreislauf 40 geführt wird, bevor die Abwärme QU2 über ein kleines Kühlkörper- und Lüftersystem 41 an die Umgebung abgegeben wird.
