Vorrichtung und Verfahren zur Erhöhung der Wärmeausbeute einer Wärmequelle

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren gemäß dem Oberbe ^¬ griff des Patentanspruches 9.

Nach dem Stand der Technik wird Abwärme von Industrieprozes ^¬ sen oder Wärme von geothermischen Quellen verwendet, um Wärme für einen Wärmeverbraucher bereitzustellen, das heißt an eine Wärmesenke abzugeben. Hierbei wird die Wärme typischerweise mittels eines Wärmeübertragers oder einer zusätzlichen Wärme ^¬ pumpe an die Wärmesenke übertragen.

Wird die von einer Wärmequelle bereitgestellte Wärme auf die Wärmesenke mittels eines Wärmetauschers übertragen, so weist die Wärmesenke typischerweise bezüglich des genannten Wärme ^¬ tauschers einen Wärmesenkenrücklauf und einen

Wärmesenkenvorlauf für ein Fluid auf. Hierbei weist der

Wärmesenkenrücklauf eine geringere Temperatur als der

Wärmesenkenvorlauf auf. Mit anderen Worten wird wenigstens ein Teil der Wärme von der Wärmesenke verbraucht.

Gleichermaßen weist die Wärmequelle typischerweise bezüglich des Wärmetauschers einen Wärmequellenrücklauf sowie einen Wärmequellenvorlauf auf. Hierbei ist die Temperatur des Wär ^¬ mequellenvorlaufes aufgrund der Übertragung von Wärme mittels des Wärmetauschers größer als die Temperatur des Wärmequel ^¬ lenrücklaufes. Durch die thermische Kopplung der Wärmequelle mit der Wärmesenke mittels des Wärmetauschers ist die Tempe ^¬ ratur des Wärmequellenrücklaufes durch die Temperatur des Wärmesenkenrücklaufes beschränkt. Mit anderen Worten kann die Temperatur des Wärmequellenrücklaufes nicht weiter abgekühlt werden, wenn die Wärme an die Wärmesenke übertragen werden soll . Weiterhin ist die Temperatur des Wärmesenkenvorlaufes durch die Temperatur des Wärmequellenvorlaufes beschränkt. Aus den genannten Beschränkungen ergibt sich der Nachteil, dass die Wärmequelle bezüglich ihres Wärmeinhaltes nicht vollständig genutzt werden kann. Mit anderen Worten ist dadurch die Wärmeausbeute der Wärmequelle beschränkt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Wärmeausbeute einer Wärmequelle zu verbessern.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 9 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestal- tungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erhöhung der Wärmeaus ^¬ beute einer Wärmequelle umfasst wenigstens

- eine Wärmesenke und eine Wärmepumpe mit einem Kondensator und einem Verdampfer; wobei

- die Wärmesenke bezüglich einer thermischen Kopplung mit der Wärmequelle mittels eines Wärmetauschers einen

Wärmesenkenvorlauf und einen Wärmesenkenrücklauf aufweist; wobei

- der Kondensator der Wärmepumpe zur Wärmeabgabe an die Wärmesenke thermisch mit dem Wärmesenkenvorlauf gekoppelt ist. Erfindungsgemäß ist der Verdampfer der Wärmepumpe zur Wärme ^¬ aufnahme thermisch mit dem Wärmesenkenrücklauf gekoppelt.

Der Wärmesenkenvorlauf und der Wärmesenkenrücklauf bilden ty ^¬ pischerweise einen Wärmesenkenkreislauf für ein Fluid aus, wobei das Fluid des Wärmesenkenrücklaufes wenigstens mittels des Wärmetauschers erwärmt wird. Nach dessen Erwärmung durch den Wärmetauscher wird der Wärmesenkenrücklauf zum

Wärmesenkenvorlauf. Somit weist der Wärmesenkenvorlauf eine im Vergleich zur Temperatur des Wärmesenkenrücklaufes höhere Temperatur auf. Der Wärmequellenvorlauf und der Wärmequellenrücklauf können für eine Fluid einen Wärmequellenkreislauf ausbilden, wobei das Fluid des Wärmequellenvorlaufes wenigstens mittels des Wärmetauschers abgekühlt wird und seine Wärme wenigstens teilweise auf den Wärmesenkenrücklauf zur Bildung des

Wärmesenkenvorlaufes übertragen wird. Nach der Abkühlung des Wärmequellenvorlaufes durch den Wärmetauscher wird der Wärme ^¬ quellenvorlauf zum Wärmequellenrücklauf. Der Wärmequellen ^¬ rücklauf kann alternativ oder ergänzend teilweise oder voll ^¬ ständig abgeführt und somit teilweise oder vollständig nicht zur Wärmequelle rückgeführt werden.

Relative Anordnungen, beispielsweise die Anordnung eines Ele ^¬ mentes direkt vor oder direkt nach einem weiteren Element der Vorrichtung, beziehen sich auf eine Richtung eines Kreislaufes und/oder auf eine Strömungsrichtung eines Fluids, bei ^¬ spielsweise auf eine Richtung eines Wärmesenkenkreislaufes. Der Wärmesenkenkreislaufes ist mittels des

Wärmesenkenvorlaufes und des Wärmesenkenrücklaufes gebildet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere dadurch ge ^¬ kennzeichnet, dass der Verdampfer, der thermisch mit dem Wärmesenkenrücklauf gekoppelt ist, eine Reduzierung der Tem ^¬ peratur des Wärmesenkenrücklaufes ermöglicht. Dadurch wird die Wärmequelle weiter abgekühlt, sodass sich vorteilhafter ^¬ weise die Wärmeausbeute erhöht. Hierzu ist der Verdampfer vorteilhafterweise nicht im direkten Kontakt zur Wärmequelle. Dadurch kann der Verdampfer für bestehende Anlagen nachgerüstet werden, ohne in die Wärmequelle apparativ einzugreifen.

Die dem Wärmesenkenrücklauf mittels des Verdampfers entzogene Wärme wird mittels des Kondensators der Wärmepumpe auf den Wärmesenkenvorlauf übertragen. Dadurch kann vorteilhafterwei ^¬ se die Wärmequelle verbessert bezüglich ihres Wärmeinhaltes genutzt werden und somit mehr Wärme beziehungsweise eine er ^¬ höhte Wärmeleistung oder eine erhöhte Temperatur für die Wärmesenke bereitgestellt werden. Mit anderen Worten wird durch die erfindungsgemäße Einbindung der Wärmepumpe in den Wärmesenkenkreislauf der Wärmesenkenrücklauf weiter abgekühlt sowie der Wärmesenkenvorlauf weiter erwärmt.

Bei einer industriellen Abwärmequelle (Wärmequelle) muss der Wärmequellenrücklauf gemäß des Standes der Technik mittels Kühleinrichtungen, insbesondere Kühltürme, gekühlt werden, bevor dieser, beispielsweise als Abwasserstrom, abgeführt werden kann. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene weitere Abkühlung des Wärmesenkenrücklaufes wird folglich der Wärme ^¬ quellenrücklauf stärker abgekühlt, sodass vorteilhafterweise aufwendige und kostenintensive Kühlvorrichtungen zur Kühlung des Wärmequellenrücklaufes entfallen. Zusätzlich wird vor ^¬ teilhafterweise die Temperatur des Wärmesenkenvorlaufes mit ^¬ tels des Kondensators der Wärmepumpe erhöht. Dadurch wird die Abwärmequelle verbessert bezüglich ihres Wärmeinhaltes ge ^¬ nutzt .

Bei einer Geothermiequelle (geothermischen Wärmequelle) wird deren Wärmequellenrücklauf stärker ausgekühlt, sodass vor ^¬ teilhafterweise ihre Wärmeausbeute verbessert wird. Weiterhin besteht für eine Geothermiequelle ein Fündigkeitsrisiko. Die ^¬ ses Risiko beinhaltet die Tatsache, dass nicht mit ausrei ^¬ chender Sicherheit die Temperatur und der mögliche Massenstrom des Thermalwassers aus dem Bohrloch vorhergesagt werden kann. Die vorliegende Erfindung kann das genannte Risiko deutlich reduzieren oder das Abschließen von teuren Versicherungen verhindern.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erhöhung der Wärmeausbeute einer Wärmequelle mit einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung oder einer ihrer Ausgestaltungen umfasst wenigstens die folgenden Schritte:

- Wärmeübertragen von der Wärmequelle auf den

Wärmesenkenrücklauf mittels des Wärmetauschers; und

- Wärmeübertragen von dem Kondensator der Wärmepumpe auf den Wärmesenkenvorlauf; gekennzeichnet durch ein Wärmeübertragen von dem Wärmesenkenrücklauf auf den Verdampfer der Wärmepumpe.

Es ergeben sich zur erfindungsgemäßen Vorrichtung gleicharti- ge und gleichwertige Vorteile des erfindungsgemäßen Verfah ^¬ rens .

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung die Wärmequelle, wobei der

Wärmesenkenrücklauf nach dem Verdampfer, insbesondere direkt nach dem Verdampfer der Wärmepumpe, mittels des Wärmetau ^¬ schers zur Aufnahme der Wärme thermisch mit der Wärmequelle gekoppelt ist.

Vorteilhafterweise wird dadurch die Wärme der Wärmequelle so wie die durch die Auskühlung des Wärmesenkenrücklaufes mit ^¬ tels der Wärmepumpe gewonnene Wärme für die Wärmsenke, insbe sondere für einen Wärmeverbraucher, bereitgestellt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Kondensator der Wärmepumpe mittels einer

Bypassleitung thermisch mit dem Wärmesenkenrücklauf gekop ^¬ pelt.

Dadurch kann vorteilhafterweise für die Wärmesenke eine er ^¬ höhte Wärmeleistung bereitgestellt werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Wärmesenke Teil eines Fernwärmenetzes.

Vorteilhafterweise kann dadurch die thermische Leistung des Fernwärmenetzes erhöht werden.

Weiterhin ist es von Vorteil , wenn die Wärmequelle eine

Geothermiequelle (geothermische Wärmequelle) und/oder eine industrielle Abwärmequelle ist . Vorteilhafterweise kann dadurch die Temperatur des Wärmequel ^¬ lenrücklaufes der Geothermiequelle weiter reduziert werden, sodass die Geothermiequelle verbessert ausgekühlt und somit verbessert ausgebeutet werden kann. Für die industrielle Abwärmequelle können vorteilhafterweise aufwendige und kos ^¬ tenintensive Kühlvorrichtungen zur Abkühlung des Wärmequellenrücklaufes entfallen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Wärmepumpe als Hochtemperaturwärmepumpe ausgebildet.

Als Hochtemperaturwärmepumpe wird eine Wärmepumpe bezeichnet, die eine Wärmebereitstellung an ihrem Kondensator oberhalb von 90 Grad Celsius, insbesondere oberhalb von 100 Grad Cel ^¬ sius, ermöglicht.

Vorteilhafterweise kann dadurch die Temperatur des

Wärmesenkenvorlaufes weiter erhöht werden. Insbesondere kann die Temperatur des Wärmesenkenvorlaufes auf oberhalb von 90 Grad Celsius erhöht werden. Mit anderen Worten wird dadurch vorteilhafterweise die Wärmequelle bezüglich ihrer Temperatur weiter aufgewertet.

Zur Erreichung der genannten hohen Temperaturen ist es besonders bevorzugt, wenn die Wärmepumpe ein Arbeitsfluid mit R1233zd, R1336mzz, Botan, Cyclopentan und/oder mit einem Flu- orketon und/oder einer Mischung aus den genannten Stoffen um- fasst .

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Wärmepumpe eine elektrische Leistung von wenigstens 1 Mega ^¬ watt auf.

Vorteilhafterweise wird dadurch eine für industrielle Anwen ^¬ dungen ausreichend dimensionierte Wärmepumpe bereitgestellt. Insbesondere für ein Fernwärmenetz oder eine Rückführung der bereitgestellten Wärme in einen industriellen Prozess ist die genannte elektrische Leistung von Vorteil. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er ^¬ geben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen schemati- siert:

Figur 1 eine Ausbeutung einer Wärmequelle mittels einer

Wärmepumpe gemäß des Standes der Technik; Figur 2 eine Vorrichtung gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung; und

Figur 3 eine Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung.

Gleichartige, gleichwertige oder gleichwirkende Elemente kön ^¬ nen in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sein,

In Figur 1 ist die Ausbeutung der als Geothermiequelle 6 aus- gebildeten Wärmequelle mittels einer Wärmepumpe 4 gemäß des Standes der Technik dargestellt. Die Ausbeutung der

Geothermiequelle 6 erfolgt mittels einer bekannten Vorrich ^¬ tung 10, die eine Wärmesenke 2 umfasst. Die Wärmepumpe 4 umfasst wenigstens einen Kondensator 41 so ^¬ wie einen Verdampfer 42. Bezüglich des Verdampfers 42 weist die Geothermiequelle 6 einen Wärmequellenvorlauf 61 sowie ei ^¬ nen Wärmequellenrücklauf 62 auf. Hierbei ist die Temperatur des Wärmequellenrücklaufes 62 aufgrund der thermischen Kopp- lung mit dem Verdampfer 42 der Wärmepumpe 4 gegenüber der

Temperatur des Wärmequellenvorlaufes 61 verringert. Mit ande ^¬ ren Worten wird Wärme von der Geothermiequelle 6 auf den Ver ^¬ dampfer 42 der Wärmepumpe 4 übertragen. Die Wärme wird durch die wenigstens teilweise Verdampfung des Arbeitsfluids inner- halb des Verdampfers 42 auf die Wärmepumpe 4 übertragen.

Die Wärmsenke 2 weist bezüglich der thermischen Kopplung mit dem Kondensator 41 der Wärmepumpe 4 einen Wärmesenkenvorlauf 21 sowie einen Wärmesenkenrücklauf 22 auf. Hierbei ist die Temperatur des Wärmesenkenrücklaufes 22 gegenüber der Tempe ^¬ ratur des Wärmesenkenvorlaufes 21 verringert beziehungsweise die Temperatur des Wärmesenkenvorlaufes 21 gegenüber der Tem- peratur des Wärmesenkenrücklaufes 22 erhöht. Mit anderen Wor ^¬ ten wird die Temperatur des Wärmequellenvorlaufes 61 mittels der Wärmepumpe 4 erhöht und an die Wärmesenke 2 durch ein kondensieren des Arbeitsfluids innerhalb des Kondensators 41 über den Wärmesenkenvorlauf 21 abgegeben.

Ein Nachteil der bekannten Vorrichtung 10 ist, dass die Temperatur des Wärmequellenrücklaufes 62 nicht weiter reduziert oder ausgekühlt werden kann. Mit anderen Worten ist die Ausbeutung der Geothermiequelle 6 durch den Wärmeübertrag von der Geothermiequelle 6 auf die Wärmepumpe 4 beschränkt.

In Figur 2 ist die Vorrichtung 1 gemäß der ersten Ausgestaltung der Erfindung dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Wärmepumpe 4 mit einem Konden ^¬ sator 41 und einem Verdampfer 42. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 1 eine Wärmequelle 6 und eine Wärmesenke 2, insbe ^¬ sondere einen Wärmeverbraucher, der besonders bevorzugt Teil eines Fernwärmnetzes ist, sowie einen Wärmetauscher 12.

Die Wärmepumpe 4 kann einen Verdichter und ein Expansionsventil aufweisen. Ein Arbeitsfluid der Wärmepumpe 4 wird mittels des Kondensators 41 wenigstens teilweise kondensiert, mittels des Verdichters wenigstens teilweise verdichtet, mittels des Verdampfers 42 wenigstens teilweise verdampft und mittels des Expansionsventils wenigstens teilweise entspannt. Als Ar- beitsfluid kann bevorzugt R1233zd, R1336mzz, Botan,

Cyclopentan und/oder ein Fluorketon und/oder einer Mischung aus den genannten Stoffen verwendet werden.

Die Wärmequelle 6 weist bezüglich des Wärmetauschers 12 einen Wärmequellenvorlauf 61 sowie einen Wärmequellenrücklauf 62 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Temperatur des Wärmequellenvorlaufes 61 exemplarisch 95 Grad Celsius, Die Temperatur des Wärmequellenrücklaufes 62 beträgt exempla- risch 35 Grad Celsius. Weiterhin weist die Wärmesenke 2 bezüglich des Wärmetauschers 12, der die Wärmequelle 6 thermisch mit der Wärmesenke 2 kop ^¬ pelt, einen Wärmesenkenvorlauf 21 sowie einen

Wärmesenkenrücklauf 22 auf. Der Kondensator 41 der Wärmepumpe 4 ist mit dem

Wärmesenkenvorlauf 21 thermisch gekoppelt. Mit anderen Worten wird das Arbeitsfluid der Wärmepumpe 4 durch die genannte thermische Kopplung wenigstens teilweise kondensiert und die dabei freiwerdende Wärme an den Wärmesenkenvorlauf 21 über- tragen. Hierbei erfolgt die genannte thermische Kopplung di ^¬ rekt nach dem Wärmetauscher 12.

Der Verdampfer 42 der Wärmepumpe 4 ist thermisch mit den Wärmesenkenrücklauf 22 gekoppelt. Mit anderen Worten wird Wärme dem Wärmesenkenrücklauf 22 mittels des Verdampfers 42 entzogen und mittels der Wärmepumpe 4 und dem Kondensator 41 auf den Wärmesenkenvorlauf 21 übertragen. Dadurch wird vorteilhafterweise der Wärmesenkenrücklauf 22 weiter ausgekühlt, sodass über die thermische Kopplung mittels des Wärmetau- schers 12 die Wärmequelle 6 verbessert ausgebeutet werden kann .

Beispielsweise beträgt die Temperatur des Wärmequellenvorlau ^¬ fes 61 in etwa 95 Grad Celsius [°C] . Direkt nach der thermi- sehen Kopplung der Wärmequelle 6 mit der Wärmesenke 2 mittels des Wärmetauschers 12 weist der Wärmequellenrücklauf 62 eine Temperatur von annähernd 35 Grad Celsius auf. Der

Wärmesenkenvorlauf 21 weist zwischen dem Wärmetauscher 12 und dem Kondensator 41 der Wärmepumpe 4, das heißt direkt nach dem Wärmetauscher 12 und direkt vor dem Kondensator 41 der Wärmepumpe 4, eine Temperatur von annähernd 90 Grad Celsius auf. Aufgrund der Aufnahme von Wärme mittels der Wärmepumpe 4 weist der Wärmesenkenvorlauf 21 direkt nach der thermischen Kopplung mit dem Kondensator 41 der Wärmepumpe 4 eine Temperatur größer als 90 Grad Celsius auf.

Die Wärmesenke 2 kann als Wärmeverbraucher ausgebildet sein und wenigstens einen Teil der ihr mittels des

Wärmesenkenvorlaufes 21 zuführbaren Wärme verbrauchen oder verwenden. Dadurch weist der Wärmesenkenrücklauf 22 eine ge ^¬ ringere Temperatur von annähernd 50 Grad Celsius auf. Somit liegt am Verdampfer 42 der Wärmepumpe 4 eine Temperatur von annähernd 50 Grad Celsius vor. Mittels des Verdampfers 42 der Wärmepumpe 4 wird dem Wärmesenkenrücklauf 22 weiter Wärme entzogen, sodass die Temperatur des Wärmesenkenrücklaufes 22 nach der thermischen Kopplung mit dem Verdampfer 42 der Wärmepumpe 4 annähernd 30 Grad Celsius ist. Anschließend wird der Wärmesenkenrücklauf 22 mit seiner Temperatur von annä ^¬ hernd 30 Grad Celsius zum Wärmetauscher 12 geleitet. Dort nimmt der Wärmesenkenrücklauf 22 wieder Wärme aus der Wärme ^¬ quelle 6 auf und wird zum Wärmesenkenvorlauf 21 mit einer Temperatur von annähernd 90 Grad Celsius.

Mittels der Vorrichtungen 1 gemäß der ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird folglich die Ausbeute der Wärmequelle 6 bezüglich ihres Wärmeinhaltes verbessert. Be ^¬ sonders bevorzugt ist hierbei die Wärmequelle 6 als

Geothermiequelle ausgebildet.

In Figur 3 ist die Vorrichtung 1 gemäß der zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung dargestellt. Hierbei weist die Vorrichtung 1 aus Figur 3 im Wesentlichen die gleichen Elemente wie die Vorrichtung aus Figur 2 auf, sodass das unter Figur 2 Gesagte unmittelbar auf die in Figur 3 dargestellte Vorrichtung 1 übertragen werden kann. Zusätzlich zu den in Figur 2 genannten beispielhaften Temperaturen sind in Figur 3 beispielhafte Massenströme [kg/s] sowie die zugeführten und abgeführten elektrischen und thermischen Leistung [MW] exemplarisch angegeben. Der Wärmepumpe 4 wird beispielsweise eine elektrische Leis ^¬ tung von annähernd 2 Megawatt zugeführt. Die Wärmequelle 6, die in Figur 3 als Geothermiequelle ausgebildet ist, weist eine thermische Leistung von annähernd 15 Megawatt auf. Durch die Aufwertung der Wärme der Wärmequelle 6 mittels der erfin ^¬ dungsgemäß vorgesehenen Wärmepumpe 4 und deren Einbindung in den Wärmesenkenrücklauf 22 sowie Wärmesenkenvorlauf 21 kann für die Wärmesenke 2 eine thermische Leistung von annähernd 17 Megawatt bereitgestellt werden.

Im Gegensatz zur Figur 2 ist der Kondensator 41 der Wärmepumpe 4 mittels einer Bypassleitung 23 zusätzlich mit dem

Wärmesenkenrücklauf 22 thermisch gekoppelt. Hierzu weist die Bypassleitung 23 eine Pumpe 8 auf, die ein Fluid des

Wärmesenkenrücklaufes 22 wenigstens teilweise zum Kondensator 41 der Wärmepumpe 4 pumpt. Durch die dargestellte thermische Kopplung des Kondensators 41 der Wärmepumpe 4 mit dem

Wärmesenkenrücklauf 22 kann die thermische Leistung, die für die Wärmesenke 2 bereitgestellt wird, erhöht werden. In der zweiten Ausgestaltung der Erfindung gemäß Figur 3 wird folglich im Wesentlichen die thermische Leistung für die Wärmesenke 2 erhöht. In der ersten Ausgestaltung der Erfindung gemäß Figur 2 wird hingegen im Wesentlichen die Temperatur für die Wärmesenke 2 erhöht.

Die weiteren Elemente der Vorrichtung 1 sind vergleichbar oder identisch zu den Elementen der Figur 2 angeordnet und/oder eingebunden, sodass das unter Figur 2 Gesagte ebenfalls auf die in Figur 3 dargestellte Vorrichtung 1 übertra- gen werden kann.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele ein- geschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.