DE102021002899A1 - Heat exchanger arrangement for heat pump and heat pump with the same - Google Patents

Heat exchanger arrangement for heat pump and heat pump with the same Download PDF

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Lorenzo Bellemo
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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.Heat exchanger arrangement (10, 10', 10'', 10''') for a heat pump, which has the following: - at least two heat exchangers (12, 14, 12', 14', 12'', 14'', 12 ''', 14'''), namely a first (12, 12', 12'', 12''') and a second (14, 14', 14'', 14''') heat exchanger, each of the first (12, 12', 12'', 12''') and the second (14, 14', 14'', 14''') heat exchanger is designed to transfer heat from a flowing operating medium, in particular from a gaseous operating medium of a heat pump, which is in a transcritical state, further in particular from R744 in a transcritical state, to a heat-absorbing medium, the first (12, 12', 12'', 12''') and the second (14, 14', 14'', 14''') heat exchangers are arranged one after the other in a flow direction of the operating medium and a first heat transfer stage (18, 18', 18'', 18''') and a second heat transfer stage (20, 20', 20'', 20'''), each of which excl is designed to transfer heat to the heat-absorbing medium, and- at least one additional heat source (22, 22', 22'', 22''') which is arranged and designed to, in the first heat transfer stage (18, 18' , 18'', 18''') and/or the second heat transfer stage (20, 20', 20'', 20''') to transfer heat to the heat absorbing medium in parallel with the heat transfer from the working medium.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmetauscher-Anordnung gemäß Patentanspruch 1, sowie eine Wärmepumpe mit derselben gemäß Anspruch 8.The present invention relates to a heat exchanger arrangement according to claim 1 and a heat pump with the same according to claim 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.CO 2 heat pumps can provide heating of media to be warmed up or heated up to or even at high temperatures. Typical parameters that can currently be achieved and implemented in corresponding heat pumps are temperatures of up to 150°C and pressures of up to 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.In such heat pumps, CO 2 gives off heat in the transcritical phase, ie it is cooled without condensation. This makes it a good candidate for heating water, air or other fluid streams with a large temperature rise, starting at low temperatures.

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.At the same time, CO 2 heat pumps can provide cold water at low temperatures (<5°C). In this sense, CO 2 heat pumps are quite unique in that they can simultaneously provide high temperature heating and low temperature cooling with single stage compression.

Allerdings variiert die spezifische Wärmekapazität von CO2 in der transkritischen Phase während der Abkühlung erheblich.However, the specific heat capacity of CO 2 in the transcritical phase varies significantly during cooling.

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.In order to produce a fluid (e.g. air or water) at a high temperature using transcritical CO 2 , it is therefore advantageous, at least for certain fluids, i.e. fluids that have a different specific heat capacity from CO 2 , to use CO 2 cooling in to realize more than one stage for different temperature ranges, each cooling stage being assigned a separate heat exchanger. This is advantageous because, for example, when water is heated, which has an almost constant heat capacity cp over an entire temperature range of 10-130° C., more water is produced in a low-temperature stage in which CO 2 can release a greater amount of energy than in a high-temperature stage can be heated to a desired temperature in the low-temperature stage than in the high-temperature stage. Thus, a mass flow of water determined by the high-temperature stage can be heated, so that a good match between the CO 2 and water temperature profiles is achieved.

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.As a contribution to the Gustav Lorentzen Conference 2018, "OPTIMUM HIGH PRESSURE FOR TRANSCRITICAL CO 2 HEAT PUMPS CONSIDERING ISENTROPIC EFFICIENCY AND GLIDING HEAT EXTRACTION", Klaus Spindler, 13th IIR Gustav Lorentzen Conference, Valencia, 2018 presents a CO 2 heat pump setup , in which 4 gas coolers, each with a different water mass flow, are connected in series in order to optimize the efficiency of the heat pump.

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.As a result of such CO 2 cooling being cracked, the mass flow of heated fluid available at high temperature (>75°C) in a CO 2 heat pump is less than the mass flow of heated fluid available at lower temperatures.

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.This means that a heat exchanger arrangement or a heat pump must be dimensioned to achieve a desired mass flow of fluid at a high temperature in such a way that it works ineffectively at lower temperatures or has excess heat that impairs efficiency.

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.Proceeding from this, it is the object of the present invention to specify a heat exchanger arrangement and a corresponding heat pump which ensures the best possible utilization of the thermal energy emitted by CO 2 .

Diese Aufgabe wird durch eine Wärmetauscher-Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. eine Wärmepumpe gemäß Anspruch 8 gelöst.This object is achieved by a heat exchanger arrangement having the features of patent claim 1 or a heat pump according to claim 8.

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.Accordingly, the task relating to the heat exchanger arrangement is achieved by a heat exchanger arrangement for a heat pump, which has the following: at least two heat exchangers, namely a first and a second heat exchanger, each of the first and the second heat exchanger being designed to transfer heat from a flowing operating medium, in particular from a gaseous operating medium of a heat pump, which is in a transcritical state, furthermore in particular from R744 in a transcritical state, to a heat-absorbing medium, the first and the second heat exchanger being arranged one after the other in a flow direction of the operating medium and a first heat transfer stage and a second heat transfer stage, each configured to transfer heat to the heat absorbing medium, and at least one additional heat source arranged and configured to be in the first heat transfer stage and/or the second heat transfer stage to transfer heat to the heat absorbing medium in parallel with the heat transfer from the working medium.

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.The specific design with regard to the additional heat source, in particular the design, whether heat is transferred to the heat-absorbing medium only in one heat transfer stage or in both heat transfer stages, depends on the specification for the heat pump, in most cases the additional heat source is the additional transfer of heat in a high-temperature stage of the heat pump.

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.The arrangement can have a further heat exchanger, which forms a further heat transfer stage, or have several further heat exchangers which are arranged one after the other in the direction of flow of the working medium and form further heat transfer stages, with each of the further heat exchanger or heat exchangers being in front of or behind in the direction of flow of the working medium is arranged after the first and the second heat exchanger. The additional stages ensure a finer division of the heating process of the heat-absorbing medium. Furthermore, it is conceivable to assign an additional heat source to one or more additional stages in order to optimize the heating of the heat-absorbing medium as much as possible in terms of energy. For this purpose, the arrangement can have one or more additional heat sources which are arranged and designed to heat up in the first heat transfer stage and/or the second heat transfer stage and/or one (the) additional heat transfer stage or one or more (the) additional heat transfer stages to transfer the heat absorbing medium in parallel with the heat transfer from the working medium.

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.Optionally, the heat exchangers are gas coolers, which in the case of the refrigerant R744 (CO 2 ) enables optimal heat transfer from the transcritical phase. In the terminology of the present application, gas coolers are heat exchangers into which the operating medium enters in gaseous form and from which the operating medium also exits again in gaseous form.

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.The heat source and/or (the) one or more other heat sources can each be a heat pump or a steam heater or a gas burner or an electric heater, although this is not an exhaustive list and all known heat sources or energy sources would be conceivable.

In einer möglichen Ausführungsform ist die erste Wärmeübertragungsstufe eine Mitteltemperaturstufe und die zweite Wärmeübertragungsstufe eine Hochtemperaturstufe.In one possible embodiment, the first heat transfer stage is a medium temperature stage and the second heat transfer stage is a high temperature stage.

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.In addition or as an alternative to this, the arrangement can have a cooling stage heat exchanger which is arranged and designed to transfer heat from a medium to be cooled to the operating medium. As a result, in addition to heating the heat-absorbing medium, a medium to be cooled can also be cooled, so that the cooling capacity of the system can be used as a cooling function in parallel with the heating function.

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.The aspect of the problem relating to the specification of a heat pump is solved by a heat pump or heat pump device according to claim 8, i.e. by a heat pump device having an arrangement as described above.

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.In one possible embodiment, the operating medium is R744 in a transcritical state and the heat-absorbing medium can be air or water. This list is also not exhaustive, in particular any other fluids can be used as heat-absorbing media. Other refrigerants can also be used as the operating medium, in particular refrigerants with a specific heat capacity profile similar to that of 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.
Further optional features of the invention are specified in the following description of the figures. The respective features described can be implemented individually or in any combination. The invention is therefore described below with reference to the accompanying drawings using exemplary embodiments. In the drawings show:
  • 1 a schematic view of a first embodiment of a heat exchanger assembly according to the invention;
  • 2 a schematic view of a second embodiment of a heat exchanger arrangement according to the invention, which represents a modification of the first embodiment;
  • 3 a schematic view of a third embodiment of a heat exchanger arrangement according to the invention;
  • 4 a schematic view of a fourth embodiment of a heat exchanger arrangement according to the invention, which represents a modification of the third embodiment;
  • 5 a temperature-enthalpy diagram to explain the function or effect of the heat exchanger assembly according to the invention.

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.In 1 is a first embodiment of a heat exchanger arrangement 10 according to the invention shown. The arrangement 10 has a first heat exchanger 12 and a second heat exchanger 14 . Each of the heat exchangers 12, 14 is arranged to effect a heat transfer from a flowing working medium, in the presently described embodiment this is R744 (CO 2 ) in a transcritical state, to a heat-absorbing medium, in the presently described embodiment this is water . For this purpose, the first heat exchanger 12 and the second heat exchanger 14 flow through the operating medium on a primary side and through the heat-absorbing medium on a secondary side.

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.The first heat exchanger 12 and the second heat exchanger 14 are arranged one after the other in a flow direction of the operating medium, which is indicated by an arrow 16, and are part of or form a first heat transfer stage 18 and a second heat transfer stage 20, each for the transfer of heat, more precisely from thermal energy, from the operating medium to the heat-absorbing 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.The first heat transfer stage 18 serves to heat the heat-absorbing medium to an average temperature. In the embodiment described herein, the mean temperature is a temperature of about 70°C to 80°C, preferably about 75°C. The second heat transfer stage 20 serves to heat the heat-absorbing medium to a high temperature. In the embodiment described herein, the high temperature is a temperature of about 140°C to 160°C, preferably about 150°C. The first heat transfer stage 18 is therefore also referred to as the medium-temperature stage, and the second heat transfer stage 20 is therefore also referred to as the high-temperature stage. Analogous to this, the first heat exchanger 12 is also referred to as a medium-temperature exchanger and the second heat exchanger 14 is referred to as a high-temperature exchanger.

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. The assembly 10 further includes an additional heat source 22 arranged to transfer heat to the heat-receiving medium in the second heat transfer stage 20 in parallel with the heat transfer from the working medium. This is indicated by an arrow 24, which illustrates that a quantity of heat ΔQ is transferred from the additional heat source 22 to the heat-absorbing medium.

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.In the present embodiment, the amount of heat ΔQ from the additional heat source 22 is supplied to the heat-receiving medium in parallel via the second heat exchanger 14 . In other words, the amount of heat ΔQ from the additional heat source 22 is transferred in parallel with the supply of thermal energy from the operating medium to the heat-absorbing medium. In the first embodiment described here, the amount of heat ΔQ from the additional heat source 22 and the heat from the operating medium act on the total flow of the heat-absorbing medium. In other words, this means that the amount of heat ΔQ from the additional heat source 22 and the heat from the operating medium are each transferred to the total flow of the heat-absorbing medium.

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.The additional heat source 22 can be assigned to the second heat transfer stage 20 or be part of the second heat transfer stage 20, as in FIG 1 is indicated. However, the additional heat source 22 can also be a heat source that is not part of the second heat transfer stage 20 or cannot be assigned to it or at least cannot be assigned exclusively to it. For example, in alternative embodiments that include additional heat transfer stages, the additional heat source 22 may also provide (additional) heat to one or more additional heat transfer stages.

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.However, as an alternative to the construction described above, any other type of parallel supply of an (additional) quantity of heat ΔQ is also conceivable. An alternative example of this is given below with reference to 2 explained.

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.In the described first embodiment of an arrangement 10 according to the invention, the additional heat source 22 is a heat pump, here a heat pump providing high temperature heat, which preferably operates at much higher temperatures on the cold side than CO 2 heat pumps. This type of heat source can also be referred to below as a booster.

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.As an alternative to this, other heat pumps and any other heat sources are also conceivable (the specialist will select the additional heat source taking into account the respective field of application of the arrangement 10), in particular, for example, fluid flows or liquid flows from conventional heating devices. Common examples are steam heaters or steam heaters. They work at steam pressures above 20 bar. The condensate leaves these heaters at high pressure and temperature and it should be cooled below 90°C before being returned to steam boilers. This makes this a heat source that is within an ideal temperature range is working. Gas burners are also conceivable. Depending on the type of burner, flue gases from the combustion process are discharged at temperatures higher than 250°C, which can be cooled down to less than 80°C. Furthermore, electric heaters are also suitable and conceivable for such use.

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.In 5 a temperature-enthalpy diagram is shown to explain the function or effect of the heat exchanger arrangement 10 according to the invention. From this, the contributions of the operating medium CO 2 and the additional heat source to the total enthalpy of the heat-absorbing medium can be identified.

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.A second embodiment of an arrangement 10' according to the invention is shown in 2 shown. second embodiment again has a first heat transfer stage 18' and a second heat transfer stage 20'.

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.The first heat transfer stage 18 ′ of the arrangement 10 ′ according to the second embodiment is designed analogously to that of the first embodiment and has a heat exchanger 12 ′, which is designed analogously to the heat exchanger 12 .

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.The second heat transfer stage 20' has a second heat exchanger 14' and a first auxiliary heat exchanger 14z. The second heat exchanger 14' differs from the second heat exchanger 14 of the first embodiment in that the second heat exchanger 14' is used to heat a first partial flow or partial mass flow of the heat-absorbing medium exclusively by heat transfer from the operating medium, while the first additional heat exchanger 14z is used to heat a second partial flow or partial mass flow of the heat-absorbing medium exclusively by heat transfer of the amount of heat ΔQ from an additional heat source 22', which corresponds to the additional heat source 22 in the described embodiment.

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.It applies here that the first partial flow of the heat-absorbing medium and the second partial flow of the heat-absorbing medium result in the total flow of the heat-absorbing medium. In other words, the total flow or total mass flow of the heat-absorbing medium is divided before it is heated by the second heat transfer stage 20' and then the resulting two partial flows are in separate heat exchangers (first heat exchanger 14' for heat transfer from the operating medium to the first partial flow and first Additional heat exchanger 14z for heat transfer from the additional heat source 22 ') heated in parallel and reunited after heating.

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.The first heat exchanger 12' and the second heat exchanger 14' are designed as gas coolers. In the terminology of the present application, gas coolers are heat exchangers into which the operating medium enters in gaseous form and from which the operating medium also exits again in gaseous form, which is the case for R744 in the transcritical phase.

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.A third embodiment of an arrangement 10" according to the invention is in 3 shown. This has a first heat exchanger 12" and a second heat exchanger 14", as well as an additional heat exchanger 40 and a third heat exchanger 42. The first heat exchanger 12" and the second heat exchanger 14" are analogous to the first heat exchanger 12 and the second heat exchanger 14 educated. The zeroth heat exchanger 40 is designed analogously to the first heat exchanger 12" (and thus also analogously to the first heat exchanger 12), the third heat exchanger 42 is designed analogously to the second heat exchanger 14" (and thus also analogously to the second heat exchanger 14).

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.Each of the heat exchangers 40, 12", 14" and 42 is arranged to transfer heat from the flowing working medium, in the embodiment described here this is again R744 in a transcritical state, to the heat absorbing medium, in the embodiment described here this is air , to accomplish. For this purpose, the zeroth heat exchanger 40, the first heat exchanger 12", the second heat exchanger 14" and the third heat exchanger 42 are each traversed by the operating medium on a primary side and by the heat-absorbing medium on a secondary side.

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.The zeroth heat exchanger 40, the first heat exchanger 12", the second heat exchanger 14" and the third heat exchanger 42 are arranged one after the other in a flow direction of the operating medium, which in turn is indicated by the arrow 16, and are each part of or form a zeroth heat transfer stage 44, a first heat transfer stage 18", a second heat transfer stage 20" and a third heat transfer stage 46, each serving to transfer heat from the working medium to the heat absorbing medium.

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.The zeroth heat transfer stage 44 is used to heat the heat absorbing medium to a first temperature, the first heat transfer stage 18" is used to heat the heat absorbing medium to a second temperature that is greater than the first temperature, the second heat transfer stage 20" is for heating the heat absorbing medium to a third temperature greater than the second temperature; and the third heat transfer stage 46 is for heating the heat absorbing medium to a fourth temperature which is the final temperature of the assembly 10" and greater than the third temperature is.

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.The arrangement 10" further comprises a first additional heat source 22", which in the embodiment described is part of the second heat transfer stage 20" and is arranged to transfer heat to the heat-absorbing medium in parallel with the heat transfer from the working medium in the second heat transfer stage 20". transfer. The heat transferred by the first additional heat source 22" is heat which does not originate from the working medium but is additional heat, i.e. heat which originates from the first additional heat source 22". This is indicated by an arrow 24" which illustrates that a quantity of heat ΔQ1 is transferred from the first additional heat source 22" to the heat-absorbing medium. In the present embodiment, the amount of heat ΔQ1 is supplied to the heat-absorbing medium via the second heat exchanger 14" in a manner parallel to the supply of thermal energy from the operating medium to the heat-absorbing medium. Alternatively, any other type of parallel supply of a ( additional) amount of heat ΔQ conceivable.

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.The assembly 10'' further includes a second supplemental heat source 48, which in the described embodiment is part of the third heat transfer stage 46 and is arranged to transfer heat to the heat-receiving medium in the third heat transfer stage 46. In which by the second supplemental heat source 48 transferred heat is again heat that does not come from the operating medium, but additional heat, i.e. heat that comes from the second additional heat source 48. This is indicated by an arrow 50, which illustrates that an amount of heat ΔQ2 from the second additional heat source 48 is transferred to the heat absorbing medium in parallel with the heat transfer from the working medium In the present embodiment, the amount of heat ΔQ2 is supplied to the heat absorbing medium via the third heat exchanger 42 in a manner parallel to the supply of thermal energy from the working medium the heat up taking medium. As an alternative to this, however, any other type of parallel supply of an (additional) quantity of heat ΔQ is also conceivable.

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.In the described third embodiment of an arrangement 10" according to the invention, the first additional heat source 22" is a heat pump and the second additional heat source 48 is a gas burner.

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.As an alternative to this, other heat pumps and any other heat sources are also conceivable for each additional heat source (the person skilled in the art will select the additional heat source taking into account the respective area of application of the arrangement 10"), in particular, for example, fluid flows or liquid flows from conventional heating devices. Common examples are Steam heaters or steam heaters.They operate at steam pressures in excess of 20 bar.The condensate leaves these heaters at high pressure and temperature and it should be cooled below 90°C before being returned to steam boilers.This makes this a heat source used in a works within the ideal temperature range. Gas burners are also conceivable. Depending on the type of burner, flue gases from the combustion process are discharged at temperatures higher than 250° C., which can be cooled down to less than 80° C. Electric heaters are also suitable for such use and think are

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.In an alternative embodiment, it is also conceivable that the first additional heat source 22" and the second additional heat source 48 are fed from a common source or are a common additional heat source, for example a steam heater, which, for example, can transfer heat of condensation as energy, for example.

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''.The arrangement 10" also has a cooling stage heat exchanger 52, which transfers heat from a medium to be cooled to the operating medium, as a result of which the arrangement 10" can serve both a heating circuit and a cooling circuit or cooling circuit. This provides for energy efficient use of the assembly 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.A fourth embodiment of an arrangement 10''' according to the invention is shown in 4 shown. The fourth embodiment is a modification of the third embodiment and differs from the third embodiment similarly as the first and second embodiments differ.

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.Like the third embodiment, the arrangement 10''' has four heat transfer stages, namely a zeroth heat transfer stage 44', a first heat transfer stage 18''', a second heat transfer stage 20''' and a third heat transfer stage 46'. The zeroth heat transfer stage 44' and the first heat transfer stage 18''' are configured analogously to the zeroth heat transfer stage 44 and the first heat transfer stage 18'' of the third embodiment and include a zeroth heat exchanger 40' and a first heat exchanger 12''', which in turn are analogous to the zeroth heat exchanger 40 and the first heat exchanger 12'' of the third embodiment.

Die zweite Wärmeübertragungsstufe 20''' und die dritte Wärmeübertragungsstufe 46' sind analog zu der zweiten Wärmeübertragungsstufe 20' der zweiten Ausführungsform aufgebaut.The second heat transfer stage 20''' and the third heat transfer stage 46' are constructed analogously to the second heat transfer stage 20' of the second embodiment.

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.The second heat transfer stage 20''' has a second heat exchanger 14''' and a first auxiliary heat exchanger 14z'. The second heat exchanger 14''' differs from the second heat exchanger 14'' of the third embodiment in that the second heat exchanger 14''' is used to heat a first partial flow or partial mass flow of the heat-absorbing medium exclusively by heat transfer from the operating medium, while the first Additional heat exchanger 14z' serves to heat a second partial flow or partial mass flow of the heat-absorbing medium exclusively by heat transfer of the amount of heat ΔQ1 from an additional heat source 22'''.

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.It applies here that the first partial flow of the heat-absorbing medium and the second partial flow of the heat-absorbing medium result in the total flow of the heat-absorbing medium. In other words, the total flow or total mass flow of the heat-absorbing medium is divided before heating by the second heat transfer stage 20''' and then the resulting two partial flows are in separate heat exchangers (second heat exchanger 14''' for heat transfer from the operating medium to the first partial flow and first additional heat exchanger 14z 'for heat transfer from the additional heat source 22') heated in parallel and reunited after heating.

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.The third heat transfer stage 46' has a third heat exchanger 42' and a second auxiliary heat exchanger 42z'. The third heat exchanger 42' differs from the third heat exchanger 42 of the third embodiment in that the third heat exchanger 42' is used to heat a third partial flow or partial mass flow of the heat-absorbing medium exclusively by heat transfer from the operating medium, while the second additional heat exchanger 42z' is used for heating a fourth partial flow or partial mass flow of the heat-absorbing medium exclusively by heat transfer of the amount of heat ΔQ2 from a second additional heat source 48'.

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.It applies here that the third partial flow of the heat-absorbing medium and the fourth partial flow of the heat-absorbing medium result in the total flow of the heat-absorbing medium. In other words, the total flow or total mass flow of the heat-absorbing medium is again divided before it is heated by the third heat transfer stage 46' and then the resulting two partial flows are in separate heat exchangers (third heat exchanger 42' for heat transfer from the operating medium to the first partial flow and second additional heat exchanger 42z 'for heat transfer from the additional heat source 48') heated in parallel and reunited after heating.

Alle Wärmetauscher 40', 12''', 14''' und 42' sind als Gaskühler ausgebildet.All heat exchangers 40', 12''', 14''' and 42' are designed as gas coolers.

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.In summary, the idea underlying the present invention can be described as adding one or more additional heat source(s) to provide heat rejection to the process in parallel with a CO 2 heat pump at a high temperature level and/or at a medium temperature level, depending on the process requirement.

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.From his point of view, the process advantageously sees a single heat source (consisting of CO 2 heat pump and additional heat source or additional heat sources, e.g. boosters), so that it is possible to heat balanced mass flows at high and medium temperature levels or their ratio depending on changing process requirements.

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.For example, the use of condensate from a steam heater as a parallel heat source to the CO 2 heat pump in a spray drying system is conceivable, since most spray dryers would produce excess heat at medium temperature loads if the CO 2 heat pump is dimensioned in such a way that it covers the high temperature load . Therefore, cooling the vapor condensate in parallel with the high-temperature gas cooler would allow an increase in the system COP while reducing the number of compressors installed and therefore the investment costs. This is one way to maximize energy savings.

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.For example, in spray drying systems in cold climates that require air heating at negative outside temperatures, a CO 2 heat pump designed for average conditions is dimensioned to provide an insufficient medium temperature load in cold winter conditions and an excess medium temperature load in summer conditions. The system can be optimized (better annual COP and even fewer installed compressors) by introducing parallel heating at both temperature levels.

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.Although the invention is described on the basis of embodiments with fixed combinations of features, it also includes other conceivable advantageous combinations, as specified in particular, but not exhaustively, by the dependent claims. All features disclosed in the application documents are claimed to be essential to the invention insofar as they are new compared to the prior art, either individually or in combination.

Claims (9)

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.Heat exchanger assembly (10, 10', 10'', 10''') for a heat pump, comprising: - at least two heat exchangers (12, 14, 12', 14', 12'', 14'', 12''', 14'''), namely a first one (12, 12', 12'', 12'' ') and a second (14, 14', 14'', 14''') heat exchanger, each of the first (12, 12', 12'', 12''') and the second (14, 14', 14'', 14''') heat exchanger is designed to transfer heat from a flowing operating medium, in particular from a gaseous operating medium of a heat pump, which is in a transcritical state, further in particular from R744 in a transcritical state, to a heat-absorbing medium to allow, wherein the first (12, 12 ', 12'', 12''') and the second (14, 14 ', 14'', 14''') heat exchanger are arranged in a flow direction of the operating medium one after the other and a forming a first heat transfer stage (18, 18', 18'', 18''') and a second heat transfer stage (20, 20', 20'', 20'''), each of which is adapted to transfer heat to the heat receiving medium to transfer, and - at least one additional heat source (22, 22', 22'', 22''') arranged and configured to be used in the first heat transfer stage (18, 18', 18'', 18''') and/or the second heat transfer stage (20, 20', 20'', 20''') transferring heat to the heat receiving medium in parallel with the heat transfer from the working medium. 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.Arrangement (10, 10', 10'', 10''') according to claim 1 , wherein the arrangement (10, 10', 10'', 10''') comprises a further heat exchanger (40, 40', 42, 42') having a further heat transfer stage (44, 44', 46, 46') forms or is part of one, or has several further heat exchangers (40, 40', 42, 42') which are arranged one after the other in the flow direction of the operating medium and form further heat transfer stages (44, 44', 46, 46') or each Are part of such, wherein each of the further heat exchanger (40, 40', 42, 42') or the further heat exchangers (40, 40', 42, 42') before or after the first (12, 12', 12'' , 12''') and the second (14, 14', 14'', 14''') heat exchanger is arranged in the flow direction of the working medium. 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.Arrangement (10, 10', 10'', 10''') according to one of the preceding claims, wherein at least one heat exchanger or a further heat exchanger, in particular all heat exchangers (12, 12', 12'', 12''', 14 , 14', 14'', 14''', 40, 40', 42, 42') are gas coolers. 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.Arrangement (10, 10', 10'', 10''') according to one of the preceding claims, wherein the arrangement (10, 10', 10'', 10''') has one or more further heat sources (48, 48' ) which are arranged and designed to in the first heat transfer stage (18, 18', 18'', 18''') and/or the second heat transfer stage (20, 20', 20'', 20''') and/or one or more additional heat transfer stages to transfer heat to the heat-receiving medium in parallel with the heat transfer from the working medium. 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.Arrangement (10, 10', 10'', 10''') according to one of the preceding claims, wherein the heat source (22, 22', 22'', 22''') and/or (the) one or more further Heat sources (48, 48') are a heat pump or a steam heater or a gas burner or an electric heater. 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.An assembly (10, 10', 10'', 10''') according to any one of the preceding claims, wherein the first heat transfer stage (18, 18', 18'', 18''') is an intermediate temperature stage and the second heat transfer stage (20th , 20', 20'', 20''') is a high temperature stage. 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.Arrangement (10, 10', 10'', 10''') according to any one of the preceding claims, wherein the arrangement (10, 10', 10'', 10''') comprises a chilled stage heat exchanger (52) which is arranged and configured to transfer heat from a medium to be cooled to the operating medium. Wärmepumpenvorrichtung, die eine Anordnung (10, 10', 10'', 10''') gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.Heat pump device having an arrangement (10, 10', 10'', 10''') according to one of Claims 1 until 7 having. Wärmepumpenvorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Betriebsmedium R744 in einem transkritischen Zustand ist und das wärmeaufnehmende Medium Luft oder Wasser ist.heat pump device claim 8 , where the working medium is R744 in a transcritical state and the heat absorbing medium is air or water.
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