Hochtemperaturwärmepumpe und Verfahren zur Verwendung eines Arbeitsmediums in einer Hochtemperaturwärmepumpe

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Hochtempera ^¬ turwärmepumpe mit einem Fluidkreislauf zum Aufnehmen von thermischer Energie durch das Fluid aus wenigstens einem ers ^¬ ten Reservoir unter Aufwendung von technischer Arbeit und zur Abgabe von thermischer Energie durch das Fluid an wenigstens ein zweites Reservoir zum Heizen des wenigstens einen zweiten Reservoirs. Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Verwendung eines Arbeitsmediums in einer solchen Hochtemperaturwärmepumpe.

Eine Wärmepumpe ist eine Maschine, welche unter Aufwendung von technischer Arbeit thermische Energie aus einem Reservoir mit niedrigerer Temperatur aufnimmt, und zusammen mit der Antriebsenergie als Nutzwärme auf ein zu beheizendes System mit höherer Temperatur überträgt. Das Reservoir mit niedrigerer Temperatur kann z.B. Luft aus der Umgebung sein oder Flüssigkeit und Gestein des Erdreichs bei Nutzung von Erdwärme. Es können unter anderem aber auch Abwärmequellen in Industrieprozessen genutzt werden.

Mit Wärmepumpen können Gebäude beheizt werden oder Wärme für technische Prozesse in der Industrie gewonnen werden. Hoch ^¬ temperaturwärmepumpen führen Nutzwärme einem zu beheizenden System zu, welches sich auf einem hohen Temperaturniveau be ^¬ findet. Unter hohem Temperaturniveau bzw. höherer Temperatur sind z.B. Temperaturen über 70°C zu verstehen. Die mit Hilfe von Wärmepumpen erreichbaren Temperaturen zum Heizen hängen wesentlich von dem in der Wärmepumpe verwendeten Arbeitsmedium ab. Das Arbeitsmedium ist in der Regel ein Fluid, welches bei einer Komprimierung unter Druck verflüssigt wird und thermische Energie abgibt. Bei einer Ausdehnung zu einem Gas kühlt sich das Fluid ab und kann thermische Energie aus dem ersten Reservoir aufnehmen. Im Kreislauf kann so Wärmemenge kontinuierlich oder pulsartig aus einem kühleren Reservoir unter Aufwendung von mechanischer Energie auf ein wärmeres Reservoir übertragen werden. Die von einer Wärmepumpe erreichbare Temperatur beim Heizen hängt neben dem verwendeten Arbeitsmedium auch vom Druck im Kondensor ab, welcher auch als Verflüssiger oder Kondensator bezeichnet wird. Im Kondensator wird das Arbeitsmedium verflüssigt unter Aufnahme von Wärmemenge aus dem ersten, kühle- ren Reservoir. Für Hochtemperaturwärmepumpen wird z.B. Kohlendioxid als Arbeitsmedium verwendet. Der Siedepunkt von Kohlendioxid bei 1 bar liegt z.B. bei -57°C und die Verflüs ^¬ sigungstemperatur bei 26 bar liegt z.B. bei -26°C. Aus Umweltverträglichkeitsgründen, z.B. bezüglich „Global Warming Potential" und „Ozone Depletion Potential", ist Kohledioxid zwar ein ideales Arbeitsmedium, jedoch liegt die kritische Temperatur von Kohlendioxid lediglich bei 31 °C. Oberhalb die ^¬ ser Temperatur ist Kohlendioxid auch unter Aufwendung höchster Drücke nicht mehr zu verflüssigen.

Hieraus folgen Besonderheiten für die Prozessführung jenseits der kritischen Temperatur. So erfolgt die Wärmeabgabe nach der Verdichtung nicht wie bei kondensierenden Arbeitsstoffen bei einer bestimmten Temperatur, sondern über einen großen Temperaturbereich. Dadurch wird die Nutzbarkeit der Wärme z.B. zur Dampferzeugung erschwert. Der Einsatz von Kohlendioxid als Arbeitsstoff in einer Wärmepumpe ist ferner aufgrund der Stoffeigenschaften mit sehr hohen Drücken verbunden und somit apparativ aufwendig.

Kohlenwasserstoffe wie Butan oder Pentan sind aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften besser für die Bereitstellung von Wärme bei einem hohen Temperaturniveau geeignet. Butan weist z.B. einen Siedepunkt bei 1 bar von -12°C und eine Ver- flüssigungstemperatur bei 26 bar von 114°C auf. Ihr Einsatz ist allerdings wegen ihrer guten Brennbarkeit aus sicher ^¬ heitstechnischen Gründen problematisch. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Hochtemperaturwärmepumpe und ein Verfahren zur Verwendung eines Arbeitsmediums in einer Hochtemperaturwärmepumpe anzugeben, welche geeignet sind Wärme bei hohen Temperaturen wie z.B. höher 70°C bereitzustellen, umweltfreundlich sind und einfach, kostengünstig sowie ohne hohes Risiko z.B. durch gerin ^¬ ge Brennbarkeit betrieben werden können.

Die angegebene Aufgabe wird bezüglich der Hochtemperaturwärmepumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und bezüglich des Verfahrens zur Verwendung eines Arbeitsmediums in einer Hoch ^¬ temperaturwärmepumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 7 ge ^¬ löst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Hochtemperaturwärmepumpe und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ver ^¬ wendung eines Arbeitsmediums in einer Hochtemperaturwärmepumpe gehen aus den jeweils zugeordneten abhängigen Unteransprüchen hervor. Dabei können die Merkmale der nebengeordneten, unabhängigen Ansprüche untereinander und mit Merkmalen der Unteransprüche sowie Merkmale der Unteransprüche untereinan ^¬ der kombiniert werden.

Die erfindungsgemäße Hochtemperaturwärmepumpe umfasst einen Fluidkreislauf zum Aufnehmen von thermischer Energie durch ein Fluid aus wenigstens einem ersten Reservoir unter Aufwendung von technischer Arbeit und zur Abgabe von thermischer Energie durch das Fluid an wenigstens ein zweites Reservoir zum Heizen des wenigstens einen zweiten Reservoirs. Erfindungsgemäß ist der Fluidkreislauf mit einem Hydrofluorether oder mit Fluorketon als Fluid bzw. Arbeitsmedium befüllt. Es ist auch die Verwendung von Mischungen aus Hydrofluorether und Fluorketon möglich.

Hydrofluorether oder Fluorketon sind nicht brennbar und somit sicher, z.B. in Prozessen mit hoher Temperatur zu verwenden. Hydrofluorether oder Fluorketon sind umweltfreundlich, da kein Beitrag zur globalen Erwärmung oder zur Vergrößerung des Ozonlochs durch diese Stoffklassen erfolgt. Die bekannten Hydrofluorether oder Fluorketone haben höher kritische Temperaturen als z.B. Kohlendioxid. Dadurch kann ein Großteil der aufgenommenen Wärmemenge nach der Verdichtung bei einer Tem- peratur, speziell der Kondensationstemperatur, wieder abgegeben werden. Dies erleichtert z.B. bei einer Prozessdampfbe- reitstellung die Nutzung der Wärme. Mit einem Arbeitsmedium Hydrofluorether oder Fluorketon können Hochtemperaturwärmepumpen zum Erreichen sehr hoher Temperaturen bei niedrigeren Drücken, als z.B. im Vergleich mit Kohlendioxid als Arbeits ^¬ medium, transkritisch betrieben werden. Transkritisch bedeutet in diesem Zusammenhang, dass im Vergleich zu subkritischer Prozessführung, bei welcher das Arbeitsmedium bei konstanter Temperatur verflüssigt wird, bei transkritischer Pro- zessführung die Wärmeabgabe im überkritischen Bereich gleitend, d.h. bei Temperaturänderung erfolgt.

Die erfindungsgemäße Hochtemperaturwärmepumpe kann wenigstens einen Verdampfer, wenigstens einen Verdichter, wenigstens einen Kondensator und/oder wenigstens eine Drossel als Teil des Fluidkreislaufs umfassen. Die Einzelkomponenten sind aus dem Stand der Technik bekannt, z.B. aus der

DE 10 2007 010 646 AI. Im Weiteren kann für Verdichter als Synonym auch Kompressor, für Kondensator auch Kondensor oder Verflüssiger, und für die Drossel auch Expansionsventil ver ^¬ wendet werden, abhängig von der jeweiligen Funktion der Komponente. Das im Fluidkreislauf strömende Fluid wird im Kom ^¬ pressor verdichtet, kühlt sich im Kondensator unter Abgabe von Wärmemenge an das zweite Reservoir ab, strömt abhängig der Öffnung der Drossel mit gegebener Geschwindigkeit bzw. Druckreduzierung durch die Drossel in den Verdampfer, wo es expandiert und Wärmemenge dem ersten Reservoir entzieht.

Als Verdichter kann ein mehrstufiger Verdichter verwendet werden, insbesondere ein zweistufiger Verdichter. Durch eine mehrstufige Verdichtung steigt die Leistungszahl des Hochtemperaturwärmetauschers . Ein Economiser kann Teil des Fluidkreislaufs sein. Ein Econo miser ist ein zusätzlicher Zwischenwärmetauscher im Fluidkreislauf. Er überträgt einen Teil der nach der Wärmeabgabe an das zweite Reservoir im flüssigen Arbeitsmedium vorhandenen Wärme auf das gasförmig überhitzte Arbeitsmittel vor dem Verdichter. Dadurch kann z.B. eine starke Überhitzung des Ar beitsmediums als Sauggas erreicht werden, wodurch eine Ver ^¬ dichtung in das Nassdampfgebiet des Arbeitsmediums sicherge ^¬ stellt werden kann. Der Economiser führt zu einer Erhöhung des Wirkungsgrads bzw. der Effektivität des Hochtemperatur ^¬ wärmetauschers .

Der Fluidkreislauf kann geschlossen oder abgeschlossen sein. Gerade in Hinblick auf eine Vermeidung von Verlusten an Arbeitsmedium kann ein abgeschlossener Fluidkreislauf gewählt werden .

Der Hydrofluorether kann ein Hydrofluorether mit der chemi- sehen Formel C _x F _y -0-C _m H _n sein , wobei x gleich 3, y gleich 7, gleich 1 und n gleich 3 ist, oder x gleich 4 , Y gleich 9, m gleich 1 und n gleich 3 ist, oder x gleich 4 , Y gleich 9, m gleich 2 und n gleich 5 ist, oder x gleich 6 , Y gleich 13, ] gleich 1 und n gleich 3 sein . Der Hydrofluorether kann auch ein Hydrofluorether mit der chemischen Forme 1

C ₃ F ₇ CF (OC ₂ H ₅ ) CF ( CF ₃ ) 2 sein. Weiterhin kann der Hydrofluorether ein Hydrofluorether mit der chemischen Formel

CH3CHO ( CF2CFHCF3 ) 2 sein. Es ist auch möglich als Fluid ein Fluorketon mit der chemischen Formel CF ₃ CF ₂ C (0) CF (CF ₃ ) ₂ zu verwenden. Es können als Arbeitsmittel im erfindungsgemäßen Hochtemperaturwärmetauscher auch andere Hydrofluorether oder Fluorketone mit guten thermischen Eigenschaften verwendet werden sowie Mischungen aus verschiedenen Hydrofluorethern oder Fluorketonen .

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verwendung eines Arbeits ^¬ mediums in einer Hochtemperaturwärmepumpe, insbesondere in einer zuvor beschriebenen Hochtemperaturwärmepumpe, umfasst, dass das Arbeitsmedium beim Strömen in einem Fluidkreislauf thermische Energie aus wenigstens einem ersten Reservoir un ^¬ ter Aufwendung von technischer Arbeit aufnimmt und thermischer Energie an wenigstens ein zweites Reservoir zum Heizen des wenigstens einen zweiten Reservoirs abgibt. Dabei wird als Arbeitsmedium Hydrofluorether oder Fluorketon verwendet.

Die thermische Energie kann an das wenigstens eine zweite Re servoir nach der Verdichtung des Arbeitsmediums bei oder im Bereich der Kondensationstemperatur des Arbeitsmediums abgegeben werden. Die thermische Energie kann für eine Prozess ^¬ dampfbereitstellung genutzt werden.

Das wenigstens eine zweite Reservoir, an welches die thermi ^¬ sche Energie abgegeben wird, kann eine Temperatur von größer 70 °C aufweisen. Die Hochtemperaturwärmepumpe kann zum Errei ^¬ chen hoher Temperaturen bei niedrigem Druck transkritisch be trieben werden. Die Verdichtung des Arbeitsmediums kann mehr stufig, insbesondere zweistufig erfolgen.

Das gasförmige Arbeitsmedium kann stark überhitzt werden, da mit jeweils die Verdichtung vor einem Nassdampfgebiet des Hochtemperaturwärmetauschers vollständig abgeschlossen ist. Die Überhitzung kann durch einen Economiser erfolgen, insbesondere mit einer Wärmeübertragung der Wärme am Ende eines Hochdruckwärmeüberträgers bzw. des Kondensators auf den Aus ^¬ gang des Arbeitsmediums am Verdampfer.

Die mit dem Verfahren zur Verwendung eines Arbeitsmediums in einer Hochtemperaturwärmepumpe verbundenen Vorteile sind ana log den Vorteilen, welche zuvor im Bezug auf die Hochtempera turwärmepumpe beschrieben wurden.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit vorteilhaften Weiterbildungen gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es wird in den Figuren dargestellt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemä ^¬ ßen Hochtemperaturwärmepumpe, und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Hochtemperaturwärmepumpe nach Fig. 1 mit zusätzlich mehrstufiger Verdichtung und Economiser. In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Ausfüh ^¬ rungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Hochtemperaturwärme ^¬ pumpe gezeigt. Die Hochtemperaturwärmepumpe umfasst einen Fluidkreislauf 1, in welchem ein Hydrofluorether oder Fluor- keton als Arbeitsmedium strömt. Der Hydrofluorether oder das Fluorketon ist ein Fluid, welches flüssig oder gasförmig vorliegen kann. Als Hydrofluorether kommen unter anderem Stoffe mit der chemischen Formel C _x F _y -0-C _m H _n , wobei x gleich 3, y gleich 7, m gleich 1 und n gleich 3 ist, oder x gleich 4, y gleich 9, m gleich 1 und n gleich 3 ist, oder x gleich 4, y gleich 9, m gleich 2 und n gleich 5 ist, oder x gleich 6, y gleich 13, m gleich 1 und n gleich 3 ist, in Frage oder Stoffe mit der chemischen Formel C ₃ F ₇ CF (OC ₂ H ₅ ) CF (CF ₃ ) ₂ ,

CH ₃ CHO ( CF2CFHCF ₃ ) 2 , oder als Fluorketon kommt ein Stoff mit der chemischen Formel CF3CF2C (0) CF (CF3) 2 in Frage. Es können auch andere Hydrofluorether oder Fluorketone mit geeigneten physikalischen Eigenschaften zur Bereitstellung von Wärme auf hohem Temperaturniveau verwendet werden.

Ein erstes Reservoir 2 steht in thermischem Kontakt mit einem Verdampfer 4. Ein zweites Reservoir 3 steht in thermischem Kontakt mit einem Kondensator 6 für das Arbeitsmedium. Das erste Reservoir 2 weist eine Temperatur ΤΊ auf, welche klei ^¬ ner ist als die Temperatur T2 des zweiten Reservoirs 3. Bei einem Hochtemperaturwärmetauscher kann die Temperatur T2 grö- ßer 70°C sein.

Im Verdampfer 4 nimmt bei einer Expansion des Arbeitsmediums das Arbeitsmedium Wärme auf, welche dem ersten Reservoir 2 entzogen wird. Ein gasförmiges Arbeitsmedium wird aus dem Verdampfer 4 durch einen Verdichter 5 angesaugt und komprimiert. Dadurch erhöht sich der Druck des Arbeitsmediums von einem Wert pi auf einen Wert p ₂ . Das Arbeitsmedium mit dem erhöhten Druck p ₂ vom Kompressor 5 strömt in einen Kondensator 6, wo es unter Abgabe von Wärme an das zweite Reservoir 3 verflüssigt wird. Dadurch wird Wärmemenge von dem ersten Re ^¬ servoir 2 mit einer niedrigeren Temperatur ΤΊ zu dem zweiten Reservoir 3 mit der höheren Temperatur T ₂ , unter Aufwendung von Arbeit durch den Kompressor 5, transportiert bzw. gepumpt. Das erste Reservoir 2 dient dabei als Wärmequelle und über den Kondensator 6 als Heizer wird dem zweiten Reservoir 3 Wärme zugeführt.

Das Arbeitsmedium vom Kondensator 6 kann mit hohem Druck p ₂ über ein Drosselventil 7 wieder in den Verdampfer 4 mit einem Druck pi strömen. Damit ist der Fluidkreislauf 1 geschlossen. Bei Verwendung von fluiddichten Einrichtungen 4, 5, 6, 7 und Verbindungen wie z.B. Rohren und Dichtungen, kann der Fluidkreislauf für das Arbeitsmedium abgeschlossen sein, so dass kein Arbeitsmedium an die Umwelt abgegeben wird bzw. verloren geht. Der Verdichter 5 in Form eines Kompressors erhöht den Druck des Arbeitsmediums von pi auf p ₂ und über die Drossel 7 in Form eines Expansionsventils wird der Druck von p ₂ auf pi verringert. Somit kann der Fluidkreislauf eingeteilt werden in eine Kaltseite mit niedrigem Druck pi, d.h. eine Niederdruckseite, und in eine Warmseite mit hohem Druck p ₂ , d.h. eine Hochdruckseite. Die Niederdruckseite umfasst den Ver ^¬ dampfer 4 und die Hochdruckseite umfasst den Kondensator 6.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, kann mit Hilfe eines Economi- sers 8 der Wirkungsgrad des Hochtemperaturwärmetauschers, d.h. das Verhältnis von gepumpter Wärmemenge zu aufgewendeter Arbeit zum Pumpen, z.B. in Form von mechanischer Arbeit des Kompressors 5, verbessert werden. Der Economiser 8 kann als Wärmetauscher ausgeführt sein, welcher Wärmemenge vom flüssigen Arbeitsmedium am Ausgang des Kondensators 6 aufnimmt und an das gasförmige Arbeitsmedium am Ausgang des Verdampfers 4 abgibt. Dadurch kann eine Überhitzung des gasförmigen Arbeitsmediums erreicht werden, womit eine Verdichtung in das Nassdampfgebiet des Kondensators 6 sichergestellt werden kann .

Eine Erhöhung der Leistungszahl, dem Verhältnis von gewonnener Nutzwärme zur eingesetzten Antriebsenergie, des Hochtem ^¬ peraturwärmetauschers ist möglich durch Verwendung einer mehrstufigen statt einer einstufigen Verdichtung des Arbeitsmediums .

Durch die Verwendung von Hydrofluorether oder Fluorketon als Arbeitsmedium bzw. Fluid in dem erfindungsgemäßen Hochtemperaturwärmetauscher und Verfahren ist ein sicheres, umweltschonendes und effektives Pumpen von Wärme aus dem ersten Re ^¬ servoir 2 mit niedriger Temperatur ΤΊ in das zweite Reservoir 3 mit hoher Temperatur T ₂ möglich.

Hydrofluorether und Fluorketon sind nicht brennbar und somit sicher, z.B. in Prozessen mit hoher Temperatur und beim Verdichten, zu verwenden. Hydrofluorether und Fluorketon sind umweltfreundlich, da kein Beitrag zur globalen Erwärmung oder zur Vergrößerung des Ozonlochs durch diese Stoffklasse er ^¬ folgt. Die bekannten Hydrofluorether und Fluorketon haben höhere kritische Temperaturen als z.B. Kohlendioxid, wodurch ein Großteil der aufgenommenen Wärmemenge nach der Verdichtung wieder abgegeben werden kann. Mit Hydrofluorether und/oder Fluorketon können Hochtemperaturwärmepumpen zum Erreichen sehr hoher Temperaturen transkritisch betrieben werden, wodurch nur moderate Drücke notwendig sind, z.B. kleiner als bei Verwendung von Kohlendioxid. Somit weisen erfindungs ^¬ gemäße Hochtemperaturwärmetauscher und Verfahren unter Verwendung von Hydrofluorether und/oder Fluorketon eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik auf, wo typische Arbeitsmedien Butan, Pentan oder Kohlendioxid umfassen. Die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele sind untereinander und mit Ausführungsbeispielen aus dem Stand der Technik kombinierbar .