DE102021002899A1

DE102021002899A1 - Wärmetauscher-Anordnung für Wärmepumpe und Wärmepumpe mit derselben

Info

Publication number: DE102021002899A1
Application number: DE102021002899.6A
Authority: DE
Inventors: Jan Gerritsen; Lorenzo Bellemo
Original assignee: GEA Refrigeration Netherlands NV
Current assignee: GEA Refrigeration Netherlands NV
Priority date: 2021-06-08
Filing date: 2021-06-08
Publication date: 2022-12-08
Also published as: WO2022258220A1

Abstract

Wärmetauscher-Anordnung (10, 10', 10'', 10''') für eine Wärmepumpe, die Folgendes aufweist:- wenigstens zwei Wärmetauscher (12, 14, 12', 14', 12'', 14'', 12''', 14'''), nämlich einen ersten (12, 12', 12'', 12''') und einen zweiten (14, 14', 14'', 14''') Wärmetauscher, wobei jeder des ersten (12, 12', 12'', 12''') und des zweiten (14, 14', 14'', 14''') Wärmetauschers ausgebildet ist, um eine Wärmeübertragung von einem strömenden Betriebsmedium, insbesondere von einem gasförmigen Betriebsmedium einer Wärmepumpe, das sich in einem transkritischen Zustand befindet, weiterhin insbesondere von R744 in einem transkritischen Zustand, auf ein wärmeaufnehmendes Medium zu ermöglichen, wobei der erste (12, 12', 12'', 12''') und der zweite (14, 14', 14'', 14''') Wärmetauscher in einer Strömungsrichtung des Betriebsmediums nacheinander angeordnet sind und eine erste Wärmeübertragungsstufe (18, 18', 18'', 18''') und eine zweite Wärmeübertragungsstufe (20, 20', 20'', 20''') bilden, von denen jede ausgebildet ist, um Wärme auf das wärmeaufnehmende Medium zu übertragen, und- wenigstens eine zusätzliche Wärmequelle (22, 22', 22'', 22'''), die angeordnet und ausgebildet ist, um in der ersten Wärmeübertragungsstufe (18, 18', 18'', 18''') und/oder der zweiten Wärmeübertragungsstufe (20, 20', 20'', 20''') Wärme auf das wärmeaufnehmende Medium parallel zu der Wärmeübertragung von dem Betriebsmedium zu übertragen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmetauscher-Anordnung gemäß Patentanspruch 1, sowie eine Wärmepumpe mit derselben gemäß Anspruch 8.
CO₂-Wärmepumpen können eine Erwärmung von zu erwärmenden bzw. zu heizenden Medien bis zu oder auch bei hohen Temperaturen vorsehen. Typische momentan erreichbare und in entsprechenden Wärmepumpen realisierte Parameter sind Temperaturen bis zu 150°C und Drücke bis zu 130 bar.
CO₂ gibt in derartigen Wärmepumpen in der transkritischen Phase Wärme ab, d.h. es wird ohne Kondensation gekühlt. Dies macht es zu einem guten Kandidaten für die Erwärmung von Wasser-, Luft- oder anderen Fluidströmen mit einem großen Temperaturanstieg, beginnend bei niedrigen Temperaturen.
Gleichzeitig können CO₂-Wärmepumpen kaltes Wasser bei niedrigen Temperaturen (<5°C) bereitstellen. In diesem Sinne sind CO₂-Wärmepumpen ziemlich einzigartig, da sie gleichzeitig Hochtemperaturheizung und Niedertemperaturkühlung bei einstufiger Kompression liefern können.
Allerdings variiert die spezifische Wärmekapazität von CO₂ in der transkritischen Phase während der Abkühlung erheblich.
Um mittels transkritischem CO₂ ein Fluid (beispielsweise Luft oder Wasser) mit hoher Temperatur zu erzeugen, ist es daher zumindest für bestimmte Fluide, d.h. Fluide, die einen von CO₂ unterschiedlichen Verlauf der spezifischen Wärmekapazität haben, vorteilhaft, die CO₂-Kühlung in mehr als einer Stufe für unterschiedliche Temperaturbereiche zu realisieren, wobei jeder Kühlstufe ein separater Wärmetauscher zugeordnet ist. Dies ist vorteilhaft, da z.B. bei der Erwärmung von Wasser, das eine nahezu konstante Wärmekapazität cp über einen gesamten Temperaturbereich von 10-130°C aufweist, in einer Niedertemperaturstufe, in der CO₂ eine größere Energiemenge abgeben kann als in einer Hochtemperaturstufe, mehr Wasser in der Niedertemperaturstufe auf eine gewünschte Temperatur erwärmt werden kann, als in der Hochtemperaturstufe. Somit kann ein durch die Hochtemperaturstufe bestimmter Massenfluss von Wasser erwärmt werden, so dass eine gute Übereinstimmung der CO₂- und Wassertemperaturprofile erreicht wird.
Als Beitrag für die Gustav-Lorentzen-Konferenz 2018 stellt „OPTIMUM HIGH PRESSURE FOR TRANSCRITICAL CO₂ HEAT PUMPS CONSIDERING ISENTROPIC EFFICIENCY AND GLIDING HEAT EXTRACTION“, Klaus Spindler, 13th IIR Gustav Lorentzen Conference, Valencia, 2018 ein CO₂-Wärmepumpen-Setup vor, bei dem 4 Gaskühler mit jeweils unterschiedlichem Wassermassenstrom in Reihe geschaltet werden, um die Effizienz der Wärmepumpe zu optimieren.
Als Ergebnis einer solchen CO₂-Kühlung, die aufgespalten ist, ist der bei hoher Temperatur (>75°C) in einer CO₂-Wärmepumpe verfügbare Massenstrom erhitzten Fluids geringer als der bei niedrigeren Temperaturen verfügbare Massenstrom erhitzten Fluids.
Dies führt dazu, dass eine Wärmetauscher-Anordnung bzw. eine Wärmepumpe zum Erreichen eines gewünschten Massenstroms von Fluid mit hoher Temperatur so zu dimensionieren ist, dass sie im Bereich niedrigerer Temperaturen ineffektiv arbeitet bzw. einen Wärmeüberschuss aufweist, der den Wirkungsgrad verschlechtert.
Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,eine Wärmetauscher-Anordnung sowie eine entsprechende Wärmepumpe anzugeben, die eine möglichst optimale Ausnutzung der Wärmeenergie, die von CO₂ abgegeben wird, sicherstellt.
Diese Aufgabe wird durch eine Wärmetauscher-Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. eine Wärmepumpe gemäß Anspruch 8 gelöst.
Demnach wird die Aufgabenstellung betreffend die Wärmetauscher-Anordnung durch eine Wärmetauscher-Anordnung für eine Wärmepumpe, die Folgendes aufweist: wenigstens zwei Wärmeaustauscher, nämlich einen ersten und einen zweiten Wärmeaustauscher, wobei jeder des ersten und des zweiten Wärmeaustauschers ausgebildet ist, um eine Wärmeübertragung von einem strömenden Betriebsmedium, insbesondere von einem gasförmigen Betriebsmedium einer Wärmepumpe, das sich in einem transkritischen Zustand befindet, weiterhin insbesondere von R744 in einem transkritischen Zustand, auf ein wärmeaufnehmendes Medium zu ermöglichen, wobei der erste und der zweite Wärmetauscher in einer Strömungsrichtung des Betriebsmediums nacheinander angeordnet sind und eine erste Wärmeübertragungsstufe und eine zweite Wärmeübertragungsstufe bilden, von denen jede ausgebildet ist, um Wärme auf das wärmeaufnehmende Medium zu übertragen, und wenigstens eine zusätzliche Wärmequelle, die angeordnet und ausgebildet ist, um in der ersten Wärmeübertragungsstufe und/oder der zweiten Wärmeübertragungsstufe Wärme auf das wärmeaufnehmende Medium parallel zu der Wärmeübertragung von dem Betriebsmedium zu übertragen.
Die konkrete Ausgestaltung hinsichtlich der zusätzlichen Wärmequelle, insbesondere die Ausgestaltung, ob nur in einer Wärmeübertragungsstufe oder in den beiden Wärmeübertragungsstufen Wärme auf das wärmeaufnehmende Medium übertragen wird, hängt von der Vorgabe für die Wärmepumpe ab, in den meisten Fällen wird die zusätzliche Wärmquelle der zusätzlichen Übertragung von Wärme in einer Hochtemperatur-Stufe der Wärmepumpe dienen.
Die Anordnung kann einen weiteren Wärmetauscher aufweisen, der eine weitere Wärmeübertragungsstufe bildet, oder mehrere weitere Wärmetauscher aufweisen, die in der Strömungsrichtung des Betriebsmediums nacheinander angeordnet sind und weitere Wärmeübertragungsstufen bilden, wobei jeder des weiteren Wärmetauschers oder der weiteren Wärmetauscher in der Strömungsrichtung des Betriebsmediums vor oder nach dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher angeordnet ist. Durch die zusätzlichen Stufen ist eine feinere Aufteilung des Erwärmungsvorgangs des wärmeaufnehmenden Mediums sichergestellt. Ferner ist es denkbar, einer oder mehreren zusätzlichen Stufen eine zusätzliche Wärmequelle zuzuordnen, um die Erwärmung des wärmeaufnehmenden Mediums energetisch möglichst optimiert zu gestalten. Hierzu kann die Anordnung eine oder mehrere weitere Wärmequellen aufweisen, die angeordnet und ausgebildet ist/sind, um in der ersten Wärmeübertragungsstufe und/oder der zweiten Wärmeübertragungsstufe und/oder einer (der) zusätzlichen Wärmeübertragungsstufe oder einer oder mehreren (der) zusätzlichen Wärmeübertragungsstufen Wärme auf das wärmeaufnehmende Medium parallel zu der Wärmeübertragung von dem Betriebsmedium zu übertragen.
Optional sind die Wärmetauscher Gaskühler, was im Falle des Kältemittels R744 (CO₂) einen optimalen Wärmeübertrag aus der transkritischen Phase ermöglicht. Gaskühler sind in der Terminologie der vorliegenden Anmeldung Wärmetauscher, in die das Betriebsmedium gasförmig eintritt und aus denen das Betriebsmedium auch gasförmig wieder austritt.
Die Wärmequelle und/oder (die) eine oder mehrere weitere Wärmequellen können jeweils eine Wärmepumpe oder ein Dampfheizer oder ein Gasbrenner oder ein elektrischer Heizer sein, wobei dies keine abschließende Aufzählung ist und sämtliche bekannten Wärmequellen bzw. Energiequellen denkbar wären.
In einer möglichen Ausführungsform ist die erste Wärmeübertragungsstufe eine Mitteltemperaturstufe und die zweite Wärmeübertragungsstufe eine Hochtemperaturstufe.
Zusätzlich oder alternativ hierzu kann die Anordnung einen Kühlstufen-Wärmetauscher aufweisen, der angeordnet und ausgebildet ist, um Wärme von einem zu kühlenden Medium auf das Betriebsmedium zu übertragen. Dadurch kann neben der Erwärmung des wärmeaufnehmenden Mediums auch ein zu kühlendes Medium gekühlt werden, so dass die Kälteleistung der Anlage als Kühlfunktion parallel zu der Heizfunktion ausgenutzt werden kann.
Der Aspekt der Aufgabenstellung, der die Angabe einer Wärmepumpe betrifft, wird durch eine Wärmepumpe bzw. Wärmepumpenvorrichtung gemäß Anspruch 8 gelöst, d.h. durch eine Wärmepumpenvorrichtung, die eine Anordnung gemäß vorstehender Beschreibung aufweist.
Das Betriebsmedium ist in einer möglichen Ausführungsform R744 in einem transkritischen Zustand und das wärmeaufnehmende Medium kann Luft oder Wasser sein. Auch diese Aufzählung ist nicht abschließend, insbesondere kommen als wärmeaufnehmende Medien beliebige andere Fluide in Frage. Als Betriebsmedium kommen ebenfalls andere Kältemittel in Frage, insbesondere Kältemittel mit einem ähnlichen Verlauf der spezifischen Wärmekapazität wie R744.
Weitere optionale Merkmale der Erfindung sind in der folgenden Figurenbeschreibung angegeben. Die beschriebenen jeweiligen Merkmale können einzeln oder in beliebigen Kombinationen realisiert sein. Die Erfindung wird demnach im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen anhand von beispielhaften Ausführungsformen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Anordnung;
2 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Anordnung, die eine Abwandlung der ersten Ausführungsform darstellt;
3 eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Anordnung;
4 eine schematische Ansicht einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Anordnung, die eine Abwandlung der dritten Ausführungsform darstellt;
5 ein Temperatur-Enthalpie-Diagramm zur Erläuterung der Funktion bzw. Wirkung der erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Anordnung.

In 1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Anordnung 10 dargestellt. Die Anordnung 10 weist einen ersten Wärmetauscher 12 und einen zweiten Wärmetauscher 14 auf. Jeder der Wärmetauscher 12, 14 ist angeordnet, um einen Wärmeübertrag von einem strömenden Betriebsmedium, in der vorliegend beschriebenen Ausführungsform ist dies R744 (CO₂) in einem transkritischen Zustand, auf ein wärmeaufnehmendes Medium, in der vorliegend beschriebenen Ausführungsform ist dies Wasser, zu bewerkstelligen. Hierzu werden der erste Wärmetauscher 12 und der zweite Wärmetauscher 14 jeweils auf einer Primärseite durch das Betriebsmedium und auf einer Sekundärseite durch das wärmeaufnehmende Medium durchströmt.
Der erste Wärmetauscher 12 und der zweite Wärmetauscher 14 sind in einer Strömungsrichtung des Betriebsmediums, die durch einen Pfeil 16 angedeutet ist, nacheinander folgend angeordnet und sind Bestandteil von bzw. bilden eine erste Wärmeübertragungsstufe 18 und eine zweite Wärmeübertragungsstufe 20, jeweils zur Übertragung von Wärme, genauer gesagt von Wärmeenergie, von dem Betriebsmedium auf das wärmeaufnehmende Medium.
Die erste Wärmeübertragungsstufe 18 dient einer Erwärmung des wärmeaufnehmenden Mediums auf eine mittlere Temperatur. In der hier beschriebenen Ausführungsform ist die mittlere Temperatur eine Temperatur von in etwa 70°C bis 80°C, vorzugsweise in etwa 75°C. Die zweite Wärmeübertragungsstufe 20 dient einer Erwärmung des wärmeaufnehmenden Mediums auf eine hohe Temperatur. In der hier beschriebenen Ausführungsform ist die hohe Temperatur eine Temperatur von in etwa 140°C bis 160°C, vorzugsweise in etwa 150°C. Die erste Wärmeübertragungsstufe 18 wird deshalb auch als Mitteltemperaturstufe bezeichnet und die zweite Wärmeübertragungsstufe 20 wird deshalb auch als Hochtemperaturstufe bezeichnet. Analog hierzu wird der erste Wärmetauscher 12 auch als Mitteltemperaturtauscher bezeichnet und der zweite Wärmetauscher 14 wird als Hochtemperaturtauscher bezeichnet.
Die Anordnung 10 weist weiterhin eine zusätzliche Wärmequelle 22 auf, die angeordnet ist, um in der zweiten Wärmeübertragungsstufe 20 Wärme auf das wärmeaufnehmende Medium parallel zu der Wärmeübertragung von dem Betriebsmedium zu übertragen. Dies ist durch einen Pfeil 24 angedeutet, der veranschaulicht, dass eine Wärmemenge ΔQ von der zusätzlichen Wärmequelle 22 auf das wärmeaufnehmende Medium übertragen wird.
In der vorliegenden Ausführungsform wird die Wärmemenge ΔQ von der zusätzlichen Wärmequelle 22 dem wärmeaufnehmenden Medium über den bzw. in dem zweiten Wärmetauscher 14 parallel zugeführt. In anderen Worten gesagt wird die Wärmemenge ΔQ von der zusätzlichen Wärmequelle 22 parallel zu der Zufuhr von Wärmeenergie vom Betriebsmedium auf das wärmeaufnehmende Medium übertragen. In der hier beschriebenen ersten Ausführungsform wirkt dabei die Wärmemenge ΔQ von der zusätzlichen Wärmequelle 22 und die Wärme vom Betriebsmedium auf den Gesamtstrom des wärmeaufnehmenden Mediums. In anderen Worten gesagt, bedeutet dies, dass die Wärmemenge ΔQ von der zusätzlichen Wärmequelle 22 sowie die Wärme vom Betriebsmedium jeweils auf den Gesamtstrom des wärmeaufnehmenden Mediums übertragen werden.
Die zusätzliche Wärmequelle 22 kann der zweiten Wärmeübertragungsstufe 20 zugeordnet sein bzw. Bestandteil der zweiten Wärmeübertragungsstufe 20 sein, wie in 1 angedeutet ist. Die zusätzliche Wärmequelle 22 kann aber auch eine Wärmequelle sein, die kein Bestandteil der zweiten Wärmeübertragungsstufe 20 ist bzw. dieser nicht zugeordnet werden kann bzw. dieser zumindest nicht exklusiv zugeordnet werden kann. Beispielsweise kann die zusätzliche Wärmequelle 22 in alternativen Ausführungsformen, die weitere Wärmeübertragungsstufen aufweisen, auch eine oder mehrere weitere Wärmeübertragungsstufen mit (zusätzlicher) Wärme versorgen.
Alternativ zu der obenstehend beschriebenen Konstruktion ist aber auch jegliche andere Art der parallelen Zufuhr einer (zusätzlichen) Wärmemenge ΔQ denkbar. Ein alternatives Beispiel hierzu wird weiter unten stehend anhand der 2 erläutert.
In der beschriebenen ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung 10 ist die zusätzliche Wärmequelle 22 eine Wärmepumpe, hier eine Wärmepumpe, die Wärme mit hoher Temperatur liefert, die vorzugsweise mit viel höheren Temperaturen auf der kalten Seite arbeitet als CO₂-Wärmepumpen. Diese Art von Wärmequelle kann in der Folge auch als als Booster bezeichnet werden.
Alternativ hierzu sind auch andere Wärmepumpen und auch beliebige andere Wärmequellen denkbar (die Wahl der zusätzlichen Wärmequelle wird der Fachmann unter Berücksichtigung des jeweiligen Einsatzgebietes der Anordnung 10 treffen), insbesondere beispielsweise auch Fluidströme oder Flüssigkeitsströme aus konventionellen Heizgeräten. Gängige Beispiele sind Dampferhitzer bzw. Dampfheizer. Sie arbeiten bei Dampfdrücken über 20 bar. Das Kondensat verlässt diese Erhitzer bei hohem Druck und hohen Temperaturen und es sollte unter 90°C abgekühlt werden, bevor es in Dampfkessel zurückgeführt wird. Damit ist dies eine Wärmequelle, die in einem idealen Temperaturbereich arbeitet. Ferner sind auch Gasbrenner denkbar. Je nach Art des Brenners werden Rauchgase aus dem Verbrennungsprozess mit Temperaturen höher als 250°C abgeführt, die auf weniger als 80°C abgekühlt werden können. Weiterhin sind auch elektrische Heizer für eine derartige Verwendung geeignet und denkbar.
In 5 ist ein Temperatur-Enthalpie-Diagramm zur Erläuterung der Funktion bzw. Wirkung der erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Anordnung 10 dargestellt. Daraus lassen sich die Beiträge des Betriebsmediums CO₂ und der zusätzlichen Wärmequelle zur Gesamtenthalpie des wärmeaufnehmenden Mediums erkennen.
Eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung 10' ist in 2 dargestellt. zweite Ausführungsform weist wiederum eine erste Wärmeübertragungsstufe 18' und eine zweite Wärmeübertragungsstufe 20' auf.
Die erste Wärmeübertragungsstufe 18' der Anordnung 10' gemäß der zweiten Ausführungsform ist analog zu derjenigen der ersten Ausführungsform ausgebildet und weist einen Wärmetauscher 12' auf, der analog zu dem Wärmetauscher 12 ausgebildet ist.
Die zweite Wärmeübertragungsstufe 20' weist einen zweiten Wärmetauscher 14' und einen ersten Zusatzwärmetauscher 14z auf. Der zweite Wärmetauscher 14' unterscheidet sich vom zweiten Wärmetauscher 14 der ersten Ausführungsform darin, dass der zweite Wärmetauscher 14' der Erwärmung eines ersten Teilstroms bzw. Teilmassestroms des wärmeaufnehmenden Mediums ausschließlich durch eine Wärmeübertragung von dem Betriebsmedium dient, während der erste Zusatzwärmetauscher 14z der Erwärmung eines zweiten Teilstroms bzw. Teilmassestroms des wärmeaufnehmenden Mediums ausschließlich durch eine Wärmeübertragung der Wärmemenge ΔQ von einer zusätzlichen Wärmequelle 22' dient, die in der beschriebenen Ausführungsform der zusätzlichen Wärmequelle 22 entspricht.
Dabei gilt, dass der erste Teilstrom des wärmeaufnehmenden Mediums und der zweite Teilstrom des wärmeaufnehmenden Mediums in Summe den Gesamtstrom des wärmeaufnehmenden Mediums ergeben. In anderen Worten gesagt, wird der Gesamtstrom bzw. Gesamtmassestrom des wärmeaufnehmenden Mediums vor der Erwärmung durch die zweite Wärmeübertragungsstufe 20' aufgeteilt und dann werden die daraus resultierenden zwei Teilströme in getrennten Wärmetauschern (erster Wärmetauscher 14' zur Wärmeübertragung vom Betriebsmedium auf den ersten Teilstrom und erster Zusatzwärmetauscher 14z zur Wärmeübertragung von der zusätzlichen Wärmequelle 22') parallel erwärmt und nach der Erwärmung wiedervereinigt.
Der erste Wärmetauscher 12' und der zweite Wärmetauscher 14' sind als Gaskühler ausgebildet. Gaskühler sind in der Terminologie der vorliegenden Anmeldung Wärmetauscher, in die das Betriebsmedium gasförmig eintritt und aus denen das Betriebsmedium auch gasförmig wieder austritt, was für R744 in der transkritischen Phase der Fall ist.
Eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung 10" ist in 3 dargestellt. Diese weist einen ersten Wärmetauscher 12" und einen zweiten Wärmetauscher 14" auf, sowie zusätzlich einen nullten Wärmetauscher 40 und einen dritten Wärmetauscher 42. Der erste Wärmetauscher 12" und der zweite Wärmetauscher 14" sind jeweils analog zum ersten Wärmetauscher 12 und zum zweiten Wärmetauscher 14 ausgebildet. Der nullte Wärmetauscher 40 ist analog zum ersten Wärmetauscher 12" (und somit auch analog zum ersten Wärmetauscher 12) ausgebildet, der dritte Wärmetauscher 42 ist analog zum zweiten Wärmetauscher 14" (und somit auch analog zum zweiten Wärmetauscher 14) ausgebildet.
Jeder der Wärmetauscher 40, 12", 14" und 42 ist angeordnet, um einen Wärmeübertrag von dem strömenden Betriebsmedium, in der vorliegend beschriebenen Ausführungsform ist dies wiederum R744 in einem transkritischen Zustand, auf das wärmeaufnehmende Medium, in der vorliegend beschriebenen Ausführungsform ist dies Luft, zu bewerkstelligen. Hierzu werden der nullte Wärmetauscher 40, der erste Wärmetauscher 12", der zweite Wärmetauscher 14" und der dritte Wärmetauscher 42 jeweils auf einer Primärseite durch das Betriebsmedium und auf einer Sekundärseite durch das wärmeaufnehmende Medium durchströmt.
Der nullte Wärmetauscher 40, der erste Wärmetauscher 12", der zweite Wärmetauscher 14" und der dritte Wärmetauscher 42 sind in einer Strömungsrichtung des Betriebsmediums, die wiederum durch den Pfeil 16 angedeutet ist, nacheinander folgend angeordnet und sind jeweils Bestandteil von bzw. bilden eine nullte Wärmeübertragungsstufe 44, eine erste Wärmeübertragungsstufe 18", eine zweite Wärmeübertragungsstufe 20" und eine dritte Wärmeübertragungsstufe 46, die jeweils zur Übertragung von Wärme von dem Betriebsmedium auf das wärmeaufnehmende Medium dienen.
Die nullte Wärmeübertragungsstufe 44 dient einer Erwärmung des wärmeaufnehmenden Mediums auf eine erste Temperatur, die erste Wärmeübertragungsstufe 18" dient einer Erwärmung des wärmeaufnehmenden Mediums auf eine zweite Temperatur, die größer als die erste Temperatur ist, die zweite Wärmeübertragungsstufe 20" dient einer Erwärmung des wärmeaufnehmenden Mediums auf eine dritte Temperatur, die größer als die zweite Temperatur ist, und die dritte Wärmeübertragungsstufe 46 dient einer Erwärmung des wärmeaufnehmenden Mediums auf eine vierte Temperatur, die die Endtemperatur der Anordnung 10" ist und größer als die dritte Temperatur ist.
Die Anordnung 10" weist weiterhin eine erste zusätzliche Wärmequelle 22" auf, die in der beschriebenen Ausführungsform Bestandteil der zweiten Wärmeübertragungsstufe 20" ist und angeordnet ist, um in der zweiten Wärmeübertragungsstufe 20" Wärme auf das wärmeaufnehmende Medium parallel zu der Wärmeübertragung von dem Betriebsmedium zu übertragen. Bei der durch die erste zusätzliche Wärmequelle 22" übertragenen Wärme handelt es sich um Wärme, die nicht vom Betriebsmedium stammt, sondern um zusätzliche Wärme, d.h. Wärme, die aus der ersten zusätzlichen Wärmequelle 22" stammt. Dies ist durch einen Pfeil 24" angedeutet, der veranschaulicht, dass eine Wärmemenge ΔQ1 von der ersten zusätzlichen Wärmequelle 22" auf das wärmeaufnehmende Medium übertragen wird. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Wärmemenge ΔQ1 dem wärmeaufnehmenden Medium über den zweiten Wärmetauscher 14" zugeführt, in einer Art und Weise parallel zu der Zufuhr von Wärmeenergie vom Betriebsmedium auf das wärmeaufnehmende Medium. Alternativ hierzu ist aber auch jegliche andere Art der parallelen Zufuhr einer (zusätzlichen) Wärmemenge ΔQ denkbar.
Die Anordnung 10" weist ferner eine zweite zusätzliche Wärmequelle 48 auf, die in der beschriebenen Ausführungsform Bestandteil der der dritten Wärmeübertragungsstufe 46 ist und angeordnet ist, um in der dritten Wärmeübertragungsstufe 46 Wärme auf das wärmeaufnehmende Medium zu übertragen. Bei der durch die zweite zusätzliche Wärmequelle 48 übertragenen Wärme handelt es sich wiederum um Wärme, die nicht vom Betriebsmedium stammt, sondern um zusätzliche Wärme, d.h. Wärme, die aus der zweiten zusätzlichen Wärmequelle 48 stammt.Dies ist durch einen Pfeil 50 angedeutet, der veranschaulicht, dass eine Wärmemenge ΔQ2 von der zweiten zusätzlichen Wärmequelle 48 auf das wärmeaufnehmende Medium parallel zu der Wärmeübertragung von dem Betriebsmedium übertragen wird. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Wärmemenge ΔQ2 dem wärmeaufnehmenden Medium über den dritten Wärmetauscher 42 zugeführt, in einer Art und Weise parallel zu der Zufuhr von Wärmeenergie vom Betriebsmedium auf das wärmeaufnehmende Medium. Alternativ hierzu ist aber auch jegliche andere Art der parallelen Zufuhr einer (zusätzlichen) Wärmemenge ΔQ denkbar.
In der beschriebenen dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung 10" ist die erste zusätzliche Wärmequelle 22" eine Wärmepumpe und die zweite zusätzliche Wärmequelle 48 ist ein Gasbrenner.
Alternativ hierzu sind für jede zusätzliche Wärmequelle auch andere Wärmepumpen und auch beliebige andere Wärmequellen denkbar (die Wahl der zusätzlichen Wärmequelle wird der Fachmann unter Berücksichtigung des jeweiligen Einsatzgebietes der Anordnung 10" treffen), insbesondere beispielsweise auch Fluidströme oder Flüssigkeitsströme aus konventionellen Heizgeräten. Gängige Beispiele sind Dampferhitzer bzw. Dampfheizer. Sie arbeiten bei Dampfdrücken über 20 bar. Das Kondensat verlässt diese Erhitzer bei hohem Druck und hohen Temperaturen und es sollte unter 90°C abgekühlt werden, bevor es in Dampfkessel zurückgeführt wird. Damit ist dies eine Wärmequelle, die in einem idealen Temperaturbereich arbeitet. Ferner sind auch Gasbrenner denkbar. Je nach Art des Brenners werden Rauchgase aus dem Verbrennungsprozess mit Temperaturen höher als 250°C abgeführt, die auf weniger als 80°C abgekühlt werden können. Weiterhin sind auch elektrische Heizer für eine derartige Verwendung geeignet und denkbar.
In einer alternativen Ausführungsform ist es auch denkbar, dass die erste zusätzliche Wärmequelle 22" und die zweite zusätzliche Wärmequelle 48 aus einer gemeinsamen Quelle gespeist werden bzw. eine gemeinsame zusätzliche Wärmequelle sind, beispielsweise ein Dampfheizer, der beispielsweise u.a. Kondensationswärme als Energie übertragen kann.
Die Anordnung 10" weist zudem einen Kühlstufen-Wärmetauscher 52 auf, der Wärme von einem zu kühlenden Medium auf das Betriebsmedium überträgt, wodurch die Anordnung 10" sowohl einen Heizkreis bedienen kann, als auch einen Kältekreis bzw. Kühlkreis. Dies sorgt für einen energieeffizienten Einsatz der Anordnung 10''.
Eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung 10''' ist in 4 dargestellt. Die vierte Ausführungsform stellt eine Abwandlung der dritten Ausführungsform dar und unterscheidet sich von der dritten Ausführungsform ähnlich, wie sich die erste und die zweite Ausführungsform unterscheiden.
Die Anordnung 10''' weist wie die dritte Ausführungsform vier Wärmeübertragungsstufen auf, nämlich eine nullte Wärmeübertragungsstufe 44', eine erste Wärmeübertragungsstufe 18''', eine zweite Wärmeübertragungsstufe 20''' und eine dritte Wärmeübertragungsstufe 46'. Die nullte Wärmeübertragungsstufe 44' und die erste Wärmeübertragungsstufe 18''' sind analog zu der nullten Wärmeübertragungsstufe 44 und der ersten Wärmeübertragungsstufe 18'' der dritten Ausführungsform ausgebildet bzw. aufgebaut und weisen einen nullten Wärmetauscher 40' und einen ersten Wärmetauscher 12''' auf, die wiederum analog zu dem nullten Wärmetauscher 40 und dem ersten Wärmetauscher 12" der dritten Ausführungsform aufgebaut sind.
Die zweite Wärmeübertragungsstufe 20''' und die dritte Wärmeübertragungsstufe 46' sind analog zu der zweiten Wärmeübertragungsstufe 20' der zweiten Ausführungsform aufgebaut.
Die zweite Wärmeübertragungsstufe 20''' weist einen zweiten Wärmetauscher 14''' und einen ersten Zusatzwärmetauscher 14z' auf. Der zweite Wärmetauscher 14''' unterscheidet sich vom zweiten Wärmetauscher 14" der dritten Ausführungsform darin, dass der zweite Wärmetauscher 14''' der Erwärmung eines ersten Teilstroms bzw. Teilmassestroms des wärmeaufnehmenden Mediums ausschließlich durch eine Wärmeübertragung von dem Betriebsmedium dient, während der erste Zusatzwärmetauscher 14z' der Erwärmung eines zweiten Teilstroms bzw. Teilmassestroms des wärmeaufnehmenden Mediums ausschließlich durch eine Wärmeübertragung der Wärmemenge ΔQ1 von einer zusätzlichen Wärmequelle 22''' dient.
Dabei gilt, dass der erste Teilstrom des wärmeaufnehmenden Mediums und der zweite Teilstrom des wärmeaufnehmenden Mediums in Summe den Gesamtstrom des wärmeaufnehmenden Mediums ergeben. In anderen Worten gesagt, wird der Gesamtstrom bzw. Gesamtmassestrom des wärmeaufnehmenden Mediums vor der Erwärmung durch die zweite Wärmeübertragungsstufe 20''' aufgeteilt und dann werden die daraus resultierenden zwei Teilströme in getrennten Wärmetauschern (zweiter Wärmetauscher 14''' zur Wärmeübertragung vom Betriebsmedium auf den ersten Teilstrom und erster Zusatzwärmetauscher 14z' zur Wärmeübertragung von der zusätzlichen Wärmequelle 22') parallel erwärmt und nach der Erwärmung wiedervereinigt.
Die dritte Wärmeübertragungsstufe 46' weist einen dritten Wärmetauscher 42' und einen zweiten Zusatzwärmetauscher 42z' auf. Der dritte Wärmetauscher 42' unterscheidet sich vom dritten Wärmetauscher 42 der dritten Ausführungsform dadurch, dass der dritte Wärmetauscher 42' der Erwärmung eines dritten Teilstroms bzw. Teilmassestroms des wärmeaufnehmenden Mediums ausschließlich durch eine Wärmeübertragung von dem Betriebsmedium dient, während der zweite Zusatzwärmetauscher 42z' der Erwärmung eines vierten Teilstroms bzw. Teilmassestroms des wärmeaufnehmenden Mediums ausschließlich durch eine Wärmeübertragung der Wärmemenge ΔQ2 von einer zweiten zusätzlichen Wärmequelle 48' dient.
Dabei gilt, dass der dritte Teilstrom des wärmeaufnehmenden Mediums und der vierte Teilstrom des wärmeaufnehmenden Mediums in Summe den Gesamtstrom des wärmeaufnehmenden Mediums ergeben. In anderen Worten gesagt, wird der Gesamtstrom bzw. Gesamtmassestrom des wärmeaufnehmenden Mediums vor der Erwärmung durch die dritte Wärmeübertragungsstufe 46' wiederum aufgeteilt und dann werden die daraus resultierenden zwei Teilströme in getrennten Wärmetauschern (dritter Wärmetauscher 42' zur Wärmeübertragung vom Betriebsmedium auf den ersten Teilstrom und zweiter Zusatzwärmetauscher 42z' zur Wärmeübertragung von der zusätzlichen Wärmequelle 48') parallel erwärmt und nach der Erwärmung wiedervereinigt.
Alle Wärmetauscher 40', 12''', 14''' und 42' sind als Gaskühler ausgebildet.
Zusammenfassend kann die Idee, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt als ein Hinzufügen einer oder mehrerer zusätzlicher Wärmequelle(n) zum Vorsehen einer Wärmeabgabe an den Prozess parallel zu einer CO₂-Wärmepumpe auf Hochtemperaturniveau und/oder auf Mitteltemperaturniveau, je nach Prozessanforderung beschrieben werden.
Der Prozess sieht vorteilhafterweise aus seiner Sicht dabei eine einzige Wärmequelle (bestehend aus CO₂-Wärmepumpe und zusätzlicher Wärmequelle bzw. zusätzlichen Wärmequellen, beispielsweise Booster), so dass es möglich ist, ausgeglichene Massenströme auf hohen und mittleren Temperaturniveaus zu erwärmen oder ihr Verhältnis je nach Prozessanforderung zu verändern.
Beispielsweise ist die Verwendung von Kondensat aus einem Dampferhitzer als parallele Wärmequelle zur CO₂-Wärmepumpe in einer Sprühtrocknungsanlage denkbar, da bei den meisten Sprühtrocknern bei der Mitteltemperaturbelastung ein Wärmeüberschuss entstehen würde, wenn die CO₂-Wärmepumpe so dimensioniert ist, dass sie die Hochtemperaturbelastung abdeckt. Daher würde die Kühlung des Dampfkondensats parallel zum Hochtemperatur-Gaskühler eine Erhöhung des COP des Systems ermöglichen und gleichzeitig die Anzahl der installierten Kompressoren und damit die Investitionskosten reduzieren. Dies ist eine Möglichkeit, um Energieeinsparungen zu maximieren.
Bei beispielsweise Sprühtrocknungsanlagen in kalten Klimazonen, die eine Lufterwärmung bei negativen Außentemperaturen erfordern, könnte eine CO₂-Wärmepumpe, die für durchschnittliche Bedingungen dimensioniert ist, bei kalten Winterbedingungen eine unzureichende Last mittlerer Temperatur und bei sommerlichen Bedingungen eine überschüssige Last mittlerer Temperatur liefern. Das System kann optimiert werden (besserer jährlicher COP und noch weniger installierte Kompressoren), indem eine parallele Heizung auf beiden Temperaturniveaus eingeführt wird.
Obwohl die Erfindung anhand von Ausführungsformen mit festen Merkmalskombinationen beschrieben wird, umfasst sie jedoch auch die denkbaren weiteren vorteilhaften Kombinationen, wie sie insbesondere, aber nicht erschöpfend, durch die Unteransprüche angegeben sind. Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

Claims

Wärmetauscher-Anordnung (10, 10', 10'', 10''') für eine Wärmepumpe, die Folgendes aufweist: - wenigstens zwei Wärmetauscher (12, 14, 12', 14', 12'', 14'', 12''', 14'''), nämlich einen ersten (12, 12', 12'', 12''') und einen zweiten (14, 14', 14'', 14''') Wärmetauscher, wobei jeder des ersten (12, 12', 12'', 12''') und des zweiten (14, 14', 14'', 14''') Wärmetauschers ausgebildet ist, um eine Wärmeübertragung von einem strömenden Betriebsmedium, insbesondere von einem gasförmigen Betriebsmedium einer Wärmepumpe, das sich in einem transkritischen Zustand befindet, weiterhin insbesondere von R744 in einem transkritischen Zustand, auf ein wärmeaufnehmendes Medium zu ermöglichen, wobei der erste (12, 12', 12'', 12''') und der zweite (14, 14', 14'', 14''') Wärmetauscher in einer Strömungsrichtung des Betriebsmediums nacheinander angeordnet sind und eine erste Wärmeübertragungsstufe (18, 18', 18'', 18''') und eine zweite Wärmeübertragungsstufe (20, 20', 20'', 20''') bilden, von denen jede ausgebildet ist, um Wärme auf das wärmeaufnehmende Medium zu übertragen, und - wenigstens eine zusätzliche Wärmequelle (22, 22', 22'', 22'''), die angeordnet und ausgebildet ist, um in der ersten Wärmeübertragungsstufe (18, 18', 18'', 18''') und/oder der zweiten Wärmeübertragungsstufe (20, 20', 20'', 20''') Wärme auf das wärmeaufnehmende Medium parallel zu der Wärmeübertragung von dem Betriebsmedium zu übertragen.
Anordnung (10, 10', 10'', 10''') nach Anspruch 1, wobei die Anordnung (10, 10', 10'', 10''') einen weiteren Wärmetauscher (40, 40', 42, 42') aufweist, der eine weitere Wärmeübertragungsstufe (44, 44', 46, 46') bildet oder Bestandteil einer solchen ist, oder mehrere weitere Wärmetauscher (40, 40', 42, 42') aufweist, die in der Strömungsrichtung des Betriebsmediums nacheinander angeordnet sind und weitere Wärmeübertragungsstufen (44, 44', 46, 46') bilden oder jeweils Bestandteil einer solchen sind, wobei jeder des weiteren Wärmetauschers (40, 40', 42, 42') oder der weiteren Wärmetauscher (40, 40', 42, 42') vor oder nach dem ersten (12, 12', 12'', 12''') und dem zweiten (14, 14', 14'', 14''') Wärmetauscher in der Strömungsrichtung des Betriebsmediums angeordnet ist.
Anordnung (10, 10', 10'', 10''') nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei wenigstens ein Wärmetauscher oder ein weiterer Wärmetauscher, insbesondere alle Wärmetauscher (12, 12', 12'', 12''', 14, 14', 14'', 14''', 40, 40', 42, 42') Gaskühler sind.
Anordnung (10, 10', 10'', 10''') nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Anordnung (10, 10', 10'', 10''') eine oder mehrere weitere Wärmequellen (48, 48') aufweist, die angeordnet und ausgebildet sind, um in der ersten Wärmeübertragungsstufe (18, 18', 18'', 18''') und/oder der zweiten Wärmeübertragungsstufe (20, 20', 20'', 20''') und/oder einer (der) zusätzlichen Wärmeübertragungsstufe oder einer oder mehreren (der) zusätzlichen Wärmeübertragungsstufen Wärme auf das wärmeaufnehmende Medium parallel zu der Wärmeübertragung von dem Betriebsmedium zu übertragen.
Anordnung (10, 10', 10'', 10''') nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Wärmequelle (22, 22', 22'', 22''') und/oder (die) eine oder mehrere weitere Wärmequellen (48, 48') eine Wärmepumpe oder ein Dampfheizer oder ein Gasbrenner oder ein elektrischer Heizer sind.
Anordnung (10, 10', 10'', 10''') nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Wärmeübertragungsstufe(18, 18', 18'', 18''') eine Mitteltemperaturstufe ist und die zweite Wärmeübertragungsstufe (20, 20', 20'', 20''') eine Hochtemperaturstufe ist.
Anordnung (10, 10', 10'', 10''') nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Anordnung (10, 10', 10'', 10''') einen Kühlstufen-Wärmetauscher (52) aufweist, der angeordnet und ausgebildet ist, um Wärme von einem zu kühlenden Medium auf das Betriebsmedium zu übertragen.
Wärmepumpenvorrichtung, die eine Anordnung (10, 10', 10'', 10''') gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.
Wärmepumpenvorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Betriebsmedium R744 in einem transkritischen Zustand ist und das wärmeaufnehmende Medium Luft oder Wasser ist.