WO2018145884A1 - Verfahren zum betrieb einer wärmepumpenanlage, wärmepumpenanlage und kraftwerk mit einer wärmepumpenanlage - Google Patents

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working fluid
compressor
heat
heat pump
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Mark Reissig
Florian REISSNER
Jochen SCHÄFER
Frank Strobelt
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a method of operating a heat pump system, a heat pump system with at least two Ver ⁇ absorbers as well as a power plant, in particular a gas-and-steam combined-cycle power plant (hereinafter abbreviated: combined-cycle power plant) with an ER inventive heat pump system.
  • thermo energy i.e. heat
  • a heat source i.e. heat
  • the absorbed thermal energy is brought by means of a compressor to an elevated pressure level and then liquefied at a condensing temperature which is higher than that of an evaporation temperature.
  • the efficiency of a heat pump is measured by means of a Coefficient of Performance (COP), which is best given by the reciprocal efficiency of a Carnot process.
  • COP Coefficient of Performance
  • the Leis ⁇ tung number is 4.13.
  • the liquefaction of the working fluid is carried out at a liquefaction temperature of 140 ° C.
  • the evaporation temperature that is, the temperature at which the evaporation of the working fluid takes place, should be as high as possible. Furthermore, it is advantageous if the transmission of the thermal energy from the heat source to the working fluid with the smallest possible difference between the temperature of the heat source and the evaporation temperature.
  • a plurality of various ⁇ the temperature controlled heat sources of their heat content can be used by a known heat pump or a known heat pump system is typically not efficient in terms. The majority of the heat of such heat sources therefore remains unused in the prior art.
  • the present invention has for its object to improve the heat recovery or heat recovery from a plurality of different heat sources.
  • a working fluid circulates within a controlled working cycle of the heat pump system.
  • the Ar Beitsfluid is compressed by means of a compressor and liquefied with ⁇ means of a condenser.
  • a mass flow of the working fluid before the lead is divided into at least a first and a second evaporator and at least applied in parallel to the first and second evaporators ⁇ leads, wherein the working fluid second at a first evaporation ⁇ pressure in the first evaporator and at a relative to the first evaporation pressure reduced Evaporating pressure in the second evaporator evaporates.
  • the first evaporator is thermally coupled with a first heat source having a first heat source temperature and the second evaporator is thermally coupled with a second heat source having a lower second heat source temperature than the first heat source temperature.
  • the mass flow of the working fluid is divided before the supply line to the first and second evaporator at least in a first and second partial mass flow, wherein the first partial mass flow to the first and the second partial mass flow directed to the second evaporator.
  • the evaporation of the working fluid is carried out in two parallel process steps, that is, the evaporation of the working fluid takes place in two with respect to the mass ⁇ flow of the working fluid connected in parallel evaporators.
  • the first evaporator to a ge ⁇ genüber enlarged the second evaporator evaporating pressure. Due to the second evaporation pressure, which is lower than the first evaporation pressure, the evaporation of the working fluid by means of the second evaporator takes place at a second evaporation temperature, which is reduced compared to a first evaporation temperature in the first evaporator.
  • the thermal energy of Wär ⁇ mettlen is used in cascade.
  • the heat sources are thus thermally coupled in series with the evaporators, with the temperature of the heat sources (heat source temperature) decreasing in series with the evaporators.
  • the respective evaporation temperature that is in takes place, the temperature ⁇ tur the evaporation of the working fluid in the first and / or second evaporator, be adapted to the heat source temperature of the thermally oppel- with the respective evaporator th heat source.
  • each evaporator is thermally coupled to a different heat source.
  • the evaporators are connected in parallel with respect to the working cycle. This results in a multi-stage, at least two-stage evaporation of the working fluid at afford defenceli ⁇ chen pressure levels.
  • Heat source side of the heat pump system allows. This can be used efficiently thermally with the heat pump system ⁇ a plurality of different temperatures heat sources (first and second heat source), the efficiency of the heat pump installation without reducing. In other words, it is possible whil efficiently with the present invention, a plurality of heat sources at different temperature levels ⁇ bind.
  • the heat pump system according to the invention comprises at least ei ⁇ nen compressor, a condenser and at least a first and second evaporator, wherein the heat pump system comprises a directed working circuit for a circulating working fluid.
  • the working cycle of the heat pump system is designed to divide a mass flow of the working fluid before a supply of the working fluid to the first and second evaporators and to supply them in parallel to the first and second evaporators, the first evaporator a first evaporation pressure and the second evaporator has a second evaporation pressure lower than the first evaporation pressure.
  • the heat pump system comprises we ⁇ iquess first and second heat source, wherein the first heat source, a first heat source temperature and the second heat source has a relation to the first heat source temperature lower second heat source temperature, and the first heat source thermally connected to the first evaporator and the second heat source thermally coupled coupled to the second evaporator.
  • the power plant according to the invention comprises a heat pump system according to the present invention.
  • the power plant according to the invention comprises a heat pump system according to the present invention.
  • the heat sources are designed as different temperature-controlled waste heat sources of the power plant.
  • the first and second heat source each have a different waste heat of a power plant, in particular a gas and steam combined cycle power plant (combined cycle power plant).
  • a waste heat from a flue gas and a second heat source is a waste heat from a transformer cooling is used as the first sources of heat ⁇ le.
  • a waste heat of a flue ⁇ gases at least for one of the heat sources, a waste heat of a flue ⁇ gases, transformer cooling, transmission cooling, engine cooling, a condenser cooling a housing of a heat recovery steam generator, a gas turbine acoustic hood, a generator cooling and / or a lubricating medium supply.
  • a multiplicity of waste heat sources of a power plant can thus be used for the recovery of thermal energy. This increases the efficiency of the power ⁇ plant.
  • the working fluid in front of the supply line to the first evaporator a first expansion valve and in front of the supply line to the second evaporator a second expansion valve parallel ⁇ leads.
  • relaxation or expansion of the working fluid preferably takes place in parallel by means of the first and second expansion valves .
  • the working fluid is brought to the first and second evaporation pressure.
  • the first expansion valve the first evaporation pressure in the first evaporator and by means of the second expansion valve the second evaporation pressure in the second evaporator is set.
  • a first and a second compressor is used for compressing the working fluid, wherein the working fluid discharged from the first evaporator is supplied to the first compressor and the working fluid discharged from the second evaporator to the second compressor.
  • the compression of the working fluid as already the evaporation of the working fluid, preferably pa ⁇ rallel.
  • the mass flow of the working fluid is divided, passed to a first and second expansion valve, to ⁇ finally fed to a first and second evaporator and introduced after the first and second evaporator in the respective input of the first and second compressor. Consequently, the expansion, evaporation and compression of the working fluid by means of the two partial mass flows occur in parallel.
  • first and the second compressor use a common motor shaft.
  • a common compressor is used for compression, wherein the discharged from the first and second evaporator working fluid is supplied to the common compressor.
  • the compression of the working fluid takes place in one process step, that is, in a common compressor.
  • a common compressor in this case is a compressor in which the partial mass flows of the first and the second evaporator are introduced to compress the working fluid. This results in a efficien ⁇ te and preferred compression of the working fluid within the working circuit of the heat pump system.
  • the being initiated from the first evaporator Ar ⁇ beitsfluid is preferred tet gelei- before inlet to the common compressor to a first check valve and being directed from the second Ver ⁇ steam working fluid prior to supply to the ge ⁇ common compressor to a second non-return valve.
  • a common compressor which is designed as a multi-stage turbocompressor.
  • the working fluid discharged from the first evaporator is supplied to a first compressor stage of the turbocompressor and the working fluid discharged from the second evaporator to a second compressor stage of the turbocompressor.
  • the partial mass flows of the working fluid are thus brought together again via the compressor stages of the turbocompressor to form a mass flow.
  • Characterized the mass flow of working increases beitsfluids within the turbo-compressor of the compressor stage at ⁇ to compressor stage.
  • this makes it possible to dispense with the use of mass flow controllers, since the mass flow can be regulated by means of the compressor stages of the turbocompressor.
  • a regulation of a partial mass flow of the first and / or second evaporator discharged working fluid before Zulei device to the common compressor is provided.
  • the control can be done by means of mass flow controllers.
  • the working fluid discharged from the first and second or the common compressor is directed to the condenser.
  • the liquefaction of the working fluid advantageously takes place within the working cycle of the heat pump system in a common condenser.
  • the working cycle of the heat pump system can be designed such that the working fluid conducted from the first evaporator to the first compressor and the working fluid discharged from the second evaporator to the second compressor are conducted.
  • the working cycle of the heat pump system can be designed to direct the working fluid discharged from the first and second evaporators to the common compressor, in particular a multi-stage turbocompressor being provided for the common compressor.
  • an expansionary ⁇ onsventil and / or at least one mass flow controller for Re gelung the mass flow and / or for the partial mass flows scheme may include at least the heat pump system.
  • FIG. 1 Showing: a schematic diagram of a 9,pumpenanla ⁇ ge with five compressors, five evaporators and five different heat sources, the compressor and the evaporator are connected in parallel with respect to a mass flow of a working fluid of the heat pump system; a schematic diagram of a 9,pumpenanla ⁇ ge with a common compressor, five evaporators and five different heat sources, the evaporators are parallel maral ⁇ tet with respect to a mass flow of a working fluid of the heat pump system;
  • Figure 3 is a further schematic circuit diagram of a heat pump ⁇ system with a turbo compressor, five evaporators and five different heat sources, the evaporator are connected in parallel with respect to a mass flow of the working fluid of the heat pump system; and
  • Figure 4 is a pressure-enthalpy diagram of an embodiment of the method according to the invention. Similar, equivalent or equivalent elements Kings ⁇ NEN be provided in the figures with the same reference numerals.
  • relative terms such as, for example, after a condenser or generally after or in front of an element of a heat pump system, with respect to a directed working To understand the circulation of the heat pump system.
  • the working cycle of the heat pump system has a direction with respect to which a method step can take place after or in front of an element.
  • the heat pump system 1 shows a circuit diagram of a réellepum ⁇ penstrom 1 is shown schematically.
  • the heat pump system 1 comprises five evaporators 31,..., 35 and five compressors 21,..., 25. Furthermore, the heat pump system 1 has five expansion valves 51,..., 55.
  • a condenser 4 is provided for liquefying a working fluid circulating within a directed working cycle 100 of the heat pump system 1.
  • the five compressors 21, ..., 25 are arranged on a common motor shaft 10 ⁇ . In other words, the five compressors
  • the mass flow will be ⁇ divided into five partial mass flows (indicated by reference numeral 102), JE the evaporator 31, ..., 35 exactly one of the five partial mass flows is supplied.
  • Each of the five evaporators 31,..., 35 of the heat pump system 1 is in each case thermally coupled to a heat source 41,..., 45 assigned to it.
  • the first heat source 41,..., 45 assigned to it For example, the first heat source
  • waste heat sources 41 at least partially the waste heat of a flue gas
  • the two ⁇ te heat source 42 at least partially the waste heat of a transformer cooling
  • the third heat source 43 at least partially the waste heat of an engine cooling
  • fourth heat source 44 at least partially the waste heat of a transmission ⁇ cooling.
  • the abovementioned waste heat sources are typically present in power plants, in particular combined cycle power plants.
  • the first heat source 41 having a heat source temperature (temperature of the heat source) of 90 ° C. comes in thermal contact with the first evaporator 31.
  • the first evaporator 31 evaporates under a thermal absorption Energy from the first heat source 41.
  • the second heat source 42 has a heat source temperature of 80 ° C. and is thermally coupled to the second evaporator 32.
  • the third heat source 43 has a heat source temperature of 65 ° C and is thermally coupled to the third evaporator 33.
  • the fourth heat source 44 has a heat source temperature of 55 ° C and is thermally coupled to the fourth evaporator 34.
  • Another fifth heat source 45 is thermally coupled to the fifth evaporator 35.
  • 41 have the heat sources, ..., 45, a different temperature or a Various ⁇ nes temperature level on.
  • the thermal energy of the heat sources 41, ..., 45 is theoretically absorbed by the working fluid only by its evaporation (latent heat).
  • latent heat In real heat pump system 1, an additional slight increase in the temperature of the working fluid, for example by 5 K (Graßtechnik in the heat ⁇ meübertragung) take place.
  • the first heat source 41 After cooling the first heat source 41 by the first evaporator 31, the first heat source 41 has a temperature of 75 ° C.
  • the second heat source 42 After the cooling of the second heat source 42 by the second evaporator 32, the second heat source 42 has a Tempe ⁇ temperature of 65 ° C.
  • Analog comprise the third, fourth and fifth heat source 43, 44, 45 after each of them zugeord ⁇ Neten evaporators 33, 34, 35 each have a reduced tempering temperature on ⁇ .
  • Heat pump system 1 thus takes place in at least five vapor ⁇ flash steps 411, ..., 415, the first evaporation step 411 in the first evaporator 31, an evaporation temperature of 70 ° C, the second evaporation step 412 in the second evaporation ⁇ fer 32 a vaporizing temperature of 60 ° C, the third evaporation step 413 in the third evaporator 33, an evaporation temperature of 50 ° C and the fourth evaporation step 414 in the fourth evaporator 34, an evaporation temperature of 40 ° C having.
  • the power ⁇ number of heat pump system 1 Through the multi-stage evaporation to below ⁇ different union pressure and temperature levels is the power ⁇ number of heat pump system 1, despite the use of various ⁇ tempered heat sources 41, ..., 45, increased.
  • At least one of the expansion valve 51, ..., 55 and at least one of the compressors 21, ..., 25 is arranged in each case within a partial mass flow.
  • the mass flow of the working fluid after the condenser 4 is divided 102 into the five partial mass flows, wherein a first partial mass flow to the first expansion valve 51, a second partial mass flow to the second expansion valve 52, a third partial mass flow to the third
  • Expansion valve 53 a fourth sub-mass flow to the fourth expansion valve 54 and finally a fifth sub-mass flow to the fifth expansion valve 55 is performed.
  • the partial mass flows to each one of the evaporators 31 are, ..., 35 and then passed each one of the five compressor 21, ..., 25 ge ⁇ leads.
  • the partial mass flows again fauxge ⁇ leads to a common mass flow of the working fluid and passed to the condenser 4, whereby the directed working cycle of the working fluid of the heat pump ⁇ system 1 closes.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a heat pump ⁇ plant 1 with five evaporators 21, ..., 25 and 20, a common compressor Further, the heat pump system 1 for liquefaction of the working fluid 4 and thus for discharging the heat to a heat sink 14 a Condenser 4 on.
  • At least part of the thermal energy of the heat sources 41,..., 45 is generated by means of five evaporators 31,..., 35 connected in parallel by the at least partial evaporation of the working fluid within the five evaporators 31,. , 35 transferred to the working fluid.
  • one of the evaporators 31,..., 35 is provided for each heat source 41,..., 45.
  • a common compressor 20 is used for the compression of the working fluid.
  • FIG. 3 shows a particularly preferred embodiment of the present invention, in which a heat pump system 1 ei ⁇ nen common compressor 20 includes, which is designed as a turbo compressor 20.
  • the expansion or expansion of the working fluid is in turn carried out by means of a plurality of expansion valves 51, ..., 55.
  • the distribution 102 of the mass flow of the working fluid into the partial mass flows takes place as already shown in FIG. 1 and / or FIG. 2 and explains the method ⁇ 4.
  • the individual partial mass flows are in each case directed into a compressor stage 201,..., 205 of the multi-stage turbocompressor 20.
  • the line of the partial mass flows to the individual compressor stages 201, ..., 205 after the evaporators 31, ..., 35 and after the check valves 61, ..., 65.
  • a second partial mass flow, starting from the second evaporator 32, is conducted to the second check valve 62 and then to the second compressor stage 202 of the turbo-compressor 20.
  • the individual compressor stages 201,..., 205 of the compressor 20 are arranged on a common motor shaft 10.
  • FIG. 4 shows an exemplary pressure-enthalpy diagram of an embodiment of the method according to the invention.
  • the ordinate 114 indicates the respective prevailing pressure p of the working fluid within the working cycle of the heat pump system 1.
  • the abscissa 116 indicates the specific enthalpy h of the working fluid associated with the pressure p.
  • a phase boundary in the pressure-enthalpy diagram is determined by a boiling line 124 and a dew line 126.
  • the evaporation ⁇ evaporation of the working fluid takes place in the illustrated idealized manner along isotherms 112, wherein the isotherms 112 between the boiling point curve 124, and the dew line 126 approximately parallel to the abscissa 116th
  • the diagram in FIG. 4 shows a plurality of isentropes 110.
  • an isothermal liquefaction 230 of the working fluid initially takes place with a release of thermal energy to a heat sink 14. Thereby, a condition 2 of the working fluid enters into a closed ⁇ stood 3 over. The state is a point of the working fluid in the pressure-enthalpy diagram.
  • the liquefaction 230 takes place at a Ver ⁇ liquid temperature of 130 ° C.
  • a reduction 340 of the pressure for example by means of an expansion or expansion of the working fluid.
  • the state 3 is in this case in a plurality of states 4.
  • the expansion or expansion 340 of the working fluid can, as already explained with reference to FIGS. 1 to 3, take place in parallel.
  • the evaporation of the working fluid takes place in parallel evaporation steps 411,..., 415 by means of a plurality of evaporators 31,..., 35 connected in parallel.
  • the evaporation steps 411,..., 415 take place approximately or ideally isothermally.
  • the states 4 of the working fluid consequently pass via the evaporations 411,..., 415 into a plurality of states 1.
  • more than the five illustrated evaporation steps 411,..., 415 may be provided.
  • a compression 120 that is, a He ⁇ increase the pressure of the working fluid, which returns the states 1 of the working fluid to state 2.
  • the directed working cycle 100 of the working fluid is closed.
  • the compression 120 of the working fluid can again take place by means of parallel compressors 21,..., 25 or by means of a common compressor 20.
  • all working fluids known from the prior art can be used as working fluids of the heat pump system.
  • working fluids containing at least one of the substances 1, 1, 1, 2, 2, 4, 5, 5, 5-nonafluoro-4- (trifluoromethyl) -3-pentanones (trade name Novec TM 649), perfluoromethylbutanone , l-chloro-3,3,3-trifluoro-1-propene, cis
  • a method for a heat pump system in which a heat pump process Rankine ⁇ it is enables by a parallel connection of at least two evaporators, which allows for efficient heat receiving different tempered by a plurality of heat sources by means of a temperature glide.
  • This makes it possible to use a plurality of different heat sources, in particular a plurality of different waste heat sources, as efficiently as possible.
  • the Wär the ⁇ meuzen extracted thermal energy by the heat pump system can be at least partially be prepared for further use by the heat pump system be ⁇ .
  • a power plant according to the invention comprises a heat pump system according to the invention.
  • the thermal energy of a plurality of different waste heat sources of Kraftkraft- kes at least partially recovered and provided ⁇ the.
  • the efficiency of the power plant, in particular a combined cycle power plant improved.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanlage (1) vorgeschlagen, bei dem ein Arbeitsfluid innerhalb eines gerichteten Arbeitskreislaufes (100) der Wärmepumpenanlage (1) zirkuliert, bei dem das Arbeitsfluid mittels eines Verdichters (20,...,25) verdichtet und mittels eines Verflüssigers (4) verflüssigt wird, bei dem ein Massenstrom des Arbeitsfluids vor der Zuleitung zu einem ersten und zweiten Verdampfer (31, 32) aufgeteilt (102) und dem ersten und zweiten Verdampfer (31, 32) parallel zugeführt wird und bei dem das Arbeitsfluid bei einem ersten Verdampfungsdruck (411) im ersten Verdampfer (31) und bei einem gegenüber dem ersten Verdampfungsdruck (411) verringerten zweiten Verdampfungsdruck (412) im zweiten Verdampfer (32) verdampft wird. Erfindungsgemäß wird der erste Verdampfer (31) thermisch mit einer ersten Wärmequelle (41) mit einer ersten Wärmequellentemperatur und der zweite Verdampfer (32) thermisch mit einer zweiten Wärmequelle (42), die eine gegenüber der ersten Wärmequellentemperatur geringere zweite Wärmequellentemperatur aufweist, gekoppelt.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanlage, Wärmepumpenanlage und Kraftwerk mit einer Wärmepumpenanlage
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanlage, eine Wärmepumpenanlage mit wenigstens zwei Ver¬ dampfern sowie ein Kraftwerk, insbesondere eines Gas-und- Dampf-Kombikraftwerk (abgekürzt: GuD-Kraftwerk) mit einer er- findungsgemäßen Wärmepumpenanlage.
In Wärmepumpen wird durch die Verdampfung eines Arbeitsfluid- s, welches Arbeitsfluid innerhalb der Wärmepumpe in einem ge¬ richteten Arbeitskreislauf zirkuliert, durch die Verdampfung des Arbeitsfluids , thermische Energie, das heißt Wärme, von einer Wärmequelle aufgenommen und an eine Wärmesenke abgege¬ ben. Hierbei wird die aufgenommene thermische Energie mittels eines Verdichters auf ein erhöhtes Druckniveau gebracht und anschließend bei einer im Vergleich zu einer Verdampfungstem- peratur erhöhten Verflüssigungstemperatur verflüssigt. Je größer die betragsmäßige Differenz (Temperaturhub) zwischen der Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur des Arbeits- fluids, desto niedriger ist die Effizienz der Wärmepumpe. Die Effizienz einer Wärmepumpe wird mittels einer Leistungszahl (eng. Coefficient of Performance; COP) gemessen, wobei die Leistungszahl bestenfalls durch den reziproken Wirkungsgrad eines Carnot-Prozesses gegeben ist.
Liegt beispielsweise eine Verdampfungstemperatur von 40 °C sowie ein Temperaturhub von 100 K vor, so beträgt die Leis¬ tungszahl 4,13. Hierbei erfolgt die Verflüssigung des Ar- beitsfluids bei einer Verflüssigungstemperatur von 140 °C.
Um folglich eine hohe Effizienz der Wärmepumpe zu erreichen, sollte die Verdampfungstemperatur, das heißt die Temperatur, bei der die Verdampfung des Arbeitsfluids erfolgt, möglichst hoch sein. Ferner ist es von Vorteil, wenn die Übertragung der thermischen Energie von der Wärmequelle auf das Arbeits- fluid bei einer möglichst geringen Differenz zwischen der Temperatur der Wärmequelle und der Verdampfungstemperatur erfolgt . Insbesondere können mittels einer bekannten Wärmepumpe oder einer bekannten Wärmepumpenanlage eine Mehrzahl von verschie¬ den temperierten Wärmequellen typischerweise nicht effizient bezüglich ihres Wärmeinhaltes genutzt werden. Der größte Teil der Wärme solcher Wärmequellen bleibt daher nach dem Stand der Technik ungenutzt.
Ein Grund für die genannte ungenügende thermische Nutzung von verschieden temperierten Wärmequellen ist, dass nach dem Stand der Technik verwendete Wärmepumpen keinen Temperatur- gleit bei der Wärmeaufnahme von den Wärmequellen (Wärmequel¬ lenseite) aufweisen. Das heißt, dass die Verdampfung des Ar- beitsfluids der Wärmepumpe typischerweise isotherm und somit ohne signifikante Änderung der Verdampfungstemperatur erfolgt .
Aus der DE 10 2014 213 542 AI ist ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des vorliegenden Patentanspruches 1 bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wärmegewinnung oder Wärmerückgewinnung aus einer Mehrzahl verschiedener Wärmequellen zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1, durch eine Wärmepumpenanlage mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 13 sowie durch ein Kraftwerk mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 19 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanlage zirkuliert ein Arbeitsfluid innerhalb eines ge¬ richteten Arbeitskreislaufes der Wärmepumpenanlage. Das Ar- beitsfluid wird mittels eines Verdichters verdichtet und mit¬ tels eines Verflüssigers verflüssigt. Erfindungsgemäß wird ein Massenstrom des Arbeitsfluids vor der Zuleitung zu wenigstens einem ersten und zweiten Verdampfer aufgeteilt und wenigstens dem ersten und zweiten Verdampfer parallel zuge¬ führt, wobei das Arbeitsfluid bei einem ersten Verdampfungs¬ druck im ersten Verdampfer und bei einem gegenüber dem ersten Verdampfungsdruck verringerten zweiten Verdampfungsdruck im zweiten Verdampfer verdampft.
Weiterhin wird erfindungsgemäß der erste Verdampfer thermisch mit einer ersten Wärmequelle mit einer ersten Wärmequellentemperatur und der zweite Verdampfer thermisch mit einer zweiten Wärmequelle, die eine gegenüber der ersten Wärmequel- lentemperatur geringere zweite Wärmequellentemperatur aufweist, gekoppelt.
Mit anderen Worten wird der Massenstrom des Arbeitsfluids vor der Zuleitung zum ersten und zweiten Verdampfer wenigstens in einen ersten und zweiten Teilmassenstrom aufgeteilt, wobei der erste Teilmassenstrom zum ersten und der zweite Teilmassenstrom zum zweiten Verdampfer geleitet.
Erfindungsgemäß erfolgt die Verdampfung des Arbeitsfluids in zwei parallelen Verfahrensschritten, das heißt die Verdampfung des Arbeitsfluids erfolgt in zwei bezüglich des Massen¬ stromes des Arbeitsfluids parallel geschalteten Verdampfern. Hierbei weist erfindungsgemäß der erste Verdampfer einen ge¬ genüber dem zweiten Verdampfer vergrößerten Verdampfungsdruck auf. Aufgrund des gegenüber dem ersten Verdampfungsdruck verringerten zweiten Verdampfungsdruckes erfolgt die Verdampfung des Arbeitsfluids mittels des zweiten Verdampfers bei einer zweiten Verdampfungstemperatur, die gegenüber einer ersten Verdampfungstemperatur im ersten Verdampfer verringert ist.
Wird die erste Wärmequelle zum ersten Verdampfer geführt, das heißt mit diesem thermisch gekoppelt, und die zweite Wärme¬ quelle zum zweiten Verdampfer geführt, das heißt mit diesem thermisch gekoppelt, so wird die thermische Energie der Wär¬ mequellen kaskadenartig verwendet. Die Wärmequellen werden folglich in Reihe mit den Verdampfern thermisch gekoppelt, wobei die Temperatur der Wärmequellen (Wärmequellentempera- tur) sich in Reihe der Verdampfer verringert. Es kann somit die jeweilige Verdampfungstemperatur, das heißt die Tempera¬ tur bei der die Verdampfung des Arbeitsfluids im ersten und/oder zweiten Verdampfer erfolgt, an die Wärmequellentemperatur der mit dem jeweiligen Verdampfer thermisch gekoppel- ten Wärmequelle angepasst werden.
Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß jeder Verdampfer mit einer verschiedenen Wärmequelle thermisch gekoppelt. Die Verdampfer sind hierbei bezüglich des Arbeitskreislaufes paral- lel geschaltet. Dadurch erfolgt eine mehrstufige, wenigstens zweistufige Verdampfung des Arbeitsfluids auf unterschiedli¬ chen Druckniveaus .
Durch die erfindungsgemäße mehrstufige, wenigstens zweistufi- ge Verdampfung, wird folglich ein Temperaturgleit auf der
Wärmequellenseite der Wärmepumpenanlage ermöglicht. Dadurch kann eine Mehrzahl von verschieden temperierten Wärmequellen (erste und zweite Wärmequelle) effizient mit der Wärmepumpen¬ anlage thermisch genutzt werden, ohne die Effizienz der Wär- mepumpenanlage zu verringern. Mit anderen Worten wird es mit der vorliegenden Erfindung möglich eine Mehrzahl von Wärmequellen auf verschiedenen Temperaturniveaus effizient einzu¬ binden . Die erfindungsgemäße Wärmepumpenanlage umfasst wenigstens ei¬ nen Verdichter, einen Verflüssiger und wenigstens einen ersten und zweiten Verdampfer, wobei die Wärmepumpenanlage einen gerichteten Arbeitskreislauf für ein zirkulierendes Arbeits- fluid aufweist. Erfindungsgemäß ist der Arbeitskreislauf der Wärmepumpenanlage dazu ausgelegt, einen Massenstrom des Ar- beitsfluids vor einer Zuleitung des Arbeitsfluids zum ersten und zweiten Verdampfer aufzuteilen und parallel dem ersten und zweiten Verdampfer zuzuführen, wobei der erste Verdampfer einen ersten Verdampfungsdruck und der zweite Verdampfer einen gegenüber dem ersten Verdampfungsdruck geringeren zweiten Verdampfungsdruck aufweist.
Weiterhin umfasst die Wärmepumpenanlage erfindungsgemäß we¬ nigstens eine erste und zweite Wärmequelle, wobei die erste Wärmequelle eine erste Wärmequellentemperatur und die zweite Wärmequelle eine gegenüber der ersten Wärmequellentemperatur geringere zweite Wärmequellentemperatur aufweist, und die erste Wärmequelle thermisch mit dem ersten Verdampfer und die zweite Wärmequelle thermisch mit dem zweiten Verdampfer gekoppelt ist.
Mittels der erfindungsgemäßen Wärmepumpenanlage wird ein Ran kine-Wärmepumpenprozess ermöglicht, welcher einen Temperatur gleit auf der Wärmequellenseite aufweist. Ferner können Wär¬ mequellen auf verschiedenen Temperaturniveaus effizient in einen Wärmepumpenkreislauf eingebunden werden. Es ergeben sich zum bereits genannten erfindungsgemäßen Verfahren gleichartige und gleichwertige Vorteile.
Das erfindungsgemäße Kraftwerk umfasst eine Wärmepumpenanlage gemäß der vorliegenden Erfindung. Es ergeben sich zum erfindungsgemäßen Verfahren und zur erfindungsgemäßen Wärmepumpenanlage gleichartige und gleichwer¬ tige Vorteile.
Bevorzugt sind die Wärmequellen als verschieden temperierte Abwärmequellen des Kraftwerkes ausgebildet sind.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als erste und zweite Wärmequelle jeweils eine verschiedene Abwärme eines Kraftwerkes, insbesondere eines Gas-und-Dampf- Kombikraftwerks (GuD-Kraftwerk) , verwendet.
Dadurch kann vorteilhafterweise mehr Abwärme des Kraftwerkes, welche beispielsweise durch den Betrieb des Kraftwerkes an- fällt, rückgewonnen werden. Weiterhin können vorteilhafterweise Kühlvorrichtung eingespart werden, sodass sich niedrigere Investitionskosten ergeben. Dies ist insbesondere für ein Gas-und-Dampf-Kombinationskraftwerk von Vorteil, da die- ses typischerweise eine Mehrzahl von verschiedenen Abwärme- quellen aufweist.
Hierbei ist es besonders bevorzugt, wenn als erste Wärmequel¬ le eine Abwärme eines Rauchgases und als zweite Wärmequelle eine Abwärme einer Transformatorkühlung verwendet wird.
Das ist deshalb der Fall, da die genannten Wärmequellen typi¬ scherweise eine in Bezug auf weitere Abwärmequellen hohe Tem¬ peratur aufweisen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird wenigstens für eine der Wärmequellen eine Abwärme eines Rauch¬ gases, einer Transformatorkühlung, einer Getriebekühlung, einer Motorkühlung, einer Kondensatorkühlung einer Einhausung eines Abhitzedampferzeugers, einer Gasturbinen-Schallhaube, einer Generatorkühlung und/oder einer Schmiermediumversorgung verwendet .
Vorteilhafterweise kann dadurch eine Vielzahl von Abwärme- quellen eines Kraftwerkes zur Rückgewinnung thermischer Energie verwendet werden. Dadurch wird die Effizienz des Kraft¬ werkes erhöht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Arbeitsfluid vor der Zuleitung zum ersten Verdampfer einem ersten Expansionsventil und vor der Zuleitung zum zweiten Verdampfer einem zweiten Expansionsventil parallel zuge¬ führt . Mit anderen Worten findet eine Entspannung beziehungsweise eine Expansion des Arbeitsfluids mittels des ersten und zwei¬ ten Expansionsventils bevorzugt parallel statt. Hierzu wird der Massenstrom des Arbeitsfluids vor dem ersten und zweiten Verdampfer und vor dem ersten und zweiten Expansionsventil in einen ersten und zweiten Teilmassenstrom aufgeteilt, wobei der erste Teilmassenstrom zum ersten und der zweite Teilmassenstrom zum zweiten Expansionsventil geleitet wird. Mittels des ersten und zweiten Expansionsventils wird das Arbeits- fluid auf den ersten und zweiten Verdampfungsdruck gebracht. Mit anderen Worten wird mittels des ersten Expansionsventils der erste Verdampfungsdruck im ersten Verdampfer und mittels des zweiten Expansionsventils der zweite Verdampfungsdruck im zweiten Verdampfer eingestellt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird zum Verdichten des Arbeitsfluids ein erster und ein zweiter Verdichter verwendet, wobei das aus dem ersten Verdampfer ausge- leitete Arbeitsfluid dem ersten Verdichter und das aus dem zweiten Verdampfer ausgeleitete Arbeitsfluid dem zweiten Verdichter zugeführt wird.
Mit anderen Worten erfolgt die Verdichtung des Arbeitsfluids , wie bereits die Verdampfung des Arbeitsfluids , bevorzugt pa¬ rallel. Der Massenstrom des Arbeitsfluids wird aufgeteilt, zu einem ersten und zweiten Expansionsventils geleitet, an¬ schließend einem ersten und zweiten Verdampfer zugeführt und nach dem ersten und zweiten Verdampfer in den jeweiligen Ein- gang des ersten und zweiten Verdichters eingeleitet. Folglich erfolgen die Expansion, die Verdampfung und die Verdichtung des Arbeitsfluids mittels der zwei Teilmassenströme parallel.
Es ist besonders bevorzugt für den ersten und den zweiten Verdichter eine gemeinsame Motorwelle zu verwenden.
Dadurch wird die Effizienz der Verdichtung gesteigert.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird zur Verdichtung ein gemeinsamer Verdichter verwendet, wobei das aus dem ersten und zweiten Verdampfer ausgeleitete Arbeitsfluid dem gemeinsamen Verdichter zugeführt wird. Mit anderen Worten erfolgt die Verdichtung des Arbeitsfluids in einem Verfahrensschritt, das heißt in einem gemeinsamen Verdichter. Als gemeinsamer Verdichter wird hierbei ein Verdichter bezeichnet, in welchem die Teilmassenströme des ers- ten und des zweiten Verdampfers zur Verdichtung des Arbeits- fluids eingeleitet werden. Dadurch ergibt sich eine effizien¬ te und bevorzugte Verdichtung des Arbeitsfluids innerhalb des Arbeitskreislaufes der Wärmepumpenanlage. Bevorzugt wird das aus dem ersten Verdampfer ausgeleitete Ar¬ beitsfluid vor der Zuleitung zum gemeinsamen Verdichter zu einem ersten Rückschlagventil und das aus dem zweiten Ver¬ dampfer ausgeleitete Arbeitsfluid vor der Zuleitung zum ge¬ meinsamen Verdichter zu einem zweiten Rückschlagventil gelei- tet.
Dadurch wird vorteilhafterweise sichergestellt, dass die ver¬ schiedenen Druckniveaus im ersten und zweiten Verdampfer nicht zu einem (Druck-) Rückschlag führen.
Besonders bevorzugt ist ein gemeinsamer Verdichter, der als mehrstufiger Turboverdichter ausgebildet ist. Hierbei wird das aus dem ersten Verdampfer ausgeleitete Arbeitsfluid einer ersten Verdichterstufe des Turboverdichters und das aus dem zweiten Verdampfer ausgeleitete Arbeitsfluid einer zweiten Verdichterstufe des Turboverdichters zugeführt.
Die Teilmassenströme des Arbeitsfluids werden somit über die Verdichterstufen des Turboverdichters wieder zu einem Massen- ström zusammengeführt. Dadurch steigt der Massenstrom des Ar- beitsfluids innerhalb des Turboverdichters von Verdichter¬ stufe zu Verdichterstufe an. Vorteilhafterweise kann dadurch auf eine Verwendung von Massenstromreglern verzichtet werden, da die Regelung des Massenstromes mittels der Verdichterstu- fen des Turboverdichters erfolgen kann.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine Regelung eines Teilmassenstromes des vom ersten und/oder zweiten Verdampfer ausgeleiteten Arbeitsfluids vor der Zulei tung zum gemeinsamen Verdichter.
Dadurch wird insbesondere bei Verwendung eines gemeinsamen Verdichters sichergestellt, dass das Arbeitsfluid aus dem ersten und zweiten Verdampfer abgesaugt und dem gemeinsamen Verdichter zugeführt wird. Die Regelung kann mittels Massen- stromreglern erfolgen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das aus dem ersten und zweiten oder dem gemeinsamen Verdich- ter ausgeleitete Arbeitsfluid zum Verflüssiger geleitet.
Mit anderen Worten erfolgt die Verflüssigung des Arbeits- fluids vorteilhafterweise innerhalb des Arbeitskreislaufes der Wärmepumpenanlage in einem gemeinsamen Verflüssiger.
Generell kann der Arbeitskreislauf der Wärmepumpenanlage der art ausgebildet sein, dass das aus dem ersten Verdampfer aus geleitete Arbeitsfluid zum ersten Verdichter und das aus dem zweiten Verdampfer ausgeleitete Arbeitsfluid zum zweiten Ver dichter geleitet wird. Ferner kann der Arbeitskreislauf der Wärmepumpenanlage dazu ausgebildet sein, dass aus dem ersten und zweiten Verdampfer ausgeleitete Arbeitsfluid zum gemein¬ samen Verdichter zu leiten, wobei insbesondere für den gemeinsamen Verdichter ein mehrstufiger Turboverdichter vorgesehen ist.
Weiterhin kann die Wärmepumpenanlage wenigstens ein Expansi¬ onsventil und/oder wenigstens einen Massenstromregler zur Re gelung des Massenstromes und/oder zur Regelung der Teilmassenströme umfassen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er geben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbei spielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen: ein schematisches Schaltbild einer Wärmepumpenanla¬ ge mit fünf Verdichtern, fünf Verdampfern und fünf verschiedenen Wärmequellen, wobei die Verdichter und die Verdampfer bezüglich eines Massenstromes eines Arbeitsfluids der Wärmepumpenanlage parallel geschaltet sind; ein schematisches Schaltbild einer Wärmepumpenanla¬ ge mit einem gemeinsamen Verdichter, fünf Verdampfern und fünf verschiedenen Wärmequellen, wobei die Verdampfer bezüglich eines Massenstromes eines Ar- beitsfluids der Wärmepumpenanlage parallel geschal¬ tet sind; Figur 3 ein weiteres schematisches Schaltbild einer Wärme¬ pumpenanlage mit einem Turboverdichter, fünf Verdampfern und fünf verschiedenen Wärmequellen, wobei die Verdampfer bezüglich eines Massenstromes des Arbeitsfluids der Wärmepumpenanlage parallel ge- schaltet sind; und
Figur 4 ein Druck-Enthalpie-Diagramm einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Gleichartige, gleichwertige oder gleichwirkende Elemente kön¬ nen in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sein.
Alle im Folgenden angegebenen Zahlenwerte und/oder Temperaturwerte sind exemplarisch und schränken den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht ein. Weiterhin ist die explizit verwendete Anzahl von Verdampfern, Verdichtern, Expansionsventilen, Rückschlagventil, Wärmequellen und/oder weiteren Elementen exemplarisch und schränkt den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht ein.
Generell sind relative Begriffe, wie beispielsweise nach einem Verflüssiger oder allgemein nach oder vor einem Element einer Wärmepumpenanlage, bezüglich eines gerichteten Arbeits- kreislaufes der Wärmepumpenanlage zu verstehen. Mit anderen Worten weist der Arbeitskreislauf der Wärmepumpenanlage eine Richtung auf, bezüglich welcher ein Verfahrensschritt nach oder vor einem Element erfolgen kann.
In Figur 1 ist schematisiert ein Schaltbild einer Wärmepum¬ penanlage 1 dargestellt. Die Wärmepumpenanlage 1 umfasst fünf Verdampfer 31,..., 35 und fünf Verdichter 21,..., 25. Ferner weist die Wärmepumpenanlage 1 fünf Expansionsventile 51, ...,55 auf. Zur Verflüssigung eines innerhalb eines gerichteten Arbeits¬ kreislaufes 100 der Wärmepumpenanlage 1 zirkulierenden Ar- beitsfluids ist ein Verflüssiger 4 vorgesehen. Die fünf Verdichter 21,..., 25 sind auf einer gemeinsamen Motorwelle 10 an¬ geordnet. Mit anderen Worten werden die fünf Verdichter
21, ..., 25 mittels eines Motors betrieben.
Vor der Zuleitung des Arbeitsfluids zu den fünf Verdampfern 31,..., 35 wird der Massenstrom in fünf Teilmassenströme aufge¬ teilt (gekennzeichnet durch das Bezugszeichen 102), wobei je- dem Verdampfer 31,..., 35 genau einer der fünf Teilmassenströme zugeführt wird.
Jeder der fünf Verdampfer 31,..., 35 der Wärmepumpenanlage 1 ist jeweils thermisch mit einer ihm zugeordneten Wärmequelle 41, ..., 45 gekoppelt. Beispielsweise ist die erste Wärmequelle
41 wenigstens teilweise die Abwärme eines Rauchgas, die zwei¬ te Wärmequelle 42 wenigstens teilweise die Abwärme einer Transformatorkühlung, die dritte Wärmequelle 43 wenigstens teilweise die Abwärme einer Motorkühlung und die vierte Wär- mequelle 44 wenigstens teilweise die Abwärme einer Getriebe¬ kühlung. Die genannten Abwärmequellen sind typischerweise in Kraftwerken, insbesondere GuD-Kraftwerken, vorhanden.
Hierbei tritt beispielsweise die erste Wärmequelle 41 mit einer Wärmequellentemperatur (Temperatur der Wärmequelle) von 90 °C mit dem ersten Verdampfer 31 in thermischen Kontakt. Hierbei verdampft wenigstens ein Teil des Arbeitsfluids im ersten Verdampfer 31 unter einer Aufnahme von thermischer Energie aus der ersten Wärmequelle 41. Durch diese Abgabe thermischer Energie auf das Arbeitsfluid verringert sich die Temperatur der ersten Wärmequelle 41, beispielsweise auf 75 °C. Die zweite Wärmequelle 42 weist eine Wärmequellentem- peratur von 80 °C auf und ist thermisch mit dem zweiten Verdampfer 32 gekoppelt. Die dritte Wärmequelle 43 weist eine Wärmequellentemperatur von 65 °C auf und ist thermisch mit dem dritten Verdampfer 33 gekoppelt. Die vierte Wärmequelle 44 weist eine Wärmequellentemperatur von 55 °C auf und ist thermisch mit dem vierten Verdampfer 34 gekoppelt. Eine weitere fünfte Wärmequelle 45 ist mit dem fünften Verdampfer 35 thermisch gekoppelt. Somit weisen die Wärmequellen 41,..., 45 eine verschiedene Temperatur beziehungsweise ein verschiede¬ nes Temperaturniveau auf.
Die thermische Energie der Wärmequellen 41,..., 45 wird durch das Arbeitsfluid theoretisch ausschließlich durch seine Verdampfung aufgenommen (latente Wärme) . Bei realer Wärmepumpenanlage 1 kann eine zusätzliche leichte Temperaturerhöhung des Arbeitsfluids , beispielsweise um 5 K (Grädigkeit bei der Wär¬ meübertragung) erfolgen.
Nach der Abkühlung der ersten Wärmequelle 41 durch den ersten Verdampfer 31 weist die erste Wärmequelle 41 eine Temperatur von 75 °C auf.
Nach der Abkühlung der zweiten Wärmequelle 42 durch den zweiten Verdampfer 32 weist die zweite Wärmequelle 42 eine Tempe¬ ratur von 65 °C auf. Analog weisen die dritte, vierte und fünfte Wärmequelle 43, 44, 45 nach dem ihnen jeweils zugeord¬ neten Verdampfern 33, 34, 35 jeweils eine verringerte Tempe¬ ratur auf.
Die Verdampfung des Arbeitsfluids und somit die Wärmeübertra- gung von den Wärmequellen 41,..., 45 auf das Arbeitsfluid der
Wärmepumpenanlage 1 erfolgt somit in wenigstens fünf Verdamp¬ fungsschritten 411,..., 415, wobei der erste Verdampfungsschritt 411 im ersten Verdampfer 31 eine Verdampfungstemperatur von 70 °C, der zweite Verdampfungsschritt 412 im zweiten Verdamp¬ fer 32 eine Verdampfungstemperatur von 60 °C, der dritte Verdampfungsschritt 413 im dritten Verdampfer 33 eine Verdampfungstemperatur von 50 °C und der vierte Verdampfungsschritt 414 im vierten Verdampfer 34 eine Verdampfungstemperatur von 40 °C aufweist. Durch die mehrstufige Verdampfung auf unter¬ schiedlichen Druck- und Temperaturniveaus wird die Leistungs¬ zahl der Wärmepumpenanlage 1, trotz der Verwendung verschie¬ den temperierter Wärmequellen 41,..., 45, gesteigert.
Zur Entspannung beziehungsweise Expansion des Arbeitsfluids ist jeweils innerhalb eines Teilmassenstromes wenigstens eines der Expansionsventil 51,..., 55 und wenigstens einer der Verdichter 21,..., 25 angeordnet.
Mit anderen Worten wird der Massenstrom des Arbeitsfluids nach dem Verflüssiger 4 in die fünf Teilmassenströme aufgeteilt 102, wobei ein erster Teilmassenstrom zum ersten Expansionsventil 51, ein zweiter Teilmassenstrom zum zweiten Ex- pansionsventil 52, ein dritter Teilmassenstrom zum dritten
Expansionsventil 53, ein vierter Teilmassenstrom zum vierten Expansionsventil 54 und schließlich ein fünfter Teilmassenstrom zum fünften Expansionsventil 55 geführt wird. Nach den Expansionsventilen 51,..., 55 werden die Teilmassenströme jeweils zu einem der Verdampfer 31,..., 35 geleitet und anschließend jeweils zu einem der fünf Verdichter 21,..., 25 ge¬ führt. Nach der Verdichtung des Arbeitsfluids mittels der Verdichter 21,..., 25 werden die Teilmassenströme wieder zu einem gemeinsamen Massenstrom des Arbeitsfluids zusammenge¬ führt und zum Verflüssiger 4 geleitet, wodurch sich der gerichtete Arbeitskreislauf des Arbeitsfluids der Wärmepumpen¬ anlage 1 schließt. Mittels des Verflüssigers 4 wird die vom Arbeitsfluid von den Wärmequellen 41,..., 45 aufgenommene ther- mische Energie an eine mit dem Verflüssiger 4 thermisch gekoppelte Wärmesenke 14 abgegeben beziehungsweise für eine weitere Verwendung bereitgestellt. Mit anderen Worten kann die Wärmesenke 14 als Wärmeverbraucher ausgebildet sein. Figur 2 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Wärmepumpen¬ anlage 1 mit fünf Verdampfern 21,..., 25 und einem gemeinsamen Verdichter 20. Ferner weist die Wärmepumpenanlage 1 zur Ver- flüssigung des Arbeitsfluids 4 und somit zur Abgabe der Wärme an eine Wärmesenke 14 einen Verflüssiger 4 auf.
Wie bereits unter Figur 1 beschrieben wird wenigstens ein Teil der thermische Energie der Wärmequellen 41,..., 45 mittels fünf parallel geschalteten Verdampfern 31,..., 35 durch die wenigstens teilweise Verdampfung des Arbeitsfluids innerhalb der fünf Verdampfer 31, ...,35 auf das Arbeitsfluid übertragen. Für jede Wärmequelle 41,..., 45 ist einer der Verdampfer 31,..., 35 vorgesehen .
Im Gegensatz zu Figur 1 wird in dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ein gemeinsamer Verdichter 20 zur Verdichtung des Arbeitsfluids verwendet. Hierbei werden die von den fünf Verdampfern 31,..., 35 ausgehenden Teilmassenströme des Arbeitsfluids zum gemeinsamen Verdichter 20 geleitet oder be¬ reits vor dem gemeinsamen Verdichter 20 wieder zu einem gemeinsamen Massenstrom des Arbeitsfluids zusammengeführt, wel¬ cher zum gemeinsamen Verdichter 20 geleitet wird. Zur Vermeidung von (Druck-) Rückschlägen, aufgrund von unterschiedlichen Druckniveaus in den einzelnen Verdampfern
31, ...,35, durchströmen die einzelnen Teilmassenströme jeweils ein Rückschlagventil 61,..., 65. Ferner ist eine Regelung der Teilmassenströme mittels wenigstens vier Massenstromreglern 71,..., 74 zweckmäßig. Hierbei gewährleisten die Massenstromreg- ler 71, ...,74, dass das Arbeitsfluid aus jedem der fünf Verdampfer 31,..., 35 abgesaugt und zum gemeinsamen Verdichter 20 geleitet wird. Figur 3 zeigt eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, bei der eine Wärmepumpenanlage 1 ei¬ nen gemeinsamen Verdichter 20 umfasst, welcher als Turboverdichter 20 ausgebildet ist. Wie bereits unter Figur 1 und/oder Figur 2 beschrieben, erfolgt die Verdampfung des innerhalb der Wärmepumpenanlage 1 zirkulierenden Arbeitsfluids in mehreren parallelen Verdamp- fungsschritten 411,..., 415, wobei die einzelnen Verdampfungs¬ schritte 411, ...,415 jeweils mittels eines Verdampfers 31, ...,35 erfolgen. Die einzelnen Verdampfer 31, ...,35 sind folglich wie bereits in Figur 1 und/oder Figur 2 dargestellt, bezüglich des Massenstromes des Arbeitsfluids parallel geschaltet. Zur Vermeidung von (Druck-) Rückschlägen sind wiederum innerhalb der einzelnen Teilmassenströme Rückschlagventil 61, ...,65 vor¬ gesehen. Die Entspannung oder Expansion des Arbeitsfluids erfolgt wiederum mittels einer Mehrzahl von Expansionsventilen 51,..., 55. Die Aufteilung 102 des Massenstromes des Arbeits- fluids in die Teilmassenströme erfolgt wie bereits in Figur 1 und/oder Figur 2 dargestellt und erläutert nach dem Verflüs¬ siger 4.
Die einzelnen Teilmassenströme werden jeweils in eine Ver- dichterstufe 201,..., 205 des mehrstufigen Turboverdichters 20 geleitet. Hierbei erfolgt die Leitung der Teilmassenströme zu den einzelnen Verdichterstufen 201,..., 205 nach den Verdampfern 31, ...,35 und nach den Rückschlagventilen 61,..., 65. Beispiels¬ weise wird ein vom ersten Verdampfer 31 ausgehender erster Teilmassenstrom zum ersten Rückschlagventil 61 und anschlie¬ ßend zur ersten Verdichterstufe 201 des Turboverdichters 20 geführt. Ein zweiter Teilmassenstrom, ausgehend vom zweiten Verdampfer 32, wird zum zweiten Rückschlagventil 62 und anschließend zur zweiten Verdichterstufe 202 des Turboverdich- ters 20 geleitet. Hierbei sind die einzelnen Verdichterstufen 201,..., 205 des Verdichters 20 auf einer gemeinsamen Motorwelle 10 angeordnet.
In Figur 4 ist ein exemplarisches Druck-Enthalpie-Diagramm einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens darge stellt . Hierbei zeigt die Ordinate 114 den jeweiligen vorherrschenden Druck p des Arbeitsfluids innerhalb des Arbeitskreislaufes der Wärmepumpenanlage 1 an. An der Abszisse 116 ist die zum Druck p zugehörige spezifische Enthalpie h des Arbeitsfluids angetragen.
Eine Phasengrenze im Druck-Enthalpie-Diagramm ist durch eine Siedelinie 124 und eine Taulinie 126 bestimmt. Die Verdamp¬ fung des Arbeitsfluids erfolgt in der dargestellten ideali- sierten Weise entlang von Isothermen 112, wobei die Isothermen 112 zwischen der Siedelinie 124 und der Taulinie 126 annähernd parallel zur Abszisse 116 verlaufen. Ferner zeigt das Diagramm in Figur 4 eine Mehrzahl von Isentropen 110. Ausgehend vom Verflüssiger 4 der Wärmepumpenanlage 1 erfolgt zunächst eine isotherme Verflüssigung 230 des Arbeitsfluids unter einer Abgabe von thermischer Energie an eine Wärmesenke 14. Dadurch geht ein Zustand 2 des Arbeitsfluids in einen Zu¬ stand 3 über. Als Zustand wird ein Punkt des Arbeitsfluids im Druck-Enthalpie-Diagramm bezeichnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Verflüssigung 230 bei einer Ver¬ flüssigungstemperatur von 130 °C.
Daran anschließend erfolgt eine Verminderung 340 des Druckes (Entspannung 340), beispielsweise mittels einer Expansion oder Entspannung des Arbeitsfluids . Der Zustand 3 geht dabei in eine Mehrzahl von Zuständen 4 über. Die Expansion oder Entspannung 340 des Arbeitsfluids kann, wie bereits zu den Figuren 1 bis 3 erläutert, parallel erfolgen.
Die Verdampfung des Arbeitsfluids erfolgt in parallelen Verdampfungsschritten 411,..., 415 mittels einer Mehrzahl von parallel verschalteten Verdampfern 31,..., 35. Hierbei erfolgen die Verdampfungsschritte 411,..., 415 annähernd beziehungsweise idealerweise isotherm. Die Zustände 4 des Arbeitsfluids gehen folglich über die Verdampfungen 411,..., 415 in eine Mehrzahl von Zuständen 1 über. Weiterhin können mehr als die fünf dargestellten Verdampfungsschritte 411, ...,415 vorgesehen sein. Anschließend erfolgt eine Verdichtung 120, das heißt eine Er¬ höhung des Druckes des Arbeitsfluids , die die Zustände 1 des Arbeitsfluids zum Zustand 2 zurückführt. Dadurch wird der ge- richtete Arbeitskreislauf 100 des Arbeitsfluids geschlossen. Die Verdichtung 120 des Arbeitsfluids kann wiederum mittels paralleler Verdichter 21,..., 25 oder mittels eines gemeinsamen Verdichters 20 erfolgen. Als Arbeitsfluide der Wärmepumpenanlage können insbesondere alle nach dem Stand der Technik bekannten Arbeitsfluide verwendet werden. Weiterhin sind Arbeitsfluide, die wenigstens einen der Stoffe 1, 1, 1, 2, 2, 4, 5, 5, 5-Nonafluoro-4- (Trifluoro- methyl ) -3-Pentanone (Handelsname Novec™ 649), Perfluor- methylbutanon, l-Chloro-3, 3, 3-trifluoro-l-propene, Cis-
1, 1, 1, 4, 4, 4-hexafluoro-2-butene und/oder Cyclopentan umfas¬ sen, von Vorteil. Insbesondere Arbeitsfluide, die wenigstens ein Fluorketon umfassen, sind vorteilhaft. Ein Vorteil der genannten Arbeitsfluide ist die technische
Handhabbarkeit. Sie zeichnen sich durch eine gute Umweltverträglichkeit sowie durch ihre Sicherheitseigenschaften, wie beispielsweise keine Brennbarkeit oder ein sehr geringes Treibhauspotential aus. Allgemein sind die Stoffe Perfluor- methylbutanon der Stoffgruppe der Fluorketone zuzuordnen, während Cyclopentan der Stoffgruppe der Cycloalkane zuzuord¬ nen ist.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren für eine Wärmepumpenanlage vorgeschlagen, bei dem durch eine Parallelschaltung von wenigstens zwei Verdampfern ein Rankine-Wärmepumpenprozess er¬ möglicht wird, der eine effiziente Wärmeaufnahme von einer Mehrzahl verschieden temperierter Wärmequellen mittels eines Temperaturgleits ermöglicht. Dadurch wird es möglich eine Mehrzahl von unterschiedlichen Wärmequellen, insbesondere eine Mehrzahl von unterschiedlichen Abwärmequellen, möglichst effizient zu nutzen. Die durch die Wärmepumpenanlage den Wär¬ mequellen entzogenen thermische Energie kann wenigstens teil- weise zur weiteren Verwendung durch die Wärmepumpenanlage be¬ reitgestellt werden.
Weiterhin wird eine erfindungsgemäße Wärmepumpenanlage vorge- schlagen, die die Ausführung oder Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht. Ein erfindungsgemäßes Kraftwerk umfasst eine erfindungsgemäße Wärmepumpenanlage. Mittels der Wärmepumpenanlage kann die thermische Energie einer Mehrzahl von verschiedenen Abwärmequellen des Kraftwer- kes wenigstens teilweise rückgewonnen und bereitgestellt wer¬ den. Dadurch wird die Effizienz des Kraftwerkes, insbesondere eines GuD-Kraftwerkes , verbessert.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausfüh- rungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanlage (1), bei dem ein Arbeitsfluid innerhalb eines gerichteten Arbeitskreislau- fes (100) der Wärmepumpenanlage (1) zirkuliert, bei dem das Arbeitsfluid mittels eines Verdichters (20, ..., 25) verdichtet und mittels eines Verflüssiger (4) verflüssigt wird, bei dem ein Massenstrom des Arbeitsfluids vor der Zuleitung zu einem ersten und zweiten Verdampfer (31, 32) aufgeteilt (102) und dem ersten und zweiten Verdampfer (31, 32) parallel zugeführt wird und bei dem das Arbeitsfluid bei einem ersten Verdamp¬ fungsdruck (411) im ersten Verdampfer (31) und bei einem gegenüber dem ersten Verdampfungsdruck (411) verringerten zweiten Verdampfungsdruck (412) im zweiten Verdampfer (32) ver- dampft wird, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verdamp¬ fer (31) thermisch mit einer ersten Wärmequelle (41) mit einer ersten Wärmequellentemperatur und der zweite Verdampfer (32) thermisch mit einer zweiten Wärmequelle (42), die eine gegenüber der ersten Wärmequellentemperatur geringere zweite Wärmequellentemperatur aufweist, gekoppelt wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem als erste und zweite Wärmequelle (41, 42) jeweils eine verschiedene Abwärme eines Kraftwerkes, insbesondere eines Gas-und-Dampf- Kombikraftwerks, verwendet wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem als erste Wärmequelle
(41) eine Abwärme eines Rauchgases und als zweite Wärmequelle
(42) eine Abwärme einer Transformatorkühlung verwendet wird.
4. Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, bei dem für wenigstens eine der Wärmequellen (41, 42) eine Abwärme eines Rauchgases, einer Transformatorkühlung, einer Getriebekühlung, einer Motorkühlung, einer Kondensatorkühlung einer Einhausung eines Abhitzedampferzeugers, einer Gasturbinen-Schallhaube, einer Generatorkühlung und/oder einer Schmiermediumversorgung verwendet wird.
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Arbeitsfluid vor der Zuleitung zum ersten Verdampfer (31) einem ersten Expansionsventil (51) und vor der Zuleitung zum zweiten Verdampfer (32) einem zweiten Expansionsventil (52) parallel zugeführt wird.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Verdichtung (120) ein erster und ein zweiter Verdichter (21, 22) verwendet wird, wobei das aus dem ersten Ver- dampfer (31) ausgeleitete Arbeitsfluid dem ersten Verdichter (21) und das aus dem zweiten Verdampfer (32) ausgeleitete Arbeitsfluid dem zweiten Verdichter (22) zugeführt wird.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem für den ersten und zweiten Verdichter (21, 22) eine gemeinsame Motorwelle (10) verwendet wird.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem zur Verdichtung (120) ein gemeinsamer Verdichter (20) verwendet wird, wobei das aus dem ersten und zweiten Verdampfer (31,
32) ausgeleitete Arbeitsfluid dem gemeinsamen Verdichter (20) zugeführt wird.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem das aus dem ersten Verdampfer (31) ausgeleitete Arbeitsfluid vor der Zuleitung zum gemeinsamen Verdichter (20) zu einem ersten Rückschlagventil (61) und das aus dem zweiten Verdampfer (32) ausgelei¬ tet Arbeitsfluid vor der Zuleitung zum gemeinsamen Verdichter (20) zu einem zweiten Rückschlagventil (62) geleitet wird.
10. Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, bei dem als gemeinsa¬ mer Verdichter (20) ein mehrstufiger Turboverdichter (20) verwendet wird, wobei das aus dem ersten Verdampfer (31) aus¬ geleitete Arbeitsfluid einer ersten Verdichterstufe (201) des Turboverdichters (20) und das aus dem zweiten Verdampfer (32) ausgeleitete Arbeitsfluid einer zweiten Verdichterstufe (202) des Turboverdichters (20) zugeführt wird.
11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem eine Regelung eines Teilmassenstromes (71, 72) des vom ersten und/oder zweiten Verdampfer (31, 32) ausgeleiteten Arbeits- fluids vor der Zuleitung zum gemeinsamen Verdichter (20) er- folgt.
12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 11, bei dem das aus dem ersten und zweiten oder dem gemeinsamen Verdichter (21, 22, 20) ausgeleitete Arbeitsfluid zum Verflüssiger (4) geleitet wird.
13. Wärmepumpenanlage (1), welche wenigstens einen Verdichter (20, ..., 25), einen Verflüssiger (4) und wenigstens einen ersten und zweiten Verdampfer (31,..., 25) umfasst, wobei die Wärmepum- penanlage (1) einen gerichteten Arbeitskreislauf (100) für ein zirkulierendes Arbeitsfluid aufweist, wobei der Arbeits¬ kreislauf (100) dazu ausgelegt ist einen Massenstrom des Ar- beitsfluids vor einer Zuleitung des Arbeitsfluids zum ersten und zweiten Verdampfer (31, 32) aufzuteilen (102) und paral- lel dem ersten und zweiten Verdampfer (31, 32) zuzuführen, wobei der erste Verdampfer (31) einen ersten Verdampfungs¬ druck (411) und der zweite Verdampfer (32) einen gegenüber dem ersten Verdampfungsdruck (411) geringeren zweiten Verdampfungsdruck (412) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpenanlage (1) wenigstens eine erste und zweite Wärmequelle (41, 42) umfasst, wobei die erste Wärmequelle (41) eine erste Wärmequellentemperatur und die zweite Wärme¬ quelle (42) eine gegenüber der ersten Wärmequellentemperatur geringere zweite Wärmequellentemperatur aufweist, und die erste Wärmequelle (41) thermisch mit dem ersten Verdampfer
(31) und die zweite Wärmequelle (42) thermisch mit dem zwei¬ ten Verdampfer (32) gekoppelt ist.
14. Wärmepumpenanlage (1) gemäß Anspruch 13, mit einem ersten und zweiten Verdichter (21, 22), wobei der Arbeitskreislauf
(100) der Wärmepumpenanlage (1) dazu ausgebildet ist das aus dem ersten Verdampfer (31) ausgeleitete Arbeitsfluid zum ers¬ ten Verdichter (21) und das aus dem zweiten Verdampfer (32) ausgeleitete Arbeitsfluid zum zweiten Verdichter (22) zu lei¬ ten .
15. Wärmepumpenanlage (1) gemäß Anspruch 14, dadurch gekenn- zeichnet, dass der erste und zweite Verdichter (31, 32) eine gemeinsame Motorwelle (10) aufweisen.
16. Wärmepumpenanlage (1) gemäß Anspruch 13, mit einem ge¬ meinsamen Verdichter (20), wobei der Arbeitskreislauf (100) der Wärmepumpenanlage (1) dazu ausgebildet ist das aus dem ersten und zweiten Verdampfer (31, 32) ausgeleitete Arbeits¬ fluid zum gemeinsamen Verdichter (20) zu leiten.
17. Wärmepumpenanlage (1) gemäß Anspruch 16, dadurch gekenn- zeichnet, dass der gemeinsame Verdichter (20) als mehrstufi¬ ger Turboverdichter (20) ausgebildet ist.
18. Wärmepumpenanlage (1) gemäß einem der Ansprüche 13 bis 17, mit wenigstens einem Expansionsventil (51, ...,55) und/oder wenigstens einem Massenstromregler (71, ...,74).
19. Kraftwerk, insbesondere Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Wärmepumpenanlage (1) gemäß einem der Ansprüche 13 bis 18 umfasst.
20. Kraftwerk gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequellen als verschieden temperierte Abwärmequellen des Kraftwerkes ausgebildet sind.
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