DE29623100U1

DE29623100U1 - Einrichtung zur Rückgewinnung von als Abwärme in einem Medium enthaltener Wärmeenergie

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Publication number: DE29623100U1
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Authority: DE
Original assignee: RAB ROHRLEITUNGS und ANLAGENBA
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Priority date: 1996-05-15
Filing date: 1996-05-15
Publication date: 1997-11-13
Anticipated expiration: 2006-05-16

Description

PATENTANWÄLTE

g.· H₄

F. A. WEICKMANN Dm.·™*!. B. HUBER

DR.-ING. H. LISKA

DIP!—PHYS. DR. J. PRECHTEL

D1PL.-CHEM. DR. B. BÖHM

DIH-CHEM. DR. W. WEISS

DiPL.-ms.DR. J. TIESMEYER

DIPl-PHYS. DR. M. HERZOG

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5, Sen. 19&Ggr;7

Einrichtung zur Rückgewinnung von als Abwärme in einem Medium enthaltener Wärmeenergie

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Rückgewinnung von als Abwärme in einem Medium enthaltener Wärmeenergie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In vielen modernen Herstellungs- und Fertigungsprozessen wird durch den Einsatz von Primärenergie ein Arbeitsvorgang betrieben, bei welchem Energie in Form von Wärmeenergie frei wird. Beispielsweise wird in der Stahlindustrie, an Hochöfen, in der

is Papierindustrie, in der Nahrungsmittelindustrie, der chemischen Industrie und der Textilindustrie oftmals in Abwasseroder Abluft Wärmeenergie freigesetzt. Das erhitzte Medium Luft oder Wasser wird oftmals dazu verwendet, in einem Wärmetauscher seine Wärmeenergie auf ein zweites Medium zu übertragen, durch welches nachfolgend die bei einem Arbeitsprozeß freiwerdende Wärmeenergie wenigstens teilweise wieder zurückgeführt werden kann, beispielsweise zur Erwärmung von Räumen, zur Erzeugung von Trocknungsluft oder zur Erzeugung von Warmwasser.

Ferner sind sogenannte Blockheizkraftwerke bekannt, bei welchen ein Gemisch aus Luft- und Verbrennungsgasen in einem Verdichter vorkomprimiert wird und dabei aufgrund des Verdichtens erhitzt wird. Um jedoch einen optimalen Verbrennungsvorgang zu erhalten, muß das Gas wieder in einem Ladeluftkühler gekühlt werden. Bei diesem Kühlvorgang wird Wärmeenergie frei. Bisher ist in derartigen Blockheizkraftwerken der Ladeluftkühler mittels eines sogenannten Tischkühlers betrieben worden. Im Ladeluftkühler wird ein Kühlmittel in Kontakt mit dem in dem Verdichter erhitzten Medium, d. h. dem Luft/Verbrennungsgas-Gemisch, gebracht und strömt nachfolgend durch einen La-

mellenkühler, der 2um Abführen der Wärme in die Umgebung mit einem Ventilatorgebläse gekühlt wird.

Darüber hinaus wird Wärme in Form von Abwärme auch bei thermisehen Quellen oder dergleichen frei, bei welchen aus unterirdischen Quellen warmes Wasser zur Oberfläche strömt und dann in Thermalbädern genutzt werden kann. In der Regel ist die Temperatur dieser thermischen Quellen jedoch nicht ausreichend hoch, um daraus Wärmeenergie, beispielsweise zur Erwärmung von &iacgr;&ogr; Häusern, zu erzeugen; andererseits ist die Temperatur oftmals zu hoch zur direkten Verwendung in Thermalbädern, so daß das Wasser der thermischen Quellen zunächst unter Abgabe der überschüssigen Wärmeenergie in die Umgebung abgekühlt werden muß.

is Aus dem Fachbuch: Wärmepumpentechnologie Band IV, Vorträger der Internationalen Fachtagung Timmendorfer Strand (Ostsee) vom 11. bis 13. September 1979 ist eine Heizanlage bekannt, mittels welcher die verschiedenen, in einer Schwimmbadanlage vorhandenen Nut&zgr;wärmeverbraucher gespeist werden. Diese bekannte Anlage umfaßt einerseits Gasmotoren, deren Abwärme über Abgaswärmetauscher und Kühlwasserwärmetauscher direkt zu Hochtemperaturverbrauchern gespeist wird. Ferner ist bei dieser bekannten Wärmeerzeugungseinrichtung ein jedem Gasmotor zugeordneter Ladeluftkühler vorhanden zum Vorkomprimieren des in dem Gasmotor zu verbrennenden Verbrennungsgemisches. Mittels Wärmepumpen wird der Schwimmhallenabluft, welche eine Temperatur im Bereich von 3O⁰C aufweist, und dem Dusch- und Badewasser, das eine Temperatur von ca. 28⁰C aufweist, Wärmeenergie entzogen und auf ein für Niedertemperaturverbraucher geeignetes Temperaturniveau angehoben und in einen Niedertemperaturkreislauf eingespeist. Einen geringen Teil der in den Niedertemperaturkreislauf eingespeisten Wärmeenergie liefert auch die am Motor/Kompressor-Aggregat anfallende Abwärme. Die Betriebstemperatur der Niedrigtemperaturverbraucher liegt bei höchstens 45⁰C. Die für die Hochtemperaturverbraucher in den Hochtemperaturkreislauf eingespeiste Temperatur liegt bei ca.

65°C und wird ausschließlich direkt von den Motorabgasen durch Wärmetauscher entnommen.

Aus der Zeitschrift HLH 35 (1984) Nr. 11, November, ist es &bgr; bekannt, durch eine Wärmepumpe die einen Raum verlassende Luft zu kühlen und die dabei frei werdende Wärmeenergie auf die in den Raum eintretende Luft zur Erwärmung zu übertragen. Die Raumtemperatur liegt im allgemeinen im Bereich von ca. 2O⁰C, so daß auch das die Abwärme enthaltende Medium im allgemeinen &iacgr;&ogr; eine Temperatur in diesem Bereich aufweist. Die in den Raum eintretende Luft hat im allgemeinen eine Temperatur im Bereich von -15 bis +15° und wird durch Wärmeübertragung auf eine Temperatur im Bereich von 12,1 bis 2O⁰C erwärmt. Dazu wird eine Wärmepumpe mit R12 oder R22 als Kältemittel verwendet.

Aus der Fachzeitschrift Klima-Kälte-Heizung 3/1986 ist ein Blockheizkraftwerk bekannt, bei welchem Gasturbinen in Kombination mit Gaswärmepumpen eingesetzt werden. Die Aufgabe der Wärmepumpen ist es dabei, die für die Raumheizung nutzbaren Temperaturnxveaus bereitzustellen. Als Wärmequelle dient dabei Außenluft, die eine Temperatur im Bereich von ca. 5⁰C hat. Die Temperatur wird dann auf das Niveau der Raumtemperatur angehoben.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die als Abwärme in einem Medium enthaltene Wärmeenergie für eine Vielzahl weiterer Verwendungszwecke verfügbar zu machen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebene Einrichtung und die im Anspruch 10 angegebene Brennkraftmaschine gelöst.

Mit der Einrichtung gemäß Anspruch 1 läßt sich die dem Medium entzogene Wärmeenergie durch die Wärmepumpe auf ein höheres Niveau anheben, so daß sie für eine Vielzahl weiterer nachfolgender Prozesse zur Verfügung steht. Dies betrifft insbesondere Prozesse, die eine Temperatur erfordern, die höher als die oder gleich der Temperatur des Mediums ist, bevor ihm

Wärmeenergie entzogen worden ist. Für derartige Prozesse konnte bisher die im Medium enthaltene Wärmeenergie nicht genutzt werden, da mittels der bekannte Wärmetauscher maximal Temperaturen erreicht werden konnten, die der Temperatur des Mediums vor der Wärmeabgabe entsprechen. Da die in dem Medium enthaltene Wärmeenergie somit für eine Vielzahl weiterer Anwendungen nutzbar gemacht werden kann, wird der Primärenergie- Ausnutzungsgrad durch die erfindungsgemäße Einrichtung deutlich erhöht.

Der Arbeitsstoff der Wärmepumpe umfaßt dabei 1-Chlor-1,2,2-2-Tetrafluorethan. Dieses als R124 bekannte Kältemittel zeichnet sich dadurch aus, daß es den Betrieb einer Wärmepumpe mit Nutztemperaturwärmen im Bereich von 5O⁰C bis zu 110⁰C gestattet. Dies bedeutet, daß mit der erfindungsgemäßen Einrichtungen Nutzwärmetemperaturbereiche zugänglich werden, die mit bekannten Wärmepumpen, welche Nutzwärme lediglich bis zu.ca. 55 ⁰C abgeben konnten, nicht erreichbar waren.

Vorzugsweise umfaßt die erfindungsgemäße Einrichtung ferner einen Kühlmittelkreislauf mit einem zwischen einem Wärmeübertragungskontakt mit dem Medium und einem Wärmepumpenverdampfer zirkulierenden Kühlmittel zur Übertragung von Wärmeenergie von dem Medium auf einen Arbeitsstoff der Wärmepumpe. Es kann

2s somit vermieden werden, daß der Arbeitsstoff der Wärmepumpe direkt in Wärmeübertragungskontakt mit dem zu kühlenden Medium tritt. Es ist somit möglich, bei bereits bestehenden Einrichtungen, bei welchen ein Medium durch ein Kühlmittel, beispielsweise über einen Tischkühler, gekühlt wird, den Tischkühler durch den Wärmepumpenverdampfer zu ersetzen. Es müssen dann keine zusätzlichen Eingriffe in den Kreislauf, in dem das Medium strömt, vorgenommen werden.

Um eine vorbestimmte Kühltemperatur des Kühlmittels des Kühlkreislaufs für das Medium vorsehen zu können, wird vorgeschlagen, daß der Kühlmittelkreislauf eine erste Thermostatisiereinrichtung umfaßt. Dadurch kann das Kühlmittel zum Wärmeüber-

tragungskontakt mit dem Medium immer auf eine vorbestimmte Temperatur gebracht ist. Dies ist in vielen Arbeitskreisläufen, wie beispielsweise in einem Blockheizkraftwerk, eine zwingende Maßnahme, um für die nachherige Ausnutzung des Medi-B ums in einem Gasmotor oder dergleichen konstante Arbeitsbedingungen vorsehen zu können.

Dabei kann die erste Thermostatisiereinrichtung ein durch eine Reguliereinrichtung ansteuerbares Mischventil umfassen zum

&iacgr;&ogr; wenigstens teilweisen Überbrücken des Wärmepumpenverdampfers. Somit kann das zum Kühlen des Mediums strömende Kühlmittel einerseits aus durch den Wärmepumpenverdampfer abgekühltem Kühlmittel ..und andererseits aus durch das Medium erwärmtem Kühlmittel zusammengesetzt werden, wodurch bei geeigneter

is Mischung eine gewünschte Temperatur vorgesehen werden kann.

Die erfindungsgemäße ,Einrichtung umfaßt vorzugsweise ferner einen Nutzwärmeabgabekreislauf mit einem zwischen einem Wärmepumpenverflüssiger und einem Nutzwärmeverbraucher zirkulierenden Heizmittel zum Übertragen von Wärmeenergie von dem Arbeitsstoff zu dem Nutzwärmeverbraucher.

Um für den Nutzwärmeverbraucher ebenfalls gewünschte Temperaturbedingungen vorsehen zu können, wird vorgeschlagen, daß der Nutzwärmeabgabekreislauf eine zweite Thermostatisiereinrichtung umfaßt zur Abgabe des Heizmittels an den Nutzwärmeverbraucher mit einer vorbestimmten Nutztemperatur.

Dabei kann in einfacher Weise die zweite Thermostatisiereinrichtung wiederum ein durch eine Reguliereinrichtung ansteuerbares Mischventil umfassen zum wenigstens teilweisen Überbrücken des Wärmepumpenverflüssigers. Das abgegebene Heizmittel kann somit wieder aus einem Heizmittelstrom, der durch den Wärmepumpenverflüssiger erwärmt worden ist, sowie aus einem Heizmittelstrom, der nicht durch den Wärmepumpenverflüssiger geflossen ist, zusammengesetzt werden, so daß wieder die gewünschte Temperatur erzielt werden kann.

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Vorteilhafterweise umfaßt das Kühlmittel und/oder das Heizmittel Wasser, Luft, Glycol oder dergleichen. Dies führt einerseits zu einem kostengünstigen Aufbau der erfindungsgemäßen Einrichtung, andererseits muß kein Kühl- bzw. Heizmittel verwendet werden, das möglicherweise umweitschädlich ist und nach seiner Benutzungsdauer aufwendig entsorgt werden müßte. Die Auswahl des speziellen Kühl- oder Heizmittels hängt von dem Temperaturbereich ab, in dem die erfindungsgemäße Einrichtung arbeitet. Ferner kann die Auswahl des Aggregatzustands des &iacgr;&ogr; Kühl- bzw. Heizmittels davon abhängig gemacht werden, welchen Aggregatzustand das Medium hat.

Die Temperatur des Mediums vor dem Wärmeübertragungskontakt mit dem Kühlmittel liegt vorzugsweise im Bereich von -20 ⁰C is bis 110 ⁰C.

Ferner betrifft gemäß Anspruch 10 die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Gasmotor, insbesondere für ein Blockheizkraftwerk, umfassend eine Aufladeeinrichtung mit einem Verdichter und einem Gaskühler zum Kühlen des durch den Verdichter aufgeladenen Gases. Dem Gaskühler ist eine Wärmepumpe zum Kühlen des aufgeladenen Gases als Medium zugeordnet.

Dabei ist es insbesondere für den Betrieb von Blockheizkraftwerken vorteilhaft, wenn eine Kühlmitteltemperatur des Kühlmittels vor dem Wärmeübertragungskontakt mit dem Medium im Bereich von -20 ⁰C bis 110 ⁰C, vorzugsweise bei 40 ⁰C liegt, und wenn eine Temperatur des Kühlmittels nach dem Wärmeübertragungskontakt mit dem Medium im Bereich von -20 ⁰C bis 110 ⁰C, vorzugsweise 43,5 ⁰C liegt.

Bei der vorliegenden Erfindung können zur Rückgewinnung von als Abwärme in einem Medium enthaltener Wärmeenergie die folgenden Schritte durchgeführt werden: Übertragen von in dem Medium enthaltener Wärmeenergie auf einen Arbeitsstoff einer Wärmepumpe, Erhöhen der Temperatur des Arbeitsstoffes in der

Wärmepumpe auf 50 - 110⁰C und Abgeben von Wärmeenergie von dem Arbeitsstoff der Wärmepumpe auf einen Nutzwärmeverbraucher umfaßt.

Die vorliegende Erfindung sieht allgemein die Verwendung von l-Chlor-1,2,2,2-Tetrafluorethan als Arbeitsstoff für eine Wärmepumpe vor.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die &iacgr;&ogr; beiliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen detailliert beschrieben. Es zeigt:

Figur 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung, welche eine Wärmepumpe umfaßt;

Figur 2 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung, welche in Verbindung mit . einem bei einem Blockheizkraftwerk verwendeten Gasmotor dargestellt ist.

In Figur 1 ist die erfindungsgemäße Einrichtung allgemein mit 10 bezeichnet. Die erfindungsgemäße Einrichtung 10 ist dazu vorgesehen, Wärmeenergie von einem Medium M zu einem Nutzwärmeverbraucher V zu übertragen. Das Medium M kann beispielsweise ein bei einer Vielzahl von Herstellungsprozessen freigesetztes Verbrennungsgas sein. Ferner kann das Medium M beispielsweise in einem Hochofen oder in einem Ofen zum Brennen von Keramikteilen freigesetztes erhitztes Gas sein. Darüber hinaus kann das Medium warmes Wasser von Thermalquellen oder dergleichen umfassen. Der Nutzwärmeverbraucher V in Figur 1 kann beispielsweise wiederum ein zu erwärmendes Gas oder eine zu erwärmende Flüssigkeit sein, die dann in einem nachfolgenden Arbeitsprozeß beispielsweise zur Erzeugung von Trocknungsluft oder zur Heizung oder dergleichen verwendet wird.

Das Medium M wird in einem Kühler 12 in Wärmekontakt mit einem in einem Kühlmittelkreislauf 14 zirkulierenden Kühlmittel

gebracht. Das Kühlmittel wird durch eine Pumpe 16 zum Strömen durch den Kühler 12, dann durch ein Mischventil 18, durch einen Wärmepumpenverdampfer 20 und wieder zurück in den Kühler 12 in einer Strömungsrichtung a angetrieben. Dabei wird das Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf 14 durch den Wärmeübertragungskontakt, d.h. Wärmetausch, mit dem Medium M im Kühler 12 erwärmt, unter entsprechender Abkühlung des Mediums M. Im Wärmepumpenverdampfer 20, welcher von bekanntem Aufbau sein kann, wird dann das so erwärmte Kühlmittel in Wärmeübertragungskontakt mit einem Arbeitsstoff einer Wärmepumpe 22 gebracht. Der Arbeitsstoff wird dabei verdampft, wobei die dazu erforderliche Verdampfungswärme dem Kühlmittel entzogen wird und dieses dabei wiederum abgekühlt wird. Nach dem Wärmeübertragungskontakt mit dem Arbeitsstoff strömt das Kühlmittel

is wieder zurück zum Kühler 12.

Um eine vorbestimmte Kühltemperatur T₁ des Kühlmittels für den Wärmeübertragungskontakt mit dem Medium M vorsehen zu können, ist das Mischventil 18 im Kühlmittelkreislauf 14 angeordnet.

Das Mischventil 18 ist durch eine Reguli ere inrichtung 24 ansteuerbar, welche beispielsweise mit Temperaturfühlern zum Erfassen der Temperatur des Kühlmittels vor und nach dem Wärmeübertragungskontakt mit dem Medium ausgestattet sein kann, sowie zur Erfassung der Umgebungstemperatur oder der Temperatür T₄ des Mediums M. Das Mischventil 18 ist durch die Reguliereinrichtung 24 derart ansteuerbar, daß es einen Teil des vom Kühler 12 heranströmenden Kühlmittels vor dem Wärmepumpenverdampfer 20 in Richtung eines Pfeils b abzweigt. Dieser Teil des durch das Medium M erwärmten Kühlmittels vermischt sich dann mit dem in Richtung des Pfeils a strömenden, vom Wärmepumpenverdampfer 2 0 gekühlten Kühlmittel und erzeugt dabei eine entsprechend dem Mischverhältnis gebildete Mischtemperatur T₁ vor dem Wärmeübertragungskontakt mit dem Medium M.

Der vom Kühlmittel verdampfte Arbeitsstoff der Wärmepumpe 2 2 wird durch einen Verdichter 26, welcher durch einen Motor 28 angetrieben ist, komprimiert und dabei auf eine höhere Tempe-

ratur erwärmt. Nachfolgend tritt der Arbeitsstoff in einen Wärmepumpenverflüssiger 3 0 ein. Der Wärmepumpenverflüssiger 3 0 kann wieder von bekanntem Aufbau sein. Im Wärmepumpenverflüssiger 3 0 wird der Arbeitsstoff bei der erhöhten Temperatur verflüssigt. Die dabei freiwerdende Wärmeenergie wird an ein Heizmittel abgegeben, welches in einem Nutzwärmeabgabekreislauf 32 zirkuliert. Das Heizmittel im Nutzwärmeabgabekreislauf 32 ist wiederum durch eine Pumpe 34 zur Zirkulation in. Richtung eines Pfeils c durch einen Wärmetauscher, oder dergleichen, 36 hindurch, durch ein Mischventil 38, den Wärmepumpenverflüssiger 3 0 und zurück zum Wärmetauscher 3 6 angetrieben. Im Wärmetauscher 3 6 wird die Wärmeenergie des Heizmittels im Nutzwärmeabgabekreislauf 32 auf den Nutzwärmeverbraucher V übertragen und dieser entsprechend erwärmt.

Im Nutzwärmeabgabekreislauf 32 ist wiederum das Mischventil 3 8 dazu vorgesehen, die Temperatur T₅ des Heizmittels zur .Wärmeenergieübertragung an den Nutzwärmeverbraucher V entsprechend den Anforderungen oder den Wünschen des Betreibers einzustellen. Es wird insbesondere wieder ein aus dem Wärmepumpenverflüssiger 3 0 heranströmender Heizmittelstrom mit einem durch das Mischventil 38 abgezweigten, im Wärmetauscher 36 gekühlten Heizmittelstrom, welcher in Richtung eines Pfeils d strömt, gemischt und dadurch die gewünschte Mischtemperatur T₃ vorgesehen. Das Mischventil 3 8 ist wiederum durch die Reguliereinrichtung 24 ansteuerbar. Die Reguliereinrichtung 24 umfaßt hierzu wiederum Temperaturfühler {nicht dargestellt), die einerseits die Eingangs- und die Ausgangstemperatur des Heizmittels vor bzw. nach dem Wärmetausch 36 erfassen, sowie ggf. die Temperatur des Nutzwärmeverbrauchers V oder die Umgebungstemperatur.

In Figur 1 ist die erfindungsgemäße Einrichtung derart dargestellt, daß das Heizmittel durch den Wärmetauscher 36 seine Wärme auf den Nut&zgr;Wärmeverbraucher V überträgt. Diese Art der Erwärmung des Nut&zgr;Wärmeverbrauchers V wird als Indirektheizung bezeichnet. Gleichwohl ist es jedoch möglich, daß der Heiz-

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mittelkreislauf 32 und der Kreislauf des Nutzwärmeverbrauchers in direkter Verbindung miteinander stehen, so daß der Nutzwärmeverbraucher V unter Auslassung des Wärmetauschers 3 6 direkt durch den Wärmepumpenverflüssiger 3 0 strömt und dabei Wärme auf diesen übertragen wird. Diese Art der Heizung ist als Direktheizung bezeichnet.

Der Arbeitsstoff in der Wärmepumpe 22 wird, nachdem er im Wärmepumpenverflüssiger 3 0 verflüssigt worden ist und dabei &iacgr;&ogr; seine Wärmeenergie an das Heizmittel abgegeben hat, über ein Expansionsventil 4 0 expandiert und in den Wärmepumpenverdampfer 2 0 zurückgeführt.

Wie in Figur 1 ferner zu erkennen ist, kann vorgesehen sein, is daß sowohl die Pumpe 16 im Kühlmittelkreislauf 14, als auch die Pumpe 34 im Nutzwärmeabgabekreislauf 32 durch die Reguliereinrichtung 24 in ihrem Betrieb steuerbar ist. Ferner kann der Motor 28 zum Antrieb des Verdichters 26 in der Wärmepumpe 22 ebenfalls durch die Reguliereinrichtung 24 angesteuert werden. Insbesondere kann die Reguliereinrichtung derart ausgebildet sein, daß sie die erfindungsgemäße Einrichtung 10 mit dem Kühlmittelkreislauf 14, der Wärmepumpe 22 und dem Nutzwärmeabgabekreislauf 32 nur dann in Betrieb setzt, wenn die Temperatur T₄ des Mediums M vor dem Eintritt in den Kühler 12 eine vorbestimmte Solltemperatur überschreitet. Ist die Temperatur des Mediums unter dieser vorbestimmten Solltemperatur, die im Bereich von &ldquor;40 ⁰C bis 60 ⁰C liegen kann, so wird beispielsweise durch die Reguliereinrichtung 24 der Motor 28 zum Antreiben des Wärmepumpenverdichters 26 abgeschaltet.

Der bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 in der Wärmepumpe 22 verwendete Arbeitsstoff ist 1-Chlor-l,2,2,2-Tetrafluorethan. Dieser Arbeitsstoff ist als das Kältemittel R124 bekannt und weist zum Betrieb der erfindungsgemäßen Einrichtung 10 signifikante Vorteile auf. Dieses Kältemittel gehört zur Gruppe der hydrierten Fluorchlorkohlenwasserstoffverbindungen (H-FCKWs). Diese Verbindungen enthalten zwar immer noch Chlor,

sind jedoch nicht vollständig halogenisiert. Dies bedeutet, daß das Kältemittel R124 zwar die Ozonschicht noch beeinträchtigen kann, dies aber in einem deutlich geringeren Ausmaß tut, als die bekannten Fluorchlorkohlenwasserstoffverbindungen, welche nicht hydriert sind. Aufgrund seiner geringen Umwelt-Schädlichkeit ist der Einsatz dieses Kältemittels nicht verboten. Darüber hinaus* weist dieses .Kältemittel jedoch thermodynamische Eigenschaften auf, die es für den Einsatz bei der erfindungsgemäßen Einrichtung -besonders geeignet machen. So

&iacgr;&ogr; liegt der Siedepunkt dieses Kältemittels bei -11 ⁰C, während sein kritischer Punkt bei Temperaturen deutlich über 120 ⁰C liegt. Dies bedeutet, daß das Kältemittel R124 in einem Arbeitsbereich mit Nutzwärmetemperaturen bis zu ca. 110 ⁰C betrieben werden kann. Darüber hinaus kann es im Wärmepumpenverdämpfer 2 0 mit einem Kühlmittel in Verbindung gebracht werden, das auf relativ hohe Temperaturen, beispielsweise auch im Bereich von 100 ⁰C, erhitzt worden ist. Dies ist ein Bereich, der dem Betrieb herkömmlicher Wärmepumpen bisher nicht zugänglich war. Diese Wärmepumpen haben insbesondere mit Abwärme im Bereich von 0 ⁰C bis 3 0 ⁰C gearbeitet und dabei Nutzwärmetemperaturen von ca. 55 ⁰C vorgesehen. Der nach oben deutlich erweiterte Anwendungstemperaturbereich der erfindungsgemäßen Einrichtung macht es also möglich, einerseits mit dieser Einrichtung Medien zu kühlen, die bereits eine relativ hohe Temperatur aufweisen, wie es insbesondere bei Abgasen oder Kühlmedien der Fall ist. Andererseits kann durch die erfindungsgemäße Einrichtung 10, insbesondere den Einsatz einer Wärmepumpe mit dem Arbeitsstoff R124, diese Temperatur auf ein noch höheres Niveau von bis zu 110 ⁰C angehoben werden, wodurch Nutzwärme in einem Arbeitstemperaturbereich verfügbar wird, der für eine Vielzahl weiterer Arbeitsprozesse erforderlich ist.

Eine spezifische Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung

3s 10 ist in Figur 2 dargestellt. Die in Figur 2 dargestellte Einrichtung 10 entspricht in ihrem Aufbau im wesentlichen der in Figur 1 dargestellten Einrichtung, so daß zur Bezeichnung

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gleicher Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet werden und eine detailliertere Beschreibung dieser Bauteile mit Bezug auf die Figur 2 nicht erfolgt.

In Figur 2 ist die erfindungsgemäße Einrichtung 10 in Verbindung mit einem nur schematisch dargestellten Blockheizkraftwerk B abgebildet. Das Blockheizkraftwerk B umfaßt einen Gasmotor T, in welchem ein Gemisch aus Verbrennungsluft L und einem Verbrennungsgas G verbrannt wird. Dieses Gemisch wird in

&iacgr;&ogr; einem Mischer 50 gemischt, dann durch einen Verdichter oder Kompressor K vorverdichtet. Bei dieser Vorverdichtung wird das Gemisch aus Verbrennungsluft L und Verbrennungsgas G erhitzt und bildet dann das Medium M. Da zum Erhalten eines effizienten Betriebs des Gasmotors T eine bestimmte Temperatur des

is Mediums M erforderlich ist, die jedoch unter der im Kompressor K erzeugten Temperatur liegt, wird in einem sogenannten Ladeluftkühler 12' das Medium M durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 in der vorangehend beschriebenen Art und Weise gekühlt. Nach der Kühlung durch den Ladeluftkühler 12' wird das Medium in den Gasmotor eingeleitet und dort verbrannt. Dabei wird Energie zur Erzeugung von Elektrizität frei und es entsteht ein erhitztes Abgas A. Das Abgas A durchströmt, bevor es zur Umgebung hin abgelassen wird, einen Wärmetauscher 52, der mit einem Vorlauf 54, beispielsweise eines Fernheizkreislaufs, in Verbindung steht. Ein Rücklauf 56 des Fernheizkreislaufs führt zu dem Gasmotor T zurück. Im Gasmotor T wird ein Heizmedium des Fernheizkreislaufs erhitzt, so daß es aus dem Gasmotor T mit erhöhter Temperatur in den Vorlauf 54 austritt. Nach dem Austreten aus dem Gasmotor T durchströmt das Heizmedium des Fernheizkreislaufs im Vorlauf 54 noch den Wärmetauscher 52, um zusätzlich noch die im Abgas enthaltene Wärmeenergie, oder zumindest einen Teil davon, aufzunehmen, so daß es nach dem Wärmetauscher 52 eine weiter erhöhte Temperatur aufweist. Nach der Abgabe seiner Wärmeenergie, beispielsweise in Wohnanlagen oder dergleichen, strömt das Heizmedium des Fernheizkreislaufs durch den Rücklauf 56 zurück zum Kühlen des Gasmotors T und zur Wiederholung des Heizzyklus.

Wie in Figur 2 zu erkennen, ist der Nutzwärmeabgabekreislauf 32 der erfindungsgemäßen Einrichtung 10 direkt mit dem Fernheizkreislauf 54, 56 als Nutzwärmeverbraueher gekoppelt. In einer ersten Ausgestaltung (B-B) wird dabei das Heizmittel durch die Pumpe 34 im Nutzwärmeabgabekreislauf direkt in den Rücklauf 56 des Fernheizkreislaufs eingespeist, so daß es das vom Fernheizkreislauf über den Rücklauf 56 zurückkehrende Heizmedium bereits vor dem Eintritt in den Gasmotor T vorerwärmt. Dabei wird der Nutzwärmeabgabekreislauf 32 durch die

&iacgr;&ogr; Reguliereinrichtung 24 und das Mischventil 28 derart betrieben, daß die Temperatur des Heizmittels im Nutzwärmeabgabekreislauf 32 nach dem Austritt aus der Pumpe 34 etwa bei 80 ⁰C liegt. Bei.einer derart eingestellten Temperatur^des Heizmittels kann die erfindungsgemäße Einrichtung 10 mit einem sehr

is hohen Wirkungsgrad betrieben werden. .

In einer zweiten .Ausgestaltung (A-A) wird das durch die Pumpe 34 abgegebene Heizmittel des Nutzwärmeabgabekreislaufs 32 nicht in den Rücklauf 56, sondern in den Vorlauf 54 in Strömungsrichtung hinter dem Wärmetauscher 52 eingespeist. Bei einem derartigen Betrieb wird durch die Reguliereinrichtung 24 die Temperatur des Heizmittels nach der Pumpe 34 derart eingestellt, daß sie in einem Bereich von 100 ⁰C liegt. Die höhere Temperatur ist hier erforderlich, da im Vergleich zur ersten Ausführungsform (B-B) das Heizmittel erst in den Fernheizzyklus eingespeist wird, nachdem das Heizmedium durch den Gasmotor T und dem Wärmetauscher 52 bereits erhitzt worden ist.

Durch die Reguliereinrichtung 24 kann im Kühlmittelkreislauf 14, wie vorangehend beschrieben, die Temperatur des Kühlmittels derart reguliert werden, daß sie für den Kontakt mit dem Medium M im Ladeluftkühler 12' bei einem vorbestimmten Wert liegt. Insbesondere werden durch die Hersteller von Gasmotoren bestimmte Betriebsvorgaben gemacht, welche auch die Temperatur des Kühlmittels vor bzw. nach dem Wärmeübertragungskontakt mit dem Medium betreffen. So kann beispielsweise gefordert sein,

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daß die Kühlmitteltemperatur T₁ vor dem Wärmeübertragungskontakt mit dem Medium M bei 40 ⁰C liegt und daß die Temperatur T₂ nach dem Wärmeübertragungskontakt bei 43,5 ⁰C liegt. Dies läßt sich durch geeignete Einstellung des Mischventils 18 und geeigneten Pumpendurchsatz der Pumpe 16 vermittels der Reguliereinrichtung 24 in einfacher Weise erreichen.

Wie insbesondere aus der in Figur 2 dargestellten Anwendung der erfindungsgemäßen Anwendung in einem Blockheizkraftwerk

&iacgr;&ogr; hervorgeht, wird es mit der erfindungsgemäßen Einrichtung möglich, Abwärme, deren Niveau, d. h. Temperatur, zur direkten Rückführung in den Arbeitszyklus nicht genügt, auf ein höheres Niveau anzuheben, so daß die Abwärme effektiv wieder genutzt werden kann, insbesondere direkt in den Arbeitskreislauf eingespeist werden kann. Insbesondere durch die wie vorangehend beschrieben aufgebaute erfindungsgemäße Einrichtung, bei welcher das Kältemittel R124 als Arbeitsstoff für die -Wärmepumpe verwendet wird, läßt sich ein Leistungsverhältnis der erzeugten Wärmeleistung zur angewendeten elektrischen Leistung von mehr als 4 erreichen. Durch die erfindungsgemäße Einrichtung lassen sich sowohl die Temperaturverhältnisse im Kühlmittelkreislauf als auch im Nutzwärmeabgabekreislauf regulieren, so daß sowohl auf der Seite des Kühlmittelkreislaufs als auch auf der Seite des Nutzwärmeabgabekreislaufs die erfindungsgemäße Einrichtung jeweils an die dort herrschenden bzw. geforderten Bedinungen in optimaler Weise angepaßt werden kann.

Der hier verwendete Ausdruck "Abwärme in einem Medium" ist im allgemeinen so zu verstehen, daß er, neben den explizit angesprochenen Beispielen, jedes Medium, sowohl gasförmig als auch flüssig, umfaßt, dem durch eine erfindungsgemäße Einrichtung Wärme entzogen werden kann.

Claims

Schutzansprüche

1. Einrichtung zur Rückgewinnung von als Abwärme in einem Medium (M) enthaltener Wärmeenergie, umfassend eine Wärmepumpe (22) mit einem Arbeitsstoff, mittels welcher dem Medium (M) Wärmeenergie entzogen wird,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Arbeitsstoff der Wärmepumpe 1-Chlor-1,2,2,2-tetrafluorethan (R 124) umfaßt,

und daß die Temperatur des Arbeitsstoffs zur Abgabe von Wärmeenergie an einen Nutzwärmeverbraucher im Bereich von 50⁰C bis HO⁰C liegt.

is

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Kühlmittelkreislauf (14) mit einem zwischen einem Wärmeübertragungskontakt mit dem Medium (M) und einem ■Wärmepumpenverdampfer (20) zirkulierenden Kühlmittel zur Übertragung von Wärmeenergie von dem Medium (M) auf einen Arbeitsstoff der Wärmepumpe (22).

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelkreislauf (14) eine erste Thermostatisiereinrichtung (18, 24) umfaßt zum Vorsehen einer vorbestimmten Kühltemperatur (T₁) des Kühlmittels des Kühlkreislaufs (14) für das Medium (M).

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Thermostatisiereinrichtung (18, 24) ein durch eine Reguliereinrichtung (24) ansteuerbares Mischventil (18) zum wenigstens teilweisen Überbrücken des Wärmepumpenverdampfers (20) umfaßt.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Nutzwärmeabgabekreislauf (32) mit einem zwischen einem Wärmepumpenverflüssiger (30) und einem Nutzwärmeverbraucher (V; 54, 56) zirkulierenden

Heizmittel zum Übertragen von Wärmeenergie von dem Arbeitsstoff zu dem Nutzwärmeverbraucher (V; 54, 56).

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Nutzwärmeabgabekreislauf (32) eine zweite Thermostatisiereinrichtung (38, 24) umfaßt zur Abgabe des Heizmittels an den Nutzwärmeverbraucher (V) mit einer vorbestimmten Nut &zgr; temperatur (T₃) .

&iacgr;&ogr; 7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Thermostatisiereinrichtung (3 8, 24) ein durch eine Reguliereinrichtung (24) ansteuerbares Mischventil (3 8) umfaßt zum wenigstens teilweisen Überbrücken des Wärmepumpenverflüssigers~ (30)..

8. Einrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 5 und gewünschtenfalls einem der Ansprüche .6 und 7, dadurch gekennzeichnet, . daß das Kühlmittel und/oder das Heizmittel Wasser, Luft, Glycol oder dergleichen umfaßt.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur (T₄) des Mediums (M) vor dem Wärmeübertragungskontakt mit dem Kühlmittel im Bereich von - 20 ⁰C bis 110 ⁰C liegt.

10. Brennkraftmaschine, insbesondere Gasmotor (T), insbesondere für ein Blockheizkraftwerk (B), umfassend eine Aufladeeinrichtung (K, 12) mit einem Verdichter (K) und einem Gaskühler (12) zum Kühlen des durch den Verdichter

(K) aufgeladenen Gases (M) , ferner umfassend einen Wärmetauscher (52), in welchem durch die Verbrennung in der Brennkraftmaschine erzeugte Wärme auf ein diesen durchströmendes Nutzmedium übertragen wird,
dadurch gekennzeichnet,

daß dem Gaskühler (12) eine Einrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1-11 zugeordnet ist zum Kühlen des aufgeladenen Gases (M) als das Medium (M), und

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daß die durch die Einrichtung (10) aus dem durch den Verdichter (K) aufgeladenen Gas zurückgewonnene Wärmeenergie auf das durch den Wärmetauscher (52) erwärmte oder zu erwärmende Nutzmedium übertragen wird.

11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, sofern dieser Anspruch auf Anspruch 2 und gewünschtenfalls einen der Ansprüche 3 bis 11 rückbezogen ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kühl temperatur (T₁) des Kühlmittels vor dem &iacgr;&ogr; Wärmeübertragungskontakt mit dem Medium (M) im Bereich von -20 ⁰C bis 110 ⁰C, vorzugsweise bei 40 ⁰C liegt, und daß eine Temperatur (T₂) des Kühlmittels nach dem Wärmeübertragungskontakt mit dem Medium (M) im Bereich von
-20 ⁰C bis 110 ⁰C, vorzugsweise bei 43,5 ⁰C liegt.

/users/et/14345GDE-ANM 01.09.1997