Wärmepumpenverfahren und Wärmepumpenanordnunq

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmepumpenverfahren und eine Wärmepumpenanordnung.

Hintergrund

Kompressionswärmepumpen mit geschlossenem Kreislauf werden eingesetzt, um Wärme Qu von einem unteren Temperaturniveau Tu (Wärmequelle) auf ein oberes Temperaturniveau To (Wärmesenke) zu heben. Hierzu muss Arbeit aufgewendet werden. Das Verhältnis Qo/W der bei To nutzbaren Wärme Qo zur Arbeit W wird auch als Leistungskoeffizient (engl. Coefficient of Performance, COP) bezeichnet. Man spricht von Hochtemperaturwärmepumpen, wenn das obere Temperaturniveau To höher als 80 °C oder sogar höher als 100 °C liegt. Die Temperaturdifferenz To-Tu wird auch mit ATLift bezeichnet. Eine aktuelle Aufstellung technisch erreichbarer COP- Werte in Abhängigkeit hiervon können beispielsweise der Veröffentlichung von Arpagaus Cordin et al., „High temperature heat pumps: Market overview, state of the art, research status, refrigerants, and application potentials“, Energy 152 (2018), 985- 1010 entnommen werden.

Die vorliegende Erfindung stellt sich vor diesem Hintergrund die Aufgabe, bekannte Wärmepumpenverfahren und Wärmepumpenanordnungen zu verbessern.

Offenbarung der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch ein Wärmepumpenverfahren und eine Wärmepumpenanordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben.

Die vorliegende Anmeldung verwendet zur Charakterisierung von Drücken und Temperaturen die Begriffe „Druckniveau“ und „Temperaturniveau“, wodurch zum Ausdruck gebracht werden soll, dass Drücke und Temperaturen in dem jeweils erläuterten Verfahren bzw. einer entsprechenden Anordnung nicht in Form exakter Druck- bzw. Temperaturwerte verwendet werden müssen. Jedoch bewegen sich derartige Drücke und Temperaturen typischerweise in bestimmten Bereichen, die beispielsweise ± 10 % um einen Mittelwert liegen. Druck- und Temperaturniveaus können dabei in disjunkten Bereichen liegen oder in Bereichen, die einander überlappen. Insbesondere schließen Druckniveaus unvermeidliche oder zu erwartende Druckverluste ein. Entsprechendes gilt für Temperaturniveaus.

Der Begriff „Aufsättigung“ soll nachfolgend die Erhöhung eines Sättigungsgrads eines zunächst noch nicht in gesättigtem Zustand vorliegenden, also überhitzten Arbeitsmittels in einem Wärmepumpenkreislauf bezeichnen. Diese wird in Ausgestaltungen der Erfindung insbesondere durch Abziehen einer Dampfphase aus einem Behälter, deren Abkühlung und zumindest teilweise oder vollständige Verflüssigung, und die anschließende, zumindest teilweise Rückspeisung in denselben Behälter erreicht.

Eine „Einspritzung“ (engl. Injection) soll nachfolgend die Einleitung eines flüssigen Mediums in eine oder zwischen mehrere Verdichterstufen eines mehrstufigen Zentrifugalverdichters bezeichnen. Hierbei werden eine oder mehrere Düsen eingesetzt, die das flüssige Medium fein zerstäuben (vernebeln), um eine möglichst rasche Überführung in den gasförmigen Zustand sicherzustellen.

Durch eine entsprechende Aufsättigung des verdichteten Arbeitsmittels kann in Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung insbesondere die durch die Verdichtung entstandene Überhitzung abgebaut werden. Dadurch kann vermieden werden, dass die Wärmesenke zumindest teilweise mit unerwünscht hoher Temperatur beaufschlagt wird. Dies ist z.B. beim Aufkochen beladenen Amins in der Regenerierkolonne einer Aminwäsche besonders vorteilhaft.

Bei einer Aminwäsche handelt es sich um einen häufig benutzten chemischen Prozess zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid, Schwefelwasserstoff und anderen sauren Gasen aus Gasgemischen. Die Aminwäsche beruht auf dem Prinzip der Chemisorption. Bei Aminwäschen lassen sich schon bei relativ niedrigen Drücken vergleichsweise hohe Reinheiten erzielen. Die Selektivität ist ebenfalls typischerweise höher als bei einer Physisorption. Bei einer Aminwäsche werden typischerweise leicht alkalische wässrige Lösungen von Aminen (zumeist Ethanolaminderivate) als Waschmittel eingesetzt, die Sauergase unter Freisetzung von Reaktionswärme reversibel chemisch absorbieren. Zur Regeneration des beladenen Waschmittels werden bei hoher Temperatur (Einsatz von thermischer Energie) und niedrigem Druck das chemische Gleichgewicht umgekehrt und somit die gebundenen Sauergase dem Waschmittel entzogen. Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung können als Wärmesenke insbesondere das beladene Waschmittel nutzen, das auf diese Weise aufgeheizt werden kann, das allerdings bereits vor der Aufheizung auf vergleichsweise hoher Temperatur vorliegt. Die Temperatur im Sumpf der Regenerierkolonne wird dadurch bestimmt, dass im Wesentlichen Wasser in einer Mischung mit Aminen verdampft wird. Bei mindestens Atmosphärendruck ergibt sich eine Sumpftemperatur von mehr als 120 °C. Daher wird zur Beheizung vorteilhafterweise eine Hochtemperaturwärmepumpe genutzt. Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung betreffen damit ein Verfahren, das eine entsprechende Aminwäsche umfasst.

Die vorliegende Erfindung schafft insgesamt ein (Hochtemperatur-) Wärmepumpenverfahren mit einem oberen Temperaturniveau To von typischerweise mehr als 120 °C und einem COP-Wert von typischerweise mehr als 2,5. Die Wärme wird bei dem oberen Temperaturniveau To in Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung weitgehend isotherm freigesetzt, so dass eine übermäßige Erwärmung der Wärmesenke vermieden werden kann. Eine übermäßige Erwärmung muss vermieden werden, da die eingesetzten Amine die bei höherer Temperatur degradieren, d.h. ihre chemischen Eigenschaften durch Änderung in der Molekülstruktur ändern. Es kann lokal zur Schädigung der Amine führen, auch wenn die Sumpftemperatur noch am Siedepunkt bleibt.

Die vorliegende Erfindung schlägt dabei ein Wärmepumpenverfahren vor, bei dem ein Arbeitsmittel unter Verwendung einer Wärmequelle auf einem unteren Temperaturniveau Tu einer Verdampfung und anschließend einer Verdichtung und einer Verflüssigung unter Verwendung einer Wärmesenke auf einem oberen Temperaturniveau To unterworfen wird, wobei das Arbeitsmittel nach der Verdampfung und vor der Verdichtung einer Überhitzung unterworfen wird, wobei eine durch die Verdichtung bewirkte Temperaturerhöhung durch eine Einspritzung in die Verdichtung begrenzt wird, und wobei das Arbeitsmittel nach der Verdichtung und vor der Verflüssigung auf dem oberen Temperaturniveau To einer Aufsättigung unterworfen wird. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfolgt die Überhitzung des verdampften Arbeitsmittels insbesondere in einem Gegenstromwärmetäuscher gegen bei hohem Druck verflüssigtes Arbeitsmittel, wobei die Saugtemperatur eines zur Verdichtung verwendeten Verdichters insbesondere höchstens 10 K, vorzugsweise höchstens 5 K, unter dem oberen Temperaturniveau To liegt.

Die Vorteile der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen wurden bereits zuvor erläutert und umfassen insbesondere eine erhöhte Effizienz bei gleichzeitiger Vermeidung einer übermäßigen Erwärmung der Wärmesenke.

In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung liegt das untere Temperaturniveau insbesondere bei 10 bis 60 °C. Das obere Temperaturniveau To liegt insbesondere bei mindestens 115 °C, insbesondere bei mindestens 120 °C. Es handelt sich dabei bei dem in einer entsprechenden Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen Verfahren um ein eingangs erwähntes Hochtemperaturwärmepumpenverfahren, das für bestimmte Zwecke, wie die erwähnten Aminwäschen besonders vorteilhaft ist. Das obere Temperaturniveau To kann beispielsweise bei bis zu 140 °C, insbesondere bis zu 130 °C, liegen. Ein Eintrittstemperaturniveau in die Verdichtung, d.h. einen hier verwendeten Verdichter, liegt insbesondere bei höchstens 10 K, weiter insbesondere höchstens 5 K unter dem oberen Temperaturniveau To.

Ein Eintrittsdruckniveau des verwendeten Verdichters kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere bei 1 ,5 bis 5 bar, ein Austrittsdruckniveau insbesondere bei 20 bis 50 bar liegen.

Die durch die Verdichtung bewirkte Temperaturerhöhung kann in Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung durch die Einspritzung insbesondere auf ein Temperaturniveau von höchstens 180 °C begrenzt werden. Durch eine derartige Begrenzung lässt sich, beispielsweise im Fall einer Nutzung eines beladenen Waschmittels einer Aminwäsche als Temperatursenke, eine übermäßige Erwärmung vermeiden.

In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann die Einspritzung unter Verwendung eines Teils des Arbeitsmittels durchgeführt werden, das vor der Verdampfung und vor der Überhitzung von einem der Überhitzung und danach der Verdichtung zugeführten Rest abgezweigt, entspannt, und auf einer oder mehreren Zwischenstufen der Verdichtung in die Verdichtung eingespeist wird. Das entsprechende, zur Einspritzung verwendete Arbeitsmittel kann hierbei in den Kreislauf zurückgeführt werden und wird auf diese Weise weiter genutzt.

Die Einspritzung kann insbesondere in mehrstufiger Weise erfolgen. Hierbei kann insbesondere eine Anordnung zum Einsatz kommen, wie sie in der EP 3 505 767 B1 beschrieben ist. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung ist in der Europäischen Patentanmeldung Nr. 20 176 585.6 der Anmelderin im Zusammenhang mit einer Pumpgrenzregelung (engl. Surge Control) beschrieben. Wie dort offenbart, kann auch die in einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorgesehene Einspritzung unter Verwendung einer oder mehrerer Düsen erfolgen. Die Düse oder mindestens eine der mehreren Düsen kann einen Auslass aufweisen, der in einem Rücklaufbogen (engl. Return Bend) zwischen unterschiedlichen Verdichterstufen eines mehrstufigen Zentrifugal- bzw. Turboverdichters angeordnet ist. Die Düse oder wenigstens eine der mehreren Düsen oder mindestens eine damit verbundene Leitung kann eine thermische Isolierung aufweisen. Die Düse oder mindestens eine der mehreren Düsen oder mindestens eine damit verbundene Leitung kann eine Entgasungseinrichtung aufweisen. Die Düse oder mindestens eine der mehreren Düsen kann mit einer Druckdifferenz von 2 bis 10 bar, insbesondere 7 bar, betrieben werden.

Die soeben erläuterten Ausgestaltungen dienen insbesondere dazu, Dampfblasen bzw. eine Dampfblockade (engl. Vapor Lock) zu vermeiden. Eine Dampfblockade kann sich dadurch ergeben, dass das einzuspritzende Arbeitsmittel in der Zuleitung zur Einspritzdüse ausgast. Das flüssige Arbeitsmittel durchläuft bei der Annäherung an den heißen Rücklaufbogen Bereiche mit höheren Temperaturen. Da dieses nicht notwendigerweise unterkühlt ist, kann es zu entsprechendem Ausgasen kommen. Nur ein kleiner Teil des dabei gebildeten Dampfes kann die Einspritzdüse passieren. Wird die Verdampfungsrate höher als der maximal mögliche Dampfstrom in der Düse, kann keine Flüssigkeit die Düse mehr passieren. Damit kann es zu einer unzureichenden Zerstäubung und Verdampfung kommen.

Eine thermische Isolierung kann insbesondere in Form einer doppelwandigen Ausbildung eines Leitungsabschnitts mit einem Zwischenraum ausgebildet sein, der insbesondere evakuiert sein kann. Die thermische Isolierung kann sich in Ausgestaltungen so weit wie technisch möglich in Richtung der Einspritzstelle erstrecken, um den Wärmezufluss und damit die Gefahr von Dampfblasen zu verringern. Eine Entgasung kann insbesondere unter Verwendung einer Leitung vorgenommen werden, die z.B. koaxial innerhalb oder außerhalb der Leitung angeordnet ist, durch die das einzuspritzende Arbeitsmittel geleitet wird. Auf diese Weise kann das durch Verdampfung gebildete kalte Gas vorzugsweise dem Verdichter zugeführt werden. Eine weitere grundsätzlich mögliche Alternative ist die Unterkühlung der einzuspritzenden Flüssigkeit, so dass die Verdampfung und damit die Bildung von Dampfblasen vermieden werden kann.

In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann für die Verdichtung ein Verdichter verwendet werden, der als Einwellenturboverdichter oder Schraubenverdichter ausgebildet ist. Schraubenverdichter eignen sich dabei insbesondere für kleinere Anordnungen, wohingegen (mehrstufige) Einwellenturboverdichter, insbesondere der soeben erläuterten Art, insbesondere für größere Anordnungen zum Einsatz kommen.

Ein Wärmepumpenverfahren umfasst in einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung insbesondere, dass die Aufsättigung unter Verwendung eines Behälters durchgeführt wird, dem kopfseitig eine Dampfphase entnommen, in einem mit der Wärmesenke thermisch gekoppelten Wärmetauscher zumindest zu einem Teil verflüssigt, und in den Behälter zurückgespeist wird.

In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein Wärmepumpenverfahren vorgeschlagen, bei dem der Behälter leer ausgebildet oder mit Böden und/oder Packungen ausgestattet ist. Leere Behälter haben insbesondere Gewichts- und Kostenvorteile, während Einbauten die Gleichgewichtseinstellung fördern.

In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst das Wärmepumpenverfahren einen Anfahrbetriebsmodus und einen nach dem Anfahrbetriebsmodus durchgeführten Folgebetriebsmodus, wobei das Arbeitsmittel in dem Folgebetriebsmodus der Aufsättigung auf dem oberen Temperaturniveau To unterworfen wird und wobei das Arbeitsmittel in dem Anfahrbetriebsmodus nach der Verdichtung zumindest zu einem Teil unter Verwendung einer weiteren Wärmesenke auf einem mittleren Temperaturniveau Tm zwischen dem unteren Temperaturniveau Tu und dem oberen Temperaturniveau abgekühlt To wird. Zum vereinfachten Anfahren des Verdichters kann dabei ein Kühler vorgesehen werden, der die bei der Verdichtung anfallende Wärme bei einem mittleren Temperaturniveau Tm unterhalb des oberen Temperaturniveau To abführen kann. Ein zugehöriger Behälter kann in Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung mit dem zuvor im Zusammenhang mit der Aufsättigung erläuterten Behälter kombiniert werden.

In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann die weitere Wärmesenke mit einem Anfahrkühlerthermisch gekoppelt sein. Hierbei kann eine Ausgestaltung vorgesehen sein, in der das untere Temperaturniveau Tu in dem Anfahrbetriebsmodus zumindest zum Teil abgesenkt wird, indem ein auf dem unteren Temperaturniveau Tu vorliegendes Heizmedium zunächst durch den Anfahrkühler und danach durch einen für die Verdampfung des Arbeitsmittels verwendeten Wärmetauscher geführt wird. Mit anderen Worten kann in einer entsprechenden Ausgestaltung vorgesehen sein, dass der Anfahrkühler auch dafür genutzt wird, um das untere Temperaturniveau Tu zumindest zeitweise abzusenken.

In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann die Wärmequelle ein kondensierendes Kältemedium eines Kältekreislaufs sein oder ein solches Kältemedium umfassen, dessen Kondensationswärme auf dem unteren Temperaturniveau Tu zumindest zum Teil zur Verdampfung des Arbeitsmittels verwendet wird. Insbesondere in solchen Fällen kann die zuvor erläuterte Ausgestaltung mit zeitweiser Absenkung des unteren Temperaturniveaus Tu vorteilhaft sein, da hiermit die Kondensationsbedingungen des Kältemediums verbessert werden können.

In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein Arbeitsmittel verwendet, das eine kritische Temperatur aufweist, die mindestens 20 °C oder 30 °C über dem oberen Temperaturniveau To liegt. Das Arbeitsmittel kann dabei insbesondere eine oder mehrere Komponenten aufweisen, die aus n-Butan, i-Pentan, n-Pentan, Cyclobutan und Cyclopentan ausgewählt ist oder sind.

In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann die Wärmequelle ein kondensierendes Kältemittel und/oder ein regeneriertes Amin einer Sauergaswäsche sein oder ein entsprechendes Medium umfassen. Insbesondere bei Verwendung eines regenerierten Amins kann eine vorteilhafte Integration in eine entsprechende Aminwäsche erzielt werden, weil hiermit sowohl eine geeignete Wärmequelle (in Form des regenerierten Waschmittels) und eine geeignete Wärmesenke (in Form des beladenen Waschmittels) genutzt werden kann.

Eine Wärmepumpenanordnung, die dafür eingerichtet ist, ein Arbeitsmittel unter Verwendung einer Wärmequelle auf einem unteren Temperaturniveau Tu einer Verdampfung und anschließend einer Verdichtung und einer Verflüssigung unter Verwendung einer Wärmesenke auf einem oberen Temperaturniveau To zu unterwerfen, ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Eine entsprechende Wärmepumpenanordnung umfasst Mittel, die dafür eingerichtet sind, das Arbeitsmittel nach der Verdampfung und vor der Verdichtung einer Überhitzung zu unterwerfen, eine durch die Verdichtung bewirkte Temperaturerhöhung durch eine Einspritzung in die Verdichtung zu begrenzen, und das Arbeitsmittel nach der Verdichtung und vor der Verflüssigung auf dem oberen Temperaturniveau To einer Aufsättigung zu unterwerfen.

Zu Merkmalen und Vorteilen einer solchen Wärmepumpenanordnung, die in Ausgestaltungen der Erfindung insbesondere dazu eingerichtet sein kann, ein Verfahren durchzuführen, wie es zuvor in unterschiedlichen Ausgestaltungen erläutert wurde, sei auf die obigen Ausführungen ausdrücklich verwiesen. Insbesondere weist eine derartige Wärmepumpenanordnung eine Steuereinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, bei Bedarf, beispielsweise nach einem festen Schaltmuster, auf Grundlage eines Sensorsignals oder auf Anforderung, zwischen dem Anfahr- und dem Folgebetriebsmodus umzuschalten.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, die eine Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.

Figurenbeschreibung

In der einzigen Figur ist ein Wärmepumpenverfahren in Form eines stark vereinfachten Prozessflussdiagramms veranschaulicht und insgesamt mit 100 bezeichnet. Die Figur dient zugleich zur Erläuterung einer entsprechenden Wärmepumpenanordnung. Werden nachfolgend Verfahrensschritte erläutert, gelten die entsprechenden Ausführungen für Komponenten der Anordnung in gleicher weise und umgekehrt. Zu den nachfolgend verwendeten Abkürzungen bzw. Variablen sei ergänzend jeweils auf die eingangs getroffenen Erläuterungen verwiesen.

In dem in der Figur veranschaulichten Verfahren wird in einem Wärmetauscher E1 ein diesem über eine Leitung L1 mit einem Ventil V1 zugeführtes flüssiges Arbeitsmittel auf einem ersten (geringeren) Druckniveau gegen eine Wärmequelle bzw. ein Heizmedium, die bzw. das auf einem unteren Temperaturniveau Tu verfügbar ist, verdampft. Das verdampfte Arbeitsmittel wird über eine Leitung L2 einem Gegenstromwärmetäuscher E3 zugeführt und in diesem einer Überhitzung gegen auf einem zweiten (höheren) Druckniveau vorliegendes verflüssigtes Arbeitsmittel in einer Leitung L3 unterworfen. Das überhitzte Arbeitsmittel wird über eine Leitung L4 einem Verdichter C1 zugeführt und diesem über eine Leitung L5 entnommen. Unter Einsatz eines Behälters D1 wird das verdichtete Arbeitsmittel verflüssigt, wobei eine Dampfphase aus dem Behälter D1 über eine Leitung L6 abgezogen und in dem Wärmetauscher E2 gegen eine Wärmesenke bzw. ein Kühlmedium, die bzw. das auf einem oberen Temperaturniveau To verfügbar ist, zumindest teilweise verflüssigt und über eine Leitung L7 in den Behälter D1 zurückgeführt. Der Behälter D1 dient dabei, mit anderen Worten, der Aufsättigung des verdichteten Arbeitsmittels aus der Leitung L5 mit der Flüssigkeit aus dem Kondensator E2, der Wärme Qo bei To an die Wärmesenke abgibt. Eine Flüssigphase wird dem Behälter D1 über die bereits erwähnte Leitung L3 entnommen und in dem Gegenstromwärmetäuscher E3 unter Überhitzung des verdampften Arbeitsmittels in Leitung L2 weiter abgekühlt.

In dem Verfahren 100 liegt ein Eintrittstemperaturniveau des Verdichters C1 höchstens 10 K, vorzugsweise höchstens 5 K unter dem oberen Temperaturniveau To. Die Verdichtung des überhitzten Arbeitsmittels in dem Verdichter C1 erfolgt auf ein Austrittsdruckniveau, das mindestens dem Siededruck des Arbeitsmittels bei der Temperatur To der Wärmesenke entspricht.

Durch die Aufsättigung des verdichteten Arbeitsmittels in dem Behälter D1 wird die durch die Verdichtung entstandene Überhitzung abgebaut. Dadurch kann vermieden werden, dass die Wärmesenke zumindest teilweise mit unerwünscht hoher Temperatur beaufschlagt wird. Dies ist z.B. beim Aufkochen beladenen Amins in der Regenerierkolonne einer Kohlendioxidwäsche ein wichtiges Kriterium für die Verfahrensauswahl. Die Überhitzung des Arbeitsmittels vor der Verdichtung ermöglicht ein effizientes Verfahren mit einem COP-Wert > 2.5. Die Temperaturerhöhung im Verdichter C1 kann durch Einspritzen von unterkühltem Arbeitsmittel über eine Leitung L8 mit einem Ventil V2 auf < 180 °C begrenzt werden. Zum vereinfachten Anfahren des Verdichters C1 kann ein Kühler E4 vorgesehen sein, der die bei der Verdichtung anfallende Wärme bei einem mittleren Temperaturniveau Tm unterhalb des oberen Temperaturniveau To abführen kann. Ein zugehöriger Behälter D2 kann ggf. mit dem Behälter D1 kombiniert werden oder mit dem Kühler E4 in der erläuterten Weise verschaltet sein, wobei das Arbeitsmittel dem Behälter D2 über eine Leitung L9 mit einem Ventil V3 zugeführt und diesem über eine Leitung L10 entnommen werden kann. Der Anfahrkühler E4 kann ggf. auch dafür genutzt werden, um das obere Temperaturniveau (To) zumindest zeitweise abzusenken.