EP2199671A1 - Method and device for producing water vapour - Google Patents

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EP2199671A1
EP2199671A1 EP09007578A EP09007578A EP2199671A1 EP 2199671 A1 EP2199671 A1 EP 2199671A1 EP 09007578 A EP09007578 A EP 09007578A EP 09007578 A EP09007578 A EP 09007578A EP 2199671 A1 EP2199671 A1 EP 2199671A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
stage
temperature
heat
compressors
arrangement according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09007578A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Walter Dr. Nestler
Steffen Oberländer
Eberhard Prof. Wobst
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thermeaenergiesysteme GmbH
Original Assignee
Thermeaenergiesysteme GmbH
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Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102008027825A external-priority patent/DE102008027825A1/en
Application filed by Thermeaenergiesysteme GmbH filed Critical Thermeaenergiesysteme GmbH
Publication of EP2199671A1 publication Critical patent/EP2199671A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B3/00—Other methods of steam generation; Steam boilers not provided for in other groups of this subclass
    • F22B3/04—Other methods of steam generation; Steam boilers not provided for in other groups of this subclass by drop in pressure of high-pressure hot water within pressure- reducing chambers, e.g. in accumulators
    • F22B3/045—Other methods of steam generation; Steam boilers not provided for in other groups of this subclass by drop in pressure of high-pressure hot water within pressure- reducing chambers, e.g. in accumulators the drop in pressure being achieved by compressors, e.g. with steam jet pumps

Definitions

  • the invention relates to a method which makes it possible by means of heat at low or high temperature level, for. B. from warm industrial wastewater to produce water vapor at atmospheric or higher pressure.
  • the process is particularly suitable for industrial companies that require steam for process control on the one hand and on the other hand, a waste water cooling is required. With the system for the process, total power numbers ⁇ of approx. 3 can be achieved.
  • heat pumps deliver hot water at temperatures as high as 80 ° C, they are unsuitable for the direct production of atmospheric or higher pressure water vapor often required for technological processes.
  • the water When generating steam, the water is first heated to boiling temperature (sensitive heat supply) and then evaporated to a high temperature level (latent heat supply).
  • the latent heat energy which makes up the major part of the total evaporation energy, would therefore have to be supplied at temperatures of 100 ° C.
  • the invention has for its object to eliminate the disadvantages of the prior art.
  • a method is to be found which makes it possible to produce water vapor at atmospheric or higher pressure with high efficiency using heat pump technology.
  • the wastewater should be cooled according to the requirements of the steam production process.
  • water is raised in a heat recovery system in a first temperature stage using waste heat to a temperature level which makes it possible to reach a temperature level in a second temperature stage by means of a subcritically or transcritically operating heat pump in which water evaporates.
  • the water vapor thus produced is then compressed in a third stage by vapor compression.
  • waste heat is only available at a low temperature level
  • the water is heated to a temperature of 50 to 80 ° C and the pressure in the gas phase is lowered to 0.12 to 0.47 bar.
  • the pressure is chosen so low that the water boils at the set process temperature.
  • the water vapor thus produced is then compressed in the third stage by vapor compression to atmospheric or higher pressure.
  • the temperature level at which the water evaporates already at atmospheric or higher pressure can be reached by means of a sub- or transcritical heat pump. Consequently, even higher end temperatures of the water vapor are achieved with the subsequent vapor compression of the third stage.
  • the usable temperature ranges can be significantly increased both on the heat sources, as well as on the heat sink side.
  • the arrangement for carrying out the method consists of three stages, wherein the first stage as a heat pump, recuperator, combined heat and power plant, gas engine or fuel cell, the second stage as a heat pump and the third stage of at least one multi-stage vapor compressor or more in series single-stage vapor compressors, wherein the heat pump and the vapor compressor (s) are connected in cascade.
  • the heat pumps are preferably operated with refrigerants from the group of fostering hydrocarbons.
  • refrigerants from the group of hydrocarbons or ammonia are also possible.
  • the two- or multi-stage vapor compressor has a device for Kondensaieinspritzung.
  • an intercooling is effected with which the compression end temperature is limited and the coefficient of performance of the vapor compressor is increased.
  • a particularly economical energy conversion is achieved with vapor compressors in which turbo compressors of high performance, which also have high efficiencies, are used.
  • the arrangement consists of the two-stage heat pump 1 and the two-stage vapor compressor 2; both are combined in a cascade.
  • the heat pump 1 with the aid of the evaporator 3, a heat flow from the heat source, whereby the refrigerant R134a is evaporated.
  • the vaporous refrigerant is fed to the compressor 5 of the first stage of the heat pump 1 and first compressed to medium pressure level. Subsequently, it is deprived in the medium-pressure bottle 6 and compressed with the compressor 8 of the second stage to final pressure.
  • the steam generated in the steam generator 9 is fed to the vapor compressor 2 and there by the turbo compressor 10; 12 of the first and second stage to a usable pressure level of 1.5 bar compressed.
  • the turbocompressors 10; 12 condensate is supplied by means of the injection nozzle 11, whereby a desuperheating of the water vapor, a limitation of the compression end temperature and ultimately an increase in performance of the vapor compressor 2 is effected.
  • the return is expanded via the return valve 13 and fed to the steam generator 9 or injected as condensate.
  • FIG. 2 illustrated and preferably applied system diagram shows in the first temperature stage, the evaporator 16 of a natural refrigerant, here ammonia, operated heat pump.
  • the evaporator absorbs the heat flow from a process cooling water circuit and vaporizes the liquid refrigerant.
  • the now vaporous refrigerant is compressed by the compressor 17 to the condensing pressure of the first temperature stage.
  • the refrigerant is re-liquefied with release of heat and then introduced into the refrigerant collector 19.
  • the refrigerant collector 19 has the task to compensate for the operating point-dependent refrigerant charge in the evaporator 16 and in the evaporator condenser 18. Via the expansion valve 20, the refrigerant is returned to the evaporator 16.
  • the natural refrigerant ammonia of the second temperature stage is evaporated at a minimum temperature.
  • the compressor 21 compresses the vaporized refrigerant to a supercritical pressure of 120 bar. Subsequently, the compressed supercritical refrigerant is conducted in the heat exchanger 22, where it gives off heat without being liquefied. This is ensured by the fact that the control valve 23 relaxes just enough refrigerant back into the evaporator condenser 18, that the pressure in the heat exchanger 22 is maintained at the predetermined desired value.
  • the evaporator capacitor 18 Since the evaporator capacitor 18 is flooded on the side of the second temperature level by this measure, can be dispensed with a downstream on the suction side or the heat exchanger 22 downstream refrigerant collector. A portion of the cooled in the heat exchanger 22 refrigerant is supplied via the valve 26 to the oil cooler.
  • an oil separator is interposed between it and the heat exchanger 22.
  • the oil collected in the oil separator 24 is then supplied to the oil cooler 25.
  • the oil cooler it is cooled by refrigerant, which has previously been cooled down in the heat exchanger 22 and expanded by the valve 26, and fed back to the compressor 21.
  • the refrigerant expanded from the valve 26, after passing through the oil cooler, is supplied to the compressor on the suction side or, if present, to an economizer connection on the compressor 21.
  • the water is evaporated in the heat exchanger 22 at atmospheric or higher pressure, which is compressed by the compressor 27 and 28 to the required pressure level. Between the two compressors takes place by condensate injection by means of the valve 29, an intermediate cooling of water vapor.
  • the evaporation temperature of the refrigerant ammonia of the first temperature level is 40 ° C and the liquefaction temperature at 75 ° C, wherein the associated pressures are 15.6 bar and 37.1 bar.
  • a heat pump performance number of at least 5.2 is achieved.
  • the refrigerant is compressed to a pressure of 120 bar.
  • the compression end temperature can be limited by the refrigerating machine oil to the permissible oil temperature of 160 ° C.
  • the coefficient of performance of the second temperature level is 4.7. If steam is produced at atmospheric pressure, it can be compressed to about 1.4 bar saturated steam pressure by means of two series-connected steam compressors.

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Abstract

The method involves utilizing process waste heat in a heat recovery plant, and evaporating water in a temperature stage using single stage or multi-stage vapor condenser to an industrial usable temperature level. Evaporating temperature is achieved at a pressure up to 120 bar using a high-pressure sided heat pump operating in a subcritical or transcritical range. Water is evaporated at a pressure in the range of 0.14 to 1.45 bar. Saturated steam is increased to a temperature above 110 degree celsius by the vapor condenser. An independent claim is also included for an arrangement for generating steam.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, das es ermöglicht, mittels Wärme auf niedrigem oder hohem Temperaturniveau, z. B. aus warmen Industrieabwässern, Wasserdampf mit atmosphärischem oder höherem Druck zu erzeugen. Das Verfahren eignet sich besonders für Industriebetriebe, die einerseits Wasserdampf zur Prozessführung benötigen und bei denen andererseits eine Abwasserkühlung erforderlich ist. Mit der Anlage zum Verfahren können Gesamtleistungszahlen ε ca. 3 erreicht werden.The invention relates to a method which makes it possible by means of heat at low or high temperature level, for. B. from warm industrial wastewater to produce water vapor at atmospheric or higher pressure. The process is particularly suitable for industrial companies that require steam for process control on the one hand and on the other hand, a waste water cooling is required. With the system for the process, total power numbers ε of approx. 3 can be achieved.

Technologische Prozesse in der Industrie, wie sie z. B. für die Herstellung von Nahrungsmitteln, von Papier und von Holzwerkstoffen verwendet werden, benötigen häufig den Einsatz von Wasserdampf. Auch beim Betrieb von Brauereien und Anlagen zur Biomasseverwertung werden große Mengen von Wasserdampf eingesetzt.Technological processes in the industry, such as As used for the production of food, paper and wood-based materials, often require the use of water vapor. Also in the operation of breweries and plants for biomass utilization large amounts of water vapor are used.

Allerdings fällt bei diesen Prozessen meist warmes Abwasser an, das, bevor es abgeleitet wird, auf eine umweltverträgliche Temperatur gekühlt werden muss. Üblicherweise werden hierzu Rückkühlsysteme wie Kühltürme verwendet, die das Abwasser unter Einsatz von Energie kühlen.However, these processes usually produce warm wastewater which, before it is discharged, must be cooled to an environmentally sound temperature. Usually this cooling systems such as cooling towers are used, which cool the wastewater using energy.

Aus dem Stand der Technik sind Vorschläge bekannt, die das Ziel haben, die Wärmeenergie von Industrieabwasser zu nutzen und dieses gleichzeitig durch den damit verbundenen Wärmeentzug zu kühlen.Proposals are known from the prior art which have the aim of utilizing the heat energy of industrial wastewater and at the same time cooling it by the associated removal of heat.

So wird in DE 31 10 463 A1 eine Einrichtung zur Gewinnung von Wärmeenergie aus Abwärmequellen beschrieben, bei der warmes Abwasser anstatt mit Kühltürmen durch eine Wärmepumpe gekühlt wird. Das hierdurch auf der anderen Seite der Wärmepumpe erzeugte heiße Wasser (50 bis 70°C) soll zur Dampferzeugung verwendet werden. Es wird jedoch nirgendwo in der Schrift ein Hinweis gegeben, wie die Dampferzeugung realisiert werden soll.So will in DE 31 10 463 A1 a device for recovering heat energy from waste heat sources described in which hot waste water is cooled by a heat pump instead of with cooling towers. The hot water (50 to 70 ° C) generated on the other side of the heat pump should be used to generate steam. However, there is nowhere in the Scriptures an indication of how the steam generation is to be realized.

Wärmepumpen liefern zwar heißes Wasser mit Temperaturen von bis zu 80°C, für die direkte Herstellung von Wasserdampf mit atmosphärischem oder höherem Druck, wie er häufig für technologische Prozesse benötigt wird, sind sie jedoch ungeeignet.Although heat pumps deliver hot water at temperatures as high as 80 ° C, they are unsuitable for the direct production of atmospheric or higher pressure water vapor often required for technological processes.

Bei der Dampferzeugung erfolgt zunächst eine Erwärmung des Wassers auf Siedetemperatur (Zuführung sensibler Wärme) und anschließend eine Verdampfung auf hohem Temperaturniveau (Zuführung latenter Wärme). Die latente Wärmeenergie, die den überwiegenden Anteil der gesamten Verdampfungsenergie ausmacht, müsste demnach bei Temperaturen von 100°C zugeführt werden. Herkömmliche Wärmepumpen, aber auch mit CO2 betriebene Hochtemperaturwärmepumpen, arbeiten jedoch in diesem Temperaturbereich sehr unwirtschaftlich.When generating steam, the water is first heated to boiling temperature (sensitive heat supply) and then evaporated to a high temperature level (latent heat supply). The latent heat energy, which makes up the major part of the total evaporation energy, would therefore have to be supplied at temperatures of 100 ° C. Conventional heat pumps, but also operated with CO 2 high-temperature heat pumps, but work very uneconomical in this temperature range.

Andererseits ist eine Umstellung der Industrieanlagen von Dampf- auf Warmwasserbetrieb in vielen Fällen zwar möglich, jedoch mit unverhältnismäßig hohem Aufwand verbunden.On the other hand, a conversion of industrial plants from steam to hot water operation is possible in many cases, but associated with disproportionate effort.

In US 4,565,161 A1 wird deshalb vorgeschlagen, Wasser in einem geschlossenen, teilweise gefüllten Tank mittels einer einstufigen Wärmepumpe, die entweder Wärme aus Abwasser oder Abluft entnimmt, zu beheizen. Der Raum im Tankinnern oberhalb des Wasserspiegels wird mit einer Zentrifugal-Turbine evakuiert, wodurch ein Unterdruck von ca. 0,8 bar entsteht, der das Verdampfen des Wassers bewirkt. In der Zentrifugal-Turbine wird anschließend der Wasserdampf auf höheren Druck komprimiert.In US 4,565,161 A1 It is therefore proposed to heat water in a closed, partially filled tank by means of a single-stage heat pump, which either removes heat from waste water or exhaust air. The space inside the tank above the water level is evacuated with a centrifugal turbine, creating a negative pressure of about 0.8 bar, which causes the evaporation of the water. In the centrifugal turbine then the water vapor is compressed to higher pressure.

Bei einem Prozessdruck von 0,8 bar verdampft das Wasser bei ca. 93° C. Eine auf den thermodynamischen Daten basierende Überschlagsrechnung zeigt allerdings, dass mit dem benannten Prozess nur ungenügende Leistungszahlen, nämlich ε = 1,0 - 1,4, erzielt werden können.At a process pressure of 0.8 bar, the water evaporates at approx. 93 ° C. However, a rough calculation based on the thermodynamic data shows that only insufficient performance figures, namely ε = 1.0 - 1.4, are achieved with the named process can.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere soll ein Verfahren gefunden werden, das es ermöglicht, mit hohem Wirkungsgrad unter Verwendung von Wärmepumpentechnik Wasserdampf mit atmosphärischem oder höherem Druck zu erzeugen. Gleichzeitig soll mit dem Verfahren im Zuge der Dampferzeugung das Abwasser anforderungsgerecht abgekühlt werden. Die dazu eingesetzte Anordnung soll wesentlich höhere Gesamtleistungszahlen, nämlich bis ε = 3 erreichen.The invention has for its object to eliminate the disadvantages of the prior art. In particular, a method is to be found which makes it possible to produce water vapor at atmospheric or higher pressure with high efficiency using heat pump technology. At the same time, the wastewater should be cooled according to the requirements of the steam production process. The arrangement used for this purpose is intended to achieve substantially higher total power numbers, namely up to ε = 3.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 6 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens und der Anordnung können aus den Ansprüchen 2 bis 5 und 7 bis 15 entnommen werden.This object is achieved by the features of claims 1 and 6. Advantageous embodiments of the method and the arrangement can be taken from claims 2 to 5 and 7 to 15.

Nach Maßgabe der Erfindung wird Wasser in einer Wärmerückgewinnungsanlage in einer ersten Temperaturstufe unter Nutzung von Abwärme auf ein Temperaturniveau angehoben, das es ermöglicht in einer zweiten Temperaturstufe mittels einer sub- oder transkritisch arbeitenden Wärmepumpe ein Temperaturniveau zu erreichen, bei dem Wasser verdampft. Der so erzeugte Wasserdampf wird anschließend in einer dritten Stufe durch Brüdenverdichtung verdichtet.According to the invention, water is raised in a heat recovery system in a first temperature stage using waste heat to a temperature level which makes it possible to reach a temperature level in a second temperature stage by means of a subcritically or transcritically operating heat pump in which water evaporates. The water vapor thus produced is then compressed in a third stage by vapor compression.

Steht Abwärme nur auf einem geringen Temperaturniveau zur Verfügung, so wird das Wasser auf eine Temperatur von 50 bis 80°C erhitzt und der Druck in der Gasphase auf 0,12 bis 0,47 bar abgesenkt. Der Druck wird so niedrig gewählt, dass das Wasser bei der eingestellten Prozesstemperatur siedet. Der so erzeugte Wasserdampf wird anschließend in der dritten Stufe durch Brüdenverdichtung auf atmosphärischen oder höheren Druck verdichtet.If waste heat is only available at a low temperature level, the water is heated to a temperature of 50 to 80 ° C and the pressure in the gas phase is lowered to 0.12 to 0.47 bar. The pressure is chosen so low that the water boils at the set process temperature. The water vapor thus produced is then compressed in the third stage by vapor compression to atmospheric or higher pressure.

Durch die Absenkung des Drucks ist es mit dem Verfahren möglich, dem Wasser die zur Verdampfung erforderliche latente Wärme bei Temperaturen von 50 bis 80°C zuzuführen. Hierzu können herkömmliche Wärmepumpen, die in diesem Temperaturbereich regelmäßig mit hohen Leistungszahlen arbeiten, eingesetzt werden. Es ist zwar anschließend erforderlich, den Dampf auf einen höheren Druck zu verdichten, die hierzu benötigte Energie beträgt aber nur einen Bruchteil der für die Zuführung der latenten Wärme erforderlichen Energie.By lowering the pressure, it is possible with the method to supply the water required for the evaporation of latent heat at temperatures of 50 to 80 ° C. For this purpose, conventional heat pumps, which regularly operate in this temperature range with high performance figures, can be used. Although it is then necessary to compress the vapor to a higher pressure, but the energy required for this is only a fraction of the energy required for the supply of latent heat.

Steht Abwärme mit hohem Temperaturniveau zur Verfügung, so lässt sich mittels einer sub- oder transkritisch arbeitenden Wärmepumpe Temperaturniveau erreichen, bei dem das Wasser bereits bei athmosphärischen oder höheren Druck verdampft. Folglich werden mit der anschließenden Brüdenverdichtung der dritten Stufe noch höhere Endtemperaturen des Wasserdampfes erreicht. Die nutzbaren Temperaturbereiche lassen sich sowohl auf der Wärmequellen, als auch auf der Wärmesenkenseite signifikant steigern.If waste heat with a high temperature level is available, the temperature level at which the water evaporates already at atmospheric or higher pressure can be reached by means of a sub- or transcritical heat pump. Consequently, even higher end temperatures of the water vapor are achieved with the subsequent vapor compression of the third stage. The usable temperature ranges can be significantly increased both on the heat sources, as well as on the heat sink side.

Damit ist es möglich das warme Industriewasser abzukühlen und die kostenintensiven Kühltürme oder sonstigen Kühleinrichtungen einzusparen.This makes it possible to cool the warm industrial water and save the costly cooling towers or other cooling equipment.

Die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus drei Stufen, wobei die erste Stufe als Wärmepumpe, Rekuperator, Blockheizkraftwerk, Gasmotor oder Brennstoffzelle, die zweite Stufe als Wärmepumpe und die dritte Stufe aus mindestens einem mehrstufigen Brüdenverdichter oder mehreren in Reihe geschalteten einstufigen Brüdenverdichtern besteht, wobei die Wärmepumpe und der bzw. die Brüdenverdichter in Kaskade geschaltet sind.The arrangement for carrying out the method consists of three stages, wherein the first stage as a heat pump, recuperator, combined heat and power plant, gas engine or fuel cell, the second stage as a heat pump and the third stage of at least one multi-stage vapor compressor or more in series single-stage vapor compressors, wherein the heat pump and the vapor compressor (s) are connected in cascade.

Die Wärmepumpen werden bevorzugt mit Kältemitteln aus der Gruppe der florierten Kohlenwasserstoffe betrieben. Möglich sind aber auch natürliche Kältemittel aus der Gruppe der Kohlenwasserstoffe oder Ammoniak.The heat pumps are preferably operated with refrigerants from the group of thriving hydrocarbons. However, natural refrigerants from the group of hydrocarbons or ammonia are also possible.

Um die Effektivität der Wärmepumpe weiter zu erhöhen, ist vorgesehen, diese mit inneren Rekuperatoren auszustatten. Bei zwei- und mehrstufigen Wärmepumpen wird der Wirkungsgrad außerdem durch die Verwendung von Mitteldruckflaschen erhöht.In order to further increase the effectiveness of the heat pump, it is provided to equip them with internal recuperators. In two- and multi-stage heat pumps, the efficiency is also increased by the use of medium pressure cylinders.

Der zwei- oder mehrstufige Brüdenverdichter besitzt eine Einrichtung zur Kondensaieinspritzung. Durch die Kondensateinspritzung wird eine Zwischenkühlung bewirkt, mit der die Verdichtungsendtemperatur begrenzt und die Leistungszahl des Brüdenverdichters erhöht wird.The two- or multi-stage vapor compressor has a device for Kondensaieinspritzung. By means of the condensate injection, an intercooling is effected with which the compression end temperature is limited and the coefficient of performance of the vapor compressor is increased.

Ein besonders wirtschaftlicher Energieumsatz wird mit Brüdenverdichtern erreicht, in denen Turboverdichter großer Leistung, die zugleich hohe Wirkungsgrade aufweisen, eingesetzt sind.A particularly economical energy conversion is achieved with vapor compressors in which turbo compressors of high performance, which also have high efficiencies, are used.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert, hierzu zeigt:

Fig. 1
ein Anlagenschema der erfindungsgemäßen Anordnung für die Nutzung von Abwärmeenergie auf niedrigem Energieniveau;
Fig. 2
ein Anlagenschema der erfindungsgemäßen Anordnung für die Nutzung von Abwärme auf hohem Temperaturniveau.
The invention will be explained in more detail below with reference to two exemplary embodiments, in which:
Fig. 1
a system diagram of the inventive arrangement for the use of waste heat energy at low energy level;
Fig. 2
a system diagram of the arrangement according to the invention for the use of waste heat at a high temperature level.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, besteht die Anordnung aus der zweistufigen Wärmepumpe 1 und dem zweistufigen Brüdenverdichter 2; beide sind in einer Kaskade kombiniert.How out Fig. 1 it can be seen, the arrangement consists of the two-stage heat pump 1 and the two-stage vapor compressor 2; both are combined in a cascade.

Beim Betrieb der Anlage nimmt die Wärmepumpe 1 mit Hilfe des Verdampfers 3 einen Wärmestrom aus der Wärmequelle auf, wodurch das Kältemittel R134a verdampft wird. Das dampfförmige Kältemittel wird dem Verdichter 5 der ersten Stufe der Wärmepumpe 1 zugeführt und zunächst auf Mitteldruckniveau verdichtet. Anschließend wird es in der Mitteldruckflasche 6 enthitzt und mit dem Verdichter 8 der zweiten Stufe auf Enddruck verdichtet.During operation of the plant, the heat pump 1 with the aid of the evaporator 3, a heat flow from the heat source, whereby the refrigerant R134a is evaporated. The vaporous refrigerant is fed to the compressor 5 of the first stage of the heat pump 1 and first compressed to medium pressure level. Subsequently, it is deprived in the medium-pressure bottle 6 and compressed with the compressor 8 of the second stage to final pressure.

Im als Wärmetauscher ausgeführten Dampferzeuger 9 wird auf der einen Seite das Kältemittel wieder verflüssigt und auf der anderen Seite durch die hierdurch freiwerdende Wärme Wasser bei einem Druck von 0,4 bar verdampft. Der Rückfluss des Kältemittels erfolgt über die Entspannungsventile 15; 14 der ersten und zweiten Stufe der Wärmepumpe 1. Zur Steigerung der Effizienz sind beide Stufen der Wärmepumpe 1 mit Rekuperatoren 4; 7 ausgestattet.In running as a heat exchanger steam generator 9, the refrigerant is liquefied again on one side and evaporated on the other side by the heat released thereby heat at a pressure of 0.4 bar. The reflux of the refrigerant takes place via the expansion valves 15; 14 of the first and second stages of the heat pump 1. To increase the efficiency of both stages of the heat pump 1 with recuperators 4; 7 equipped.

Der im Dampferzeuger 9 generierte Wasserdampf wird dem Brüdenverdichter 2 zugeführt und dort durch die Turboverdichter 10; 12 der ersten und zweiten Stufe auf ein nutzbares Druckniveau von 1,5 bar verdichtet. Zwischen den Turboverdichtern 10; 12 wird mittels der Einspritzdüse 11 Kondensat zugeführt, wodurch eine Enthitzung des Wasserdampfes, eine Begrenzung der Verdichtungsendtemperatur und letztendlich eine Leistungssteigerung des Brüdenverdichters 2 bewirkt wird. Der Rücklauf wird über das Rücklaufventil 13 entspannt und dem Dampferzeuger 9 zugeführt oder als Kondensat eingespritzt.The steam generated in the steam generator 9 is fed to the vapor compressor 2 and there by the turbo compressor 10; 12 of the first and second stage to a usable pressure level of 1.5 bar compressed. Between the turbocompressors 10; 12 condensate is supplied by means of the injection nozzle 11, whereby a desuperheating of the water vapor, a limitation of the compression end temperature and ultimately an increase in performance of the vapor compressor 2 is effected. The return is expanded via the return valve 13 and fed to the steam generator 9 or injected as condensate.

Nach thermodynamischen Berechnungen, wobei Gütegrade der Verdichter nach dem Stand der Technik angesetzt wurden, erreicht die Anordnung bei der Erzeugung von Wasserdampf mit 111°C und 1,5 bar eine Gesamtleistungszahl von ε = 2,8.According to thermodynamic calculations, with the quality grades of the compressors being set according to the prior art, the arrangement achieves a total power factor of ε = 2.8 in the production of water vapor at 111 ° C. and 1.5 bar.

Dabei werden 87 % der im Dampf enthaltenen Energie von der Wärmepumpe (bei Leistungszahl 3,9) und lediglich die restlichen 13 % vom Brüdenverdichter erbracht.87% of the energy contained in the steam is provided by the heat pump (with coefficient of performance 3.9) and only the remaining 13% by the vapor compressor.

Für die Berechnungen wurde eine Verdampfung des Kältemittels R134a bei 20°C und 5,7 bar, ein Mitteldruck des Kältemittels von 11,9 bar, ein Verflüssigungsdruck des Kältemittels von 25 bar bei 77,6°C und eine Verdampfung des Wassers bei 0,38 bar (77,6°C) angesetzt.For the calculations, an evaporation of the refrigerant R134a at 20 ° C and 5.7 bar, a medium pressure of the refrigerant of 11.9 bar, a liquefaction pressure of the refrigerant of 25 bar at 77.6 ° C and an evaporation of the water at 0, 38 bar (77.6 ° C) set.

Das in Fig. 2 dargestellte und bevorzugt anzuwendende Anlagenschema zeigt in der ersten Temperaturstufe den Verdampfer 16 einer mit einem natürlichen Kältemittel, hier Ammoniak, betriebenen Wärmepumpe. Der Verdampfer nimmt den Wärmestrom aus einem Prozesskühlwasserkreislauf auf und verdampft das flüssige Kältemittel. Das nun dampfförmige Kältemittel wird vom Verdichter 17 auf den Verflüssigungsdruck der ersten Temperaturstufe verdichtet. Im Verdampferkondensator 18 wird das Kältemittel unter Wärmeabgabe wieder verflüssigt und danach in den Kältemittelsammler 19 eingeleitet. Der Kältemittelsammler 19 hat die Aufgabe, die arbeitspunktabhängigen Kältemittelfüllmengen im Verdampfer 16 und in dem Verdampferkondensator 18 auszugleichen. Über das Expansionsventil 20 wird das Kältemittel wieder dem Verdampfer 16 zugeführt.This in Fig. 2 illustrated and preferably applied system diagram shows in the first temperature stage, the evaporator 16 of a natural refrigerant, here ammonia, operated heat pump. The evaporator absorbs the heat flow from a process cooling water circuit and vaporizes the liquid refrigerant. The now vaporous refrigerant is compressed by the compressor 17 to the condensing pressure of the first temperature stage. In the evaporator condenser 18, the refrigerant is re-liquefied with release of heat and then introduced into the refrigerant collector 19. The refrigerant collector 19 has the task to compensate for the operating point-dependent refrigerant charge in the evaporator 16 and in the evaporator condenser 18. Via the expansion valve 20, the refrigerant is returned to the evaporator 16.

Im Verdampferkondensator 18 wird das natürliche Kältemittel Ammoniak der zweiten Temperaturstufe bei einer Mindesttemperatur verdampft. Der Verdichter 21 verdichtet das Verdampfte Kältemittel auf einen überkritischen Druck von 120 bar. Anschließend wird das verdichtete überkritische Kältemittel in dem Wärmeübertrager 22 geleitet, wo es, ohne verflüssigt zu werden, Wärme abgibt. Dies wird dadurch gewährleistet, dass das Regelventil 23 gerade soviel Kältemittel zurück in den Verdampferkondensator 18 entspannt, dass der Druck im Wärmeübertrager 22 auf dem vorgegebenen Sollwert gehalten wird. Da der Verdampferkondensator 18 auf der Seite der zweiten Temperaturstufe durch diese Maßnahme überflutet ist, kann auf einen auf der Saugseite installierten oder dem Wärmeübertrager 22 nachgeschalteten Kältemittelsammler verzichtet werden. Ein Teil des im Wärmeübertrager 22 herunter gekühlten Kältemittels wird über das Ventil 26 dem Ölkühler zugeführt.In the evaporator condenser 18, the natural refrigerant ammonia of the second temperature stage is evaporated at a minimum temperature. The compressor 21 compresses the vaporized refrigerant to a supercritical pressure of 120 bar. Subsequently, the compressed supercritical refrigerant is conducted in the heat exchanger 22, where it gives off heat without being liquefied. This is ensured by the fact that the control valve 23 relaxes just enough refrigerant back into the evaporator condenser 18, that the pressure in the heat exchanger 22 is maintained at the predetermined desired value. Since the evaporator capacitor 18 is flooded on the side of the second temperature level by this measure, can be dispensed with a downstream on the suction side or the heat exchanger 22 downstream refrigerant collector. A portion of the cooled in the heat exchanger 22 refrigerant is supplied via the valve 26 to the oil cooler.

Wegen der Verwendung eines Schraubenverdichters als Verdichter 21 ist zwischen diesem und dem Wärmeübertrager 22 ein Ölabscheider zwischengeschaltet. Das im Ölabscheider 24 gesammelte Öl wird anschließend dem Ölkühler 25 zugeführt. Im Ölkühler wird es durch Kältemittel, welches zuvor im Wärmeübertrager 22 heruntergekühlt und durch das Ventil 26 entspannt wurde, abgekühlt und wieder dem Verdichter 21 zugeführt. Das vom Ventil 26 entspannte Kältemittel wird, nachdem es den Ölkühler passiert hat, dem Verdichter saugseitig oder, falls vorhanden, einem Economizeranschluss am Verdichter 21 zugeführt.Because of the use of a screw compressor as a compressor 21, an oil separator is interposed between it and the heat exchanger 22. The oil collected in the oil separator 24 is then supplied to the oil cooler 25. In the oil cooler, it is cooled by refrigerant, which has previously been cooled down in the heat exchanger 22 and expanded by the valve 26, and fed back to the compressor 21. The refrigerant expanded from the valve 26, after passing through the oil cooler, is supplied to the compressor on the suction side or, if present, to an economizer connection on the compressor 21.

In der dritten Stufe wird im Wärmeübertrager 22 das Wasser bei atmosphärischen oder höheren Druck verdampft, welches durch die Verdichter 27 und 28 auf das geforderte Druckniveau verdichtet wird. Zwischen beiden Verdichtern erfolgt durch Kondensateinspritzung mittels des Ventils 29 eine Zwischenkühlung es Wasserdampfes.In the third stage, the water is evaporated in the heat exchanger 22 at atmospheric or higher pressure, which is compressed by the compressor 27 and 28 to the required pressure level. Between the two compressors takes place by condensate injection by means of the valve 29, an intermediate cooling of water vapor.

Im Ausführungsbeispiel liegt die Verdampfungstemperatur des Kältemittels Ammoniak der ersten Temperaturstufe bei 40 °C und die Verflüssigungstemperatur bei 75 °C, wobei die zugehörigen Drücke 15,6 bar und 37,1 bar betragen. Somit wird eine Wärmepumpenleistungszahl von mindestens 5,2 erreicht.In the exemplary embodiment, the evaporation temperature of the refrigerant ammonia of the first temperature level is 40 ° C and the liquefaction temperature at 75 ° C, wherein the associated pressures are 15.6 bar and 37.1 bar. Thus, a heat pump performance number of at least 5.2 is achieved.

In der zweiten Temperaturstufe wird das Kältemittel auf einen Druck von 120 bar verdichtet. Die Verdichtungsendtemperatur kann durch das Kältemaschinenöl auf die zulässige Öltemperatur von 160 °C begrenzt werden. Die Leistungszahl der zweiten Temperaturstufe liegt bei 4,7. Erzeugt man Wasserdampf bei Normaldruck, kann dieser mittels zweier in Reihe geschalteter Wasserdampfverdichter auf ca. 1,4 bar Sattdampfdruck verdichtet werden.In the second temperature stage, the refrigerant is compressed to a pressure of 120 bar. The compression end temperature can be limited by the refrigerating machine oil to the permissible oil temperature of 160 ° C. The coefficient of performance of the second temperature level is 4.7. If steam is produced at atmospheric pressure, it can be compressed to about 1.4 bar saturated steam pressure by means of two series-connected steam compressors.

Liste der verwendeten BezugszeichenList of reference numbers used

11
Wärmepumpeheat pump
22
BrüdenverdichterVapor
33
VerdampferEvaporator
44
Rekuperator (erste Stufe)Recuperator (first stage)
55
Verdichter (erste Stufe)Compressor (first stage)
66
MitteldruckflascheMedium pressure bottle
77
Rekuperator (zweite Stufe)Recuperator (second stage)
88th
Verdichter (zweite Stufe)Compressor (second stage)
99
Dampferzeugersteam generator
1010
Turboverdichter (erste Stufe)Turbo compressor (first stage)
1111
Einspritzdüseinjection
1212
Turboverdichter (zweite Stufe)Turbo compressor (second stage)
1313
RücklaufventilReturn valve
1414
Entspannungsventil (zweite Stufe)Relaxation valve (second stage)
1515
Entspannungsventil (erste Stufe)Relaxation valve (first stage)
1616
VerdampferEvaporator
1717
Verdichtercompressor
1818
Verdampferkondensatorevaporator condenser
1919
KältemittelsammlerRefrigerant collector
2020
Expansionsventilexpansion valve
2121
Verdichtercompressor
2222
WärmeübertragerHeat exchanger
2323
Regelventilcontrol valve
2424
Ölabscheideroil separator
2525
Ölkühleroil cooler
2626
VentilValve
2727
Verdichter (erste Stufe)Compressor (first stage)
2828
Verdichter (zweite Stufe)Compressor (second stage)
2929
VentilValve

Claims (15)

Verfahren zur Erzeugung von Wasserdampf mittels Wärmepumpentechnik, bei dem Prozessabwärme in einer Wärmerückgewinnungsanlage genutzt wird, die in einer ersten Temperaturstufe die Abwärmetemperatur auf ein Niveau anhebt, das es ermöglicht, in einer zweiten Temperaturstufe ein Temperaturniveau zu erreichen, bei dem Wasser verdampft und der Wasserdampf in einer dritten Temperaturstufe mittels eines oder mehreren in Reihe geschalteten ein- oder mehrstufigen Brüdenverdichter auf ein industriell nutzbares Temperaturniveau angehoben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungstemperatur mit einer hochdruckseitig im sub- oder transkritischen Bereich arbeitende Wärmepumpe bei einem Druck von bis zu 120 bar erreicht wird, wobei das Wasser bei einem Druck von 0,14 bis 1,45 bar verdampft und durch die Brüdenverdichtung der Sattdampf auf eine Temperatur über 110 °C angehoben wird.Process for the production of steam by means of heat pump technology, in which process waste heat is used in a heat recovery plant, which raises the waste heat temperature in a first temperature level to a level that makes it possible to reach a temperature level in a second temperature stage, in which water evaporates and the water vapor in a third temperature level is raised by means of one or more series-connected one-stage or multi-stage vapor compressor to an industrially usable temperature level, characterized in that the evaporation temperature is achieved with a high pressure side in sub- or trans-critical heat pump working at a pressure of up to 120 bar , The water is evaporated at a pressure of 0.14 to 1.45 bar and raised by the vapor compression of the saturated steam to a temperature above 110 ° C. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Temperaturstufe als Kältemittel Ammoniak verwendet wird.A method according to claim 1, characterized in that is used in the second temperature stage as a refrigerant ammonia. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Temperaturstufe ein Kältemittel aus der Gruppe der fluorierten Kohlenwasserstoffe oder der natürlichen Kältemittel verwendet wird.A method according to claim 1, characterized in that in the second temperature stage, a refrigerant from the group of fluorinated hydrocarbons or the natural refrigerant is used. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zulässige Verdichtungsendtemperatur in der zweiten Temperaturstufe durch Einspritzen von gekühltem Schmierstoff begrenzt wird.A method according to claim 1 and 2, characterized in that the permissible compression end temperature in the second temperature stage is limited by injecting cooled lubricant. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Temperaturstufe eine über- oder unterkritische Wärmeauskopplung stattfindet.A method according to claim 1, characterized in that takes place in the second temperature stage, a supercritical or subcritical heat extraction. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Wärmerückgewinnungsanlage für Wärmeverbraucher mit hohen Rücklauftemperaturen ist, die drei Stufen umfasst.Arrangement for carrying out the method according to claim 1, characterized in that it is a heat recovery system for heat consumers with high return temperatures, comprising three stages. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stufe einen Verdampfer (16), einen Verdichter (17), einen Verdampferkondensator (18), einen Kältemittelsammler (19) und ein Expansionsventil (20) aufweist.Arrangement according to claim 6, characterized in that the first stage comprises an evaporator (16), a compressor (17), an evaporator condenser (18), a refrigerant collector (19) and an expansion valve (20). Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Stufe aus dem Verdampferkondensator (18), einem Verdichter (21), einem Ölabscheider (24), einem Wärmeübertrager (22), einem Regelventil (23), einem Ölkühler (25) und einem Ventil (26) besteht.Arrangement according to claim 6, characterized in that the second stage of the evaporator condenser (18), a compressor (21), an oil separator (24), a heat exchanger (22), a control valve (23), an oil cooler (25) and a Valve (26) consists. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Stufe aus dem Wärmetauscher (22), zwei Verdichtern (27 und 28) und einem Ventil (29) aufgebaut ist.Arrangement according to claim 6, characterized in that the third stage of the heat exchanger (22), two compressors (27 and 28) and a valve (29) is constructed. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Temperaturstufe als Rekuperator, Blockheizkraftwerk, Gasmotor oder Brennstoffzelle ausgeführt ist.Arrangement according to claim 6, characterized in that the first temperature stage is designed as a recuperator, combined heat and power plant, gas engine or fuel cell. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichter (2 und 6) der ersten und zweiten Stufe Schrauben-, Scroll-, Turbo- oder Flüssigkeitskolbenverdichter sind.Arrangement according to claim 6, characterized in that the compressors (2 and 6) of the first and second stages are screw, scroll, turbo or liquid piston compressors. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichter der dritten Stufe Schraubenverdichter, Turboverdichter, Radialgebläse oder Druckkolbenmaschinen sind.Arrangement according to claim 6, characterized in that the compressors of the third stage screw compressors, turbo compressors, radial blower or plunger machines are. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpen der ersten und/oder zweiten Stufe mit inneren Rekuperatoren (4, 7) ausgestattet ist.Arrangement according to claim 6, characterized in that the heat pumps of the first and / or second stage with internal recuperators (4, 7) is equipped. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe der ersten und/oder zweiten Stufe mit einer Mitteldruckflasche (6) ausgerüstet sind.Arrangement according to claim 6, characterized in that the heat pump of the first and / or second stage are equipped with a medium pressure bottle (6). Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichter zwischen den Verdichterstufen eine besitzen oder zwischen den einzelnen Verdichtern eine Einspritzdüse (11) zur Kondensateinspritzung angeordnet ist.Arrangement according to claim 12, characterized in that the compressors between the compressor stages have one or between the individual compressors an injection nozzle (11) is arranged for condensate injection.
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