EP4198418A1 - Wärmepumpenverfahren und wärmepumpenanordnung - Google Patents

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EP4198418A1
EP4198418A1 EP21020642.1A EP21020642A EP4198418A1 EP 4198418 A1 EP4198418 A1 EP 4198418A1 EP 21020642 A EP21020642 A EP 21020642A EP 4198418 A1 EP4198418 A1 EP 4198418A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
compression
temperature level
heat pump
heat
working medium
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP21020642.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Heinz Bauer
Martin Kamann
Thomas Widl
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.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Priority to EP21020642.1A priority Critical patent/EP4198418A1/de
Priority to AU2022415018A priority patent/AU2022415018A1/en
Priority to PCT/EP2022/025514 priority patent/WO2023110141A1/de
Publication of EP4198418A1 publication Critical patent/EP4198418A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B31/00—Compressor arrangements
    • F25B31/006—Cooling of compressor or motor
    • F25B31/008—Cooling of compressor or motor by injecting a liquid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B1/00—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle
    • F25B1/04—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle with compressor of rotary type
    • F25B1/047—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle with compressor of rotary type of screw type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B41/00—Fluid-circulation arrangements
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    • F25B6/00—Compression machines, plants or systems, with several condenser circuits
    • F25B6/02—Compression machines, plants or systems, with several condenser circuits arranged in parallel

Definitions

  • the present invention relates to a heat pump method and a heat pump arrangement.
  • Closed circuit compression heat pumps are used to raise heat Qu from a lower temperature level Tu (heat source) to an upper temperature level To (heat sink). This requires work.
  • the ratio Qo/W of the heat Qo that can be used at To to the work W is also known as the coefficient of performance (COP).
  • COP coefficient of performance
  • the temperature difference To-Tu is also referred to as ⁇ TLift.
  • the present invention sets itself the task of improving known heat pump methods and heat pump arrangements.
  • pressure level and "temperature level” to characterize pressures and temperatures, which is intended to express that pressures and temperatures in the respective Explained method or a corresponding arrangement does not have to be used in the form of exact pressure or temperature values.
  • pressures and temperatures typically vary within certain ranges, which are, for example, ⁇ 10% around an average value.
  • Pressure and temperature levels can be in disjunctive ranges or in ranges that overlap. In particular, pressure levels include unavoidable or expected pressure losses. The same applies to temperature levels.
  • saturated is intended below to denote the increase in the degree of saturation of a working medium in a heat pump circuit that is not yet in a saturated state, that is to say it is overheated. In embodiments of the invention, this is achieved in particular by withdrawing a vapor phase from a container, cooling it and at least partially or completely liquefying it, and then at least partially feeding it back into the same container.
  • an “injection” is intended to refer to the introduction of a liquid medium into one or between a plurality of compressor stages of a multi-stage centrifugal compressor.
  • One or more nozzles are used here, which finely atomize (nebulize) the liquid medium in order to ensure that it is converted into the gaseous state as quickly as possible.
  • the overheating caused by the compression can in particular be reduced by a corresponding saturation of the compressed working medium. This can prevent the heat sink from being at least partially subjected to an undesirably high temperature. This is particularly advantageous, for example, when boiling loaded amine in the regeneration column of an amine scrubber.
  • Amine scrubbing is a commonly used chemical process to separate carbon dioxide, hydrogen sulfide and other acidic gases from gas mixtures.
  • the amine scrubbing is based on the principle of chemisorption. With amine scrubbing, comparatively high purities can be achieved even at relatively low pressures. The selectivity is also typically higher than with physisorption.
  • An amine wash typically becomes light alkaline aqueous solutions of amines (mostly ethanolamine derivatives) are used as detergents, which chemically absorb acid gases reversibly, releasing heat of reaction. To regenerate the loaded detergent, the chemical equilibrium is reversed at high temperature (use of thermal energy) and low pressure, and the bound acid gases are thus removed from the detergent.
  • Embodiments of the present invention can use, in particular, the loaded detergent as a heat sink, which can be heated in this way, but which is already at a comparatively high temperature before it is heated.
  • the temperature at the bottom of the regeneration column is determined by the fact that essentially water mixed with amines is evaporated. At least atmospheric pressure results in a bottom temperature of more than 120 °C. A high-temperature heat pump is therefore advantageously used for heating.
  • Embodiments of the present invention thus relate to a method which includes a corresponding amine wash.
  • the present invention creates a (high-temperature) heat pump method with an upper temperature level To of typically more than 120° C. and a COP value of typically more than 2.5.
  • the heat is largely released isothermally at the upper temperature level To, so that excessive heating of the heat sink can be avoided. Excessive heating must be avoided, since the amines used degrade at higher temperatures, i.e. change their chemical properties by changing the molecular structure. It can lead to local damage to the amines, even if the bottom temperature remains at the boiling point.
  • the present invention proposes a heat pump method in which a working medium is subjected to evaporation using a heat source at a lower temperature level Tu and then to compression and condensing using a heat sink at an upper temperature level To, the working medium after evaporation and is subjected to overheating before compression, with a temperature increase caused by compression being limited by injection into the compression, and with the working medium being subjected to saturation after compression and before liquefaction at the upper temperature level To becomes.
  • the superheating of the vaporized working medium takes place in particular in a counterflow heat exchanger against working medium liquefied at high pressure, the suction temperature of a compressor used for compression being in particular at most 10 K, preferably at most 5 K, below the upper temperature level To.
  • the lower temperature level is in particular 10 to 60.degree.
  • the upper temperature level To is in particular at least 115°C, in particular at least 120°C.
  • the method proposed in a corresponding embodiment of the present invention is a high-temperature heat pump method mentioned at the outset, which is particularly advantageous for certain purposes, such as the amine scrubbing mentioned.
  • the upper temperature level To can be up to 140° C., in particular up to 130° C., for example.
  • An inlet temperature level in the compression, i.e. a compressor used here, is in particular at most 10 K, further in particular at most 5 K below the upper temperature level To.
  • an inlet pressure level of the compressor used can be in particular 1.5 to 5 bar, an outlet pressure level in particular 20 to 50 bar.
  • the temperature increase brought about by the compression can be limited by the injection, in particular to a temperature level of at most 180° C. Such a limitation makes it possible to avoid excessive heating, for example if a loaded detergent in an amine wash is used as a temperature sink.
  • the injection can be performed using a part of the working fluid that is before the vaporization and before the superheating of one of the superheating and after the Compression fed remainder diverted, expanded, and fed to one or more intermediate stages of compression in the compression.
  • the corresponding working medium used for the injection can be fed back into the circuit and is used further in this way.
  • the injection can take place in particular in a multi-stage manner.
  • an arrangement can be used, as in the EP 3 505 767 B1 is described.
  • a particularly advantageous embodiment is in the European Patent Application No. 20176585.6 described by the applicant in connection with a surge limit control (engl. Surge Control).
  • the injection provided in one embodiment of the present invention can also take place using one or more nozzles.
  • the nozzle or at least one of the plurality of nozzles can have an outlet which is arranged in a return bend between different compressor stages of a multi-stage centrifugal or turbo compressor.
  • the nozzle or at least one of the plurality of nozzles or at least one line connected thereto can have thermal insulation.
  • the nozzle or at least one of the plurality of nozzles or at least one line connected thereto can have a degassing device.
  • the nozzle or at least one of the several nozzles can be operated with a pressure difference of 2 to 10 bar, in particular 7 bar.
  • a vapor blockage can result from the working fluid to be injected escaping in the supply line to the injection nozzle.
  • the liquid working medium passes through areas with higher temperatures. Since this is not necessarily supercooled, corresponding outgassing can occur. Only a small part of the vapor formed can pass through the injection nozzle. If the evaporation rate is higher than the maximum possible vapor flow in the nozzle, no more liquid can pass through the nozzle. This can lead to insufficient atomization and evaporation.
  • a thermal insulation can be designed in particular in the form of a double-walled construction of a line section with an intermediate space which can in particular be evacuated.
  • the thermal insulation can be Configurations extend as far as technically possible in the direction of the injection point to reduce the heat flow and thus the risk of vapor locks.
  • Degassing can be carried out in particular using a line which is arranged, for example, coaxially inside or outside the line through which the working medium to be injected is conducted. In this way, the cold gas formed by evaporation can preferably be fed to the compressor.
  • Another fundamentally possible alternative is supercooling of the liquid to be injected, so that evaporation and thus the formation of vapor bubbles can be avoided.
  • a compressor can be used for the compression, which is designed as a single-shaft turbo compressor or screw compressor. Screw compressors are particularly suitable for smaller arrangements, whereas (multi-stage) single-shaft turbo compressors, in particular of the type just explained, are used in particular for larger arrangements.
  • a heat pump method includes, in particular, that the saturation is carried out using a container from which a vapor phase is removed at the top, at least partially liquefied in a heat exchanger thermally coupled to the heat sink, and fed back into the container.
  • a heat pump method is proposed in which the container is designed to be empty or equipped with bases and/or packing.
  • empty containers have advantages in terms of weight and cost, while internals promote the establishment of equilibrium.
  • the heat pump method comprises a start-up operating mode and a follow-up operating mode carried out after the start-up operating mode, the working medium in the follow-up operating mode being subjected to saturation at the upper temperature level To and the working medium in the start-up operating mode being at least partially used after compression a further heat sink at an intermediate temperature level Tm between the lower temperature level Tu and the upper temperature level To is cooled.
  • a cooler can be provided which can dissipate the heat generated during compression at a mean temperature level Tm below the upper temperature level To.
  • an associated container can be combined with the container explained above in connection with the saturation.
  • the additional heat sink can be thermally coupled to a start-up cooler.
  • the lower temperature level Tu is at least partially lowered in the start-up operating mode, in that a heating medium at the lower temperature level Tu is first passed through the start-up cooler and then through a heat exchanger used for evaporating the working medium.
  • the start-up cooler is also used to lower the lower temperature level Tu at least temporarily.
  • the heat source can be a condensing refrigerant of a refrigeration circuit or can include such a refrigerant whose heat of condensation at the lower temperature level Tu is at least partially used for evaporating the working medium.
  • the embodiment explained above with a temporary lowering of the lower temperature level Tu can be advantageous, since the condensation conditions of the cooling medium can be improved in this way.
  • a working medium that has a critical temperature that is at least 20° C. or 30° C. above the upper temperature level To.
  • the working medium can in particular have one or more components which is or are selected from n-butane, i-pentane, n-pentane, cyclobutane and cyclopentane.
  • the heat source can be a condensing refrigerant and/or a regenerated amine from an acid gas scrubber or can comprise a corresponding medium.
  • a suitable heat source in the form of the regenerated detergent
  • a suitable heat sink in the form of the loaded detergent
  • a heat pump arrangement which is set up to subject a working medium to evaporation using a heat source at a lower temperature level Tu and then to compression and condensation using a heat sink at an upper temperature level To is also the subject of the present invention.
  • a corresponding heat pump arrangement comprises means which are set up to subject the working medium to overheating after evaporation and before compression, to limit a temperature increase caused by compression by injection into the compression, and the working medium after compression and before condensation to be subjected to saturation at the upper temperature level To.
  • such a heat pump arrangement has a control device which is designed to switch between the start-up and the subsequent operating mode as required, for example according to a fixed switching pattern, on the basis of a sensor signal or on request.
  • a heat pump method is illustrated in the form of a greatly simplified process flow diagram and is denoted overall by 100 .
  • the figure also serves to explain a corresponding heat pump arrangement. If method steps are explained below, the corresponding explanations for components of the arrangement apply in the same way and vice versa. With regard to the abbreviations and variables used below, reference is also made to the explanations given at the beginning.
  • a liquid working medium supplied to it via a line L1 with a valve V1 is available at a first (lower) pressure level against a heat source or a heating medium which is available at a lower temperature level Tu is, evaporated.
  • the vaporized working medium is fed via a line L2 to a countercurrent heat exchanger E3 and is subjected there to superheating against liquefied working medium present at a second (higher) pressure level in a line L3.
  • the superheated working medium is fed to a compressor C1 via a line L4 and removed from it via a line L5.
  • the compressed working medium is liquefied, with a vapor phase being withdrawn from the container D1 via a line L6 and in the heat exchanger E2 against a heat sink or a cooling medium which is available at an upper temperature level To, at least partially liquefied and returned to container D1 via line L7.
  • the container D1 serves to saturate the compressed working medium from the line L5 with the liquid from the condenser E2, which gives off heat Qo at To to the heat sink.
  • a liquid phase is removed from the container D1 via the already mentioned line L3 and further cooled in the countercurrent heat exchanger E3 while the vaporized working medium is overheated in line L2.
  • an inlet temperature level of compressor C1 is at most 10 K, preferably at most 5 K, below upper temperature level To.
  • the superheated working medium is compressed in the compressor C1 to an outlet pressure level which corresponds at least to the boiling pressure of the working medium at the temperature To of the heat sink.
  • the overheating caused by the compression is reduced by the saturation of the compressed working medium in the container D1. This can prevent the heat sink from being at least partially subjected to an undesirably high temperature. This is, for example, when boiling loaded amine in the regeneration column of a carbon dioxide scrubber is an important criterion for the selection of the process.
  • the overheating of the working medium before compression enables an efficient process with a COP value > 2.5.
  • the temperature increase in the compressor C1 can be limited to ⁇ 180 °C by injecting supercooled working medium via a line L8 with a valve V2.
  • a cooler E4 can be provided, which can dissipate the heat generated during the compression at an average temperature level Tm below the upper temperature level To.
  • An associated container D2 can optionally be combined with the container D1 or connected to the cooler E4 in the manner explained, the working medium being fed to the container D2 via a line L9 with a valve V3 and being removed from this via a line L10.
  • the start-up cooler E4 can also be used to lower the upper temperature level (To) at least temporarily.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmepumpenverfahren (100), bei dem ein Arbeitsmittel unter Verwendung einer Wärmequelle auf einem unteren Temperaturniveau (Tu) einer Verdampfung und anschließend einer Verdichtung und einer Verflüssigung unter Verwendung einer Wärmesenke auf einem oberen Temperaturniveau (To) unterworfen wird, wobei das Arbeitsmittel nach der Verdampfung und vor der Verdichtung einer Überhitzung unterworfen wird, wobei eine durch die Verdichtung bewirkte Temperaturerhöhung durch eine Einspritzung in die Verdichtung begrenzt wird, und wobei das Arbeitsmittel nach der Verdichtung und vor der Verflüssigung auf dem oberen Temperaturniveau einer Aufsättigung unterworfen wird. Eine entsprechende Wärmepumpenanordnung ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmepumpenverfahren und eine Wärmepumpenanordnung.
    • Hintergrund
  • Kompressionswärmepumpen mit geschlossenem Kreislauf werden eingesetzt, um Wärme Qu von einem unteren Temperaturniveau Tu (Wärmequelle) auf ein oberes Temperaturniveau To (Wärmesenke) zu heben. Hierzu muss Arbeit aufgewendet werden. Das Verhältnis Qo/W der bei To nutzbaren Wärme Qo zur Arbeit W wird auch als Leistungskoeffizient (engl. Coefficient of Performance, COP) bezeichnet. Man spricht von Hochtemperaturwärmepumpen, wenn das obere Temperaturniveau To höher als 80 °C oder sogar höher als 100 °C liegt. Die Temperaturdifferenz To-Tu wird auch mit ΔTLift bezeichnet. Eine aktuelle Aufstellung technisch erreichbarer COP-Werte in Abhängigkeit hiervon können beispielsweise der Veröffentlichung von Arpagaus Cordin et al., "High temperature heat pumps: Market overview, state of the art, research status, refrigerants, and application potentials", Energy 152 (2018), 985-1010 entnommen werden.
  • Die vorliegende Erfindung stellt sich vor diesem Hintergrund die Aufgabe, bekannte Wärmepumpenverfahren und Wärmepumpenanordnungen zu verbessern.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird durch ein Wärmepumpenverfahren und eine Wärmepumpenanordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben.
  • Die vorliegende Anmeldung verwendet zur Charakterisierung von Drücken und Temperaturen die Begriffe "Druckniveau" und "Temperaturniveau", wodurch zum Ausdruck gebracht werden soll, dass Drücke und Temperaturen in dem jeweils erläuterten Verfahren bzw. einer entsprechenden Anordnung nicht in Form exakter Druck- bzw. Temperaturwerte verwendet werden müssen. Jedoch bewegen sich derartige Drücke und Temperaturen typischerweise in bestimmten Bereichen, die beispielsweise ± 10 % um einen Mittelwert liegen. Druck- und Temperaturniveaus können dabei in disjunkten Bereichen liegen oder in Bereichen, die einander überlappen. Insbesondere schließen Druckniveaus unvermeidliche oder zu erwartende Druckverluste ein. Entsprechendes gilt für Temperaturniveaus.
  • Der Begriff "Aufsättigung" soll nachfolgend die Erhöhung eines Sättigungsgrads eines zunächst noch nicht in gesättigtem Zustand vorliegenden, also überhitzten Arbeitsmittels in einem Wärmepumpenkreislauf bezeichnen. Diese wird in Ausgestaltungen der Erfindung insbesondere durch Abziehen einer Dampfphase aus einem Behälter, deren Abkühlung und zumindest teilweise oder vollständige Verflüssigung, und die anschließende, zumindest teilweise Rückspeisung in denselben Behälter erreicht.
  • Eine "Einspritzung" (engl. Injection) soll nachfolgend die Einleitung eines flüssigen Mediums in eine oder zwischen mehrere Verdichterstufen eines mehrstufigen Zentrifugalverdichters bezeichnen. Hierbei werden eine oder mehrere Düsen eingesetzt, die das flüssige Medium fein zerstäuben (vernebeln), um eine möglichst rasche Überführung in den gasförmigen Zustand sicherzustellen.
  • Durch eine entsprechende Aufsättigung des verdichteten Arbeitsmittels kann in Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung insbesondere die durch die Verdichtung entstandene Überhitzung abgebaut werden. Dadurch kann vermieden werden, dass die Wärmesenke zumindest teilweise mit unerwünscht hoher Temperatur beaufschlagt wird. Dies ist z.B. beim Aufkochen beladenen Amins in der Regenerierkolonne einer Aminwäsche besonders vorteilhaft.
  • Bei einer Aminwäsche handelt es sich um einen häufig benutzten chemischen Prozess zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid, Schwefelwasserstoff und anderen sauren Gasen aus Gasgemischen. Die Aminwäsche beruht auf dem Prinzip der Chemisorption. Bei Aminwäschen lassen sich schon bei relativ niedrigen Drücken vergleichsweise hohe Reinheiten erzielen. Die Selektivität ist ebenfalls typischerweise höher als bei einer Physisorption. Bei einer Aminwäsche werden typischerweise leicht alkalische wässrige Lösungen von Aminen (zumeist Ethanolaminderivate) als Waschmittel eingesetzt, die Sauergase unter Freisetzung von Reaktionswärme reversibel chemisch absorbieren. Zur Regeneration des beladenen Waschmittels werden bei hoher Temperatur (Einsatz von thermischer Energie) und niedrigem Druck das chemische Gleichgewicht umgekehrt und somit die gebundenen Sauergase dem Waschmittel entzogen. Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung können als Wärmesenke insbesondere das beladene Waschmittel nutzen, das auf diese Weise aufgeheizt werden kann, das allerdings bereits vor der Aufheizung auf vergleichsweise hoher Temperatur vorliegt. Die Temperatur im Sumpf der Regenerierkolonne wird dadurch bestimmt, dass im Wesentlichen Wasser in einer Mischung mit Aminen verdampft wird. Bei mindestens Atmosphärendruck ergibt sich eine Sumpftemperatur von mehr als 120 °C. Daher wird zur Beheizung vorteilhafterweise eine Hochtemperaturwärmepumpe genutzt. Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung betreffen damit ein Verfahren, das eine entsprechende Aminwäsche umfasst.
  • Die vorliegende Erfindung schafft insgesamt ein (Hochtemperatur-) Wärmepumpenverfahren mit einem oberen Temperaturniveau To von typischerweise mehr als 120 °C und einem COP-Wert von typischerweise mehr als 2,5. Die Wärme wird bei dem oberen Temperaturniveau To in Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung weitgehend isotherm freigesetzt, so dass eine übermäßige Erwärmung der Wärmesenke vermieden werden kann. Eine übermäßige Erwärmung muss vermieden werden, da die eingesetzten Amine die bei höherer Temperatur degradieren, d.h. ihre chemischen Eigenschaften durch Änderung in der Molekülstruktur ändern. Es kann lokal zur Schädigung der Amine führen, auch wenn die Sumpftemperatur noch am Siedepunkt bleibt.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt dabei ein Wärmepumpenverfahren vor, bei dem ein Arbeitsmittel unter Verwendung einer Wärmequelle auf einem unteren Temperaturniveau Tu einer Verdampfung und anschließend einer Verdichtung und einer Verflüssigung unter Verwendung einer Wärmesenke auf einem oberen Temperaturniveau To unterworfen wird, wobei das Arbeitsmittel nach der Verdampfung und vor der Verdichtung einer Überhitzung unterworfen wird, wobei eine durch die Verdichtung bewirkte Temperaturerhöhung durch eine Einspritzung in die Verdichtung begrenzt wird, und wobei das Arbeitsmittel nach der Verdichtung und vor der Verflüssigung auf dem oberen Temperaturniveau To einer Aufsättigung unterworfen wird. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfolgt die Überhitzung des verdampften Arbeitsmittels insbesondere in einem Gegenstromwärmetauscher gegen bei hohem Druck verflüssigtes Arbeitsmittel, wobei die Saugtemperatur eines zur Verdichtung verwendeten Verdichters insbesondere höchstens 10 K, vorzugsweise höchstens 5 K, unter dem oberen Temperaturniveau To liegt.
  • Die Vorteile der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen wurden bereits zuvor erläutert und umfassen insbesondere eine erhöhte Effizienz bei gleichzeitiger Vermeidung einer übermäßigen Erwärmung der Wärmesenke.
  • In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung liegt das untere Temperaturniveau insbesondere bei 10 bis 60 °C. Das obere Temperaturniveau To liegt insbesondere bei mindestens 115 °C, insbesondere bei mindestens 120 °C. Es handelt sich dabei bei dem in einer entsprechenden Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen Verfahren um ein eingangs erwähntes Hochtemperaturwärmepumpenverfahren, das für bestimmte Zwecke, wie die erwähnten Aminwäschen besonders vorteilhaft ist. Das obere Temperaturniveau To kann beispielsweise bei bis zu 140 °C, insbesondere bis zu 130 °C, liegen. Ein Eintrittstemperaturniveau in die Verdichtung, d.h. einen hier verwendeten Verdichter, liegt insbesondere bei höchstens 10 K, weiter insbesondere höchstens 5 K unter dem oberen Temperaturniveau To.
  • Ein Eintrittsdruckniveau des verwendeten Verdichters kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere bei 1,5 bis 5 bar, ein Austrittsdruckniveau insbesondere bei 20 bis 50 bar liegen.
  • Die durch die Verdichtung bewirkte Temperaturerhöhung kann in Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung durch die Einspritzung insbesondere auf ein Temperaturniveau von höchstens 180 °C begrenzt werden. Durch eine derartige Begrenzung lässt sich, beispielsweise im Fall einer Nutzung eines beladenen Waschmittels einer Aminwäsche als Temperatursenke, eine übermäßige Erwärmung vermeiden.
  • In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann die Einspritzung unter Verwendung eines Teils des Arbeitsmittels durchgeführt werden, das vor der Verdampfung und vor der Überhitzung von einem der Überhitzung und danach der Verdichtung zugeführten Rest abgezweigt, entspannt, und auf einer oder mehreren Zwischenstufen der Verdichtung in die Verdichtung eingespeist wird. Das entsprechende, zur Einspritzung verwendete Arbeitsmittel kann hierbei in den Kreislauf zurückgeführt werden und wird auf diese Weise weiter genutzt.
  • Die Einspritzung kann insbesondere in mehrstufiger Weise erfolgen. Hierbei kann insbesondere eine Anordnung zum Einsatz kommen, wie sie in der EP 3 505 767 B1 beschrieben ist. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung ist in der Europäischen Patentanmeldung Nr. 20 176 585.6 der Anmelderin im Zusammenhang mit einer Pumpgrenzregelung (engl. Surge Control) beschrieben. Wie dort offenbart, kann auch die in einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorgesehene Einspritzung unter Verwendung einer oder mehrerer Düsen erfolgen. Die Düse oder mindestens eine der mehreren Düsen kann einen Auslass aufweisen, der in einem Rücklaufbogen (engl. Return Bend) zwischen unterschiedlichen Verdichterstufen eines mehrstufigen Zentrifugal- bzw. Turboverdichters angeordnet ist. Die Düse oder wenigstens eine der mehreren Düsen oder mindestens eine damit verbundene Leitung kann eine thermische Isolierung aufweisen. Die Düse oder mindestens eine der mehreren Düsen oder mindestens eine damit verbundene Leitung kann eine Entgasungseinrichtung aufweisen. Die Düse oder mindestens eine der mehreren Düsen kann mit einer Druckdifferenz von 2 bis 10 bar, insbesondere 7 bar, betrieben werden.
  • Die soeben erläuterten Ausgestaltungen dienen insbesondere dazu, Dampfblasen bzw. eine Dampfblockade (engl. Vapor Lock) zu vermeiden. Eine Dampfblockade kann sich dadurch ergeben, dass das einzuspritzende Arbeitsmittel in der Zuleitung zur Einspritzdüse ausgast. Das flüssige Arbeitsmittel durchläuft bei der Annäherung an den heißen Rücklaufbogen Bereiche mit höheren Temperaturen. Da dieses nicht notwendigerweise unterkühlt ist, kann es zu entsprechendem Ausgasen kommen. Nur ein kleiner Teil des dabei gebildeten Dampfes kann die Einspritzdüse passieren. Wird die Verdampfungsrate höher als der maximal mögliche Dampfstrom in der Düse, kann keine Flüssigkeit die Düse mehr passieren. Damit kann es zu einer unzureichenden Zerstäubung und Verdampfung kommen.
  • Eine thermische Isolierung kann insbesondere in Form einer doppelwandigen Ausbildung eines Leitungsabschnitts mit einem Zwischenraum ausgebildet sein, der insbesondere evakuiert sein kann. Die thermische Isolierung kann sich in Ausgestaltungen so weit wie technisch möglich in Richtung der Einspritzstelle erstrecken, um den Wärmezufluss und damit die Gefahr von Dampfblasen zu verringern. Eine Entgasung kann insbesondere unter Verwendung einer Leitung vorgenommen werden, die z.B. koaxial innerhalb oder außerhalb der Leitung angeordnet ist, durch die das einzuspritzende Arbeitsmittel geleitet wird. Auf diese Weise kann das durch Verdampfung gebildete kalte Gas vorzugsweise dem Verdichter zugeführt werden. Eine weitere grundsätzlich mögliche Alternative ist die Unterkühlung der einzuspritzenden Flüssigkeit, so dass die Verdampfung und damit die Bildung von Dampfblasen vermieden werden kann.
  • In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann für die Verdichtung ein Verdichter verwendet werden, der als Einwellenturboverdichter oder Schraubenverdichter ausgebildet ist. Schraubenverdichter eignen sich dabei insbesondere für kleinere Anordnungen, wohingegen (mehrstufige) Einwellenturboverdichter, insbesondere der soeben erläuterten Art, insbesondere für größere Anordnungen zum Einsatz kommen.
  • Ein Wärmepumpenverfahren umfasst in einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung insbesondere, dass die Aufsättigung unter Verwendung eines Behälters durchgeführt wird, dem kopfseitig eine Dampfphase entnommen, in einem mit der Wärmesenke thermisch gekoppelten Wärmetauscher zumindest zu einem Teil verflüssigt, und in den Behälter zurückgespeist wird.
  • In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein Wärmepumpenverfahren vorgeschlagen, bei dem der Behälter leer ausgebildet oder mit Böden und/oder Packungen ausgestattet ist. Leere Behälter haben insbesondere Gewichts- und Kostenvorteile, während Einbauten die Gleichgewichtseinstellung fördern.
  • In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst das Wärmepumpenverfahren einen Anfahrbetriebsmodus und einen nach dem Anfahrbetriebsmodus durchgeführten Folgebetriebsmodus, wobei das Arbeitsmittel in dem Folgebetriebsmodus der Aufsättigung auf dem oberen Temperaturniveau To unterworfen wird und wobei das Arbeitsmittel in dem Anfahrbetriebsmodus nach der Verdichtung zumindest zu einem Teil unter Verwendung einer weiteren Wärmesenke auf einem mittleren Temperaturniveau Tm zwischen dem unteren Temperaturniveau Tu und dem oberen Temperaturniveau abgekühlt To wird. Zum vereinfachten Anfahren des Verdichters kann dabei ein Kühler vorgesehen werden, der die bei der Verdichtung anfallende Wärme bei einem mittleren Temperaturniveau Tm unterhalb des oberen Temperaturniveau To abführen kann. Ein zugehöriger Behälter kann in Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung mit dem zuvor im Zusammenhang mit der Aufsättigung erläuterten Behälter kombiniert werden.
  • In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann die weitere Wärmesenke mit einem Anfahrkühler thermisch gekoppelt sein. Hierbei kann eine Ausgestaltung vorgesehen sein, in der das untere Temperaturniveau Tu in dem Anfahrbetriebsmodus zumindest zum Teil abgesenkt wird, indem ein auf dem unteren Temperaturniveau Tu vorliegendes Heizmedium zunächst durch den Anfahrkühler und danach durch einen für die Verdampfung des Arbeitsmittels verwendeten Wärmetauscher geführt wird. Mit anderen Worten kann in einer entsprechenden Ausgestaltung vorgesehen sein, dass der Anfahrkühler auch dafür genutzt wird, um das untere Temperaturniveau Tu zumindest zeitweise abzusenken.
  • In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann die Wärmequelle ein kondensierendes Kältemedium eines Kältekreislaufs sein oder ein solches Kältemedium umfassen, dessen Kondensationswärme auf dem unteren Temperaturniveau Tu zumindest zum Teil zur Verdampfung des Arbeitsmittels verwendet wird. Insbesondere in solchen Fällen kann die zuvor erläuterte Ausgestaltung mit zeitweiser Absenkung des unteren Temperaturniveaus Tu vorteilhaft sein, da hiermit die Kondensationsbedingungen des Kältemediums verbessert werden können.
  • In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein Arbeitsmittel verwendet, das eine kritische Temperatur aufweist, die mindestens 20 °C oder 30 °C über dem oberen Temperaturniveau To liegt. Das Arbeitsmittel kann dabei insbesondere eine oder mehrere Komponenten aufweisen, die aus n-Butan, i-Pentan, n-Pentan, Cyclobutan und Cyclopentan ausgewählt ist oder sind.
  • In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann die Wärmequelle ein kondensierendes Kältemittel und/oder ein regeneriertes Amin einer Sauergaswäsche sein oder ein entsprechendes Medium umfassen. Insbesondere bei Verwendung eines regenerierten Amins kann eine vorteilhafte Integration in eine entsprechende Aminwäsche erzielt werden, weil hiermit sowohl eine geeignete Wärmequelle (in Form des regenerierten Waschmittels) und eine geeignete Wärmesenke (in Form des beladenen Waschmittels) genutzt werden kann.
  • Eine Wärmepumpenanordnung, die dafür eingerichtet ist, ein Arbeitsmittel unter Verwendung einer Wärmequelle auf einem unteren Temperaturniveau Tu einer Verdampfung und anschließend einer Verdichtung und einer Verflüssigung unter Verwendung einer Wärmesenke auf einem oberen Temperaturniveau To zu unterwerfen, ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
  • Eine entsprechende Wärmepumpenanordnung umfasst Mittel, die dafür eingerichtet sind, das Arbeitsmittel nach der Verdampfung und vor der Verdichtung einer Überhitzung zu unterwerfen, eine durch die Verdichtung bewirkte Temperaturerhöhung durch eine Einspritzung in die Verdichtung zu begrenzen, und das Arbeitsmittel nach der Verdichtung und vor der Verflüssigung auf dem oberen Temperaturniveau To einer Aufsättigung zu unterwerfen.
  • Zu Merkmalen und Vorteilen einer solchen Wärmepumpenanordnung, die in Ausgestaltungen der Erfindung insbesondere dazu eingerichtet sein kann, ein Verfahren durchzuführen, wie es zuvor in unterschiedlichen Ausgestaltungen erläutert wurde, sei auf die obigen Ausführungen ausdrücklich verwiesen. Insbesondere weist eine derartige Wärmepumpenanordnung eine Steuereinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, bei Bedarf, beispielsweise nach einem festen Schaltmuster, auf Grundlage eines Sensorsignals oder auf Anforderung, zwischen dem Anfahr- und dem Folgebetriebsmodus umzuschalten.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, die eine Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
    • Figurenbeschreibung
  • In der einzigen Figur ist ein Wärmepumpenverfahren in Form eines stark vereinfachten Prozessflussdiagramms veranschaulicht und insgesamt mit 100 bezeichnet. Die Figur dient zugleich zur Erläuterung einer entsprechenden Wärmepumpenanordnung. Werden nachfolgend Verfahrensschritte erläutert, gelten die entsprechenden Ausführungen für Komponenten der Anordnung in gleicher Weise und umgekehrt. Zu den nachfolgend verwendeten Abkürzungen bzw. Variablen sei ergänzend jeweils auf die eingangs getroffenen Erläuterungen verwiesen.
  • In dem in der Figur veranschaulichten Verfahren wird in einem Wärmetauscher E1 ein diesem über eine Leitung L1 mit einem Ventil V1 zugeführtes flüssiges Arbeitsmittel auf einem ersten (geringeren) Druckniveau gegen eine Wärmequelle bzw. ein Heizmedium, die bzw. das auf einem unteren Temperaturniveau Tu verfügbar ist, verdampft. Das verdampfte Arbeitsmittel wird über eine Leitung L2 einem Gegenstromwärmetauscher E3 zugeführt und in diesem einer Überhitzung gegen auf einem zweiten (höheren) Druckniveau vorliegendes verflüssigtes Arbeitsmittel in einer Leitung L3 unterworfen. Das überhitzte Arbeitsmittel wird über eine Leitung L4 einem Verdichter C1 zugeführt und diesem über eine Leitung L5 entnommen. Unter Einsatz eines Behälters D1 wird das verdichtete Arbeitsmittel verflüssigt, wobei eine Dampfphase aus dem Behälter D1 über eine Leitung L6 abgezogen und in dem Wärmetauscher E2 gegen eine Wärmesenke bzw. ein Kühlmedium, die bzw. das auf einem oberen Temperaturniveau To verfügbar ist, zumindest teilweise verflüssigt und über eine Leitung L7 in den Behälter D1 zurückgeführt. Der Behälter D1 dient dabei, mit anderen Worten, der Aufsättigung des verdichteten Arbeitsmittels aus der Leitung L5 mit der Flüssigkeit aus dem Kondensator E2, der Wärme Qo bei To an die Wärmesenke abgibt. Eine Flüssigphase wird dem Behälter D1 über die bereits erwähnte Leitung L3 entnommen und in dem Gegenstromwärmetauscher E3 unter Überhitzung des verdampften Arbeitsmittels in Leitung L2 weiter abgekühlt.
  • In dem Verfahren 100 liegt ein Eintrittstemperaturniveau des Verdichters C1 höchstens 10 K, vorzugsweise höchstens 5 K unter dem oberen Temperaturniveau To. Die Verdichtung des überhitzten Arbeitsmittels in dem Verdichter C1 erfolgt auf ein Austrittsdruckniveau, das mindestens dem Siededruck des Arbeitsmittels bei der Temperatur To der Wärmesenke entspricht.
  • Durch die Aufsättigung des verdichteten Arbeitsmittels in dem Behälter D1 wird die durch die Verdichtung entstandene Überhitzung abgebaut. Dadurch kann vermieden werden, dass die Wärmesenke zumindest teilweise mit unerwünscht hoher Temperatur beaufschlagt wird. Dies ist z.B. beim Aufkochen beladenen Amins in der Regenerierkolonne einer Kohlendioxidwäsche ein wichtiges Kriterium für die Verfahrensauswahl. Die Überhitzung des Arbeitsmittels vor der Verdichtung ermöglicht ein effizientes Verfahren mit einem COP-Wert > 2.5.
  • Die Temperaturerhöhung im Verdichter C1 kann durch Einspritzen von unterkühltem Arbeitsmittel über eine Leitung L8 mit einem Ventil V2 auf < 180 °C begrenzt werden. Zum vereinfachten Anfahren des Verdichters C1 kann ein Kühler E4 vorgesehen sein, der die bei der Verdichtung anfallende Wärme bei einem mittleren Temperaturniveau Tm unterhalb des oberen Temperaturniveau To abführen kann. Ein zugehöriger Behälter D2 kann ggf. mit dem Behälter D1 kombiniert werden oder mit dem Kühler E4 in der erläuterten Weise verschaltet sein, wobei das Arbeitsmittel dem Behälter D2 über eine Leitung L9 mit einem Ventil V3 zugeführt und diesem über eine Leitung L10 entnommen werden kann. Der Anfahrkühler E4 kann ggf. auch dafür genutzt werden, um das obere Temperaturniveau (To) zumindest zeitweise abzusenken.

Claims (15)

  1. Wärmepumpenverfahren (100), bei dem ein Arbeitsmittel unter Verwendung einer Wärmequelle (Qu) auf einem unteren Temperaturniveau (Tu) einer Verdampfung und anschließend einer Verdichtung und einer Verflüssigung unter Verwendung einer Wärmesenke auf einem oberen Temperaturniveau (To) unterworfen wird, wobei das Arbeitsmittel nach der Verdampfung und vor der Verdichtung einer Überhitzung unterworfen wird, wobei eine durch die Verdichtung bewirkte Temperaturerhöhung durch eine Einspritzung in die Verdichtung begrenzt wird, und wobei das Arbeitsmittel nach der Verdichtung und vor der Verflüssigung auf dem oberen Temperaturniveau einer Aufsättigung unterworfen wird.
  2. Wärmepumpenverfahren (100) nach Anspruch 1, bei dem das untere Temperaturniveau (Tu) bei 10 bis 60 °C liegt, bei dem das obere Temperaturniveau (To) bei mindestens 115 °C liegt, bei dem ein Eintrittstemperaturniveau in die Verdichtung höchstens 10 K unter dem oberen Temperaturniveau (To) liegt, und bei dem die durch die Verdichtung bewirkte Temperaturerhöhung durch die Einspritzung auf ein Temperaturniveau von höchstens 180 °C begrenzt wird.
  3. Wärmepumpenverfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Einspritzung unter Verwendung eines Teils des Arbeitsmittels durchgeführt wird, das vor der Verdampfung und vor der Überhitzung von einem der Überhitzung und danach der Verdichtung zugeführten Rest abgezweigt, entspannt, und auf einer oder mehreren Zwischenstufen der Verdichtung in die Verdichtung eingespeist wird.
  4. Wärmepumpenverfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem für die Verdichtung ein Verdichter (C1) verwendet wird, der als Einwellenturboverdichter oder Schraubenverdichter ausgebildet ist.
  5. Wärmepumpenverfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Aufsättigung unter Verwendung eines Behälters (D1) durchgeführt wird, dem kopfseitig eine Dampfphase entnommen, in einem mit der Wärmesenke thermisch gekoppelten Wärmetauscher zumindest zu einem Teil verflüssigt, und in den Behälter (D1) zurückgespeist wird.
  6. Wärmepumpenverfahren (100) nach Anspruch 5, bei dem der Behälter (D1) leer ausgebildet oder mit Böden und/oder Packungen ausgestattet ist.
  7. Wärmepumpenverfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, das einen Anfahrbetriebsmodus und einen nach dem Anfahrbetriebsmodus durchgeführten Folgebetriebsmodus umfasst, wobei das Arbeitsmittel in dem Folgebetriebsmodus der Aufsättigung auf dem oberen Temperaturniveau unterworfen wird und wobei das Arbeitsmittel in dem Anfahrbetriebsmodus nach der Verdichtung zumindest zu einem Teil unter Verwendung einer weiteren Wärmesenke auf einem mittleren Temperaturniveau (Tm) zwischen dem unteren Temperaturniveau (Tu) und dem oberen Temperaturniveau (To) abgekühlt wird.
  8. Wärmepumpenverfahren (100) nach Anspruch 7, bei dem die weitere Wärmesenke mit einem Anfahrkühler (E4) thermisch gekoppelt ist.
  9. Wärmepumpenverfahren (100) nach Anspruch 8, bei dem das untere Temperaturniveau (Tu) in dem Anfahrbetriebsmodus zumindest zum Teil abgesenkt wird, indem ein auf dem unteren Temperaturniveau (Tu) vorliegendes Heizmedium zunächst durch den Anfahrkühler (E4) und danach durch einen für die Verdampfung des Arbeitsmittels verwendeten Wärmetauscher (E1) geführt wird.
  10. Wärmepumpenverfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Wärmequelle ein kondensierendes Kältemedium eines Kältekreislaufs ist, dessen Wärme (Qu) auf dem unteren Temperaturniveau (Tu) zumindest zum Teil zur Verdampfung des Arbeitsmittels verwendet wird.
  11. Wärmepumpenverfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Arbeitsmittel eine kritische Temperatur aufweist, die mindestens 20 °C oder 30 °C über dem oberen Temperaturniveau (To) liegt.
  12. Wärmepumpenverfahren (100) nach Anspruch 11, bei dem das Arbeitsmittel eine oder mehrere Komponenten aufweist, die aus n-Butan, i-Pentan, n-Pentan, Cyclobutan und Cyclopentan ausgewählt ist oder sind.
  13. Wärmepumpenverfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Wärmequelle (Qu) ein kondensierendes Kältemittel und/oder eine regenerierte wässrige Aminlösung einer Sauergaswäsche umfasst.
  14. Wärmepumpenanordnung, die dafür eingerichtet ist, ein Arbeitsmittel unter Verwendung einer Wärmequelle (Qu) auf einem unteren Temperaturniveau (Tu) einer Verdampfung und anschließend einer Verdichtung und einer Verflüssigung unter Verwendung einer Wärmesenke auf einem oberen Temperaturniveau (To) zu unterwerfen, wobei Mittel bereitgestellt sind, die dafür eingerichtet sind, das Arbeitsmittel nach der Verdampfung und vor der Verdichtung einer Überhitzung zu unterwerfen, eine durch die Verdichtung bewirkte Temperaturerhöhung durch eine Einspritzung in die Verdichtung zu begrenzen, und das Arbeitsmittel nach der Verdichtung und vor der Verflüssigung auf dem oberen Temperaturniveau einer Aufsättigung zu unterwerfen.
  15. Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 14, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 eingerichtet ist.
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