Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmepumpe zur Erzeugung von Prozesswärme sowie ein System zur Erzeugung von Prozesswärme mit der Wärmepumpe. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Erzeugung von Prozesswärme und ein Steuergerät, das eine Wärmepumpe zur Durchführung des Verfahrens steuern oder regeln kann.

Die Technologie von Wärmepumpen ist allgemein bekannt. So werden Wärmepumpen dazu eingesetzt, unter Aufwendung von mechanischer Arbeit thermische Energie aus einem ersten externen Medium (z.B. der Umgebungsluft oder Flüssigkeiten) aufzunehmen und in Addition mit der, für die mechanische Arbeit aufgewendeten, Antriebsenergie als Nutzenergie oder Nutzwärme auf ein zweites externes Medium zu übertragen. Das zweite externe Medium stellt dabei ein zu beheizendes Medium dar. Bei der Implementierung einer solchen Wärmepumpe in einem System zur Erzeugung von Nutz- bzw. Prozesswärme, beispielsweise in einer Erdwärmeanlage, kann das erste externe Medium bspw. von im Erdgestein enthaltenen Flüssigkeiten bereitgestellt werden. In Industrieprozessen können beispielsweise auch warme Abgase oder Prozessflüssigkeiten als erstes externes Medium dienen.

Derzeit werden Wärmepumpen insbesondere zum Beheizen von Gebäuden eingesetzt. Jedoch sind derweil auch Anwendungen bekannt geworden, in denen Wärmepumpen zur Erzeugung von für industrielle Prozesse benötigter Wärme genutzt werden. Als beispielhafte industrielle Verfahren seien Dampferzeugung, Trocknungsvorgänge, Sterilisationsprozesse, Destillationsprozesse, Kochprozesse oder industrielle Wärmeverteilungsvorgänge genannt. Solche Verfahren erfordern eine mitunter hohe Prozesstemperaturen von weit über 100 °C.

Zugleich werden im industriellen Kontext hohe Anforderungen an die Effizienz und die erreichbare thermische Gesamtleistung der Wärmepumpe gestellt. Auch ein geringer Aufwand bzw. geringe Kosten für die Wärmepumpe als solche stellen eine wichtige Anforderung in der Industrie dar.

Aus der DE 10 2011 086 476 Al ist beispielsweise eine Hochtemperaturwärmepumpe bekannt, die einen Fluidkreislauf zum Aufnehmen von thermischer Ener- gie durch das Fluid aus einem ersten Reservoir unter Aufwendung von technischer Arbeit und zur Abgabe von thermischer Energie durch das Fluid an ein zweites Reservoir zum Heizen des zweiten Reservoirs aufweist.

Eine weitere Hochtemperaturwärmepumpe ist in der DE 10 2012 015 647 Al beschrieben, welche zusammengesetzt ist aus einem Verdichter, einem Quellen- und einem Nutzwärmeübertrager, einem inneren Wärmeübertrager sowie einem Regelventil und Hilfsaggregaten.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Wärmepumpe vorzuschlagen, die eine hohe Effizienz sowie eine hohe thermische Gesamtleistung bietet und zugleich mit geringem Aufwand realisierbar ist.

Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche 1, 6, 8 und 15 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merkmalen und weiterhin aus der vorliegenden Offenbarung als Ganzes.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Wärmepumpe zur Erzeugung von Prozesswärme umfassend einen geschlossenen Arbeitsmittel-Kreislauf der dazu ausgebildet ist, ein fluides Arbeitsmittel in einer Zirkulationsrichtung zu führen und in welchem die unter a) bis d) genannten Einheiten in der Zirkulationsrichtung fluidtechnisch in Reihe geschaltet sind: a) eine Verdampfungseinheit die dazu ausgebildet ist, thermische Energie von einem ersten externen Medium an das fluide Arbeitsmittel zu übertragen und das fluide Arbeitsmittel von einem flüssigen Aggregatszustand in einen gasförmigen Aggregatszustand zu überführen; b) eine Verdichtungseinheit die dazu ausgebildet ist, das fluide Arbeitsmittel im gasförmigen Aggregatszustand unter Druck- und Temperaturerhöhung zu verdichten; c) eine Kondensatoreinheit die dazu ausgebildet ist, thermische Energie von dem verdichteten fluiden Arbeitsmittel an ein zweites externes Medium zu übertragen und das verdichtete fluide Arbeitsmittel von dem gasförmigen Aggregatszustand in den flüssigen Aggregatszustand zu überführen; und d) eine Expansionseinheit die dazu ausgebildet ist, das verdichtete fluide Arbeitsmittel im flüssigen Aggregatszustand unter Druck- und Temperaturverringerung zu entspannen.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass fluidtechnisch zwischen der Kondensatoreinheit und der Expansionseinheit eine Wärmeübertragereinheit im Arbeitsmittel-Kreislauf integriert ist, die dazu ausgebildet ist, thermische Energie von dem verdichteten fluiden Arbeitsmittel im flüssigen Aggregatszustand an ein drittes externes Medium zu übertragen.

Mit anderen Worten ausgedrückt wird also eine Wärmepumpe bereitgestellt, bei der zwei Wärmesenken vorhanden sind. Als Wärmesenke wird ein räumlich begrenzter Bereich, beispielsweise ein Körper, bezeichnet, der in ihm gespeicherte oder ihm zugeführte thermische Energie an ein angrenzendes Medium nicht rückholbar abgibt. Die zwei Wärmesenken werden bei der erfindungsgemäßen Wärmepumpe durch die Kondensatoreinheit und die Wärmeübertragereinheit bereitgestellt: So wird beim bestimmungsgemäßen Gebrauch der Wärmepumpe in der Kondensatoreinheit thermische Energie frei, infolge eines Phasenwechsels des Arbeitsmittels vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatszustand beim Kondensieren. Diese in der Thermodynamik auch als Wärme bezeichnete Energie wird an das zweite externe Medium abgegeben, das an die Kondensatoreinheit angrenzt bzw. wenn es diese durchströmt. Da das zweite externe Medium bestimmungsgemäß eine geringere Temperatur hat als das Arbeitsmittel, kann die übertragene Wärme nicht zurückgeholt werden (erste Wärmesenke) und steht im zweiten externen Medium als Nutz- bzw. Prozesswärme zur Verfügung. Ferner wird beim bestimmungsgemäßen Gebrauch der Wärmepumpe thermische Energie von dem verflüssigten Arbeitsmittel an das dritte externe Medium übertragen, das an die Wärmeübertragereinheit angrenzt bzw. wenn es diese durchströmt. Da das dritte externe Medium bestimmungsgemäß eine geringere Temperatur hat als das Arbeitsmittel, kann auch diese Wärme nicht zurückgeholt werden (zweite Wärmesenke) und steht im dritten externen Medium als zusätzliche Nutz- bzw. Prozesswärme zur Verfügung.

Die Wärmepumpe der Erfindung bietet somit den Vorteil, dass die nach der Kondensation noch in dem heißen flüssigen Arbeitsmittel enthaltene Wärme an der Wärmeübertragereinheit zusätzlich als Nutzwärme zur Verfügung steht. Beispielsweise kann die an der Kondensatoreinheit gewonnene Nutzwärme zunächst zur direkten Dampferzeugung mit dem zweiten externen Medium genutzt werden und die an der Wärmeübertragereinheit zusätzlich gewonnene Nutzwärme kann zur Erzeugung von Dampf oder zur Erhitzung einer Flüssigkeit genutzt werden. Die Wärmepumpe der Erfindung eignet sich besonders gut zur Erzeugung von Prozesswärme für Prozesse, die auf unterschiedlichen Temperaturniveaus ablaufen. Hierbei kann das zweite externe Medium bevorzugt für einen Prozess auf höherem Temperaturniveau verwendet werden und das dritte externe Medium für einen Prozess auf relativ geringerem Temperaturniveau.

Durch all dies wird die über die Verdichtungseinheit zugeführte Energie, beispielsweise elektrische Energie, besser zur Gewinnung von Nutzwärme ausgebeutet. Dies erhöht die Effizienz der erfindungsgemäßen Wärmepumpe signifikant und ermöglicht insgesamt eine hohe Nutzwärmeleistung. Zugleich wird die technische Komplexität der erfindungsgemäßen Wärmepumpe geringgehalten, was den Aufwand reduziert. Dies gilt auch für die nachträglich Modifikation einer konventionellen Wärmepumpe ohne die erfindungsgemäße Wärmeübertragereinheit. Aus alle dem ergibt sich ein äußerst gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis.

Zu den verwendeten Begrifflichkeiten sei angemerkt, dass „fluidtechnisch in Reihe" funktional auszulegen ist. Das bedeutet, die betreffenden Einheiten können, müssen aber nicht direkt miteinander verbunden sein. Sie werden jedoch von dem Arbeitsmittel nacheinander durchlaufen. Bezüglich der genannten Aggregatszustände des Arbeitsmittels kann bei einem flüssigen Aggregatzustand auch von flüssigem Arbeitsmittel und bei einem gasförmigen Aggregatszustand auch von gasförmigem bzw. dampfförmigem Arbeitsmittel gesprochen werden. Grundsätzlich gilt gemäß dem fachmännischen Verständnis, dass diese Aggregatszustände nicht immer in Reinform vorliegen. So können in flüssigem Arbeitsmittel Anteile oder Reste von gasförmigem Arbeitsmittel enthalten sein sowie umgekehrt. Zulässige Toleranzen diesbezüglich ergeben sich aus dem allgemein bekannten Funktionsprinzip einer Wärmepumpe und der vorliegend offenbarten technischen Lehre. Die Verdampfungseinheit, die Kondensatoreinheit und die Wärmeübertragereinheit können vorzugsweise jeweils einen Wärmeübertrager umfassen oder als solche ausgebildet sein. Jede dieser Einheiten kann vorzugsweise von dem mit ihr korrespondierenden externen Medium durchströmt werden.

Vorzugsweise ist der geschlossenen Arbeitsmittel-Kreislauf der Wärmepumpe mit dem fluiden Arbeitsmittel befüllt.

Die Verdichtungseinheit dient der Verdichtung bzw. Komprimierung des gasförmigen Arbeitsmittels unter Erhöhung des Drucks und der Temperatur. Die Verdichtungseinheit kann demnach auch als Kompressor bezeichnet werden. Das gasförmige Arbeitsmittel wird in der Verdichtungseinheit durch Verrichtung von mechanischer Arbeit von einem geringeren auf ein höheres Druckniveau gebracht, wobei die Kompression gleichzeitig zu einem Temperaturanstieg im Arbeitsmittel führt. Hierzu kann die Verdichtungseinheit vorzugsweise einen Antrieb zur Bereitstellung der mechanischen Arbeit umfassen. Dabei kann es sich bevorzugt um einen Elektromotor handeln, der elektrische Energie in mechanische Arbeit wandelt.

Die Verdichtungseinheit ist vorzugsweise dazu ausgebildet, die Zirkulation des Arbeitsmittels anzutreiben. Das in der Verdampfungseinheit verdampfte Arbeitsmittel kann beispielsweise durch die Verdichtungseinheit angesaugt, verdichtet und unter Druck ausgegeben werden. Die Triebkraft der Arbeitsmittel-Zirkulation umfasst in diesem Beispiel an einer Eingangsseite der Verdichtungseinheit eine Saugkraft und an einer Ausgangsseite eine Druckkraft.

Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Varianten von Verdichtungseinheiten in Wärmepumpen bekannt. Diese umfassen beispielsweise Hubkolben-, Rollkolben-, Schrauben-, Turbo-, Flügelzellen-, Drehkolben- oder Scrollverdichter. Für die erfindungsgemäß Wärmepumpe kommen vorzugsweise Hubkolbenverdichter in Betracht, insbesondere Hubkolbenverdichter mit einer Mehrzahl von Kolben-Zylindereinheiten. Solche Verdichter bieten beim Einsatz in Hochtemperaturwärmepumpen mit großen Druckdifferenzen eine besonders hohe Energieeffizienz sowie mechanische Stabilität. Die Expansionseinheit kann bevorzugt ein Expansionsventil umfassen, welches auch als Drossel oder Drosselventil bezeichnet werden kann. Die Expansionseinheit stellt aus physikalischer Sicht einen Strömungswiderstand für das Arbeitsmittel dar, welches sich beim Durchströmen der Expansionseinheit entspannt.

In bevorzugter Ausgestaltung der Wärmepumpe der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmeübertragereinheit eine Unterkühlungseinheit umfasst. Die Unterkühlungseinheit ist dazu ausgebildet, das verflüssigte Arbeitsmittel in thermischer Wechselwirkung mit dem dritten externen Medium abzukühlen. Dabei können auch etwaige Anteile oder Reste gasförmigen Arbeitsmittels nachkondensieren.

Die Unterkühlungseinheit führt zu einer deutlich verbesserten Ausnutzung der im Arbeitsmittel gespeicherten Wärme bzw. Restwärme nach der Kondensatoreinheit.

In bevorzugter Ausgestaltung der Wärmepumpe der Erfindung ist ein Regelorgan vorgesehen, das dazu ausgebildet ist, die Leistung an der Wärmeübertragereinheit einzustellen. Das Regelorgan kann beispielsweise der Einstellung des Volumenstroms des dritten externe Mediums durch die Wärmeübertragereinheit dienen. Auch kann das Regelorgan oder auch ein weiteres Regelorgan der Einstellung des Volumenstroms des Arbeitsmittels durch die Wärmeübertragereinheit dienen.

Grundsätzlich wird mit dem Regelorgan die Wärmeübertragung vom Arbeitsmittel an das dritte externe Medium reguliert. Somit kann der Betrieb der Wärmepumpe der Erfindung optimal auf die internen Abläufe der Wärmepumpe einerseits und den mit dem dritten externen Medium realisierten Prozesse andererseits eingestellt werden.

In bevorzugter Ausgestaltung der Wärmepumpe der Erfindung ist vorgesehen, dass fluidtechnisch zwischen der Kondensatoreinheit und der Wärmeübertragereinheit eine Arbeitsmittel-Sammeleinheit vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, das fluide Arbeitsmittel im flüssigen Aggregatszustand von noch vorhandenem fluiden Arbeitsmittel im gasförmigen Aggregatszustand zu trennen und das fluide Arbeitsmittel im flüssigen Aggregatszustand in Richtung der Wärmeübertragereinheit weiterzuleiten.

Auf diese Weise können beispielsweise die oben angesprochenen Reste von gasförmigem Arbeitsmittel abgeschieden werden. Diese können beispielsweise auch erneut der Kondensatoreinheit zugeführt werden. Ferner kann die Arbeitsmittel- Sammeleinheit dazu ausgebildet sein, Schmiermittel- bzw. Ölrückstände (bspw. von der Verdichtungseinheit) von dem Arbeitsmittel abzuscheiden.

In bevorzugter Ausgestaltung der Wärmepumpe der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Wärmerückführungseinheit fluidtechnisch derart im Arbeitsmittel- Kreislauf vorgesehen und ausgebildet ist, thermische Energie von dem verdichteten fluiden Arbeitsmittel im flüssigen Aggregatszustand, wenn dieses von der Kondensatoreinheit in Richtung der Expansionseinheit strömt, an das fluide Arbeitsmittel im gasförmigen Aggregatszustand zu übertragen, wenn diese von der Verdampfungseinheit in Richtung der Verdichtungseinheit strömt.

Auf diese Weise kann zusätzlich Wärme aus dem Wärmepumpenprozess an das verdampfte Arbeitsmittel rückgeführt werden.

Die Wärmerückführungseinheit umfasst vorzugsweise einen Wärmeübertrager, der weiterhin bevorzugt einen Rekuperator oder Sauggaswärmeübertrager umfassen kann. Der Begriff des Sauggaswärmeübertragers impliziert, dass dieser zwischen der Verdampfungseinheit und der Verdichtungseinheit angeordnet ist und dass durch den Sauggaswärmeübertrager strömendes gas- bzw. dampfförmiges Arbeitsmittel in Richtung der Verdichtungseinheit gesogen wird.

Es ergibt sich ein besonders vorteilhafter synergetischer Effekt zwischen der Wärmerückführungseinheit und dem zuvor beschriebenen Regelorgan der Wärmeübertragereinheit. Das Regelorgan kann nämlich dazu verwendet werden, das Temperaturniveau des flüssigen Arbeitsmittels nach dem Durchlaufen der Wärmeübertragereinheit so einzustellen, dass es hinreichend oberhalb des Temperaturniveaus des verdampften Arbeitsmittels liegt, welches auf dem Weg zur Verdichtungseinheit in die Wärmerückführungseinheit eintritt. Somit wird sicherge- stellt, dass das flüssige Arbeitsmittel stets noch heiß genug ist, um Wärme an das dampfförmige Arbeitsmittel zu übertragen.

Dies ist auch besonders vorteilhaft für das Hochfahren der Wärmepumpe, solange der Arbeitsmittel-Kreislauf noch nicht vollständig auf Betriebstemperatur erwärmt ist. Um beispielsweise eine Überhitzung des verdampften Arbeitsmittels in der Wärmerückführungseinheit sicherzustellen, kann während der Anlaufphase der Wärmepumpe die Zufuhr des dritten externen Mediums mit dem Regelorgan reduziert oder gesperrt werden, damit das flüssige Arbeitsmittel seine Wärme für den Prozess der Unterkühlung an der Wärmerückführungseinheit behält.

Zur Integration der Wärmerückführungseinheit sind vorzugsweise ein zwischen der Verdampfungseinheit und der Verdichtungseinheit angeordneter Dampfleitungsabschnitt des Arbeitsmittel-Kreislaufs und ein zwischen der Kondensatoreinheit und der Expansionseinheit angeordneter Flüssigkeitsleitungsabschnitt des Arbeitsmittel-Kreislaufs durch die Wärmerückführungseinheit geführt. Besonders bevorzugt ist der Flüssigkeitsleitungsabschnitt zwischen der Arbeitsmittel-Sammeleinheit und der Expansionseinheit angeordnet. Besonders bevorzugt ist der Flüssigkeitsleitungsabschnitt zwischen der Wärmeübertragereinheit und der Expansionseinheit angeordnet.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein System zur Erzeugung von Prozesswärme umfassend:

- eine erfindungsgemäße Wärmepumpe gemäß der vorliegenden Offenbarung;

- ein fluides Arbeitsmittel, das sich in einem geschlossenen Arbeitsmittel- Kreislauf der Wärmepumpe befindet;

- ein Reservoir eines ersten externen Mediums, das fluidtechnisch mit einer Verdampfungseinheit der Wärmepumpe verbunden ist;

- ein Reservoir eines zweiten externen Mediums, das fluidtechnisch mit einer Kondensatoreinheit der Wärmepumpe verbunden ist;

- ein Reservoir eines dritten externen Mediums, das fluidtechnisch mit einer Wärmeübertragereinheit der Wärmepumpe verbunden ist; und

- ein Steuergerät, das zumindest mit einer Verdichtungseinheit der Wärmepumpe wirkverbunden ist. Als Reservoir der externen Medien kommt grundsätzlich jede Einheit in Betracht, die das entsprechende Medium enthalten bzw. bereitstellen kann. Insbesondere kommt als Reservoir des ersten externen Mediums eine Wärmequelle in Betracht, die das Medium enthält. Als Beispiel wäre hier der Erdboden zu nennen, der warme Flüssigkeiten enthalten kann. Es kommen aber auch Reservoire aus Industrieprozessen in Betracht, die beispielsweise warme Abgase oder warme Prozessflüssigkeiten enthalten. Als Reservoir des zweiten und dritten externen Mediums kommen grundsätzlich Schnittstellen von Prozessen in Betracht, in denen die Nutzwärme der Wärmepumpe verwendet werden soll. Als Beispiele wären hier dampfbetriebene Kraft- oder Wärmeprozesse zu nennen, beispielsweise der Betrieb eines Dampfkolbens, Trocknungsvorgänge, Sterilisationsprozesse, Destillationsprozesse, Kochprozesse oder industrielle Wärmeverteilungsvorgänge.

Die externen Medien können gleich oder unterschiedlich sein. Auch können das zweite und dritte Medium aus demselben oder unterschiedlichen Reservoiren stammen.

Bevorzugt können das erste externe Medium und/oder das zweite externe Medium und/oder das dritte externe Medium Wasser umfassen oder Wasser sein. Wasser kann auch als Wasserdampf vorliegen.

Als fluides Arbeitsmittel eignen sich fluide Stoffe oder Stoffgemische, die aufgrund ihrer thermodynamischen Eigenschaften bei relativ geringer Temperatur verdampfen und sich durch Verdichtung (Kompression) auf eine höhere Temperatur anheben lassen. Als in der erfindungsgemäßen Wärmepumpe zum Einsatz kommende Arbeitsmittel eignen sich insbesondere Kohlenwasserstoffe (HC Arbeitsmittel), Hydrofluoro-Olefine (HFO Arbeitsmittel) oder Hydrochlo- ro-Fluoroolefine (HCFO Arbeitsmittel). Bei den HFO Arbeitsmitteln eignen sich insbesondere jene Stoffe mit einem GWP-Wert (Global Warming Potential) von weniger als 25. Vorzugsweise kommen R1336mzz-Z, R1336mzz-E, R1233zd, R1224yd, Butan, Pentan oder ähnliche Stoffe als Arbeitsmittel in Betracht.

Das Steuergerät kann ausgebildet sein, sowohl Steuerungs- als auch Regelungsvorgänge auszuführen. Zur Vereinfachung wird hierin nicht scharf zwischen den Begriffen „Steuerung" und „Regelung" unterschieden. Dem Fachmann ist generell selbstverständlich, dass er Messmittel sowie Signalleitungs- oder Signalverarbeitungsmittel nach Bedarf in der Wärmepumpe bzw. dem System der Erfindung vorsehen kann. Dies kann beispielsweise zur Realisierung von Regelungsvorgängen oder auch für reine Kontrollfunktionen erforderlich sein. Exemplarische wichtige Messgrößen zur Regelung und Kontrolle der Wärmepumpe umfassen Temperaturen und Drücke.

Das Steuergerät ist vorzugsweise mit einer Energieversorgungseinheit wirkver- bunden oder mit dieser integriert. Die Energieversorgungseinheit kann beispielsweise elektrische Energie liefern, um beispielsweise einen Elektromotor der Verdichtungseinheit zur versorgen. Das Steuergerät wiederum kann beispielsweise eine Drehzahl der Verdichtungseinheit steuern. Das Steuergerät kann aber auch andere Elemente des Systems der Erfindung steuern oder kontrollieren, beispielsweise das Regelorgan, die Expansionseinheit oder weitere Elemente wie etwa Ventile oder Sensoren.

Die Wärmeübertragereinheit, insbesondere als Unterkühlungseinheit, kann auch eine separate Steuerung mit ähnlichen Funktionsmöglichkeiten aufweisen. Es ist auch möglich, diese separate Steuerung dem oben beschriebenen Steuergerät unterzuordnen. Grundsätzlich kann auf zentrale oder dezentrale Steuerungsarchitekturen zurückgegriffen werden. Dies gilt auch im Kontext mit den externen Prozessen, in denen mit der Wärmepumpe (Erd-)Wärme bezogen oder die erzeugte (industrielle) Nutzwärme eingesetzt werden soll, sodass die Wärmepumpe bzw. das System steuerungstechnisch in diese Prozesse eingebettet werden kann.

Die Steuerungsvorgänge im erfindungsgemäßen System sind vorzugsweise dahingehend ausgelegt, dass in der Verdichtungseinheit stets die Aufnahme einer ausreichenden Menge gasförmigen Arbeitsmittels sichergestellt ist und es während der Kompression nicht ungewollt in die flüssige Phase übergeht. Zudem sind die Steuerungsvorgänge vorzugsweise dahingehend ausgelegt, dass die Wärmeübertragereinheit, insbesondere als Unterkühlungseinheit, nur so viel Wärme an das dritte externe Medium überträgt, dass an der Wärmerückführungseinheit noch ein ausreichend hohes Temperaturniveau vorliegt. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Prozesswärme in dem in einem geschlossenen Arbeitsmittel-Kreislauf ein fluides Arbeitsmittel in einer Zirkulationsrichtung geführt wird und in welchem die unter a) bis d) genannten Schritte in der Zirkulationsrichtung sequentiell durchlaufen werden: a) Übertragung von thermischer Energie von einem ersten externen Medium an das fluide Arbeitsmittel und Überführung des fluiden Arbeitsmittels von einem flüssigen Aggregatszustand in einen gasförmigen Aggregatszustand; b) Verdichtung des fluiden Arbeitsmittels im gasförmigen Aggregatszustand unter Druck- und Temperaturerhöhung; c) Übertragung von thermischer Energie von dem verdichteten fluiden Arbeitsmittel an ein zweites externes Medium und Überführung des verdichteten fluiden Arbeitsmittels von dem gasförmigen Aggregatszustand in den flüssigen Aggregatszustand; und d) Entspannung des verdichteten fluiden Arbeitsmittels im flüssigen Aggregatszustand unter Druck- und Temperaturverringerung.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zwischen den Schritten c) und d) eine Übertragung thermischer Energie von dem verdichteten fluiden Arbeitsmittel im flüssigen Aggregatszustand an ein drittes externes Medium erfolgt (Schritt c")-

In dem Verfahren der Erfindung können vorzugsweise eine erfindungsgemäße Wärmepumpe und/oder ein erfindungsgemäßes System gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet werden.

Mit Hinblick auf mögliche Ausgestaltungen oder den Betrieb der erfindungsgemäßen Wärmepumpe bzw. des erfindungsgemäßen Systems wird angemerkt, dass alle in der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens offenbarten Merkmale mit Vorrichtungsbezug (bspw. Struktur, Eigenschaften, mögliche Prozessparameter) auch als eigenständige mögliche Merkmale der Wärmepumpe bzw. des Systems offenbart werden. Analog werden etwaige in Bezug auf die erfindungsgemäße Wärmepumpe oder das erfindungsgemäße System offenbarten Merkmale mit Verfahrensbezug (bspw. Prozessparameter, Schrittfolgen, Effekte, verwendete Mittel) auch als eigenständige Merkmale möglicher Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens offenbart. Mit Hinblick auf die oben genannten Verfahrensschritte bezieht sich „sequentiell" auf eine Betrachtung eines über das Verfahren hinweg verfolgten Volumenelements des fluiden Arbeitsmittels. Die Schritte laufen bevorzugt natürlich kontinuierlich und parallel zueinander ab, während das fluide Arbeitsmittel durch den Arbeitsmittel- Kreislauf zirkuliert.

In bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung ist vorgesehen, dass das verdichtete fluide Arbeitsmittel im flüssigen Aggregatszustand bei der Übertragung der thermischen Energie an das dritte externe Medium unterkühlt wird.

In bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leistung zur Übertragung der thermischen Energie von dem verdichteten fluiden Arbeitsmittel im flüssigen Aggregatszustand an das dritte externe Medium eingestellt wird. Vorzugsweise wird die Leistung gesteuert, besonders bevorzugt geregelt.

In bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung ist vorgesehen, dass nach Schritt c) und bevor das fluide Arbeitsmittel die thermische Energie an das dritte externe Medium überträgt eine Trennung des fluiden Arbeitsmittels im flüssigem Aggregatszustand von noch vorhandenem fluiden Arbeitsmittel im gasförmigen Aggregatszustand erfolgt und eine Weiterleitung des fluiden Arbeitsmittels zur Übertragung der thermischen Energie an das dritte externe Medium erfolgt (Schritt c')-

In bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen den Schritten c) und d) thermische Energie von dem verdichteten fluiden Arbeitsmittel im flüssigen Aggregatszustand an das fluide Arbeitsmittel im gasförmigen Aggregatszustand übertragen wird, welches sich zwischen den Schritten a) und b) befindet (Schritt a')-

In bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens eines der folgenden Temperaturniveaus erreicht wird:

- Temperatur des ersten externen Mediums zwischen 20 °C und 150 °C;

- Temperatur des zweiten externen Mediums zwischen 50 °C und 250 °C;

- Temperatur des dritten externen Mediums zwischen 40 °C und 200 °C. Wichtig ist, dass die Temperatur des ersten externen Mediums unterhalb der Temperatur des zweiten und dritten externen Mediums liegt. Gleichwohl muss die Temperatur des ersten externen Mediums oberhalb der Temperatur des in Schritt a) verdampften Arbeitsmittels liegen, vorzugsweise so weit oberhalb, dass das Arbeitsmittel effizient durch die vom ersten externen Medium gelieferte Wärmeenergie verdampft werden kann.

Innerhalb der genannten Temperaturniveaus können Nutzwärmeleistungen von mehr als 250 kW bereitgestellt werden, insbesondere sogar bis zu 5 MW.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Steuergerät, ausgebildet und eingerichtet zur Steuerung oder Regelung einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe und/oder eines erfindungsgemäßen Systems zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung.

Grundsätzlich gilt, dass alle Merkmale, die hierin mit Bezug auf eine bestimmte Ausführungsform offenbart werden, auch mit anderen Ausführungsformen der Erfindung kombinierbar sind. Dies gilt insbesondere auch auszugsweise für einzelne Merkmale, solange hierin nicht explizit darauf hingewiesen wird, dass zwischen bestimmten Merkmalen ein untrennbarer funktional-technischer Zusammenhang besteht, der zur Ausführung der Erfindung beibehalten werden muss.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und schematischen Zeichnungen exemplarisch erläutert. Hierbei zeigen:

Figur 1 ein System zur Erzeugung von Prozesswärme; und

Figur 2 ein T-H-Diagramm eines Verfahrens zur Erzeugung von Prozesswärme.

Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes System 10 zur Erzeugung von Prozesswärme, das eine erfindungsgemäße Wärmepumpe 12 umfasst. Die Wärmepumpe 12 ist innerhalb des Systems 10 durch ihre Systemgrenzen dargestellt. Die Wärmepumpe 12 zur Erzeugung von Prozesswärme umfasst einen geschlossenen Arbeitsmittel-Kreislauf 14 der dazu ausgebildet ist, ein fluides Arbeitsmittel 16 in einer Zirkulationsrichtung 18 zu führen. Das System 10 umfasst das fluide Arbeitsmittel 16, welches sich in dem geschlossenen Arbeitsmittel-Kreislauf 14 der Wärmepumpe 12 befindet.

In dem Arbeitsmittel-Kreislauf 14 sind die unter a) bis d) genannten Einheiten in der Zirkulationsrichtung 18 fluidtechnisch in Reihe geschaltet:

Der Arbeitsmittel-Kreislauf 14 umfasst a) eine Verdampfungseinheit 20, die dazu ausgebildet ist, thermische Energie von einem ersten externen Medium 22 an das fluides Arbeitsmittel 16 zu übertragen und das fluide Arbeitsmittel 16 von einem flüssigen Aggregatszustand 24 in einen gasförmigen Aggregatszustand 26 zu überführen.

Das System 10 umfasst hierzu ein Reservoir 28 des ersten externen Mediums 22, das fluidtechnisch mit der Verdampfungseinheit 20 der Wärmepumpe 12 verbunden ist.

Der Arbeitsmittel-Kreislauf 14 umfasst weiterhin b) eine Verdichtungseinheit 30, die dazu ausgebildet ist, das fluide Arbeitsmittel 16 im gasförmigen Aggregatszustand 26 unter Druck- und Temperaturerhöhung zu verdichten.

Der Arbeitsmittel-Kreislauf 14 umfasst weiterhin c) eine Kondensatoreinheit 32, die dazu ausgebildet ist, thermische Energie von dem verdichteten fluiden Arbeitsmittel 16 an ein zweites externes Medium 34 zu übertragen und das verdichtete fluide Arbeitsmittel 16 von dem gasförmigen Aggregatszustand 26 in den flüssigen Aggregatszustand 24 zu überführen.

Das System 10 umfasst hierzu ein Reservoir 36 des zweiten externen Mediums 34, das fluidtechnisch mit der Kondensatoreinheit 32 der Wärmepumpe 12 verbunden ist. Der Arbeitsmittel-Kreislauf 14 umfasst weiterhin d) eine Expansionseinheit 38, die dazu ausgebildet ist, das verdichtete fluide Arbeitsmittel 16 im flüssigen Aggregatszustand 24 unter Druck- und Temperaturverringerung zu entspannen.

In der Wärmepumpe 12 ist vorgesehen, dass fluidtechnisch zwischen der Kondensatoreinheit 32 und der Expansionseinheit 38 eine Wärmeübertragereinheit 40 im Arbeitsmittel-Kreislauf 14 integriert ist, die dazu ausgebildet ist, thermische Energie von dem verdichteten fluiden Arbeitsmittel 16 im flüssigen Aggregatszustand 24 an ein drittes externes Medium 42 zu übertragen. Bevorzugt umfasst die Wärmeübertragereinheit 40 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Unterkühlungseinheit 44.

Das System 10 umfasst ein Reservoir 46 des dritten externen Mediums 42, das fluidtechnisch mit der Wärmeübertragereinheit 40 der Wärmepumpe 12 verbunden ist.

Bevorzugt weist die Wärmepumpe 12 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Regelorgan 48 auf. Das Regelorgan 48 ist dazu ausgebildet, die Leistung an der Wärmeübertragereinheit 40 einzustellen. Beispielsweise kann das Regelorgan 48 als Ventil ausgebildet sein, welches einen Volumenstrom des dritten externen Mediums 42 durch die Wärmeübertragereinheit 40 einstellt.

In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist bevorzugt vorgesehen, dass fluidtechnisch zwischen der Kondensatoreinheit 32 und der Wärmeübertragereinheit 40 eine Arbeitsmittel-Sammeleinheit 50 vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, das fluide Arbeitsmittel 16 im flüssigem Aggregatszustand 24 von gegebenenfalls noch vorhandenen Resten fluiden Arbeitsmittels 16 im gasförmigen Aggregatszustand 26 zu trennen und das fluide Arbeitsmittel 16 im flüssigen Aggregatszustand 24 in Richtung der Wärmeübertragereinheit 40 weiterzuleiten.

Weiterhin bevorzugt ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Wärmerückführungseinheit 52 fluidtechnisch derart im Arbeitsmittel-Kreislauf 14 vorgesehen und ausgebildet, dass thermische Energie von dem verdichteten fluiden Arbeitsmittel 16 im flüssigen Aggregatszustand 24, wenn dieses von der Kondensatoreinheit 32 in Richtung der Expansionseinheit 38 strömt, an das fluide Arbeits- mittel 16 im gasförmigen Aggregatszustand 26 übertragbar ist, wenn diese von der Verdampfungseinheit 20 zur Verdichtungseinheit 30 strömt.

Zum Betrieb der Wärmepumpe 12 umfasst das System 10 ein Steuergerät 54, das zumindest mit der Verdichtungseinheit 30 der Wärmepumpe 12 wirkverbun- den ist. Das Steuergerät 54 ist ausgebildet und eingerichtet zur Steuerung oder Regelung der Wärmepumpe 12, um ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erzeugung von Prozesswärme durchzuführen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel steuert das Steuergerät 54 weiterhin auch das Regelorgan 48 über entsprechende Signale 56.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von Prozesswärme wird nun anhand eines zugehörigen T-H-Diagramms erläutert, das in Figur 2 gezeigt ist. Es sei angemerkt, dass das Verfahren aus rein illustrativen Gründen unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel des Systems 10 aus Figur 1 erläutert wird. Es ist jedoch grundsätzlich auch mit anderen, als den darin exemplarisch beschriebenen technischen Mitteln ausführbar, sofern diese Mittel eine Durchführung der im Folgenden erläuterten Schritte ermöglichen:

Rein exemplarisch handelt es sich in diesem Ausführungsbeispiel bei dem ersten 22, zweiten 34 und dritten 42 externe Medium jeweils um Wasser.

In dem Verfahren zur Erzeugung von Prozesswärme wird das fluide Arbeitsmittel 16 in der Zirkulationsrichtung 18 in dem Arbeitsmittel-Kreislauf 14 geführt. Hierbei werden die unter a) bis d) genannten Schritte in der Zirkulationsrichtung 18 sequentiell durchlaufen:

Zunächst erfolgt in einem Schritt a) eine Übertragung von thermischer Energie von dem ersten externen Medium 22 an das fluide Arbeitsmittel 16 und eine Überführung des fluiden Arbeitsmittels 16 von dem flüssigen Aggregatszustand 24 in den gasförmigen Aggregatszustand 26. Dies wird exemplarisch unter Verwendung der in Figur 1 dargestellten Verdampfungseinheit 20 erreicht. Aus Figur 2 ist ersichtlich, dass die Enthalpie H des Arbeitsmittels 16 hierbei stark ansteigt, während die Temperatur T konstant bleibt. Optional wird nun in diesem Beispiel in einem Schritt a') mit Arbeitsmittel 16 im gasförmigen Aggregatszustand 26, der parallel zwischen den später noch erklärten Schritten c) und d) anknüpft, thermische Energie von verdichtetem fluiden Arbeitsmittel 16 im flüssigen Aggregatszustand 24 an das fluide Arbeitsmittel 16 im gasförmigen Aggregatszustand 26 übertragen, welches sich gerade zwischen dem soeben durchlaufenden Schritt a) und dem folgenden Schritt b) befindet. Die Übertragung der thermischen Energie wird exemplarisch unter Verwendung der in Figur 1 dargestellten Wärmerückführungseinheit 52 erreicht. Aus Figur 2 ist ersichtlich, dass die Enthalpie H wie auch die Temperatur T in Schritt a') ansteigen.

Im nun folgenden Schritt b) erfolgt eine Verdichtung des fluiden Arbeitsmittels 16 im gasförmigen Aggregatszustand 26 unter Druck- und Temperaturerhöhung. Die Verdichtung wird exemplarisch unter Verwendung der in Figur 1 dargestellten Verdichtungseinheit 30 erreicht. Aus Figur 2 ist ersichtlich, dass die Enthalpie H wie auch die Temperatur T hierbei stark ansteigen.

In einem Schritt c) erfolgt dann eine Übertragung von thermischer Energie von dem verdichteten fluiden Arbeitsmittel 16 an ein zweites externes Medium 34 und eine Überführung des verdichteten fluiden Arbeitsmittels 16 von dem gasförmigen Aggregatszustand 26 in den flüssigen Aggregatszustand 24. Dies wird exemplarisch unter Verwendung der in Figur 1 dargestellten Kondensatoreinheit 32 erreicht. Aus Figur 2 ist ersichtlich, dass die Enthalpie H wie auch die Temperatur T zu Beginn von Schritt c) abfallen. Danach bleibt die Temperatur T während Schritt c) konstant und die Enthalpie H sinkt im Kondensationsprozess stark ab.

Nun folgt ein optionaler Schritt c'), der nach Schritt c) erfolgt jedoch vor dem später noch erklärten Schritt c")- In Schritt c') erfolgt eine Trennung des fluiden Arbeitsmittels 16 im flüssigem Aggregatszustand 24 von noch vorhandenem fluiden Arbeitsmittel 16 im gasförmigen Aggregatszustand 26, sofern dieses noch vorhanden ist. Danach erfolgt eine Weiterleitung des fluiden Arbeitsmittels 16. All dies wird exemplarisch unter Verwendung der in Figur 1 dargestellten Arbeitsmittel-Sammeleinheit 50 erreicht. Aus Figur 2 ist ersichtlich, dass die Enthalpie H wie auch die Temperatur T in Schritt c') konstant bleiben. Es ist weiterhin ein Schritt c") vorgesehen, der zwischen den Schritten c) und d) erfolgt. Hierbei findet eine Übertragung thermischer Energie von dem verdichteten fluiden Arbeitsmittel 16 im flüssigen Aggregatszustand 24 an ein drittes externes Medium 42 statt. Dies wird exemplarisch unter Verwendung der in Figur 1 dargestellten Wärmeübertragereinheit 40 erreicht. Aus Figur 2 ist ersichtlich, dass die Enthalpie H wie auch die Temperatur T in Schritt c") absinken. In diesem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das verdichtete fluide Arbeitsmittel 16 dabei unterkühlt wird. Insofern handelt es sich bei der Wärmeübertragereinheit 40 exemplarisch um eine Unterkühlungseinheit 44. Der Prozess der Unterkühlung bzw. die Wärmeleistung zur Übertragung der thermischen Energie von dem verdichteten fluiden Arbeitsmittel 16 an das dritte externe Medium 42 wird im vorliegenden Beispiel über das in Figur 1 gezeigte Regelorgan 48 eingestellt, das wieder exemplarisch von dem Steuergerät 54 kontrolliert und gesteuert wird.

Es folgt nun der Schritt a') auf der Seite des Arbeitsmittels 16 im flüssigen Aggregatszustand 24, der wie eingangs beschrieben zwischen den Schritten c) und d) anknüpft. Das die Wärmeübertragereinheit 40 im flüssigen Aggregatszustand 24 verlassende verdichtete fluide Arbeitsmittel 16 überträgt hier thermische Energie in der Wärmerückführungseinheit 52 an das fluide Arbeitsmittel 16 im gasförmigen Aggregatszustand 26, welches sich gerade zwischen den Schritten a) und b) befindet. Aus Figur 2 ist ersichtlich, dass die Enthalpie H wie auch die Temperatur ? in Schritt a') absinken.

Im nun folgenden Schritt d) erfolgt eine Entspannung des verdichteten fluiden Arbeitsmittels 16 im flüssigen Aggregatszustand 24 unter Druck- und Temperaturverringerung. Dies wird exemplarisch unter Verwendung der in Figur 1 dargestellten Expansionseinheit 38 erreicht. Aus Figur 2 ist ersichtlich, dass die Enthalpie H hierbei konstant bleibt, während die Temperatur ? stark absinkt.

Basierend auf dem beschriebenen Ausführungsbeispiel des Verfahrens sind konkrete Versuche durch die Anmelderin durchgeführt worden, deren Ergebnisse in der untenstehenden Tabelle zusammengefasst sind. Die Versuche I und III wurden mit konventionellen Systemen zur Erzeugung von Prozesswärme durchgeführt, deren Wärmepumpe nicht über eine zweite Wärmesenke verfügen. Die Versuche II (korrespondiert mit I) und VI (korrespondiert mit III) wurden mit dem erfindungsgemäßen Systemen 10 zur Erzeugung von Prozesswärme durchgeführt, wie in Figur 1 beschrieben.

In den Versuchen lag die Temperatur 58 des ersten externen Mediums 22 zwischen 20 °C und 150 °C, die Temperatur 64 des zweiten externen Mediums 34 zwischen 50 °C und 250 °C und die Temperatur 74 des dritten externen Mediums 42 zwischen 40 °C und 200 °C. Als Arbeitsmittel 16 wurde in der Wärmepumpe 12 jeweils R1233zd verwendet.

Im Betrieb der Wärmepumpe wurde jeweils die Temperatur 58 des ersten externen Mediums 22 beim Eintritt 60 in die Verdampfungseinheit 20 sowie beim Austritt 62 aus dieser in °C gemessen. Ferner wurde die Temperatur 64 des zweiten externen Mediums 34 beim Eintritt 66 in die Verdampfungseinheit 32 sowie beim Austritt 68 aus dieser in °C gemessen. Am Eintritt 70 und Austritt 72 der Wärmeübertragereinheit 40 wurde auch die Temperatur 74 des dritten externen Mediums 42 in °C gemessen. In den konventionell durchgeführten Versuchen I und III sind die Felder zu 70 und 72 folglich leer, da keine Wärmeübertragereinheit 40 vorhanden war. In der Tabelle sind weiterhin dargestellt: die an der Kondensatoreinheit 32 übertragene Wärmeleistung 76, die an der Wärmeübertragereinheit 40 übertragene Wärmeleistung 78 (folglich leer für Versuche I und III), die an der Verdampfungseinheit 20 übertragene Wärmeleistung 80 und die über die Verdichtungseinheit 30, hier exemplarisch als elektrische Antriebsleistung, übertragene Arbeitsleistung 82. Alle Leistungen sind in kW dargestellt. Schließlich zeigt die Tabelle noch: den im Versuch ermittelten COP-Wert 84, den theoretisch erreichbaren COP-Wert 86 und das Verhältnis aus COP-Wert 84 / theoretisch erreichbarem COP-Wert 86, welches auch als Qualität 88 bezeichnet wird. Der COP-Wert 84 wird bekanntermaßen auch als Leistungszahl bezeichnet und gibt die Gesamtwärmeleistung 76+78 bezogen auf die dazu erforderlichen Antriebsleistung 82 an.

Ein Vergleich der Versuche I und II sowie III und IV zeigt deutlich, dass in den Versuchen II und IV unter erfindungsgemäßer Durchführung des Verfahrens zur Erzeugung von Prozesswärme mit dem erfindungsgemäßen System sowohl der COP-Wert 84, als auch die Qualität 88 signifikant gegenüber den konventionellen Versuchen I und III gesteigert werden konnte.

Bezugszeichenliste

10 System

12 Wärmepumpe

14 Arbeitsmittel- Kreislauf

16 fluides Arbeitsmittel

18 Zirkulationsrichtung

20 Verdampfungseinheit

22 erstes externes Medium

24 flüssiger Aggregatszustand

26 gasförmiger Aggregatszustand

28 Reservoir

30 Verdichtungseinheit

32 Kondensatoreinheit

34 zweites externes Medium

36 Reservoir

38 Expansionseinheit

40 Wärmeübertragereinheit

42 drittes externes Medium

44 Unterkühlungseinheit

46 Reservoir

48 Regelorgan

50 Arbeitsmittel-Sammeleinheit

52 Wärmerückführungseinheit

54 Steuergerät

56 Signal

58 Temperatur

60 Eintritt

62 Austritt

64 Temperatur

66 Eintritt

68 Austritt

70 Eintritt

72 Austritt Temperatur Wärmeleistung Wärmeleistung Wärmeleistung Arbeitsleistung/Antriebsleistung COP-Wert theoretischer COP-Wert Qualität